張 迪

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

盾構(gòu)法道路隧道運營通風(fēng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

張 迪

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

為了規(guī)范與提高盾構(gòu)法道路隧道通風(fēng)運營關(guān)鍵技術(shù)，基于既有盾構(gòu)法道路隧道的設(shè)計實踐，采用調(diào)查、歸納、總結(jié)及技術(shù)驗證的方法，提出盾構(gòu)法道路隧道運營通風(fēng)設(shè)計的主要依據(jù)和適用標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)出常用運營通風(fēng)方式的優(yōu)缺點及適用范圍，并結(jié)合典型工程的通風(fēng)設(shè)計闡述了正常運營通風(fēng)和火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計的主要原則與關(guān)鍵流程，以及逃生通道和設(shè)備廊道的通風(fēng)設(shè)計要點。得出通風(fēng)設(shè)計應(yīng)結(jié)合監(jiān)控、消防等系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計來保證盾構(gòu)法道路隧道的整體功能，同時，指明了盾構(gòu)法道路隧道運營通風(fēng)實施過程中進一步降低通風(fēng)機能耗及廢氣處理設(shè)備占地面積的發(fā)展方向。

盾構(gòu)法；道路隧道；運營通風(fēng)；火災(zāi)通風(fēng)

0 引言

因隧道的封閉性極強，故汽車行駛時在隧道內(nèi)散發(fā)出的有害氣體(煤煙、CO、SO2等)難以及時疏散，當(dāng)其集聚到一定體積分?jǐn)?shù)時，便會影響人們的健康和行車安全[1];特別是隧道火災(zāi)情況下會產(chǎn)生大量的高溫?zé)熿F，對隧道內(nèi)車輛疏散和人員逃生極具威脅，極易造成災(zāi)難性后果[2]。因此，隧道運營通風(fēng)關(guān)系到隧道的使用功能、防災(zāi)與救援功能的發(fā)揮[3]，是決定隧道運營安全的關(guān)鍵因素之一。通過對近15年來國內(nèi)外重大隧道火災(zāi)傷亡事故進行統(tǒng)計(如表1所示)，可知隧道通風(fēng)在極端情況下(如特大火災(zāi))并不能及時有效地疏散隧道內(nèi)集聚的有害氣體，對隧道內(nèi)的行人安全構(gòu)成了極大的潛在威脅。

盾構(gòu)法道路隧道在軟土公路隧道、市政道路隧道和軌道交通工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。不同于其他類型隧道的通風(fēng)設(shè)計，盾構(gòu)法道路隧道通風(fēng)設(shè)計受隧道斷面形式、內(nèi)部設(shè)備布置和逃生救援通道設(shè)置等多重因素的制約，影響因素多，且通風(fēng)工況復(fù)雜。徐永等[7]依據(jù)風(fēng)險管理規(guī)范，對錢江隧道火災(zāi)通風(fēng)進行了研究；楊軍等[8]結(jié)合南京緯三路過江通道的工程特點，對其通風(fēng)設(shè)計技術(shù)進行了分析；HU L H等[9]根據(jù)全尺寸火災(zāi)試驗和數(shù)值模擬試驗，分析了火災(zāi)工況下煙霧溫度的消散規(guī)律。值得注意的是，當(dāng)前對盾構(gòu)法道路隧道通風(fēng)技術(shù)的研究主要針對火災(zāi)工況下的通風(fēng)工況，而對正常運營工況下的隧道通風(fēng)、逃生通道和設(shè)備廊道通風(fēng)等關(guān)注較少，導(dǎo)致盾構(gòu)法道路隧道運營通風(fēng)設(shè)計缺少系統(tǒng)性和完整性。

近年來，筆者主持了杭州慶春路隧道、杭州錢江隧道、揚州瘦西湖隧道和杭州環(huán)城北路隧道等國內(nèi)多條盾構(gòu)法道路隧道運營通風(fēng)的設(shè)計與研究工作。在上述工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合盾構(gòu)法道路隧道運營通風(fēng)設(shè)計經(jīng)驗，對運營通風(fēng)設(shè)計的主要依據(jù)和通風(fēng)類型進行了系統(tǒng)總結(jié)。通過工程實踐，對正常運營通風(fēng)設(shè)計、火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計、逃生通道及設(shè)備廊道通風(fēng)設(shè)計流程進行了分析，提出盾構(gòu)法道路隧道運營通風(fēng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，以期為類似工程設(shè)計提供借鑒和參考。

表1 隧道火災(zāi)傷亡統(tǒng)計(1999—2013年)Table 1 Statistics of tunnel fire casualty accidents (1999—2013)

1 運營隧道通風(fēng)設(shè)計依據(jù)

盾構(gòu)法道路隧道運營通風(fēng)設(shè)計一般在參考《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》和借鑒世界道路協(xié)會(PIARC)的推薦值的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道的具體條件及國內(nèi)既有道路隧道通風(fēng)的實際效果綜合確定。

盾構(gòu)法道路隧道運營通風(fēng)設(shè)計主要包括以下工況：1)隧道內(nèi)正常交通(設(shè)計車速)；2)隧道內(nèi)全程堵塞，車輛慢行(20 km/h)；3)隧道內(nèi)局部交通堵塞(考慮不同阻塞區(qū)段，堵塞長度按1 000 m)；4)隧道因檢修臨時關(guān)閉一個車道，局部地段單道行駛；5)火災(zāi)通風(fēng)；6)逃生通道及設(shè)備廊道的通風(fēng)。

1.1 道路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范[10]

道路隧道通風(fēng)主要對CO、煙霧和異味進行稀釋。

采用全橫向通風(fēng)方式與半橫向通風(fēng)方式時，CO設(shè)計體積分?jǐn)?shù)如表2所示；采用縱向通風(fēng)方式時，CO設(shè)計體積分?jǐn)?shù)參照表2各值提高50×10-6；當(dāng)交通阻滯時，阻滯段的平均CO設(shè)計體積分?jǐn)?shù)可取300×10-6，經(jīng)歷時間不宜超過20 min，阻滯段長度不宜超過1 km。

表2 CO設(shè)計體積分?jǐn)?shù)Table 2 Design concentration for CO

注：隧道長度介于中間段時，可按插入法取值。

采用鈉燈光源時，煙霧設(shè)計濃度如表3所示；采用熒光燈光源時，煙霧設(shè)計濃度應(yīng)提高一級。當(dāng)煙霧濃度達到0.012 m-1時，應(yīng)采取交通管制。當(dāng)隧道內(nèi)進行養(yǎng)護維修時，現(xiàn)場實際煙霧濃度不大于0.003 5 m-1。

表3 煙霧設(shè)計濃度Table 3 Design values for extinction

1.2 PIARC推薦值[11]

PIARC組織多年來專門從事了道路設(shè)施的設(shè)計與施工、道路設(shè)施的運行、安全和維護等方面的信息交流，是世界道路領(lǐng)域最權(quán)威、最有影響的國際性組織，該組織通過研究報告的形式對CO體積分?jǐn)?shù)和煙霧濃度設(shè)計值進行了規(guī)定，如表4所示。

表4 CO和可見度指標(biāo)Table 4 Design and threshold values for CO and visibility/extinction

1.3 國內(nèi)既有道路隧道通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

近幾十年來，我國交通事業(yè)迅猛發(fā)展，隧道工程建設(shè)項目日益增多，已積累了很多成功經(jīng)驗。我國已建成的、典型的道路隧道通風(fēng)方式及CO設(shè)計體積分?jǐn)?shù)如表5所示。

表5 典型道路隧道的CO體積分?jǐn)?shù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Design values for CO of typical road tunnels

1.4 其他依據(jù)

盾構(gòu)法道路隧道運營通風(fēng)設(shè)計應(yīng)在上述依據(jù)的基礎(chǔ)上，兼顧尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)、洞外有害物控制體積分?jǐn)?shù)和噪聲標(biāo)準(zhǔn)等綜合確定各設(shè)計值[12]。

2 盾構(gòu)法道路隧道運營通風(fēng)類型

2.1 運營通風(fēng)模式

隧道通風(fēng)模式主要包括自然通風(fēng)、縱向通風(fēng)、橫向通風(fēng)和半橫向通風(fēng)等，通風(fēng)方式的選擇與隧道長度、交通流量、行車方式、洞口環(huán)保要求和氣象環(huán)境等因素有關(guān)。

2.1.1 自然通風(fēng)

當(dāng)隧道長度較短時，可不安設(shè)通風(fēng)機而進行自然通風(fēng)。單向交通隧道的自然通風(fēng)動力為汽車行駛產(chǎn)生的交通風(fēng)。在正常通車情況下，絕大多數(shù)洞內(nèi)車輛都以接近設(shè)計速度行駛，所以，交通風(fēng)的風(fēng)力較大且風(fēng)向穩(wěn)定，可作為自然通風(fēng)的動力源。雙向交通隧道由于交通風(fēng)相互抵消，通風(fēng)只能靠自然風(fēng)，但由于自然風(fēng)的發(fā)生依賴于洞內(nèi)外熱壓差、洞口水平氣壓差和自然風(fēng)壓3個因素，因此，雙向交通隧道自然通風(fēng)不穩(wěn)定[13-14]。

2.1.2 縱向通風(fēng)方式

縱向通風(fēng)包括全射流通風(fēng)和射流誘導(dǎo)+軸流排放組合式分段通風(fēng)方式。根據(jù)隧道長度和需風(fēng)量，結(jié)合隧道輔助坑道設(shè)置送排風(fēng)井，可靈活掌握其組合方式，做到經(jīng)濟、合理?？v向通風(fēng)方式的優(yōu)點有：充分利用隧道拱部凈空，對土建工程影響極??；有害物體積分?jǐn)?shù)呈三角形分布，空氣清新程度較好；通風(fēng)設(shè)備功率較省，運營控制簡便；單向行車時可充分利用交通風(fēng)，節(jié)省運營費用。縱向通風(fēng)方式以其簡單、實用的優(yōu)點在隧道通風(fēng)中起到越來越大的作用，成為隧道通風(fēng)方式的首選。

2.1.3 橫向通風(fēng)

橫向通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠、性能穩(wěn)定、不受通風(fēng)長度的限制，可同時設(shè)置送風(fēng)道和排風(fēng)道，隧道內(nèi)基本不產(chǎn)生沿縱向流動的氣流，只有橫向氣流。污染物體積分?jǐn)?shù)沿全隧道大體上均勻分布，全橫向通風(fēng)如圖1所示。相比縱向通風(fēng)方式，橫向通風(fēng)方式能相對有效地控制空氣衛(wèi)生品質(zhì)及火災(zāi)時有效排煙，因此，無論是行車的安全性還是舒適性，橫向通風(fēng)都是一種較好的通風(fēng)方式；但其龐大的通風(fēng)管道使隧道所需的斷面積也隨之變得很大，同時，全橫向風(fēng)道內(nèi)送排風(fēng)風(fēng)速過高，這就要求風(fēng)機全壓很高，導(dǎo)致運行費用過高。

圖1 全橫向通風(fēng)Fig.1 Transverse ventilation

2.1.4 半橫向通風(fēng)

利用隧道作為進風(fēng)道或排風(fēng)道，只需設(shè)排風(fēng)道或進風(fēng)道，隧道斷面介于全橫向通風(fēng)和縱向通風(fēng)之間，可以利用部分活塞風(fēng)作用。半橫向通風(fēng)可使隧道內(nèi)的污染物體積分?jǐn)?shù)大體上接近一致，如圖2所示。

圖2 半橫向通風(fēng)Fig.2 Semi-transverse ventilation

排風(fēng)型半橫向式通風(fēng)可以解決隧道洞口環(huán)境污染問題，其洞內(nèi)環(huán)境條件的改善和隧道防災(zāi)排煙均較縱向式通風(fēng)有利，但該方式在隧道內(nèi)會出現(xiàn)風(fēng)速為零的中性點，導(dǎo)致通風(fēng)換氣不暢，有害物體積分?jǐn)?shù)無限上升。因此，排風(fēng)型半橫向式通風(fēng)目前在盾構(gòu)法道路隧道正常運營通風(fēng)中很少采用，大多用作火災(zāi)時的半橫向排煙。送風(fēng)型半橫向式通風(fēng)將新鮮空氣經(jīng)送風(fēng)管直接吹向車道，對排氣直接稀釋，對后續(xù)車很有利，污染空氣在隧道上部擴散，經(jīng)過兩端洞口排出洞外；但由洞口沿隧道縱向排風(fēng)，會造成進出洞口區(qū)域廢氣污染。所以，半橫向式通風(fēng)雖然投資費用約為全橫向式通風(fēng)的一半左右，但風(fēng)道面積小，風(fēng)速高，導(dǎo)致運營成本上升，在目前的盾構(gòu)法道路隧道正常運營通風(fēng)中也較少采用。

2.2 通風(fēng)方式適用范圍

各種通風(fēng)方式的適用范圍目前尚沒有統(tǒng)一的規(guī)定。近年來，國內(nèi)外專家和學(xué)者從通風(fēng)技術(shù)可行性及工程經(jīng)濟等方面總結(jié)出各種通風(fēng)方式的適用長度，如表6所示[15]。針對盾構(gòu)法道路隧道一般為單向行駛的特點，依據(jù)盾構(gòu)段的長度、洞口污染物環(huán)?？刂茦?biāo)準(zhǔn)、盾構(gòu)斷面大小導(dǎo)致的排煙道面積大小以及煙道板施工難度、風(fēng)塔設(shè)置難度、工程經(jīng)濟合理性等方面，正常運營通風(fēng)情況下多采用全長射流通風(fēng)洞口排污或分段射流風(fēng)機誘導(dǎo)縱向通風(fēng)+風(fēng)塔集中排污通風(fēng)方式；火災(zāi)工況下多采用全長射流洞口排煙方式、分段射流誘導(dǎo)風(fēng)塔集中排煙通風(fēng)方式或排煙道火災(zāi)點附近集中排煙風(fēng)塔排放方式，如表7所示[16]。

表6 各種通風(fēng)方式的適用長度Table 6 Application lengths of different ventilation modes

表7 道路盾構(gòu)法隧道運營通風(fēng)方式Table 7 Operation ventilation modes of road tunnels

3 正常運營通風(fēng)設(shè)計

3.1 正常運營通風(fēng)設(shè)計原則

1)正常交通情況下，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)能稀釋隧道內(nèi)汽車行駛時排出的廢氣，達到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，為司乘人員、維修人員提供合適的洞內(nèi)條件，為安全行車提供新鮮的空氣和清晰的能見度。

2)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備按遠期配置，土建一次到位，設(shè)備安裝需考慮近期與遠期分期實施的經(jīng)濟價值及工程實施的可能與需要。

3)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)綜合考慮節(jié)能措施，設(shè)備選型應(yīng)符合安全可靠、工藝成熟、技術(shù)先進、高效節(jié)能、運行成本低及國產(chǎn)化的原則和條件。

4)在確保通風(fēng)效果可靠性及節(jié)能運行、節(jié)約工程投資的前提下，優(yōu)選適當(dāng)?shù)乃淼劳L(fēng)方式。

5)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各運轉(zhuǎn)設(shè)備對外、對內(nèi)的噪聲以及振動必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)及環(huán)境影響報告書的要求。

3.2 正常運營通風(fēng)設(shè)計實踐

盾構(gòu)法道路隧道運營通風(fēng)設(shè)計流程為：預(yù)測的各年度交通量—確定通風(fēng)模式—需風(fēng)量計算—通風(fēng)方式設(shè)計。以錢江隧道的運營通風(fēng)設(shè)計為例，對正常運營通風(fēng)設(shè)計流程進行總結(jié)分析。

3.2.1 工程概況

錢江隧道是錢江通道及接線工程過錢塘江段的隧道，建筑長度4 450 m，過江段采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)外徑15.0 m，內(nèi)徑13.7 m，是目前世界上已建成的、最大直徑的盾構(gòu)法隧道之一。隧道為高速公路隧道，設(shè)計車速80 km/h，為雙向6車道[17]。隧道斷面布置如圖3所示。

3.2.2 預(yù)測交通量

根據(jù)交通量預(yù)測報告，錢江隧道過江交通量如表8所示，隧道內(nèi)車型構(gòu)成比例如表9所示。

圖3 錢江隧道盾構(gòu)段橫斷面布置(單位：mm)Fig.3 Layout of cross-section of Qianjiang shield-bored tunnel (mm)

表8 錢江隧道預(yù)測交通量Table 8 Traffic forecast of Qianjiang tunnel

3.2.3 通風(fēng)模式選擇

根據(jù)《錢江通道及接線工程環(huán)境影響報告書》，隧道內(nèi)廢氣在洞口直接排放會造成部分敏感點NOx超標(biāo)，因此，在兩端洞口附近設(shè)置排風(fēng)塔。隧道內(nèi)大部分廢氣通過風(fēng)塔高空排放，少量廢氣通過洞口直接排放。

表9 隧道內(nèi)車型比例Table 9 Traffic flow vehicle ratio

3.2.4 需風(fēng)量計算

需風(fēng)量計算主要包含4步，即：按規(guī)范及預(yù)測交通量計算需風(fēng)量—按適應(yīng)交通量校核需風(fēng)量—按稀釋空氣中異味計算需風(fēng)量—設(shè)計取用新風(fēng)量。參照上述步驟，最大需風(fēng)量為遠景2030年、設(shè)計車速為40 km/h時的工況，計算所得的最大需風(fēng)量如表10所示。

表10 計算需風(fēng)量Table 10 Calculated airflow for ventilation

3.2.5 正常通風(fēng)設(shè)計

隧道江南和江北分別設(shè)置排風(fēng)塔，風(fēng)塔內(nèi)設(shè)置大型軸流風(fēng)機，風(fēng)機通過風(fēng)口、風(fēng)道與主隧道相連。正常及進口阻滯時，通風(fēng)采用分流型縱向通風(fēng)方式，隧道內(nèi)大部分廢氣通過風(fēng)塔高空排放；出口阻滯時，通風(fēng)采用合流型縱向通風(fēng)方式，隧道內(nèi)廢氣全部通過風(fēng)塔高空排放。以東線為例，正常運營的通風(fēng)氣流組織如圖4和圖5所示，隧道實際運行風(fēng)量如表11所示。

圖4 正常通行及入口阻滯通風(fēng)Fig.4 Ventilation for normal traffic or entrance block

圖5 出口阻滯通風(fēng)Fig.5 Ventilation for exit block

表11 隧道實際風(fēng)量表Table 11 Required airflow for ventilation

4 火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計

4.1 火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計原則

盾構(gòu)隧道一旦發(fā)生火災(zāi)，正常通風(fēng)應(yīng)立即改變?yōu)榛馂?zāi)通風(fēng)，此時的通風(fēng)應(yīng)達到以下目的。

1)通風(fēng)必須有利于人員逃生避難，盡可能提供逃生所需的時間，風(fēng)速的大小應(yīng)盡量減少傳到人體上的熱負荷，還要避免因縱向風(fēng)流的湍流和渦流作用而使洞內(nèi)煙霧彌漫，最大程度地為人員避難創(chuàng)造條件[18]。

2)通風(fēng)應(yīng)避免和盡量減少火場高溫氣體的擴散，防止熾熱氣流引燃火場以外的車輛，造成火場擴大；應(yīng)有利于消防隊員救火，使消防隊員能從上風(fēng)方向接近火場，開展滅火工作。

3)當(dāng)逃生人員通過人行橫通道進入另一個平行隧道時(或車道層經(jīng)滑樓梯進入下層疏散通道，或上下互層逃生)，事故通風(fēng)應(yīng)能防止著火隧道的煙氣進入人行橫道及相鄰隧道(或避難通道)。

4)隧道通風(fēng)按同一時間發(fā)生一次火災(zāi)進行設(shè)計，市政通行非貨車的隧道火災(zāi)規(guī)模為20 MW，公路允許通行貨車的隧道火災(zāi)規(guī)模取50 MW。

5)根據(jù)隧道斷面大小、隧道長短和通行車種類等考慮是否設(shè)置專用排煙道。

4.2 火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計實踐

目前，煙道板集中排煙模式在國內(nèi)應(yīng)用較少，對排煙道集中排煙系統(tǒng)設(shè)置方案尚無相關(guān)規(guī)范指導(dǎo)[19]。對于盾構(gòu)段較長的隧道，設(shè)置排煙道后的疏散救援效果優(yōu)于無排煙道。單管兩車道盾構(gòu)隧道由于斷面相對較小，頂部設(shè)置排煙道施工難度大，運營期間煙道板結(jié)構(gòu)維護困難，目前一般較少采用排煙道集中排煙方式。無論盾構(gòu)段是否設(shè)置排煙道，都應(yīng)能滿足防災(zāi)疏散要求，提供必要的火災(zāi)安全疏散時間。

4.2.1 有排煙道隧道火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計

錢江隧道工程設(shè)置了專用排煙道(見圖3)，火災(zāi)發(fā)熱量按50 MW、煙霧產(chǎn)生量按200 m3/s進行火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計。隧道盾構(gòu)段利用頂部富余的拱形空間作為排煙風(fēng)道，每隔60 m設(shè)置專用排煙風(fēng)閥，風(fēng)閥斷面5 000 mm×2 000 mm，用于火災(zāi)時的集中排煙。在隧道兩端明挖段車行道頂部懸掛射流風(fēng)機，輔助正常及交通阻塞時的誘導(dǎo)通風(fēng)。此外，設(shè)計中對于火災(zāi)通風(fēng)采用CFD軟件進行了煙氣排放模擬，并在施工前進行了全尺寸實驗以確定煙道口大小，施工完成后結(jié)合逃生疏散實驗進行了火災(zāi)時排煙道集中排煙和消防滅火的檢驗，效果均符合設(shè)計要求。

最終方案確定為：1)當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在入口段時，開啟工作井處及盾構(gòu)段始端6個排煙口，利用排煙道將煙氣排出隧道，如圖6所示；2)當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在盾構(gòu)段時，開啟火災(zāi)點及前方共6個排煙口，同樣利用排煙道將煙氣排出隧道，如圖7所示；3)當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在出口段時，開啟射流風(fēng)機，直接將煙氣吹出洞外，如圖8所示。

圖6 有排煙道隧道入口段火災(zāi)通風(fēng)Fig.6 Ventilation for fire in entrance section of tunnel with extinction ventilation gallery

圖7 有排煙道隧道盾構(gòu)段火災(zāi)通風(fēng)Fig.7 Ventilation for fire in shield-bored section of tunnel with extinction ventilation gallery

圖8 有排煙道隧道出口段火災(zāi)通風(fēng)Fig.8 Ventilation for fire in exit section of tunnel with extinction ventilation gallery

4.2.2 無排煙道隧道火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計

慶春路過江隧道是錢塘江第1座盾構(gòu)法水底道路隧道，全長3 765 m(以東線計)，主線設(shè)計速度60 km/h，隧道內(nèi)徑10.3 m，外徑11.3 m，雙向4車道，隧道斷面布置如圖9所示。該隧道火災(zāi)規(guī)模按20 MW設(shè)計。當(dāng)隧道入口段發(fā)生火災(zāi)時，入口段射流風(fēng)機正轉(zhuǎn)形成正風(fēng)、盾構(gòu)段及出口段射流風(fēng)機反轉(zhuǎn)形成逆風(fēng)，使煙氣順盾構(gòu)段流動，同時開啟入口段處工作井排風(fēng)塔軸流風(fēng)機，將煙氣集中排放，如圖10所示。當(dāng)盾構(gòu)段發(fā)生火災(zāi)時，開啟盾構(gòu)段6臺射流風(fēng)機正轉(zhuǎn)，出口段處2臺工作井排煙風(fēng)機同時運行，出口段2臺射流風(fēng)機逆轉(zhuǎn)運行，在著火點形成大于2.4 m/s的風(fēng)速，將煙氣從出口段工作井排出，如圖11所示。當(dāng)隧道出口段發(fā)生火災(zāi)時，開啟隧道內(nèi)射流風(fēng)機正轉(zhuǎn)，直接將煙氣由出口排出，如圖12所示。

5 逃生通道及設(shè)備廊道通風(fēng)設(shè)計

1)正常情況下，逃生通道與電纜廊道共用一套通風(fēng)系統(tǒng)，在廊道靠兩側(cè)工作井洞口處設(shè)置軸流風(fēng)機，風(fēng)口設(shè)置電動風(fēng)閥控制氣流流動。一側(cè)工作井送風(fēng),另一側(cè)工作井排風(fēng)，通過盾構(gòu)段與工作井連接處的風(fēng)閥控制，保證通道內(nèi)的通風(fēng)換氣次數(shù)不小于5次，以滿足檢修人員的安全和電纜散熱的要求。

圖9 慶春路隧道盾構(gòu)段橫斷面布置(單位：mm)Fig.9 Layout of cross-section of Qingchunlu tunnel (mm)

2)盾構(gòu)段發(fā)生火災(zāi)后，關(guān)閉電纜廊道送風(fēng)口風(fēng)閥，開啟安全通道送風(fēng)口，兩側(cè)工作井內(nèi)送風(fēng)機同時向逃生通道加壓送風(fēng)，保證火災(zāi)情況下的疏散口風(fēng)速≥0.7m/s，正壓值30～50 Pa。當(dāng)盾構(gòu)段較長、經(jīng)計算打開蓋板后疏散口風(fēng)壓值不滿足要求時，在逃生通道及疏散口附近設(shè)置小型加壓風(fēng)機，直接對疏散口輔助加壓，見圖13。

圖10 無排煙道隧道入口段火災(zāi)通風(fēng)Fig.10 Ventilation for fire in entrance section of tunnel without extinction ventilation gallery

圖11 無排煙道隧道盾構(gòu)段火災(zāi)通風(fēng)Fig.11 Ventilation for fire in shield-bored section of tunnel without extinction ventilation gallery

圖12 無排煙道隧道出口段火災(zāi)通風(fēng)Fig.12 Ventilation for fire in exit section of tunnel without extinction ventilation gallery

圖13 疏散通道通風(fēng)Fig.13 Ventilation for evacuation passage

6 結(jié)論與展望

本文總結(jié)了當(dāng)前常用的盾構(gòu)法道路隧道運營通風(fēng)類型和設(shè)計依據(jù)，介紹了正常運營通風(fēng)與火災(zāi)通風(fēng)的主要設(shè)計流程，闡述了逃生通道及設(shè)備廊道通風(fēng)設(shè)計要點，主要結(jié)論與展望如下。

1)盾構(gòu)法道路隧道運營通風(fēng)設(shè)計不是一個獨立的系統(tǒng)，應(yīng)與隧道監(jiān)控和消防等系統(tǒng)綜合協(xié)調(diào)工作，從而保證隧道的正常運營與防災(zāi)功能的有效合理實現(xiàn)。

2)通風(fēng)對于確保隧道的正常運營及防災(zāi)至關(guān)重要，通風(fēng)設(shè)計前應(yīng)充分調(diào)研，隧道運營后應(yīng)加強監(jiān)管和維護。

3)隧道的能耗有很大一部分來自于隧道的通風(fēng)機，應(yīng)進一步開發(fā)出經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保的通風(fēng)機械。

4)采用廢氣集中高空排放方式雖然能夠滿足隧道洞口空氣質(zhì)量符合環(huán)保要求，但僅僅依靠風(fēng)塔高空排放，也難以滿足城市用地、景觀及其他環(huán)境保護方面的要求。在城市道路中開發(fā)出占地少、能進行廢氣處理、經(jīng)濟節(jié)能的通風(fēng)技術(shù)與設(shè)備，將具有良好的工程應(yīng)用前景。

[1]蘇立勇.對公路隧道通風(fēng)量計算的探討[J].隧道建設(shè),2000，30(4): 21-23.(SU Liyong.Study on highway tunnel ventilation calculation[J].Tunnel Construction,2000，30(4): 21-23.(in Chinese))

[2]閆治國,楊其新,朱合華.火災(zāi)時隧道內(nèi)煙流流動狀態(tài)試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2006,39(4): 95-99.(YAN Zhiguo,YANG Qixin,ZHU Hehua.An experimental study of smoke flow in tunnel fire[J].China Civil Engineering Journal,2006,39(4): 95-99.(in Chinese))

[3]陳光明,陳璋,胡益華.龍?zhí)短亻L公路隧道運營通風(fēng)方案比較[J].隧道建設(shè),2006,26(4): 20-24.(CHEN Guangming,CHEN Zhang,HU Yihua.Comparsion of different operation ventilation options for Longtan supper-long highway tunnel[J].Tunnel Construction,2006,26(4): 20-24.(in Chinese))

[4]LIAO S M,FAN Y Y,SHI Z H,et al.Optimization study on the reconstruction and expansion of an underground rail transit center in Shanghai soft ground[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2013(38): 435-446.

[5]LIAO S M,LIU J H,WANG R L,et al.Shield tunneling and environment protection in Shanghai soft ground[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2009(24): 454-465.

[6]張迪,周慶九,卓旭陽,等.大型盾構(gòu)隧道穿越鐵路框架橋的影響分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013,50(6): 131-138.(ZHANG Di,ZHOU Qingjiu,ZHUO Xuyang,et al.Analysis of the influence of a large shield tunnel passing under a railway frame bridge[J].Modern Tunnelling Technology,2013,50(6): 131-138.(in Chinese))

[7]徐永,廖少明,李偉平,等.公路隧道火災(zāi)逃生距離及逃生風(fēng)險分析[J].土木工程學(xué)報,2012,45(12): 155-161.(XU Yong,LIAO Shaoming,LI Weiping,et al.Escape distance and escape risk analysis in road tunnel fire condition[J].China Civil Engineering Journal,2012,45(12): 155-161.(in Chinese))

[8]楊軍,楊濤,胡彥杰.南京緯三路過江通道環(huán)境通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計[J].公路,2012(4): 249-253.(YANG Jun,YANG Tao,HU Yanjie.Ventilation design of Nanjing Weisanlu urban underwater tunnel[J].Highway,2012(4): 249-253.(in Chinese))

[9]HU L H,HUO R,PENG W,et al.On the maximum smoke temperature under the ceiling in tunnel fires[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2006(21): 650-655.

[10]中華人民共和國交通部.JTJ 026.1—1999 公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范 [S].北京: 人民交通出版社,2000.(Ministry of Communications of the Peoples’s Republic of China.JTJ 026.1—1999 Specifications for design of ventilation and lighting of highway tunnel[S].Beijing: China Communications Press,2000.(in Chinese))

[11]PIARC.Road tunnels: Vehicle emissions and air demand for ventilation(2012R05EN)[R].Paris: PIARC Technical Committee on Road Tunnels Operation,2012.

[12]管鴻浩.武漢長江隧道通風(fēng)設(shè)計[J].隧道建設(shè),2005,25(5): 23-27.(GUAN Honghao.Ventilation design of Wuhan Yangtze River tunnel[J].Tunnel Construction,2005,25(5): 23-27.(in Chinese))

[13]張祉道.公路隧道自然通風(fēng)適用長度的初步研究(上)：低等級公路雙向行駛隧道[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2007,44(1): 41-45.(ZHANG Zhidao.Preliminary study on the adaptable lengths for natural ventilation in highway tunnels(Part I)：For low class highway tunnels with two direction traffic[J].Modern Tunnelling Technology,2007,44(1): 41-45.(in Chinese))

[14]蘇林軍,張祉道.公路隧道自然通風(fēng)適用長度的初步研究(下)：高等級公路單向行駛隧道[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2007,44(2): 61-65.(SU Linjun,ZHANG Zhidao.Preliminary study on the adaptable lengths for natural ventilation in highway tunnels(Part II)：For high-class highway tunnels with one-way traffic[J].Modern Tunnelling Technology,2007,44(2): 61-65.(in Chinese))

[15]李剛.公路隧道各種通風(fēng)方式適用長度的研討[J].公路,2000(5): 54-55.(LI Gang.Study on the length adaptation of highway tunnel ventilation mode[J].Highway,2000(5): 54-55.(in Chinese))

[16]季倩倩,田海洋.長大越江隧道通風(fēng)與防災(zāi)[J].市政技術(shù),2009,27(S2): 199-201.(JI Qianqian,TIAN Haiyang.Ventilation and precaution calamities of long cross-river tunnel[J].Municipal Engineering Technology,2009,27(S2): 199-201.(in Chinese))

[17]孫文昊,張迪,寧茂全.錢江通道及接線工程錢江隧道設(shè)計綜述[C]//地下交通工程與工程安全：第五屆中國國際隧道工程研討會文集.上海: 同濟大學(xué)出版社,2011.(SUN Wenhao,ZHANG Di,NING Maoquan.Design of the Qiantang River tunnel of the Qianjiang crossing and connection project[C]//Underground Transportation Projects and Work Safety：Proceedings of China’s 5th International Symposium on Tunnelling.Shanghai: Tongji University Press,2011.(in Chinese))

[18]張祉道.公路隧道的火災(zāi)事故通風(fēng)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2003,40(1): 34-43.(ZHANG Zhidao.Fire disaster ventilation of highway tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2003,40(1): 34-43.(in Chinese))

[19]吳德興,李偉平,鄭國平.公路隧道獨立排煙道集中排煙縮尺寸模型試驗研究[J].公路,2011(8): 307-311.(WU Dexing,LI Weiping,ZHENG Guoping.Scale model test of central exhaust system of independent smoke evacuation for highway tunnel[J].Highway,2011(8): 307-311.(in Chinese))

廣告目次

楊凌CBE隧道模具有限公司 封面

西安交大流體壓縮國家工程中心咸陽風(fēng)機廠 封二

西安長峰儀表自控有限公司 后插二

羅賓斯(上海)地下工程設(shè)備有限公司 后插一

2015中國國際隧道與地下工程技術(shù)展覽會 封三

湖南省白銀新材料有限公司 封底

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

張迪(1972—)，男，湖北天門人，1995年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，土建結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)從事隧道及地下工程勘察設(shè)計研究與技術(shù)管理工作。

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

U 453.5

B

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