扬州瘦西湖隧道通风系统设计

陈玉远

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

扬州瘦西湖隧道通风系统设计

陈玉远

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

扬州瘦西湖隧道为穿过国家5A级风景名胜区的单管双层隧道，为了解决洞口环保问题，采用SES对隧道内通风量和污染物浓度进行了模拟计算，结合洞口污染物扩散范围和环境敏感点分布情况，确定了上下层隧道均采用竖井排出式的纵向通风方式；针对烟气沉降速度快的特点，优化了横断面布置，在盾构段和部分明挖段设置排烟道，采用重点排烟的方式，人员安全可用疏散时间提高了1倍，并且在疏散楼梯间采用了上下层分别设置加压送风机的方式，确保了烟气不会进入非事故隧道，极大地提高了人员的安全性。

扬州瘦西湖隧道；单管双层隧道；通风系统；匝道分流；污染物扩散；排烟

pollutant diffusion；smoke exhaust

0 引言

水下城市公路隧道作为城市新型立体交通方式，具有不侵占航道净空、不影响航运、不受气候变化等特点，在缓解城市交通压力方面具有明显优势，同时也随之带来一系列的污染和安全问题。

国内学者对双管隧道污染物排放以及排烟的研究较多，田利伟［1］通过大型环境风洞试验的方法，研究了绿化隔离带以及中隔墙对城市交通隧道洞口污染的扩散影响，获得了洞口污染物扩散规律；王子云等［2］对城市双洞隧道洞口污染物扩散情况进行了研究，分析了车辆出口隧道对车辆进口隧道污染物扩散的影响；董永锋等［3］针对双洞隧道火灾提出了3种排烟方案，采用FDS软件对各方案烟气和温度分布情况进行了计算，确定了3种排烟方案的适用条件；吴小华等［4］运用火灾动态模拟软件对采用独立排烟道集中排烟的隧道火灾进行了模拟，通过研究12种不同排烟口开启方案下隧道内的烟气蔓延规律，提出了排烟口设置的优化方案。目前对于单管双层隧道研究较少，奚峰［5］介绍了单管双层隧道通风设计基本情况，对上海4条双层隧道通风设计的案例进行了分析，归纳了单管双层隧道通风系统的设计特点，未提及污染物扩散范围和火灾防排烟设计。

以扬州瘦西湖单管双层隧道为例，通过洞口敏感点分布、隧道内通风量和污染物情况对运营通风方式进行了研究，并结合隧道横断面布置以及人员疏散情况，提出了在盾构段和部分明挖段采用重点排烟的方式。

1 工程概况

扬州市瘦西湖隧道工程起自扬州市维扬路与杨柳青路的交叉口，止于漕河西路与史可法路交叉口，隧道下穿瘦西湖国家5A级风景名胜区，执行《环境空气质量标准》中的二级规定。主线隧道段为单管双层，每层布置2个车道，隧道在西侧明挖暗埋段对应上下层各设1条匝道，下层隧道车流方向自西向东，上层隧道车流方向自东向西。上下层隧道暗埋段长度分别为1 789、2 350 m。根据结构形式不同，隧道由西向东分为湖西敞开段、湖西明挖暗埋段、湖西工作井、盾构段、湖东工作井、湖东明挖暗埋段和湖东敞开段等，其中盾构段长1 275 m，设计时速60 km/h，道路等级为城市主干路，仅限客车通行。隧道平纵横断面布置见图1—3。

图1 隧道总平面图Fig.1 Plan of tunnel

图2 隧道纵断面示意图Fig.2 Longitudinal profile of tunnel

图3 隧道横断面效果图Fig.3 Effect of single-bore double-deck tunnel

2 隧道内通风计算标准

2.1 隧道内通风卫生标准

隧道内通风卫生标准详见表1。

表1 隧道通风卫生标准Table 1 Health standard of ventilation

2.2 尾气排放标准

综合考虑扬州市车辆生产实际情况、车辆现有情况以及环评报告的要求，尾气排放标准取值如下：初期汽车尾气排放标准按国Ⅲ计算；近期按50%国Ⅲ、50%国Ⅳ计算；远期全部按国Ⅳ标准执行。

2.3 设计交通量

根据交通量预测报告，初期（2015年）、近期（2020年）、远期（2034年）预测单向高峰小时交通量分别为1 984、2 987、3 433 pcu/h，隧道内仅限客车通行，小客车、中客车、大客车比例分别为84.9%、10.0%、5.1%，匝道分流系数为32%。

2.4 需风量计算

根据需风量计算结果，近期稀释CO所需风量最大，计算结果见表2。

隧道内需风量应满足稀释异味要求，换气次数按5次/h计，换气风速取2.5 m/s，则上下层隧道稀释异味需风量分别为136、176 m3/s。

表2 需风量计算结果Table 2 Calculation results of air volume

3 隧道通风系统设计

3.1 洞口环境敏感点分布

根据环评报告，洞口周边环境敏感点分布以及与洞口距离见表3。

表3 环境敏感点分布表Table 3 Distribution of environmental sensitive points

3.2 通风方案

下层隧道长2 350 m，隧道出口处有扬州发电厂宿舍、梅岭李庄、凤凰新村等环境敏感点，其中发电厂宿舍距洞口最近，为37 m，根据环评报告的要求，不允许污染物通过洞口直接排放，采用竖井排出式纵向通风。

上层隧道长1 789 m，设有1处出口匝道，并且敏感点与洞口距离均在47 m以上，可利用主线出口和匝道出口分别排放部分污染物，设计中对全射流纵向通风的可行性进行了重点研究。

采用SES4.1模拟软件对隧道正常运营时通风量和污染物浓度进行了模拟计算［6-8］。具体计算结果见表4。

由表4可以看出，近期和远期洞口污染物排放比例基本相同，其中匝道出口的排污比例为隧道排放总量的33%～45%，主线洞口的排污比例为总排放量的55%～67%，由于匝道和主线隧道的分流作用，每个洞口污染物的排放总量均降低。近期隧道需风量最大，因此近期污染物排放浓度大于远期，当隧道内全程阻滞时污染物浓度最大，为124 cm3/m3。

将主线和匝道污染物排放比例、排放量提供给环评单位，根据环评单位核算结果，在全程阻滞的最不利工况下，当与洞口距离大于80 m时环境空气质量才能满足《环境空气质量标准》中二级标准的要求，根据表3可知，上层隧道4处敏感点与洞口的距离均小于80 m，虽然2处洞口均起到了分散排放废气的作用，但采用洞口直接排放的方式仍不能满足洞口周边环保要求，需要设置风塔集中排放废气。

根据前面的研究，上下层隧道均采用竖井排出式纵向通风。

表4 上层隧道全射流纵向通风计算结果Table 4 Calculation results of longitudinal ventilation of the upper tunnel tube

3.3 运营通风设计

上层隧道在西岸设置排风塔，风塔高度15 m，排风塔与隧道管理中心合建，下层隧道在东岸设置排风塔，风塔高度24 m，风塔内各设置2台大型轴流风机，风机通过风口、联络风道与主隧道相连。上层隧道在西岸对应里程为K0+730处设集中排风口，下层隧道在东岸对应里程为K2+312处设集中排风口。

根据隧道内行车速度以及污染物浓度确定隧道通风系统的运行方式。采用国际道路会议推荐的TOP模式［9-10］对洞口污染物的扩散进行预测，以上层隧道近期计算结果为例（见表4），当采用全射流纵向通风方式，即污染物全部通过洞口排放时，为满足环境空气质量中二级标准的要求，与洞口最小距离计算结果见表5。

表5 上层隧道洞口污染物扩散范围计算结果Table 5 Calculation results of pollutant dispersion at the portal of upper tunnel tube

根据表5的计算结果以及表3的洞口敏感点分布情况可知，当行车速度≥40 km/h时，采用射流风机纵向通风方式（污染物通过主线洞口和匝道洞口分散排放），洞口周边敏感点的环境空气质量均满足要求；当行车速度≤20 km/h时，采用射流风机纵向通风方式，洞口周边敏感点环境空气质量不能满足要求，需采用竖井排出式纵向通风方式，隧道内废气全部通过风塔高空排放。

3.4 火灾防、排烟设计

3.4.1 火灾排烟设计

隧道形式为单管双层，空间受限，人员疏散采用上下层互为疏散的方式，通过在侧部设置疏散楼梯进行纵向疏散，下层隧道净空高度仅为5.1 m，较低的净空决定了火灾时顶部储烟仓空间较小，烟气下降速度较快，因此火灾危害性大。

隧道道路等级为城市主干道，洞口两侧分别设有红绿灯，隧道内发生阻滞的情况较高，且为双层隧道，顶部储烟仓容量较小，采用纵向排烟与重点排烟相结合的方式。

四岁半时她开始学习音乐，五岁开始练钢琴，别的小朋友已经开始考三级或四级了，她还只参加过几场新年晚会的表演。老大学东西比较慢，不是传统意义上让老师容易感受到成就感的孩子，有时她也比较担忧地跟我说，妈妈我学不会。我会告诉她，你能学会！只是需要慢慢来，别人学一周的曲子你可以学两周，你每多弹一遍都会比之前更熟练更流畅。你不需要和别的小朋友比，你只要比前一分钟的自己有进步就可以了。

在盾构段（对应里程K0+885～K2+160）采用重点排烟方式［11］，利用行车隧道侧部空间设置排烟道，排烟道面积6.2 m2，风塔内排风机兼火灾工况下的排烟风机，盾构段排烟道通过联络风道分别接至东西两侧排风塔，西侧与东侧排风塔里程分别为K0+740、K2+312，排烟道设置范围为K0+740～K2+312，为了提高K0+740～+885与K2+160～+312明挖区段的安全性，将这2段也纳入重点排烟方式。对应上下层隧道分别设置电动排烟口，设置间距60 m，风口面积3 m2，上下层隧道分别设置30个电动排烟口，排烟道和排烟口布置如图4所示。其余明挖段采用纵向排烟方式。

图4 盾构段排烟道和排烟口布置示意图Fig.4 Arrangement of smoke duct and smoke vents of shieldbored tunnel

下层主线隧道共分为3个排烟区段，分别为入口（K0+294～+740）火灾、中部（K0+740～K2+312）火灾、出口（K2+312～+629）火灾。当入口和出口段火灾时，采用纵向排烟方式，将烟气通过就近的风塔或隧道出口排出；中间段火灾时，采用重点排烟方式，开启火源附近6个排烟口，开启两端风塔内各1台轴流风机将烟气通过排烟道由两端排风塔排出。

上层主线隧道共分为2个排烟区段，分别为入口（K0+740～K2+312）火灾和出口（K0+574～+740）火灾。当火灾发生在入口时，采用重点排烟方式，开启火源附近6个排烟口，将烟气通过排烟道由两端排风塔排出；当火灾发生在出口段时，采用纵向排烟方式，开启隧道内射流风机，直接将烟气由隧道出口排出。

3.4.2 火灾排烟模拟计算

以下层盾构隧道为例，采用FDS软件对中部大客车火灾工况进行了模拟计算，计算模型见图5。火灾热释放率20 MW，两侧排烟，单台排烟风机风量设定为60 m3/s，对烟气自由蔓延工况和重点排烟工况进行了模拟，计算结果见图6和图7。

图5 下层隧道模型图Fig.5 Model of lower tunnel tube

根据图6计算结果可知，烟气自由蔓延时，在火灾发展阶段到火灾发生后的300 s时间段内，高温烟气聚集在隧道顶部，没有下沉；300 s后烟气迅速向两端蔓延，烟气沉降明显，随着烟气的扩散致使隧道内可见度明显降低；600 s时烟气往两端蔓延距离超过500 m，且全断面内均充满烟气，人员无法安全疏散。

图6 烟气自由蔓延工况Y＝0 m烟气分布云图Fig.6 Schematic diagram of smoke distribution when Y＝0 m in free smoke spreading mode

图7 重点排烟工况Y＝0 m烟气分布云图Fig.7 Schematic diagram of smoke distribution when Y＝0 m in key smoke extraction mode

对下层隧道采用烟气自由蔓延和重点排烟工况下的人员可用安全疏散时间进行研究，根据计算结果可知，与烟气自由蔓延方式相比，重点排烟时，人员可用安全疏散时间在距火源250 m处提高了1倍以上，人员疏散安全性大大提高。

3.4.3 疏散楼梯防烟系统设计

隧道疏散方式为上下层互为疏散，为了保证人员的疏散安全，将疏散楼梯隔成封闭的楼梯间，上下层隧道均设置加压送风机，火灾时开启非事故隧道的加压送风机，对楼梯间加压送风并保持40～50 Pa正压，阻止火灾烟雾进入疏散楼梯间，同时开启射流风机对非事故隧道加压送风。加压风机布置如图8和图9所示。

图8 疏散楼梯间加压风机平面布置示意图Fig.8 Plan layout of forced draught blowers in the emergency staircase

图9 疏散楼梯间加压风机纵断面布置示意图Fig.9 Longitudinal profile of layout of forced draught blowers in the emergency staircase

3.5 通风设备布置

上下层隧道为双车道单向行车，横断面积与常规双车道隧道相当，由于受上层隧道限制，下层隧道设备安装空间受限，给风机布置、选型、安装带来了难度。设计中将下层射流风机置于顶部折角处，每处放置1台，折角处局部外扩。

下层隧道共设置15组直径630 mm射流风机，其中，盾构段8组，每组1台，风机布置于顶部折角处；明挖段每组2台，单台功率均为18.5 kW。上层隧道共设置8组直径630 mm射流风机，每组2台，其中盾构段4组，单台功率18.5 kW。西岸排风塔内设2台轴流风机，单台风机风量110 m3/s，东岸排风塔内设2台轴流风机，单台风机风量120 m3/s，隧道通风设备平面布置示意见图10和图11。

图10 上层隧道通风设备平面布置示意图Fig.10 Schematic diagram of ventilation equipment for upper tunnel tube

图11 下层隧道通风设备平面布置示意图Fig.11 Schematic diagram of ventilation equipment for lower tunnel tube

4 结论与讨论

1）由于出口匝道的分流作用，下层隧道主线洞口的排污比例为总排放量的55%～67%，污染物排放总量降低。

2）隧道位于5A级风景区，环保要求高，即使出口匝道起到了分散排放污染物的作用，仍需设置风塔集中排放废气。上下层隧道均采用竖井排出式纵向通风方案。

3）采用纵向排烟+重点排烟相结合的排烟方式，在盾构段和部分明挖段采用重点排烟，明挖段局部采用纵向排烟。根据仿真结果，重点排烟时，可将烟气控制在排烟口开启的区段内，与烟气自由蔓延方式相比，人员可用安全疏散时间提高了1倍以上，安全性大大提高。

4）对匝道车流量分流系数为32%进行了研究，实际运营中该分流系数以及隧道内车速不断变化，如何实时优化主线和匝道的风量分配将是本课题下一步研究的方向。

（References）：

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Design of Ventilation System for Shouxihu Tunnel in Yangzhou

CHEN Yuyuan
（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，Hubei，China）

Shouxihu tunnel in Yangzhou，which crosses underneath the Grade 5A scenic area，is a single-bore doubledeck tunnel.In the paper，SES is applied to simulate the ventilation air volume and pollutant concentration inside the tunnel，so as to protect the environment near the tunnel portals.Longitudinal ventilation is determined to be applied for both the upper tunnel tube and the lower tunnel tube，considering the range of the pollutant dispersion and the environmental sensitive points near the tunnel portals.The layout of the cross-section of the tunnel is optimized and smoke passages are arranged in the shield-bored tunnel section and part of the cut-and-cover tunnel section，considering the fast sediment of the smokes.The key smoke exhaust mode adopted doubles the available safe evacuation time.Forced draught blowers are applied to the emergency staircases of the upper tunnel tube and the lower tunnel tube respectively，which ensures that no smoke can enter the non-accident tunnel tube and in turn improves the safety of the passengers significantly.

Shouxihu tunnel in Yangzhou；single-bore double-deck tunnel；ventilation system；ramp diversion；

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.014

U 452.2

A

1672-741X（2015）11-1202-07

2015-07-20；

2015-07-31

陈玉远（1982—），男，安徽萧县人，2007年毕业于重庆大学，暖通专业，硕士，高级工程师，现从事地铁和市政隧道通风系统的设计与研究工作。