盾构法道路隧道运营通风设计关键技术

张 迪

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

盾构法道路隧道运营通风设计关键技术

张 迪

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

为了规范与提高盾构法道路隧道通风运营关键技术，基于既有盾构法道路隧道的设计实践，采用调查、归纳、总结及技术验证的方法，提出盾构法道路隧道运营通风设计的主要依据和适用标准，总结出常用运营通风方式的优缺点及适用范围，并结合典型工程的通风设计阐述了正常运营通风和火灾通风设计的主要原则与关键流程，以及逃生通道和设备廊道的通风设计要点。得出通风设计应结合监控、消防等系统协调设计来保证盾构法道路隧道的整体功能，同时，指明了盾构法道路隧道运营通风实施过程中进一步降低通风机能耗及废气处理设备占地面积的发展方向。

盾构法；道路隧道；运营通风；火灾通风

0 引言

因隧道的封闭性极强，故汽车行驶时在隧道内散发出的有害气体(煤烟、CO、SO2等)难以及时疏散，当其集聚到一定体积分数时，便会影响人们的健康和行车安全[1];特别是隧道火灾情况下会产生大量的高温烟雾，对隧道内车辆疏散和人员逃生极具威胁，极易造成灾难性后果[2]。因此，隧道运营通风关系到隧道的使用功能、防灾与救援功能的发挥[3]，是决定隧道运营安全的关键因素之一。通过对近15年来国内外重大隧道火灾伤亡事故进行统计(如表1所示)，可知隧道通风在极端情况下(如特大火灾)并不能及时有效地疏散隧道内集聚的有害气体，对隧道内的行人安全构成了极大的潜在威胁。

盾构法道路隧道在软土公路隧道、市政道路隧道和轨道交通工程建设中得到了广泛应用[4-6]。不同于其他类型隧道的通风设计，盾构法道路隧道通风设计受隧道断面形式、内部设备布置和逃生救援通道设置等多重因素的制约，影响因素多，且通风工况复杂。徐永等[7]依据风险管理规范，对钱江隧道火灾通风进行了研究；杨军等[8]结合南京纬三路过江通道的工程特点，对其通风设计技术进行了分析；HU L H等[9]根据全尺寸火灾试验和数值模拟试验，分析了火灾工况下烟雾温度的消散规律。值得注意的是，当前对盾构法道路隧道通风技术的研究主要针对火灾工况下的通风工况，而对正常运营工况下的隧道通风、逃生通道和设备廊道通风等关注较少，导致盾构法道路隧道运营通风设计缺少系统性和完整性。

近年来，笔者主持了杭州庆春路隧道、杭州钱江隧道、扬州瘦西湖隧道和杭州环城北路隧道等国内多条盾构法道路隧道运营通风的设计与研究工作。在上述工作的基础上，结合盾构法道路隧道运营通风设计经验，对运营通风设计的主要依据和通风类型进行了系统总结。通过工程实践，对正常运营通风设计、火灾通风设计、逃生通道及设备廊道通风设计流程进行了分析，提出盾构法道路隧道运营通风设计关键技术，以期为类似工程设计提供借鉴和参考。

表1 隧道火灾伤亡统计(1999—2013年)Table 1 Statistics of tunnel fire casualty accidents (1999—2013)

1 运营隧道通风设计依据

盾构法道路隧道运营通风设计一般在参考《公路隧道通风照明设计规范》和借鉴世界道路协会(PIARC)的推荐值的基础上，结合隧道的具体条件及国内既有道路隧道通风的实际效果综合确定。

盾构法道路隧道运营通风设计主要包括以下工况：1)隧道内正常交通(设计车速)；2)隧道内全程堵塞，车辆慢行(20 km/h)；3)隧道内局部交通堵塞(考虑不同阻塞区段，堵塞长度按1 000 m)；4)隧道因检修临时关闭一个车道，局部地段单道行驶；5)火灾通风；6)逃生通道及设备廊道的通风。

1.1 道路隧道通风照明设计规范[10]

道路隧道通风主要对CO、烟雾和异味进行稀释。

采用全横向通风方式与半横向通风方式时，CO设计体积分数如表2所示；采用纵向通风方式时，CO设计体积分数参照表2各值提高50×10-6；当交通阻滞时，阻滞段的平均CO设计体积分数可取300×10-6，经历时间不宜超过20 min，阻滞段长度不宜超过1 km。

表2 CO设计体积分数Table 2 Design concentration for CO

注：隧道长度介于中间段时，可按插入法取值。

采用钠灯光源时，烟雾设计浓度如表3所示；采用荧光灯光源时，烟雾设计浓度应提高一级。当烟雾浓度达到0.012 m-1时，应采取交通管制。当隧道内进行养护维修时，现场实际烟雾浓度不大于0.003 5 m-1。

表3 烟雾设计浓度Table 3 Design values for extinction

1.2 PIARC推荐值[11]

PIARC组织多年来专门从事了道路设施的设计与施工、道路设施的运行、安全和维护等方面的信息交流，是世界道路领域最权威、最有影响的国际性组织，该组织通过研究报告的形式对CO体积分数和烟雾浓度设计值进行了规定，如表4所示。

表4 CO和可见度指标Table 4 Design and threshold values for CO and visibility/extinction

1.3 国内既有道路隧道通风标准

近几十年来，我国交通事业迅猛发展，隧道工程建设项目日益增多，已积累了很多成功经验。我国已建成的、典型的道路隧道通风方式及CO设计体积分数如表5所示。

表5 典型道路隧道的CO体积分数设计标准Table 5 Design values for CO of typical road tunnels

1.4 其他依据

盾构法道路隧道运营通风设计应在上述依据的基础上，兼顾尾气排放标准、洞外有害物控制体积分数和噪声标准等综合确定各设计值[12]。

2 盾构法道路隧道运营通风类型

2.1 运营通风模式

隧道通风模式主要包括自然通风、纵向通风、横向通风和半横向通风等，通风方式的选择与隧道长度、交通流量、行车方式、洞口环保要求和气象环境等因素有关。

2.1.1 自然通风

当隧道长度较短时，可不安设通风机而进行自然通风。单向交通隧道的自然通风动力为汽车行驶产生的交通风。在正常通车情况下，绝大多数洞内车辆都以接近设计速度行驶，所以，交通风的风力较大且风向稳定，可作为自然通风的动力源。双向交通隧道由于交通风相互抵消，通风只能靠自然风，但由于自然风的发生依赖于洞内外热压差、洞口水平气压差和自然风压3个因素，因此，双向交通隧道自然通风不稳定[13-14]。

2.1.2 纵向通风方式

纵向通风包括全射流通风和射流诱导+轴流排放组合式分段通风方式。根据隧道长度和需风量，结合隧道辅助坑道设置送排风井，可灵活掌握其组合方式，做到经济、合理。纵向通风方式的优点有：充分利用隧道拱部净空，对土建工程影响极小；有害物体积分数呈三角形分布，空气清新程度较好；通风设备功率较省，运营控制简便；单向行车时可充分利用交通风，节省运营费用。纵向通风方式以其简单、实用的优点在隧道通风中起到越来越大的作用，成为隧道通风方式的首选。

2.1.3 横向通风

横向通风系统安全可靠、性能稳定、不受通风长度的限制，可同时设置送风道和排风道，隧道内基本不产生沿纵向流动的气流，只有横向气流。污染物体积分数沿全隧道大体上均匀分布，全横向通风如图1所示。相比纵向通风方式，横向通风方式能相对有效地控制空气卫生品质及火灾时有效排烟，因此，无论是行车的安全性还是舒适性，横向通风都是一种较好的通风方式；但其庞大的通风管道使隧道所需的断面积也随之变得很大，同时，全横向风道内送排风风速过高，这就要求风机全压很高，导致运行费用过高。

图1 全横向通风Fig.1 Transverse ventilation

2.1.4 半横向通风

利用隧道作为进风道或排风道，只需设排风道或进风道，隧道断面介于全横向通风和纵向通风之间，可以利用部分活塞风作用。半横向通风可使隧道内的污染物体积分数大体上接近一致，如图2所示。

图2 半横向通风Fig.2 Semi-transverse ventilation

排风型半横向式通风可以解决隧道洞口环境污染问题，其洞内环境条件的改善和隧道防灾排烟均较纵向式通风有利，但该方式在隧道内会出现风速为零的中性点，导致通风换气不畅，有害物体积分数无限上升。因此，排风型半横向式通风目前在盾构法道路隧道正常运营通风中很少采用，大多用作火灾时的半横向排烟。送风型半横向式通风将新鲜空气经送风管直接吹向车道，对排气直接稀释，对后续车很有利，污染空气在隧道上部扩散，经过两端洞口排出洞外；但由洞口沿隧道纵向排风，会造成进出洞口区域废气污染。所以，半横向式通风虽然投资费用约为全横向式通风的一半左右，但风道面积小，风速高，导致运营成本上升，在目前的盾构法道路隧道正常运营通风中也较少采用。

2.2 通风方式适用范围

各种通风方式的适用范围目前尚没有统一的规定。近年来，国内外专家和学者从通风技术可行性及工程经济等方面总结出各种通风方式的适用长度，如表6所示[15]。针对盾构法道路隧道一般为单向行驶的特点，依据盾构段的长度、洞口污染物环保控制标准、盾构断面大小导致的排烟道面积大小以及烟道板施工难度、风塔设置难度、工程经济合理性等方面，正常运营通风情况下多采用全长射流通风洞口排污或分段射流风机诱导纵向通风+风塔集中排污通风方式；火灾工况下多采用全长射流洞口排烟方式、分段射流诱导风塔集中排烟通风方式或排烟道火灾点附近集中排烟风塔排放方式，如表7所示[16]。

表6 各种通风方式的适用长度Table 6 Application lengths of different ventilation modes

表7 道路盾构法隧道运营通风方式Table 7 Operation ventilation modes of road tunnels

3 正常运营通风设计

3.1 正常运营通风设计原则

1)正常交通情况下，通风系统应能稀释隧道内汽车行驶时排出的废气，达到卫生标准，为司乘人员、维修人员提供合适的洞内条件，为安全行车提供新鲜的空气和清晰的能见度。

2)通风空调设备按远期配置，土建一次到位，设备安装需考虑近期与远期分期实施的经济价值及工程实施的可能与需要。

3)通风空调系统应综合考虑节能措施，设备选型应符合安全可靠、工艺成熟、技术先进、高效节能、运行成本低及国产化的原则和条件。

4)在确保通风效果可靠性及节能运行、节约工程投资的前提下，优选适当的隧道通风方式。

5)通风空调系统各运转设备对外、对内的噪声以及振动必须符合国家标准及环境影响报告书的要求。

3.2 正常运营通风设计实践

盾构法道路隧道运营通风设计流程为：预测的各年度交通量—确定通风模式—需风量计算—通风方式设计。以钱江隧道的运营通风设计为例，对正常运营通风设计流程进行总结分析。

3.2.1 工程概况

钱江隧道是钱江通道及接线工程过钱塘江段的隧道，建筑长度4 450 m，过江段采用盾构法施工，盾构外径15.0 m，内径13.7 m，是目前世界上已建成的、最大直径的盾构法隧道之一。隧道为高速公路隧道，设计车速80 km/h，为双向6车道[17]。隧道断面布置如图3所示。

3.2.2 预测交通量

根据交通量预测报告，钱江隧道过江交通量如表8所示，隧道内车型构成比例如表9所示。

图3 钱江隧道盾构段横断面布置(单位：mm)Fig.3 Layout of cross-section of Qianjiang shield-bored tunnel (mm)

表8 钱江隧道预测交通量Table 8 Traffic forecast of Qianjiang tunnel

3.2.3 通风模式选择

根据《钱江通道及接线工程环境影响报告书》，隧道内废气在洞口直接排放会造成部分敏感点NOx超标，因此，在两端洞口附近设置排风塔。隧道内大部分废气通过风塔高空排放，少量废气通过洞口直接排放。

表9 隧道内车型比例Table 9 Traffic flow vehicle ratio

3.2.4 需风量计算

需风量计算主要包含4步，即：按规范及预测交通量计算需风量—按适应交通量校核需风量—按稀释空气中异味计算需风量—设计取用新风量。参照上述步骤，最大需风量为远景2030年、设计车速为40 km/h时的工况，计算所得的最大需风量如表10所示。

表10 计算需风量Table 10 Calculated airflow for ventilation

3.2.5 正常通风设计

隧道江南和江北分别设置排风塔，风塔内设置大型轴流风机，风机通过风口、风道与主隧道相连。正常及进口阻滞时，通风采用分流型纵向通风方式，隧道内大部分废气通过风塔高空排放；出口阻滞时，通风采用合流型纵向通风方式，隧道内废气全部通过风塔高空排放。以东线为例，正常运营的通风气流组织如图4和图5所示，隧道实际运行风量如表11所示。

图4 正常通行及入口阻滞通风Fig.4 Ventilation for normal traffic or entrance block

图5 出口阻滞通风Fig.5 Ventilation for exit block

表11 隧道实际风量表Table 11 Required airflow for ventilation

4 火灾通风设计

4.1 火灾通风设计原则

盾构隧道一旦发生火灾，正常通风应立即改变为火灾通风，此时的通风应达到以下目的。

1)通风必须有利于人员逃生避难，尽可能提供逃生所需的时间，风速的大小应尽量减少传到人体上的热负荷，还要避免因纵向风流的湍流和涡流作用而使洞内烟雾弥漫，最大程度地为人员避难创造条件[18]。

2)通风应避免和尽量减少火场高温气体的扩散，防止炽热气流引燃火场以外的车辆，造成火场扩大；应有利于消防队员救火，使消防队员能从上风方向接近火场，开展灭火工作。

3)当逃生人员通过人行横通道进入另一个平行隧道时(或车道层经滑楼梯进入下层疏散通道，或上下互层逃生)，事故通风应能防止着火隧道的烟气进入人行横道及相邻隧道(或避难通道)。

4)隧道通风按同一时间发生一次火灾进行设计，市政通行非货车的隧道火灾规模为20 MW，公路允许通行货车的隧道火灾规模取50 MW。

5)根据隧道断面大小、隧道长短和通行车种类等考虑是否设置专用排烟道。

4.2 火灾通风设计实践

目前，烟道板集中排烟模式在国内应用较少，对排烟道集中排烟系统设置方案尚无相关规范指导[19]。对于盾构段较长的隧道，设置排烟道后的疏散救援效果优于无排烟道。单管两车道盾构隧道由于断面相对较小，顶部设置排烟道施工难度大，运营期间烟道板结构维护困难，目前一般较少采用排烟道集中排烟方式。无论盾构段是否设置排烟道，都应能满足防灾疏散要求，提供必要的火灾安全疏散时间。

4.2.1 有排烟道隧道火灾通风设计

钱江隧道工程设置了专用排烟道(见图3)，火灾发热量按50 MW、烟雾产生量按200 m3/s进行火灾通风设计。隧道盾构段利用顶部富余的拱形空间作为排烟风道，每隔60 m设置专用排烟风阀，风阀断面5 000 mm×2 000 mm，用于火灾时的集中排烟。在隧道两端明挖段车行道顶部悬挂射流风机，辅助正常及交通阻塞时的诱导通风。此外，设计中对于火灾通风采用CFD软件进行了烟气排放模拟，并在施工前进行了全尺寸实验以确定烟道口大小，施工完成后结合逃生疏散实验进行了火灾时排烟道集中排烟和消防灭火的检验，效果均符合设计要求。

最终方案确定为：1)当火灾发生在入口段时，开启工作井处及盾构段始端6个排烟口，利用排烟道将烟气排出隧道，如图6所示；2)当火灾发生在盾构段时，开启火灾点及前方共6个排烟口，同样利用排烟道将烟气排出隧道，如图7所示；3)当火灾发生在出口段时，开启射流风机，直接将烟气吹出洞外，如图8所示。

图6 有排烟道隧道入口段火灾通风Fig.6 Ventilation for fire in entrance section of tunnel with extinction ventilation gallery

图7 有排烟道隧道盾构段火灾通风Fig.7 Ventilation for fire in shield-bored section of tunnel with extinction ventilation gallery

图8 有排烟道隧道出口段火灾通风Fig.8 Ventilation for fire in exit section of tunnel with extinction ventilation gallery

4.2.2 无排烟道隧道火灾通风设计

庆春路过江隧道是钱塘江第1座盾构法水底道路隧道，全长3 765 m(以东线计)，主线设计速度60 km/h，隧道内径10.3 m，外径11.3 m，双向4车道，隧道断面布置如图9所示。该隧道火灾规模按20 MW设计。当隧道入口段发生火灾时，入口段射流风机正转形成正风、盾构段及出口段射流风机反转形成逆风，使烟气顺盾构段流动，同时开启入口段处工作井排风塔轴流风机，将烟气集中排放，如图10所示。当盾构段发生火灾时，开启盾构段6台射流风机正转，出口段处2台工作井排烟风机同时运行，出口段2台射流风机逆转运行，在着火点形成大于2.4 m/s的风速，将烟气从出口段工作井排出，如图11所示。当隧道出口段发生火灾时，开启隧道内射流风机正转，直接将烟气由出口排出，如图12所示。

5 逃生通道及设备廊道通风设计

1)正常情况下，逃生通道与电缆廊道共用一套通风系统，在廊道靠两侧工作井洞口处设置轴流风机，风口设置电动风阀控制气流流动。一侧工作井送风,另一侧工作井排风，通过盾构段与工作井连接处的风阀控制，保证通道内的通风换气次数不小于5次，以满足检修人员的安全和电缆散热的要求。

图9 庆春路隧道盾构段横断面布置(单位：mm)Fig.9 Layout of cross-section of Qingchunlu tunnel (mm)

2)盾构段发生火灾后，关闭电缆廊道送风口风阀，开启安全通道送风口，两侧工作井内送风机同时向逃生通道加压送风，保证火灾情况下的疏散口风速≥0.7m/s，正压值30～50 Pa。当盾构段较长、经计算打开盖板后疏散口风压值不满足要求时，在逃生通道及疏散口附近设置小型加压风机，直接对疏散口辅助加压，见图13。

图10 无排烟道隧道入口段火灾通风Fig.10 Ventilation for fire in entrance section of tunnel without extinction ventilation gallery

图11 无排烟道隧道盾构段火灾通风Fig.11 Ventilation for fire in shield-bored section of tunnel without extinction ventilation gallery

图12 无排烟道隧道出口段火灾通风Fig.12 Ventilation for fire in exit section of tunnel without extinction ventilation gallery

图13 疏散通道通风Fig.13 Ventilation for evacuation passage

6 结论与展望

本文总结了当前常用的盾构法道路隧道运营通风类型和设计依据，介绍了正常运营通风与火灾通风的主要设计流程，阐述了逃生通道及设备廊道通风设计要点，主要结论与展望如下。

1)盾构法道路隧道运营通风设计不是一个独立的系统，应与隧道监控和消防等系统综合协调工作，从而保证隧道的正常运营与防灾功能的有效合理实现。

2)通风对于确保隧道的正常运营及防灾至关重要，通风设计前应充分调研，隧道运营后应加强监管和维护。

3)隧道的能耗有很大一部分来自于隧道的通风机，应进一步开发出经济、节能、环保的通风机械。

4)采用废气集中高空排放方式虽然能够满足隧道洞口空气质量符合环保要求，但仅仅依靠风塔高空排放，也难以满足城市用地、景观及其他环境保护方面的要求。在城市道路中开发出占地少、能进行废气处理、经济节能的通风技术与设备，将具有良好的工程应用前景。

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KeyTechnologiesforOperationVentilationDesignofRoadTunnelsConstructedbyShieldMethod

ZHANG Di

(ChinaRailwayNo.4SurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

Road tunnels constructed by shield method have been widely used in urban road network.The operation ventilation of those road runnels,which controls the air quality in the tunnels,has important influence on the passenger’s health and traffic safety.In the paper,the main principles and attentions for the ventilation design of current shield-bored road tunnels are presented by means of investigation,induction,summary and technical validation based on years of practices,so as to standardize and improve the ventilation techniques of road tunnels.The advantages and disadvantages of different operation ventilation modes are presented,and the application ranges of different ventilation modes are pointed out.The principles and key procedure of the design of normal operation ventilation and fire ventilation are explained on basis of typical practices,and the key technologies for ventilation design of evacuation passages and equipment passages are discussed.It is concluded that the ventilation design should be coordinated with the monitoring system and the fire-fighting system,so as to ensure the overall function of road tunnels constructed by shield method.Furthermore,trends to solve problems in operation ventilation of shield-bored road tunnels,such as high energy consumption of ventilators and large space occupation of exhaust air treatment equipment,are pointed.

shield method; road tunnel; operation ventilation; fire ventilation

2014-05-21;

2014-08-07

张迪(1972—)，男，湖北天门人，1995年毕业于西南交通大学，土建结构工程专业，本科，高级工程师，现从事隧道及地下工程勘察设计研究与技术管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.008

U 453.5

B

1672-741X(2014)11-1062-09