城市交通隧道通风系统设计

 杨涛  杨军

 （中交第二公路勘察设计研究院有限公司  武汉430050）

摘要  基于城市交通隧道独特的地理位置，周边环境对污染物排放的严格控制，以及城市潮汐交通等因素，成为城市交通隧道通风系统设计面临的难点。文中结合已建工程项目，分析城市交通隧道通风系统设计难点及对策，并对厦门第二西通道工程通风系统设计进行介绍。

关键词  城市交通隧道  通风系统  难点及对策

 城市交通隧道多处于人员生活或居住密集区，隧道内污染物的排放会直接影响人们的生活环境，给城市交通隧道通风系统设计带来了严峻的挑战。传统公路隧道通风系统设计不存在超负荷运行工况，且隧道污染空气可直接排放，不考虑车辆引起的隧道温升效应，其设计理念已无法满足城市交通增长需求，故进行有针对性的城市交通隧道通风系统设计成为至关重要的课题。

1  主要设计标准的选取

1.1卫生标准

国内尚未有城市交通隧道通风设计卫生标准，在参考PIARC隧道空气质量标准的基础上，将《公路隧道通风设计细则》的卫生标准适当提高，城市交通隧道通风卫生标准，见表1。

1.2怠速及阻滞设计标准

 通风系统的设置是以改善隧道内空气品质为首要目标，同时兼顾其他需求。在正常行车和发生交通阻塞工况下，隧道通风系统应提供足够的新风量，满足行车安全要求和人员卫生要求。

随着私家车保有量的增加，城市交通压力越来越大，尤其是上下班高峰时段，拥堵时有发生，城市交通隧道通风系统设计应考虑全程怠速行驶(20 km/h)的情况。对于交通阻滞(10 km/h)或停滞工况，若按全隧道考虑，会使隧道通风量过大，需配置大规模通风设施以满足特殊工况，显然是不经济的，且运营期间通过交通控制系统避免出现全隧道的阻滞或停滞是可行的。根据已运营的城市交通隧道实际情况，其阻滞段长度按2 000m考虑较为合理，应分别对阻滞段位于隧道不同位置进行试算，取最不利情况。对于怠速或阻滞行驶时的交通量，根据行车间距换算更为合理，计算如下。

式中：N为计算交通量；l反为司机在反应时间内车辆行驶的距离，m;l制为车辆的制动距离，m;l安为车辆间的安全距离，m，可取2 m;l车为车辆平均长度，m，可用均值5m；v为行车速度，km/h；t为司机反应时间，s，可取1.2S；9为轮胎与路面间的附着系数，取0.9；K为平均密度，辆/km。

1.3  火灾通风设计标准

1.3.1  火灾规模

一般来说，单向行车发生火灾的机率不高，近年来欧洲发生严重火灾事故的多数为双向交通隧道，而这些隧道设施较旧。因为汽车可能载满汽油或者货物，隧道火灾规模或者热释放量比一般建筑物的设计参数高。根据PIARC的相关建议，不同种类的汽车火灾规模，见表2。

 调研国内多条已运营的城市交通隧道，同时考虑城市交通隧道以小客车通行为主，且无特殊需求情况下，禁止载有危险品货物的车辆通行，其火灾规模取20 MW较为合适。

1.3.2火灾排烟方案

 (1)排烟系统关乎到火灾情况下人员的安全疏散，完善的排烟系统对有效控制及扑灭火灾至关重要。目前隧道常用的排烟方案有纵向排烟及重点排烟2种。

(2)纵向排烟是利用通风设备产生不小于临界风速的纵向气流，方向为行车方向，以防止烟气回流，并控制烟流向火源点下游排放，是适用单向交通隧道最常用的一种烟气控制方式，其气流组织见图1。

重点排烟是在隧道纵向设置专用排烟道，并且设置一定数量的排烟口，火灾时开启火源点附近的排烟口，将烟气快速有效地排出行车道空间，适用于双向交通或安全要求较高的特长城市交通隧道，其气流组织见图2。

 从国内已建隧道实际运行效果来看，受活塞风、火源点位置及排烟道长度等因素的影响，重点排烟效果并不是很理想。相比之下，对于单向交通隧道，纵向排烟更为简单可靠。

1.4温升设计标准

 影响隧道温升的因素很复杂，热量的主要来源是汽车引擎散发的热量，其次是通风、照明及监控设施带来的热量。相关资料表明，汽车空调冷凝器失效的最高温度为46℃，应控制隧道内环境温度不超过46℃。通风系统可以控制隧道温升，增大通风量可以有效降低隧道内的温度，当增大通风量不经济或不可行时，应采取其他降温措施。如英法海底隧道采用的集中供冷站的降温措施，或者上海崇明过江隧道采用的高压细水雾的降温方法。

2城市交通隧道通风系统设计重点

2.1  隧道污染物排放

城市交通隧道车流量大，隧道内的汽车尾气扬尘、轮胎摩擦、刹车制动、柴油发动机烟雾排放等产生的烟尘离子，沿着隧道纵向积聚，经高排风塔或隧道洞口集中排放。当前各大城市将控制PM2.5作为应对雾霾污染、改善空气质量的首要任务。相关统计数据表明，PM2.5中汽车尾气排放占比23%。因此为避免隧道污染物排放造成环境污染，城市交通隧道可考虑安装静电除尘设备( ESP)，净化污染空气排放。研究实验证明，在不同风速下，安装在隧道中的ESP对不同粒径PM的去除效率均在80%以上。国外已有多条公路隧道运用了静电除尘设备，技术较为成熟，国内尚处于起步阶段。隧道内比较常用的有顶部式安装和旁侧式安装2种模式，其特点见表3。

2.2多出入口城市交通隧道风量及风压分配

 城市路网密集，隧道需设置匝道与周边路网实现交通转换。匝道与主洞相交的角度、断面积均不一样，需考虑其对隧道风量、风压的影响。如出隧道的匝道可能会分流主线气流，从而使得隧道需风量不足，也有可能会把经隧道洞口排出的污染空气直接分流从匝道排出，影响匝道出口附近的环境。而进隧道的匝道会增加隧道内污染空气，使得隧道内污染物浓度超标。

 通风系统计算时应考虑匝道的分流损失及合流损失的局部阻力。通过设置射流风机调压来降低其对于主线气流的影响，在每处分合流区域集中设置一定数量的射流风机，利用射流风机的升压力诱导主洞气流走向。同时可考虑在匝道内配置一定数量的射流风机，特殊情况下可逆转，以达到控制气流走向的目的。

2.3城市交通隧道通风方案

 城市交通隧道的通风方式主要取决于隧道长度、纵坡、交通流量、交通方式等因素。此外，还需考虑洞口环境保护、隧道施工方法、火灾要求等因素。主要可分为：纵向式通风、半横向式通风、全横向式通风以及互换式网络通风，各种通风方案各有利弊。

2.3.1纵向式通风方案

纵向式通风是使隧道气流在行车道内纵向流动的一种通风方式，特别适用于单向行车的隧道。该方案可充分利用车辆活塞风作用，它具有投资省、能耗低、运行调节灵活等明显的优点。国内外水底隧道通风方式也以纵向式通风为主，城市交通隧道应优先选择纵向式通风方案，见图3。

2.3.2全横向式通风方案

全横向式通风需设置专用送风道和排风道，隧道内基本上不产生沿纵向气流，只有横向气流，隧道内污染物浓度的分布大体上均匀。该方案能有效控制空气卫生品质，系统安全可靠、性能稳定，但其庞大的送排风道使隧道所需的断面积也随之变得很大，增加了施工风险及工程投资，通风方案见图4。一般适用于卫生标准要求较高的双向行车隧道。

2.3.3半横向式通风方案

只需设置专用排风道或进风道，隧道断面介于全横向通风和纵向通风之间，可利用部分活塞风作用，隧道内的污染物浓度大体上接近一致。制约因素仍然是需设置专用风道，增大了隧道横断面积，通风方案见图5。一般适用于卫生标准要求较高的双向行车隧道。

3厦门第二西通道工程通风系统设计

3.1项目概述

 通道位于厦门本岛西北部，连接厦门本岛和海沧区，隧道通风设计段全长6 335 m，设计车速80 km/h，为单洞双向6车道。设置A(llo m)、B(130 m)、C(590 m)3条进出主线匝道。

3.2需风量

隧道需风量计算结果见表4。

3.3通风方案

结合隧道设计需风量，厦门第二西通道工程通风系统采用：左线2竖井分3段送排式纵向通风十右线单竖井分2段送排式纵向通风方式十静电除尘方案。考虑右线出口通风分段长达2695m，为长大上坡段，且隧道出口处附近有居民区、写字楼等敏感性建筑。为控制污染空气排放，在右线出口端射流风机上加装顶部式静电除尘设备，通风系统平面布置见图6。

3.4  隧道火灾通风设计

 厦门第二西通道工程交通组成以小客车为主（90%以上），且在无特殊需求情况下禁止载有危险品货物的车辆通行。隧道按同时仅一处火灾进行设计，火灾规模为20 MW，隧道采用分段纵向排烟模式。

4结语

 国内城市交通隧道的修建方兴未艾，拟建的项目还很多，其通风系统设计过程中，应对所有可能出现的工况进行分析，包括正常运营、交通怠速、上下班高峰时段的交通阻滞或停滞及火灾紧急情况，以确保隧道运营安全。此外还需考虑隧道废气排放对周边环境的影响及隧道内温升。