城市交通隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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楊濤 楊軍
（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢430050）
摘要 基于城市交通隧道獨(dú)特的地理位置，周邊環(huán)境對(duì)污染物排放的嚴(yán)格控制，以及城市潮汐交通等因素，成為城市交通隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的難點(diǎn)。文中結(jié)合已建工程項(xiàng)目，分析城市交通隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及對(duì)策，并對(duì)廈門第二西通道工程通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。
關(guān)鍵詞 城市交通隧道 通風(fēng)系統(tǒng) 難點(diǎn)及對(duì)策
城市交通隧道多處于人員生活或居住密集區(qū)，隧道內(nèi)污染物的排放會(huì)直接影響人們的生活環(huán)境，給城市交通隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不存在超負(fù)荷運(yùn)行工況，且隧道污染空氣可直接排放，不考慮車輛引起的隧道溫升效應(yīng)，其設(shè)計(jì)理念已無法滿足城市交通增長需求，故進(jìn)行有針對(duì)性的城市交通隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為至關(guān)重要的課題。
1 主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選取
1.1衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)
國內(nèi)尚未有城市交通隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，在參考PIARC隧道空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，將《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)提高，城市交通隧道通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，見表1。
1.2怠速及阻滯設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)置是以改善隧道內(nèi)空氣品質(zhì)為首要目標(biāo)，同時(shí)兼顧其他需求。在正常行車和發(fā)生交通阻塞工況下，隧道通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)提供足夠的新風(fēng)量，滿足行車安全要求和人員衛(wèi)生要求。
隨著私家車保有量的增加，城市交通壓力越來越大，尤其是上下班高峰時(shí)段，擁堵時(shí)有發(fā)生，城市交通隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮全程怠速行駛(20 km/h)的情況。對(duì)于交通阻滯(10 km/h)或停滯工況，若按全隧道考慮，會(huì)使隧道通風(fēng)量過大，需配置大規(guī)模通風(fēng)設(shè)施以滿足特殊工況，顯然是不經(jīng)濟(jì)的，且運(yùn)營期間通過交通控制系統(tǒng)避免出現(xiàn)全隧道的阻滯或停滯是可行的。根據(jù)已運(yùn)營的城市交通隧道實(shí)際情況，其阻滯段長度按2 000m考慮較為合理，應(yīng)分別對(duì)阻滯段位于隧道不同位置進(jìn)行試算，取最不利情況。對(duì)于怠速或阻滯行駛時(shí)的交通量，根據(jù)行車間距換算更為合理，計(jì)算如下。
式中：N為計(jì)算交通量；l反為司機(jī)在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)車輛行駛的距離，m;l制為車輛的制動(dòng)距離，m;l安為車輛間的安全距離，m，可取2 m;l車為車輛平均長度，m，可用均值5m；v為行車速度，km/h；t為司機(jī)反應(yīng)時(shí)間，s，可取1.2S；9為輪胎與路面間的附著系數(shù)，取0.9；K為平均密度，輛/km。
1.3 火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
1.3.1 火災(zāi)規(guī)模
一般來說，單向行車發(fā)生火災(zāi)的機(jī)率不高，近年來歐洲發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)事故的多數(shù)為雙向交通隧道，而這些隧道設(shè)施較舊。因?yàn)槠嚳赡茌d滿汽油或者貨物，隧道火災(zāi)規(guī)�；蛘邿後尫帕勘纫话憬ㄖ锏脑O(shè)計(jì)參數(shù)高。根據(jù)PIARC的相關(guān)建議，不同種類的汽車火災(zāi)規(guī)模，見表2。
調(diào)研國內(nèi)多條已運(yùn)營的城市交通隧道，同時(shí)考慮城市交通隧道以小客車通行為主，且無特殊需求情況下，禁止載有危險(xiǎn)品貨物的車輛通行，其火災(zāi)規(guī)模取20 MW較為合適。
1.3.2火災(zāi)排煙方案
(1)排煙系統(tǒng)關(guān)乎到火災(zāi)情況下人員的安全疏散，完善的排煙系統(tǒng)對(duì)有效控制及撲滅火災(zāi)至關(guān)重要。目前隧道常用的排煙方案有縱向排煙及重點(diǎn)排煙2種。
(2)縱向排煙是利用通風(fēng)設(shè)備產(chǎn)生不小于臨界風(fēng)速的縱向氣流，方向?yàn)樾熊嚪较�，以防止煙氣回流，并控制煙流向火源點(diǎn)下游排放，是適用單向交通隧道最常用的一種煙氣控制方式，其氣流組織見圖1。
重點(diǎn)排煙是在隧道縱向設(shè)置專用排煙道，并且設(shè)置一定數(shù)量的排煙口，火災(zāi)時(shí)開啟火源點(diǎn)附近的排煙口，將煙氣快速有效地排出行車道空間，適用于雙向交通或安全要求較高的特長城市交通隧道，其氣流組織見圖2。
從國內(nèi)已建隧道實(shí)際運(yùn)行效果來看，受活塞風(fēng)、火源點(diǎn)位置及排煙道長度等因素的影響，重點(diǎn)排煙效果并不是很理想。相比之下，對(duì)于單向交通隧道，縱向排煙更為簡單可靠。
1.4溫升設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
影響隧道溫升的因素很復(fù)雜，熱量的主要來源是汽車引擎散發(fā)的熱量，其次是通風(fēng)、照明及監(jiān)控設(shè)施帶來的熱量。相關(guān)資料表明，汽車空調(diào)冷凝器失效的最高溫度為46℃，應(yīng)控制隧道內(nèi)環(huán)境溫度不超過46℃。通風(fēng)系統(tǒng)可以控制隧道溫升，增大通風(fēng)量可以有效降低隧道內(nèi)的溫度，當(dāng)增大通風(fēng)量不經(jīng)濟(jì)或不可行時(shí)，應(yīng)采取其他降溫措施。如英法海底隧道采用的集中供冷站的降溫措施，或者上海崇明過江隧道采用的高壓細(xì)水霧的降溫方法。
2城市交通隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)
2.1 隧道污染物排放
城市交通隧道車流量大，隧道內(nèi)的汽車尾氣揚(yáng)塵、輪胎摩擦、剎車制動(dòng)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)煙霧排放等產(chǎn)生的煙塵離子，沿著隧道縱向積聚，經(jīng)高排風(fēng)塔或隧道洞口集中排放。當(dāng)前各大城市將控制PM2.5作為應(yīng)對(duì)霧霾污染、改善空氣質(zhì)量的首要任務(wù)。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，PM2.5中汽車尾氣排放占比23%。因此為避免隧道污染物排放造成環(huán)境污染，城市交通隧道可考慮安裝靜電除塵設(shè)備( ESP)，凈化污染空氣排放。研究實(shí)驗(yàn)證明，在不同風(fēng)速下，安裝在隧道中的ESP對(duì)不同粒徑PM的去除效率均在80%以上。國外已有多條公路隧道運(yùn)用了靜電除塵設(shè)備，技術(shù)較為成熟，國內(nèi)尚處于起步階段。隧道內(nèi)比較常用的有頂部式安裝和旁側(cè)式安裝2種模式，其特點(diǎn)見表3。
2.2多出入口城市交通隧道風(fēng)量及風(fēng)壓分配
城市路網(wǎng)密集，隧道需設(shè)置匝道與周邊路網(wǎng)實(shí)現(xiàn)交通轉(zhuǎn)換。匝道與主洞相交的角度、斷面積均不一樣，需考慮其對(duì)隧道風(fēng)量、風(fēng)壓的影響。如出隧道的匝道可能會(huì)分流主線氣流，從而使得隧道需風(fēng)量不足，也有可能會(huì)把經(jīng)隧道洞口排出的污染空氣直接分流從匝道排出，影響匝道出口附近的環(huán)境。而進(jìn)隧道的匝道會(huì)增加隧道內(nèi)污染空氣，使得隧道內(nèi)污染物濃度超標(biāo)。
通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮匝道的分流損失及合流損失的局部阻力。通過設(shè)置射流風(fēng)機(jī)調(diào)壓來降低其對(duì)于主線氣流的影響，在每處分合流區(qū)域集中設(shè)置一定數(shù)量的射流風(fēng)機(jī)，利用射流風(fēng)機(jī)的升壓力誘導(dǎo)主洞氣流走向。同時(shí)可考慮在匝道內(nèi)配置一定數(shù)量的射流風(fēng)機(jī)，特殊情況下可逆轉(zhuǎn)，以達(dá)到控制氣流走向的目的。
2.3城市交通隧道通風(fēng)方案
城市交通隧道的通風(fēng)方式主要取決于隧道長度、縱坡、交通流量、交通方式等因素。此外，還需考慮洞口環(huán)境保護(hù)、隧道施工方法、火災(zāi)要求等因素。主要可分為：縱向式通風(fēng)、半橫向式通風(fēng)、全橫向式通風(fēng)以及互換式網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)，各種通風(fēng)方案各有利弊。
2.3.1縱向式通風(fēng)方案
縱向式通風(fēng)是使隧道氣流在行車道內(nèi)縱向流動(dòng)的一種通風(fēng)方式，特別適用于單向行車的隧道。該方案可充分利用車輛活塞風(fēng)作用，它具有投資省、能耗低、運(yùn)行調(diào)節(jié)靈活等明顯的優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外水底隧道通風(fēng)方式也以縱向式通風(fēng)為主，城市交通隧道應(yīng)優(yōu)先選擇縱向式通風(fēng)方案，見圖3。
2.3.2全橫向式通風(fēng)方案
全橫向式通風(fēng)需設(shè)置專用送風(fēng)道和排風(fēng)道，隧道內(nèi)基本上不產(chǎn)生沿縱向氣流，只有橫向氣流，隧道內(nèi)污染物濃度的分布大體上均勻。該方案能有效控制空氣衛(wèi)生品質(zhì)，系統(tǒng)安全可靠、性能穩(wěn)定，但其龐大的送排風(fēng)道使隧道所需的斷面積也隨之變得很大，增加了施工風(fēng)險(xiǎn)及工程投資，通風(fēng)方案見圖4。一般適用于衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求較高的雙向行車隧道。
2.3.3半橫向式通風(fēng)方案
只需設(shè)置專用排風(fēng)道或進(jìn)風(fēng)道，隧道斷面介于全橫向通風(fēng)和縱向通風(fēng)之間，可利用部分活塞風(fēng)作用，隧道內(nèi)的污染物濃度大體上接近一致。制約因素仍然是需設(shè)置專用風(fēng)道，增大了隧道橫斷面積，通風(fēng)方案見圖5。一般適用于衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求較高的雙向行車隧道。
3廈門第二西通道工程通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1項(xiàng)目概述
通道位于廈門本島西北部，連接廈門本島和海滄區(qū)，隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)段全長6 335 m，設(shè)計(jì)車速80 km/h，為單洞雙向6車道。設(shè)置A(llo m)、B(130 m)、C(590 m)3條進(jìn)出主線匝道。
3.2需風(fēng)量
隧道需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果見表4。
3.3通風(fēng)方案
結(jié)合隧道設(shè)計(jì)需風(fēng)量，廈門第二西通道工程通風(fēng)系統(tǒng)采用：左線2豎井分3段送排式縱向通風(fēng)十右線單豎井分2段送排式縱向通風(fēng)方式十靜電除塵方案�？紤]右線出口通風(fēng)分段長達(dá)2695m，為長大上坡段，且隧道出口處附近有居民區(qū)、寫字樓等敏感性建筑。為控制污染空氣排放，在右線出口端射流風(fēng)機(jī)上加裝頂部式靜電除塵設(shè)備，通風(fēng)系統(tǒng)平面布置見圖6。
3.4 隧道火災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)
廈門第二西通道工程交通組成以小客車為主（90%以上），且在無特殊需求情況下禁止載有危險(xiǎn)品貨物的車輛通行。隧道按同時(shí)僅一處火災(zāi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，火災(zāi)規(guī)模為20 MW，隧道采用分段縱向排煙模式。
4結(jié)語
國內(nèi)城市交通隧道的修建方興未艾，擬建的項(xiàng)目還很多，其通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對(duì)所有可能出現(xiàn)的工況進(jìn)行分析，包括正常運(yùn)營、交通怠速、上下班高峰時(shí)段的交通阻滯或停滯及火災(zāi)緊急情況，以確保隧道運(yùn)營安全。此外還需考慮隧道廢氣排放對(duì)周邊環(huán)境的影響及隧道內(nèi)溫升。
