深中通道海底隧道排烟系统总体方案

邓小华， 宋神友， 曹正卯， 张 琦

(1. 广东省交通集团有限公司， 广东 广州 510623； 2. 深中通道管理中心， 广东 中山 528400； 3. 招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

0 引言

深中通道工程是我国又一世界级“隧、岛、桥、水下互通”集群工程，其建设标准、工程规模、建设难度、工程复杂程度均为现今世界类似工程之最，且具有交通量超大、大货车比例高、双向8车道特长海底公路隧道、主线隧道与机场互通立交多次分合流、桥隧转换长纵坡等突出特点，隧道运营安全及防灾救援问题突出，对火灾排烟及应急救援提出了极高要求。

对于水下隧道的火灾排烟与防灾救援研究，国内针对港珠澳大桥沉管隧道、南昌红谷水下隧道等典型工程开展了系统、深入的研究[1-2]。张甫仁等[3]依托港珠澳大桥沉管隧道开展了公路隧道侧向集中排烟系统排烟效果研究，对排烟口参数、排烟风量大小、纵向风速等进行了研究。王东伟等[4]针对南昌红谷水下隧道立交区的通风排烟组织开展了数值模拟与模型试验，对临界风速进行了分析。文献[5-10]依托港珠澳大桥沉管隧道开展了大量的理论研究、数值计算、模型试验以及足尺试验，针对双向6车道沉管隧道火灾排烟与防灾救援体系进行了研究。

深中通道工程与港珠澳大桥沉管隧道具有较多相似之处，但深中通道规模更大，建设条件更加复杂，需要解决更多新技术、新问题。如港珠澳大桥沉管隧道为双向6车道、单孔隧道净宽14.55 m，采用传统的侧壁排烟方式可以解决火灾排烟问题，但深中通道横向跨度更大的双向8车道，标准段单孔净宽18.3 m，渐变段最大宽度达46.0～69.8 m，传统的侧壁排烟方式在适应性上有待进一步研究。此外，深中通道的另一大特点为水下枢纽互通立交区，此区域分流、合流匝道较多，存在大纵坡、小曲率半径、多节点等特点，对通风组织及火灾排烟提出了更高的要求。

本文针对深中通道在火灾排烟与防灾救援方面出现的新问题、新挑战，对双向8车道超宽断面沉管隧道的火灾排烟方案、防灾救援体系等方面进行探讨。

1 工程概况

深圳至中山跨江通道工程(简称“深中通道”)全长约24 km，采用双向8车道高速公路技术标准，是世界上首例集超宽超长海底隧道、超大跨海中桥梁、深水人工岛、水下互通“四位”一体的集群工程，采用了世界首例双向8车道钢壳混凝土沉管隧道方案，深中通道规模空前、建设条件复杂、综合技术难度大，是我国继港珠澳大桥之后的又一项重大跨海交通工程。深中通道地理位置见图1。

图1 深中通道地理位置图

深中通道项目起点即隧道起点与广深沿江高速二期工程对接，隧道终点在西人工岛岛头内与非通航孔桥连接，海底隧道全长6 845 m，其中沉管隧道长5 035 m，最大纵坡为2.98%，东岛侧处于半径为5 003.1 m的平曲线上。沉管隧道共设置32个管节，其中标准管节为26个，长度为165 m，东侧曲线变宽及西侧非标首管节6个，长123.8 m，最终接头设置在E22/E23之间，长度为2.2 m。

为实现深中通道与广深沿江高速互通互联，在东人工岛侧设置4条机场互通匝道隧道(E、F、G、H)。除H匝道设计速度为40 km/h外，其余均为60 km/h；4条匝道均按2车道布置，其中E匝道按单车道运营。

项目沉管隧道总宽度为46～55.5 m，行车道单孔跨度达18.3～24.0 m，沉管隧道宽度及跨度均为世界之最。东岛侧主线明挖现浇隧道宽度达46.0～69.8 m，机场互通采用海底互通立交匝道隧道，最小半径为125 m，最大纵坡为3.78%。

2 项目运营面临挑战

2.1 双向8车道高速公路海底沉管隧道没有先例，通风、排烟技术上面临挑战

本项目隧道采用沉管工法，隧道长度约6.8 km，由于采用双向8车道技术标准，并在2孔之间设置中间管廊，形成了两孔一管廊的横断面型式，标准段沉管隧道横断面见图2。沉管隧道横断面宽度达到46.0 m(比港珠澳大桥双向6车道沉管隧道宽约9 m)，特别是在深圳侧增加减速车道段后，该区段达到双向12车道。

类似规模的海底隧道国内外尚无先例，在隧道结构体系、断面型式、通风与防灾救援等方面存在较大技术挑战。双向8车道超宽海底隧道为世界首例，传统的纵向通风+侧向排烟方案面临巨大挑战。

图2 深中通道沉管隧道横断面(单位： cm)

2.2 项目交通量超大且货车比例高，隧道运营安全及防灾面临巨大挑战

本项目属于国家高速公路网，两岸接线均是高架桥相连、主线无收费站，通过机场互通立交(东)、万顷沙互通立交等直接与周边高速公路实现快速交通转换，隧道长度达到6.845 km。项目远景年限设计交通量将超过100 000 pcu/d，其中重型货车比例较高，达到9.4%～12.2%。虽然本工程禁止危化品车辆通行，但大量的重型货车通行，且货物种类多样，火灾荷载大，一旦发生火灾，其规模难以控制，将给隧道运营安全及防灾带来巨大挑战。

2.3 机场互通渐变段隧道截面变化显著，匝道多排烟气流组织困难

本项目隧道东侧机场互通立交与主线隧道交汇，隧道内多处分合流，渐变段隧道截面变化显著，水下枢纽互通区平面图见图3。

图3 水下枢纽互通平面图

机场互通地下枢纽渐变段为双向12车道，且纵坡较大，气流组织复杂，匝道段曲率半径小，排烟疏散难度大。对于小曲率半径匝道段，在壁面粗糙度及横断面相同的情况下，曲线隧道通风阻力系数λR大于普通直线隧道通风阻力系数λ。

λR=1.823 5×λR-0.078。

隧道坡度α的存在，使得隧道内发生火灾时形成“烟囱效应”，在下坡隧道内排烟临界风速vα随着坡度的增大而增大。

vα=v0×(1+0.020 9×α)。

另一方面，火灾产生的火风压pα增大了下坡隧道排烟难度。

式中：α为隧道坡度；pα为火灾产生的火风压；L为隧道下坡段长度；ρα为火源处空气密度；ρx为距火源距离x处空气密度。

2.4 超长海底隧道疏散救援难度大，防灾救援技术体系面临严峻考验

深中隧道为超长海底隧道，疏散距离长，救援难度大，应急救援涉及部门众多，沟通协调难度大。深中通道作为岛桥隧集群环境，周边地区经济发展水平高，物流行业发达，预测车流量较大，货运车辆占比高，运营组织难度较大，一旦发生突发事件，人员和车辆疏散、救援工作的开展受到通道自身特点和复杂交通环境的限制。通道自身物资储存空间有限，需要科学规划并充分利用通道本身及临近地区或路网的相关设施保障救援物资的供应。通道连通深圳、中山两地，救援涉及的管理部门较多，应急救援涉及部门众多，协调组织面临严峻考验。

3 项目排烟、防灾救援总体思路及方案

3.1 主隧道排烟方案

深中通道沉管隧道中部设有沿隧道纵向的集中排烟道，隧道行车方向左侧侧壁设置排烟口，排烟口3个1组，与中部纵向排烟道相连。根据深中通道沉管隧道结构特点，总体通风排烟思路为“纵向通风+重点排烟”。发生火灾时，利用排烟孔将隧道内烟气吸入中间管廊上部的纵向排烟道，经排烟轴流风机将烟气排出洞外。

判定排烟系统适用与否的指标，除了系统自身包括的各项设备参数指标，排烟效果优劣也是一项重要指标[11]。其中直接影响人员安全的指标为人员安全疏散可用时间Taset。排烟系统提供的可用时间必须大于人员疏散所需时间Trset。

发生火灾时，排烟系统将隧道内烟气、热量等排出洞外，为人员疏散逃生创造有利环境及一定的逃生时间Taset，在此时间内需确保隧道内火灾烟气未达到危及人身安全的状态，以便人员全部疏散[12]。

对火灾排烟方案采用数值模拟结合模型试验的研究方法，火灾数值模拟采用FDS计算软件，人员疏散模拟采用EVAC计算模块。主要边界条件设置为： 计算模型长度1 000 m，模型横断面为隧道实际断面尺寸，网格为0.25 m×0.25 m×0.25 m，并在火源附近适当加密，隧道两端为自由流出边界，火源功率为50 MW。

数值模拟可根据各种场景进行模拟，相对于物理模拟来说，其耗时较短，可节约一定的人工成本，但边界条件的设置对计算结果影响较大[13]。物理模拟较接近实际工程情况并便于观察实际现象，但试验过程中受人工操作、外界环境等影响较大[14]。

深中通道沉管隧道中部纵向排烟道面积为14.9 m2，在排烟道风速不能大于15 m/s的条件下，其最大排烟量为225 m3/s。由于隧道横断面跨度较大，侧壁排烟效果不明显，侧壁排烟孔处风流影响范围有限，随着距排烟孔距离的增加，隧道内断面风速降低。对于离排烟口较远的区域，存在烟气及热量堆积的现象，不利于火灾期间烟气的迅速排出，导致隧道Taset较小，对于人员疏散存在安全隐患。根据隧道安全疏散门设置情况，结合交通量组成，火灾时最不利情况下人员疏散所需总时间Trset=388 s，侧壁排烟方式下各工况计算所得疏散可用时间Taset均小于310 s，不满足疏散要求。

侧壁排烟方式下沉管隧道横断面计算结果云图见图4。

根据对深中通道结构特点及火灾烟气分布结果的分析，提出一种适用于深中通道的新型排烟结构，即“主隧道顶部横向排烟联络道+中间管廊纵向排烟”的排烟方案，解决超长、超宽沉管隧道火灾排烟难题，该新型排烟系统见图5。

图5 深中通道隧道排烟系统

通过对新型排烟系统进行研究、对烟气流动进行优化组织与控制、排烟口位置优化，充分利用烟气在隧道顶部分层的流动状态，采用横向联络排烟道在一定程度上降低了烟气沿隧道纵向的流速，排烟系统排烟效率得到较大提高，该排烟方式下各工况计算所得疏散可用时间Taset均大于700 s。火灾期间隧道内人员疏散可用时间Taset大幅度增加，为火灾期间人员疏散救援提供了有利环境，满足隧道火灾期间人员疏散需求。

3.2 水下枢纽互通排烟方案

机场互通地下枢纽段与水下主体隧道段直接相连，火灾时容易出现相互影响的情况，导致火灾烟气影响范围扩大。隧道断面变化复杂，尤其是隧道的宽度变化较大，曲率半径变化也比较大，且匝道的汇流、分流较多，在该区段上容易发生车祸，从而增加火灾发生的概率。

隧道火灾烟气发生分岔流动的临界条件为羽流撞击区上游的回流烟气完全消失。隧道内烟气分岔流动的临界风速，即为羽流撞击区上游区域不出现烟气回流时的最小风速[15]。火源热释放速率和烟区分岔流动临界风速之间的关系如下：

深中通道水下枢纽互通区若发生火灾事故，排烟控制具有一定的难度。互通区火灾排烟需要综合考虑机场互通地下枢纽段与水下主体隧道段相互之间的关系，同时也需要考虑进、出口匝道段排烟差异。该工程毗邻水域，可布置风机房等设备用房的空间受限，需充分结合排烟方案与土建方案进行综合考虑。此外，毗邻水域的隧道工程的人员疏散难度也是水下枢纽互通区的重难点。

水下枢纽互通出口匝道段(分流匝道)发生火灾时，可采用纵向排烟，烟气在风机作用下往匝道出口方向流动排出洞外。入口匝道段(合流匝道)发生火灾时，纵向排烟可能导致烟气从匝道进入主体隧道，影响主隧道的人、车安全。尤其在主隧道发生车辆阻塞时，火源下游及主隧道内人员易受到高温烟气的威胁，不利于人员疏散。因此，入口匝道段不宜采用纵向排烟。

对于入口匝道段，采取“纵向通风+吊顶排烟道”方案进行排烟，排烟道沿匝道顶部纵向布置，间隔一定距离设置排烟口，在分岔及合流位置重点排烟或设置竖井排烟。

对于匝道隧道合流段，由于排烟孔面积有限，为保证烟气分层不被破坏，排烟孔风速不能过大，因此排烟量受限，且多个排烟孔操作较为不便，采用顶部集中排烟存在控烟困难的不利因素。采用大排烟口集中排烟的方式，可增加排烟量，且具有操作简单的优势。匝道顶部设置全断面的吊顶排烟道，共设置14个排烟口，其中4个集中布置在主隧道临近主匝道的位置，4个排烟口以间距48 m布置在主匝道中部，剩余的6个排烟口集中布置在主匝道与E、F匝道的交汇处。地下立交匝道吊顶排烟道如图6所示。

1—主隧道； 2—排烟口； 3—火源； 4—排烟口； 5—排烟口； 6—F匝道纵向排烟道； 7—E匝道纵向排烟道； 8—E匝道； 9—F匝道； 10—主匝道。

“主匝道吊顶排烟道+匝道纵向排烟道”或“主匝道吊顶排烟道”方案均能满足合流匝道(E、F匝道)发生火灾时人员疏散要求。经综合比较，机场互通地下枢纽段合流匝道(E、F匝道)火灾排烟方案采用“主匝道吊顶排烟道+匝道纵向排烟道”方案。

在进口分岔较多的匝道段，火灾初期极易出现烟气回流现象。为保证回流烟气能够有效排除，各进口匝道内均设置射流风机。发生火灾时，根据现场人员疏散情况及隧道内风速情况，尽早正向开启吊顶排烟孔并结合射流风机进行排烟。

在出口匝道内，烟气受烟囱效应影响，向下游扩散速度较快，在火灾点前后需要人员疏散时，为保证有利的烟气分层特性，应根据隧道内风速情况启停射流风机。

3.3 防灾救援技术体系

深中通道沉管隧道防灾救援体系遵循“以防为主，防消结合”的原则，达到预防突发事故发生，减少突发事故引起损失的目的。深中通道安全理念贯穿于整个工程的规划、设计、施工和运营阶段，其中设计阶段确定的安全目标是关键。在设计阶段根据指定的安全目标从火灾场景设计、安全设施及设备配置、突发事件下紧急通风预案等多方面从整个防灾系统综合考虑隧道的安全性。

对于隧道运营管理和防灾来说，管理与设施同样重要，监控是防灾核心，手册是救灾指南，预案可以作为保障来指导救灾。深中通道隧道总体救灾思路遵循这一规则，将防火和救灾有机地结合起来，救灾的时候应首先保证人员安全逃生，救灾的各级队伍要及时到位并补齐短板。深中通道隧道防灾救援体系见图7。

图7 深中通道隧道防灾救援体系

3.3.1 正常运营状况下的控制措施

根据深中通道情况，实行危险品运输管制，严禁易燃易爆品进入隧道。根据情况在隧道两端洞口设置危险品检查站，实现对危险品车辆运输有效管制。

正常运营情况下，通过隧道内CO/VI检测仪等设备实时监测隧道内空气质量，当污染物体积分数超标时，根据情况自动开启隧道内射流风机。洞内监控设施实时对隧道内行车状况进行监控，当发生异常时，信号立即传入监控中心。

3.3.2 火灾情况下联动控制

发生火灾情况下，火灾监测及自动报警信号及时有效地将信号传到监控中心，工作人员接到警报后立即利用周边的设备施以援手，监控系统向有关部门发出求救信号，以此通知道路路政大队、交警110、火警119、医疗救护等单位。救援人员入场、将受伤员送往医院、尽快通过相关措施联系车辆、设备并协调各方的救援力量展开救援。

为了救援的高效安全并减少更大的损失，社会车辆禁止进入救援现场，相关出入口设置路障、路标的安全标志，及时疏散堵塞的交通并通过有关的设备、广播等及时发布火灾信息，以防止二次事故。

启动应急预案后，监控中心通过一体化应急预案系统，启动隧道内各应急设备，包括通风、照明、应急广播、情报发布等进行联动控制。

非阻滞工况下，通过控制隧道内纵向风速≥临界风速控制烟雾回流，保证火源上游人员车辆的安全，火源下游车辆快速驶离隧道；阻滞工况下，控制隧道内纵向风速为0.5～1.5 m/s，通过开启火源附近排烟口进行集中排烟，将烟雾控制在一定范围内。火灾发生后通过信号灯、洞口栏杆等措施快速封闭事故隧道和相邻隧道入口，防止后续车辆进入隧道。

3.3.3 隧道安全设施

为保证火灾情况下的火灾监测预警、灭火救援等顺利进行，隧道内设置完善的火灾监测设施、报警设施、通风照明设施、监控设施、交通诱导及广播设施、灭火设施等。结合隧道自身需求及隧道周边救援力量分布情况设置救援站。根据隧道管理体制确定隧道消防控制室位置方案以及位置。消防控制室主要负责消防报警及设备联动控制。

3.3.4 隧道安全疏散

人员疏散是防灾救援技术体系中的重点，发生火灾时，人员逃生必需安全疏散时间Trset不应超过火灾达到危险状态的时间Taset。

1)对于主隧道，发生火灾时，人员从火灾隧道经主隧道之间设置的安全出口进行逃生。影响人员疏散逃生时间的一项重要指标为安全出口的纵向间距及安全出口的尺寸大小。本项目结合火灾排烟及人员疏散研究，对安全出口参数进行优化设置，可满足不同火灾工况下人员逃生安全。

2)地下立交匝道段结构形式复杂，人员疏散逃生难度较大，尤其对于匝道进口合流段的通风排烟及人员疏散是本项目防灾救援的重点。

3)合流匝道E、F匝道是广深沿江高速进入深中通道沉管隧道的连接线，其隧道部分的平面布置和长度示意图见图8。

A—主隧道疏散口； B—主匝道直通地面疏散口； C—匝道交叉处直通地面疏散口； D1、D2—匝道入口。

4)在主匝道与分流匝道的交叉口和主匝道与合流匝道的交叉口处，分别布置2个通向地面的疏散口，疏散口宽度不小于1.4 m，疏散口通向楼梯间，楼梯通向地面。楼梯间前室应采用机械加压送风，余压值不小于规范要求。在主匝道的中部增设1个通向地面的安全出口，宽度不小于1.4 m，主匝道中部和E、F匝道交汇处各设置1处。分流匝道(G、H匝道)采用相同设置方式。

3.3.5 设备在火灾工况下的安全性

排烟设备如排烟风机、电动排烟口等设备需要在火灾工况下人员疏散及灭火阶段保持正常运行。具体要求为温度达到250 ℃时能至少正常工作2 h，风险等级高的隧道要求温度达到400 ℃时至少正常工作2 h。隧道内的悬挂设备如射流风机、可变情报板、其他标志标牌等应具备一定耐火性能，保证其人员疏散阶段不坠落。

3.3.6 突发事件应急响应

对于公路隧道的运营管理和防火救火来说，管理比设施更加重要，监控是防灾核心，手册是救灾指南，突发事件应急预案可以作为保障来指导救灾。隧道防火救灾均应遵循这一规则，防灾、减灾、救灾三者应有机的结合起来，救灾时的首要目标是保障人员安全，即发生突发事件后应首先保证人员迅速有序逃生，救灾的基本队伍要及时到位并补齐短板。

本工程建立完善的突发事件应急响应系统，主要包括隧道火灾报警系统、隧道防灾预案的控制流程、通风照明预案、防火救灾预案、人员疏散和人员救治预案、交通控制预案、报警消防系统的联动预案等。

4 试验场景构建及验证

根据深中通道通风排烟方案，建立1∶15火灾试验平台开展火灾排烟试验，试验模型见图9。针对主隧道标准沉管段，对传统侧壁排烟方案、顶部横向联络道排烟方案等开展不同火灾工况下排烟试验，对隧道内温度分布规律、有害气体的体积分数分布以及烟雾扩散规律等进行研究。针对地下立交匝道段，开展地下互通立交区多匝道、大纵坡、小曲率半径的火灾排烟试验，对排烟方案进行验证，试验模型见图10。此外，依托1∶1.2大比尺沉管隧道模型，开展实体隧道火灾试验，对排烟方案及数值模拟结果进一步验证，大比尺沉管隧道模型见图11。

图9 主隧道标准沉管段试验模型

图10 地下立交匝道段试验模型

图11 1∶1.2大比尺沉管隧道火灾试验模型

根据纳维-斯托克斯方程和连续性方程，几何相似是隧道火灾排烟模型与原型保持流动相似的唯一条件。火源模型试验符合弗劳德准则，火源功率、速度、排烟量相似关系为：

Tm=Tp。

式中：Lm和Lp为模型和原型的火源特征长度；Qm和Qp为模型和原型的火源功率；vm和vp为模型和原型的纵向风速；Vm和Vp为模型和原型的排烟量；Tm和Tp为模型和原型的温度。

为研究适用于深中通道的排烟方案及烟气控制模式，针对不同火灾场景，进行了大量的火灾试验。图12为侧壁排烟模型试验过程。图13为顶部横向联络排烟道排烟模型试验过程。

(a) 开启前

由图12可以看出： 排烟风阀开启前，烟气沿隧道纵向自由扩散，烟气层高度除火源位置以外均未下降至安全高度以下，随着烟量的持续增加，烟气在卷吸过程中发生下沉，有少量烟气下沉至安全高度以下； 风阀开启后，烟气在排烟道负压作用下被排出主隧道，烟气流动较为紊乱，侧壁排烟系统无法对隧道另一侧烟气进行有效控制，烟气层高度在靠近排烟口位置时较高，在远离排烟口位置时较低，且低于安全高度。

(a) 开启前

从图13可以看出： 排烟风阀开启前，烟气沿隧道纵向自由扩散，烟气层高度除火源位置以外均未下降至安全高度以下，随着隧道内烟量的持续增加，烟气在卷吸过程中发生下沉，有少量烟气下沉，但均未下降至安全高度以下； 排烟风阀开启后，烟气在排烟道负压作用下被排出主隧道，烟气高度有所上升，均高于安全高度。

5 结论与讨论

依托深中通道沉管隧道工程，根据隧道实际情况及面临的通风排烟、防灾救援等难题。在传统排烟方式不能满足工程实际需求的情况下，提出“主洞顶部横向排烟联络道+中间管廊纵向通风”的新型排烟体系，解决了超长、超宽沉管隧道火灾排烟难题。该排烟方式适用于双向8车道及以上超宽断面沉管隧道；纵向集中排烟道位于隧道侧面、侧部集中排烟量受限的情况，可大幅度增加排烟效率及人员疏散可用时间。

针对深中通道特有的水下枢纽互通，以人员安全疏散为出发点，结合地下枢纽互通结构形式及通风流场特点，提出水下枢纽互通区的排烟方案。结合多比尺火灾模型试验对排烟方案进行了验证。在此基础上，结合隧道内其他安全设施，并综合考虑周边路网以及管理部门在突发事件下的应急响应，制定各类突发事件应急响应程序，进一步建立深中通道沉管隧道防灾救援技术体系，为类似超长、超宽水下隧道防灾救援提供了借鉴和参考。