中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司 梁 艷 魏志華深圳市市政設(shè)計研究院 唐春華

0 引言

世界第一條水下盾構(gòu)隧道——法國泰晤士河隧道于1843年建成通車，開啟了水下隧道盾構(gòu)建設(shè)的歷史；中國第一條水下盾構(gòu)隧道上海黃浦江打浦路隧道于1971年建成通車[1]，開啟了我國水下盾構(gòu)隧道建設(shè)歷史。我國水下隧道采用盾構(gòu)法建設(shè)僅有幾十年時間，進入21世紀以來，我國水下隧道建設(shè)進入了迅速發(fā)展期，尤以水下大直徑盾構(gòu)隧道最為矚目。肖明清對我國水下盾構(gòu)隧道代表性工程及發(fā)展趨勢進行了總結(jié)[2]；張迪提出了盾構(gòu)法隧道運營通風(fēng)設(shè)計的依據(jù)和適用標準，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)計的原則和流程[3]。上海長江隧道[4]、武漢長江隧道[5]、南京緯三路過江通道[6]、錢江通道[7]、武漢三陽路隧道[8]、武漢東湖隧道[9]等大直徑盾構(gòu)隧道已建成通車。大直徑盾構(gòu)水下隧道的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計受暗埋段隧道長度、盾構(gòu)段長度、盾構(gòu)斷面直徑、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及設(shè)備管線布置和逃生救援通道形式等諸多因素制約，結(jié)合項目特點對隧道運營通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計標準的選取、需風(fēng)量計算、通風(fēng)方案進行了大量研究，取得了一定的設(shè)計經(jīng)驗，但不同行車條件下的隧道運營通風(fēng)工況的研究還不夠深入。隧道通風(fēng)方案及運營通風(fēng)模式會直接影響隧道的工程造價、運營環(huán)境及安全、防災(zāi)救災(zāi)功能及運營效益。

隧道通風(fēng)分運營通風(fēng)和火災(zāi)通風(fēng)，本文僅就隧道通風(fēng)系統(tǒng)方案對比分析、方案選擇及運營通風(fēng)方案進行分析，火災(zāi)通風(fēng)相關(guān)問題另撰文描述。結(jié)合工程案例對特長、雙管大直徑盾構(gòu)隧道通風(fēng)方案選擇及運營通風(fēng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進行總結(jié)，以期為類似工程設(shè)計提供借鑒和參考。

1 工程概況

汕頭市蘇埃隧道工程位于廣東省汕頭市海灣大橋與礐石大橋之間，跨越汕頭市蘇埃內(nèi)海灣，海域長約3.5 km，線路全長6.68 km[10]。蘇埃隧道是汕頭市第一條穿海通道，第三條過海通道，是連通汕頭灣南北兩岸、暢通城市發(fā)展“大動脈”的全天候過海新通道，能解決過海交通瓶頸，改善汕頭市“一市兩城”的格局，實現(xiàn)城市空間向南擴展，對城市建設(shè)發(fā)展具有重要意義。廣東省發(fā)展改革委于2012年5月正式批復(fù)該工程可行性研究報告，2017年3月正式土建開工，采用公私合營模式(PPP)，投資概算約57億元。隧道地理位置如圖1所示。

圖1 汕頭市蘇埃隧道工程地理位置圖

2 工程特點

該項目土建施工工法經(jīng)過方案比選、論證后采用對碼頭、航道、環(huán)境影響均較小的盾構(gòu)法施工，過海段采用內(nèi)/外徑為13.3 m/14.5 m的大直徑盾構(gòu)。盾構(gòu)法是暗挖法中的一種全機械化施工方法，盾構(gòu)機的主體部分是可移動的高強度鋼套殼。在隧道掘進時，通過盾構(gòu)外殼和管片支承四周圍巖，防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌，切削裝置開挖的土體通過出土機械運出洞外，并拼裝預(yù)制混凝土管片，形成隧道結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)橫斷面施工示意圖

隧道過海段采用盾構(gòu)法施工，具有以下特點：

1) 盾構(gòu)段長度比較長，超過3 km，屬于特長隧道。

2) 盾構(gòu)段為圓形結(jié)構(gòu)，需要同時滿足行車、疏散、管線安裝等各類條件。

3) 作為一個機械施工的整體結(jié)構(gòu)，管片最好連續(xù)，不宜破壞；中間風(fēng)井、風(fēng)塔、橫向疏散通道等通常不設(shè)置在盾構(gòu)段。

3 隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 隧道通風(fēng)設(shè)計標準

3.1.1通風(fēng)標準

隧道通風(fēng)設(shè)計需同時滿足安全標準、衛(wèi)生標準、舒適性標準：安全標準以控制煙霧濃度和隧道最大風(fēng)速為主；衛(wèi)生標準以稀釋CO為主；舒適性標準要滿足換氣次數(shù)和最小風(fēng)速。通風(fēng)設(shè)計標準是影響通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模的一個重要因素，基于此，設(shè)計過程中對通風(fēng)標準取值進行了多次研究及審查，也開展了大量的類似工程及國際規(guī)范的調(diào)研工作，結(jié)合隧道的實際情況、現(xiàn)場條件、營運經(jīng)濟性及已建城市道路隧道通風(fēng)的實際營運效果等進行綜合分析，最終采用了JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》[13](以下簡稱《細則》)推薦的數(shù)據(jù)。

3.1.2尾氣排放標準

汽車尾氣排放量是影響通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模的另一個重要因素，同時應(yīng)與目標年實際通過隧道的車輛相匹配。很多學(xué)者均對此提出了質(zhì)疑并進行了大量的研究，隨著隧道建設(shè)的蓬勃發(fā)展，相應(yīng)的行業(yè)標準也在逐步修訂?！都殑t》于2014年正式頒布實施，對尾氣排放標準給出了新的規(guī)定。該項目2014年啟動初步設(shè)計時即采用了《細則》的推薦值。

3.2 設(shè)計交通量

該隧道交通組成中76%為小客車，且不通行貨車，嚴禁通行油罐車或液態(tài)天然氣等危險品運載車輛，對于必須經(jīng)過該隧道的軍事車輛，通行時由消防車開道。初期(2023年)、近期(2028年)、遠期(2038年)預(yù)測高峰小時交通量分別為3 112、3 612、4 673 輛/h。大型車比例為15.5%，方向分布系數(shù)按55%取值。

3.3 需風(fēng)量計算

根據(jù)預(yù)測交通量、尾氣排放標準及隧道長度、坡度等參數(shù)計算東西線隧道各期需風(fēng)量，見表1。

表1 東、西線隧道計算需風(fēng)量 m3/s

從隧道的計算需風(fēng)量結(jié)果中能看出需風(fēng)量最大值由通風(fēng)標準中的CO決定，煙霧并不起決定性作用。遠期正常行車工況30、40、50、60 km/h對應(yīng)的需風(fēng)量分別為353、303、243、202 m3/s，遠期阻塞工況需風(fēng)量為413 m3/s，換氣工況需風(fēng)量為282 m3/s。

4 隧道通風(fēng)方案

蘇埃隧道為跨城區(qū)水下隧道，土建方案采用兩管盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)形式，路線總長6 680 m，地下隧道封閉段全長4 230 m，兩端采用明挖法施工，過海段采用盾構(gòu)法施工，東/西線盾構(gòu)段長3 047.5 m/3 045.5 m，為一級公路兼城市道路，設(shè)計時速60 km/h。以東線為例，縱斷面如圖3所示。

圖3 隧道縱斷面圖

全橫向通風(fēng)、半橫向通風(fēng)均需配置風(fēng)道，結(jié)合隧道控制需風(fēng)量，需要配置的新排風(fēng)道面積較大，會加大盾構(gòu)直徑，增加土建投資。該項目受盾構(gòu)直徑的限制，能設(shè)置風(fēng)道的斷面空間較小，故不對全橫向通風(fēng)、半橫向通風(fēng)方案進行比選。

結(jié)合盾構(gòu)井設(shè)置位置、盾構(gòu)直徑、線路走向、洞口周邊環(huán)評要求，研究比選4種縱向式組合通風(fēng)方式：射流風(fēng)機(全段設(shè)置)+豎井分段排出式方案(方案1)、射流風(fēng)機(全段設(shè)置)+豎井分段排出式+土建排煙風(fēng)道方案(方案2)、射流風(fēng)機(明挖段設(shè)置)+豎井分段排出式+土建排煙風(fēng)道方案(方案3)、東線采用射流風(fēng)機(明挖段設(shè)置)+豎井分段送排出式+土建排煙風(fēng)道/西線采用射流風(fēng)機(明挖段設(shè)置)+豎井分段排出式+土建排煙風(fēng)道方案(方案4)。

4.1 方案1

以東線隧道為例，在北岸盾構(gòu)井位置設(shè)置排風(fēng)塔及排風(fēng)機房，軸流風(fēng)機設(shè)置在排風(fēng)機房內(nèi)，將隧道全長分為2個縱向通風(fēng)區(qū)段，長度分別為720、3 510 m，通風(fēng)方式為分段縱向式排風(fēng)。射流風(fēng)機分組設(shè)置在盾構(gòu)段、明挖段隧道，以不影響盾構(gòu)段直徑為前提，射流風(fēng)機安裝在圓形盾構(gòu)的上層空間?；馂?zāi)工況采用分段縱向排煙，根據(jù)火災(zāi)點不同分別從排風(fēng)塔或者洞口排除煙氣。在非阻塞工況，能較好地控制煙氣流動和擴散；但阻塞工況，車輛聚集在隧道內(nèi)不能迅速開出，縱向排煙會導(dǎo)致煙氣蔓延到車輛聚集位置，不能完全保證火災(zāi)點下游段人員和車輛的安全。運營通風(fēng)總體剖面示意圖見圖4。

圖4 方案1運營通風(fēng)總體剖面示意圖

4.2 方案2

和方案1相比，在兩圓形盾構(gòu)隧道行車上層空間增設(shè)專用排煙風(fēng)道，射流風(fēng)機依然分組設(shè)置在盾構(gòu)段、明挖段隧道。通風(fēng)運營工況同方案1，火災(zāi)發(fā)生在盾構(gòu)段采用重點排煙，其他段采用分段縱向排煙。火災(zāi)規(guī)模小于30 MW，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑13.3 m滿足同時設(shè)置土建排煙風(fēng)道和射流風(fēng)機的安裝空間；火災(zāi)規(guī)模大于50 MW，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑13.3 m不能滿足土建排煙風(fēng)道的過風(fēng)面積及射流風(fēng)機的安裝空間，需加大隧道內(nèi)徑。射流風(fēng)機分組設(shè)置在隧道內(nèi)各處，配電方案造價較高。運營通風(fēng)總體剖面示意圖見圖5。

圖5 運營通風(fēng)方案2總體示意圖

4.3 方案3

利用兩管盾構(gòu)隧道上層空間設(shè)置專用排煙道，盾構(gòu)段不設(shè)置射流風(fēng)機，射流風(fēng)機集中設(shè)置在明挖暗埋段，兩管盾構(gòu)內(nèi)徑為13.3 m，土建排煙風(fēng)道面積設(shè)計范圍為11～16 m2。該方案土建排煙風(fēng)道的面積基本不受限制。運營通風(fēng)總體剖面示意圖見圖6。

圖6 運營通風(fēng)方案3總體示意圖

4.4 方案4

利用兩管盾構(gòu)隧道上層空間設(shè)置專用排煙道，盾構(gòu)段不設(shè)置射流風(fēng)機，射流風(fēng)機集中設(shè)置在明挖暗埋段，兩管盾構(gòu)內(nèi)徑為13.3 m，土建排煙風(fēng)道面積設(shè)計范圍為11～16 m2。此方案土建排煙風(fēng)道的面積基本不受限制。方案4與方案3區(qū)別在于方案4在東線隧道北岸風(fēng)井至洞口的720 m范圍內(nèi)設(shè)置了隧道送風(fēng)系統(tǒng)。運營通風(fēng)總體剖面示意圖見圖7。

圖7 運營通風(fēng)方案4總體示意圖

4.5 方案比選

4種通風(fēng)方案比選結(jié)果見表2。

表2 通風(fēng)方案比選

蘇埃隧道盾構(gòu)內(nèi)徑為13.3 m，火災(zāi)規(guī)模為50 MW。方案2不具備土建方案成立的條件。

蘇埃隧道連接汕頭灣南北兩岸，為海底城市主干道，具有交通流量大、易發(fā)生交通堵塞等特點。從設(shè)計發(fā)展角度看，尊重生命、保障安全是工程設(shè)計的重要內(nèi)容，而且在國際上越來越受到重視。因此，該項目考慮隧道阻塞火災(zāi)工況，方案1不滿足要求。

方案3為通風(fēng)井排出式(下文詳細介紹了運營工況)，北岸風(fēng)塔至洞口段部分工況存在交通力與排風(fēng)氣流逆向，不能充分利用交通風(fēng)、不節(jié)能，需要設(shè)置較多的射流風(fēng)機以實現(xiàn)設(shè)計的氣流組織，較難控制。通過合理的設(shè)計分析計算，在低車速工況采用合流型排風(fēng)，高車速工況充分利用交通風(fēng)，采用分流型排風(fēng)?？蓾M足東線隧道北岸洞口污染物濃度不超標的要求。

方案4在東線隧道北岸風(fēng)塔至洞口的720 m設(shè)置送風(fēng)豎井，東線隧道通風(fēng)方式為通風(fēng)井送排式，北岸風(fēng)塔至洞口段利用明挖段有利條件設(shè)置送風(fēng)短道，可很好地滿足東線隧道北岸洞口污染物濃度不超標的要求。但需要設(shè)置土建送風(fēng)短道及少量射流風(fēng)機，土建造價高。

通過上述分析，方案3和方案4均滿足隧道的功能需求，方案3造價低于方案4。結(jié)合上述方案分析，為保證行車安全、滿足其功能定位及土建投資等各方面因素，該工程隧道通風(fēng)方案選擇方案3。

5 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

蘇埃隧道為兩管隧道，采用盾構(gòu)+兩端明挖暗埋結(jié)構(gòu)形式。盾構(gòu)內(nèi)徑為13.3 m，盾構(gòu)空間分為3層，上部為土建排煙風(fēng)道層，中部為行車層，下部為安全通道/電纜廊道層。

方案3利用兩管盾構(gòu)隧道上層空間設(shè)置專用排煙道，面積為15.6 m2，盾構(gòu)段不設(shè)置射流風(fēng)機，射流風(fēng)機集中設(shè)置在明挖暗埋段。盾構(gòu)橫斷面布置見圖8。

圖8 盾構(gòu)橫斷面布置圖

5.1 洞口環(huán)境敏感點分布

隧道北岸洞口500 m范圍內(nèi)有1棟別墅、3棟住宅和1所小學(xué)，環(huán)境空氣質(zhì)量執(zhí)行GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》二級標準[14]。隧道南岸洞口位于礐石風(fēng)景名勝區(qū)及汕頭市濕地自然保護區(qū)范圍內(nèi)，環(huán)境空氣質(zhì)量執(zhí)行GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》一級標準。兩岸洞口均不能直接作為全部污染空氣排放點，需要設(shè)置高風(fēng)塔高空集中排放。經(jīng)測算，隧道的大部分污染空氣(約80%)通過風(fēng)塔高空集中排放，洞口排放約20%。

北岸風(fēng)塔結(jié)合盾構(gòu)井設(shè)置，中心里程距離隧道洞口720 m；南盾構(gòu)井位于海中央沒有兼排風(fēng)塔，南岸風(fēng)塔向岸邊推移，設(shè)置在明挖暗埋段，中心里程距離隧道洞口170 m，兩岸風(fēng)塔高度大約在55 m。隧道風(fēng)塔位置見圖9。

圖9 隧道風(fēng)塔位置

5.2 通風(fēng)運營方案

隧道的控制需風(fēng)量是按對應(yīng)年的預(yù)測交通量及汽車尾氣排放量計算的，能滿足隧道設(shè)計標準的理論計算值。在某些工況，即便不啟動射流風(fēng)機，隧道車輛行駛過程中產(chǎn)生的交通風(fēng)量也會遠大于隧道的控制需風(fēng)量，此時就需要按照實際車輛行駛帶動的交通風(fēng)量對隧道CO、煙霧濃度進行核算，同時要結(jié)合洞口允許污染物排放指標，控制大部分污風(fēng)從風(fēng)塔排放，保證洞口污染物濃度不超標；而有些工況，隧道車輛行駛過程中產(chǎn)生的交通風(fēng)會遠小于隧道的控制需風(fēng)量，此時就需要啟動射流風(fēng)機輔助通風(fēng)，加大隧道洞口進入的總風(fēng)量(需風(fēng)量有上限，隧道斷面風(fēng)速不大于10 m/s)，核算風(fēng)塔和洞口排放比例、洞口污染物濃度，該過程需要反復(fù)迭代計算。

迭代計算控制關(guān)鍵點如下：

1) 兩端明挖暗埋段長度為720 m+463 m，射流風(fēng)機設(shè)置組數(shù)有限。

2) 隧道斷面控制風(fēng)速不大于10 m/s，隧道入口進入總風(fēng)量有上限。

3) 隧道通風(fēng)氣流組織分流形式為風(fēng)塔和隧道出口同時排放污染空氣。

4) 隧道通風(fēng)采用分流氣流組織形式，隧道進入總風(fēng)量按照上限值計算，出風(fēng)塔位置對應(yīng)隧道斷面的CO、煙霧濃度，此濃度為下一通風(fēng)段的設(shè)計濃度基點，可以計算出洞口污染物濃度，再判斷該值是否滿足環(huán)評要求，若不滿足，就需要采用合流氣流組織形式。

按照上述迭代計算關(guān)鍵點，計算出遠期東西線隧道出口端、排風(fēng)豎井、匝道各段的排風(fēng)量及洞口污染物排放比例，計算結(jié)果如表3所示。這些數(shù)值為隧道在不同行車工況下各段實際運營風(fēng)量，其值與3.3節(jié)給出的隧道計算需風(fēng)量仍有較大差別。

表3 遠期東線隧道實際運行風(fēng)量分配

根據(jù)表3的計算結(jié)果及所選設(shè)備的參數(shù)，東線隧道行車速度為50～60 km/h時，采用分流排風(fēng)工況，70%～80%污染空氣從風(fēng)塔排放，20%～30%污染空氣從洞口及匝道排放；車速≤40 km/h及交通阻塞工況時，采用合流排風(fēng)工況，全部污染空氣均需從風(fēng)塔排放。以東線隧道為例，各類設(shè)備的啟停運營模式如表4所示。

6 通風(fēng)設(shè)備布置

表4 東線隧道通風(fēng)系統(tǒng)運行模式

南北岸風(fēng)機機房內(nèi)各設(shè)置4臺大型軸流風(fēng)機，單臺風(fēng)量為100～150 m3/s，風(fēng)壓為1 000～2 000 Pa，電動機功率為400 kW，電壓為10 kV；2臺排風(fēng)/排煙風(fēng)機，單臺風(fēng)量為150 m3/s，風(fēng)壓為1 000 Pa，電動機功率為250 kW，電壓為10 kV。

東線通風(fēng)區(qū)段1(長3 510 m)設(shè)置3組12臺射流風(fēng)機，區(qū)段2(長720 m)存在為克服分流型運營工況的逆向交通風(fēng)需要配置多臺射流風(fēng)機的情況，設(shè)置3組12臺射流風(fēng)機，共6組24臺射流風(fēng)機；西線通風(fēng)區(qū)段1(長4 056 m)設(shè)置5組20臺射流風(fēng)機，區(qū)段2(長170 m)設(shè)置1組4臺射流風(fēng)機，共6組24臺射流風(fēng)機。射流風(fēng)機直徑為1 120 mm，流量為39.1 m3/s，出口風(fēng)速為38 m/s，推力為1 519 Pa，功率為55 kW。隧道通風(fēng)設(shè)備布置見圖10。

7 結(jié)論及展望

圖10 通風(fēng)設(shè)備布置示意圖

1) 對于特長隧道，單一通風(fēng)方式已無法滿足項目建設(shè)需求?？v向式組合通風(fēng)方案在大直徑盾構(gòu)隧道領(lǐng)域具有較好應(yīng)用前景。組合通風(fēng)方案的實際運營效果有待檢驗，不同運營工況、運營速度下設(shè)備啟停模式、運營時間等均需要深入研究。

2) 隧道控制需風(fēng)量是理論計算值，需要結(jié)合交通工況、洞口污染物等進行二次風(fēng)量分配計算。風(fēng)塔至出口一段距離較長時，低速及阻塞工況可能會出現(xiàn)出口污染物超標，此段通風(fēng)需要特殊設(shè)計，沒有條件開設(shè)自然通風(fēng)口或采取凈化措施時，采取合流型排風(fēng)工況，全部或者部分污染空氣從風(fēng)塔排放，避免了洞口污染物超標。這種設(shè)計思路在同類項目中均未見相關(guān)描述，本文也僅是作了初步的探討，后續(xù)仍有深入研究的必要。

3) 通風(fēng)三大設(shè)計標準(安全、衛(wèi)生、舒適性)、機動車尾氣排放量是影響通風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模的兩大因素，文中所述相關(guān)取值具有時代背景?！都殑t》是針對全國范圍各類隧道給出的相關(guān)取值，對發(fā)達地區(qū)的大型隧道項目未作其他規(guī)定，這些取值若直接用到發(fā)達地區(qū)的大型隧道項目，設(shè)計則過于保守，設(shè)備配置必然冗余，造成大量資源浪費。所以這兩大因素需要結(jié)合項目所處地區(qū)開展專項研究，進行合理取值。