分叉式公路隧道通风设计实例及问题研究

林欣欣

北京市市政工程设计研究总院有限公司

0 引言

随着我国城市化建设的不断推进，整个国家公路网在逐步完善升级，公路隧道的建设速度越来越快，公路隧道已经从单管隧道发展为有多出入口的分叉隧道，隧道出入口满足不同区域的车流量要求，分叉隧道的出现对隧道通风系统提出了新的要求，通风系统的设计需要满足各区间新风量的需求同时又要保证火灾情况下排烟的要求，本文以东部过境高速公路莲塘隧道通风系统设计为实例，对分叉隧道设计中遇见的问题进行深入探讨。

1 工程概况

东部过境高速公路位于深圳市罗湖区，龙岗区及坪山新区内，路线基本为西南—东北走向，路线全长32.5 公里，公路等级为高速公路。东部过境高速公路中最长隧道为莲塘隧道，包括市政西北、市政东南、市政段、莲塘主线、口岸线五部分，北线隧道最长4375 m，南线隧道最长4463 m，主线设计时速60 km/h，双洞单向行车，除口岸段为双向四车道、六车道外，其余隧道均为双向八车道。隧道设计纵坡：-3.0%≤i＜2.80%。各段隧道长度详见图1。

图1 莲塘隧道概况图

2 通风系统设计

2.1 通风系统设计原则

隧道通风主要满足以下要求：稀释隧道内车辆行驶排出的废气（如CO 气体和影响能见度的烟尘）。稀释隧道中的异味，保证合理的隧道卫生标准。火灾事故中，隧道通风系统可排出火灾产生的烟雾，并防止火灾产生热量的扩散，提供一定数量的新风，保证人员的疏散和消防扑救。控制排放和噪声，满足环保要求。本项目采用纵向通风+竖井排烟方式。

2.2 通风系统设计技术标准

各设计参数根据文献[1-2]确定：

1）一氧化碳（CO）允许浓度

正常营运时：采用纵向通风方式，莲塘隧道一氧化碳（CO）允许浓度取100 cm3/m3。

交通阻滞时：短时间（20 min）以内为150 cm3/m3，计算长度1km。

2）烟尘允许浓度

隧道内采用LED 灯光源，烟尘设计浓度具体如表1 所示：

表1 烟尘设计浓度

3）隧道内纵向风速：<10 m/s。

4）隧道换气次数：n≥3 次/h。

5）隧道内换气风速：v≥1.5 m/s。

6）自然风速（设计取值）：vn=±2.5 m/s。

7）火灾工况设计控制风速

莲塘主线及口岸段为3 m/s，市政西北及东南为3.5 m/s。

式中，Φ(t)为冲击波波阵面在拉格朗日坐标系下的位置。结合初始条件v(0) = V0，式(8)可以给出：

8）车辆火灾热释放功率按20 MW 计算。

2.3 需风量计算

设计需风量取各车速工况稀释一氧化碳（CO）和烟尘（VI），除异味（换气），火灾通风需风量中的最大值。针对分叉隧道合流、分流处，设计按照假定风压恒定原则，隧道分叉口风量分配与各洞口断面积成正比，并且结合通风网络法核算，最终得出各段风量。如图2、3 所示：

图2 北线隧道需风量（m3/s）

图3 南线隧道需风量（m3/s）

2.4 设备选型

结合隧道净空断面尺寸，按尽量选择推力效率高、制造技术成熟风机的原则，射流风机升压力按照《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2-02-2014）进行计算，因此本设计选用100# 双向射流风机，单台功率30 kW，射流风机出口风速26.3 m/s，推力1057N，各段设备台数见图4 及表2。

图4 隧道分区域网络图

表2 射流风机配置表

2.5 系统运行设计

隧道通风控制按一氧化碳浓度、烟雾浓度指标，分近、远期，正常工况，交通阻塞及火灾几种工况。

车辆按较高速度正常行驶，车辆带进隧道的新鲜空气满足隧道内换气要求，所以隧道换气不作为风机控制因素。

1）正常工况：经计算，隧道内车辆保持40 km/h 以上工况车速行驶时，隧道交通通风力可以满足隧道设计环境要求，所有射流风机皆无需开启。

2）阻滞工况：该工况下，交通通风力几乎接近于零，开启全部射流风机以保持隧道设计环境卫生条件。当阻滞时间超过20 min 时，应暂时关闭隧道入口，限制车辆进入隧道。

3）火灾工况：对于大型立交隧道，火灾工况通风工况复杂，作为关键的问题在第三节进行了详细分析研究。

3 关键问题研究

3.1 排烟控制风速研究

图5 莲塘隧道主线火灾临界风速模型

图6 北线分叉口控制风速模型

1）由于断面和坡率的不同，互通立交不同位置发生火灾，控制火灾烟流流动的临界风速不同。通过数值模拟及理论计算，大型互通立交控制火灾烟流纵向流动的临界风速可按表3 取值（火灾功率为20 MW）。

表3 不同隧道段火灾的临界风速表

2）为保证火灾烟流按照规定路线排走，不流入另一分岔口，在大型互通分岔处应保证有一定的控制风速。通过模拟，北线莲塘分岔口连接线主线的控制风速为1.5 m/s。南线分岔处口的控制风速为1.0 m/s。

3）若火灾下游横通道在火灾情况下未关闭，必须有大于1.5 m/s 的风速才能保证火灾烟流不流入未火灾隧道。

3.2 通风网络研究

深圳东部过境莲塘隧道大型地下立交的风流组织已经完全不同于普通的单管隧道，存在多风流出入口及多风流交汇点，已经形成通风网络，《细则》中的通风计算理论已经不能解决该地下立交的通风计算，需采用通风网络计算理论进行设计[3]。

风流理论研究风流在隧道中的流动特征，讨论的是风流的微观现象。风流在网络中需要遵守以下三个定律：

①质量守恒定律：在单位时间内，任一节点流入和流出空气质量的代数和为零。

②能量守恒定律（风压平衡定律）：在任何闭合回路（或网孔）上所发生的风流能量转换的代数和为零。

③通风阻力定律：对于处于完全紊流状态的风流，其阻力遵守平方关系。

以上三定律是进行通风网络解算的基本依据，本工程通风风量的最后核算与高校合作进行通风网络分析，对设计理论计算进行验证，保证隧道通风系统设计的合理性。

3.3 防灾救援通风研究

疏散救援原则：火灾时，所有进出口实行交通管制，启动应急救援预案。着火隧道内着火点上游人员弃车通过人行横通道疏散至相邻隧道。着火隧道内着火点下游车辆迅速驶离隧道（隧道拥堵时，火灾隧道人员均弃车逃生），同时关闭车行横通道的防火卷帘。火情较小时，非着火隧道车辆停驶，等待着火隧道人员疏散完毕后，再驶离隧道。或腾出内侧车道，并加速驶离隧道。火情需要外部消防救援时，隧道监控中心应根据交通情况引导消防车辆通过着火隧道下游或非着火隧道到达火灾位置。

排烟原则：着火隧道开启适当位置、适当数量射流风机，控制烟流沿行车方向下游流动，烟流不逆流。烟气自竖井或洞口排出。相关非着火隧道射流风机需根据着火点不同，开启射流风机正转或逆转，以阻止烟气进入。

全线隧道根据着火点位置不同共设计12 种通风设备运行工况，位置见图4。表4、5 为北线隧道、南线隧道防灾救援通风策略。

表4 北线隧道防灾救援通风策略

表5 南线隧道防灾救援通风策略

4 结语

综上所述，针对不同形式的大型“Y”型分岔隧道，临界风速需要在理论计算的基础上结合模拟分析软件进行核算，互通立交隧道的风流互通模式需要采用通风网络的计算方法进行设计验算，大型分叉隧道防灾救援关系重大，防灾救援的具体通风形式需要进行详细的分析研究，本文通过对具体工程案例的分析，希望对未来隧道通风系统设计提供一定参考。