【HVAC】论文丨汕头苏埃隧道运营通风系统设计
摘要
关键词
水下盾构隧道 通风标准 尾气排放标准 组合式通风 需风量 运营通风
作者
中铁第六勘察设计院集团有限公司 梁 艳 魏志华
深圳市市政设计研究院 唐春华
引言
世界第一条水下盾构隧道——法国泰晤士河隧道于1843年建成通车，开启了水下隧道盾构建设的历史；中国第一条水下盾构隧道上海黄浦江打浦路隧道于1971年建成通车，开启了我国水下盾构隧道建设历史。我国水下隧道采用盾构法建设仅有几十年时间，进入21世纪以来，我国水下隧道建设进入了迅速发展期，尤以水下大直径盾构隧道最为瞩目。肖明清对我国水下盾构隧道代表性工程及发展趋势进行了总结；张迪提出了盾构法隧道运营通风设计的依据和适用标准，并结合典型工程的通风设计阐述了正常运营通风和火灾通风设计的原则和流程 。上海长江隧道 、武汉长江隧道 、南京纬三路过江通道 、钱江通道、武汉三阳路隧道 、武汉东湖隧道等大直径盾构隧道已建成通车。大直径盾构水下隧道的通风系统设计受暗埋段隧道长度、盾构段长度、盾构断面直径、内部结构及设备管线布置和逃生救援通道形式等诸多因素制约，结合项目特点对隧道运营通风系统设计标准的选取、需风量计算、通风方案进行了大量研究，取得了一定的设计经验，但不同行车条件下的隧道运营通风工况的研究还不够深入。隧道通风方案及运营通风模式会直接影响隧道的工程造价、运营环境及安全、防灾救灾功能及运营效益。
隧道通风分运营通风和火灾通风，本文仅就隧道通风系统方案对比分析、方案选择及运营通风方案进行分析，火灾通风相关问题另撰文描述。结合工程案例对特长、双管大直径盾构隧道通风方案选择及运营通风设计关键技术进行总结，以期为类似工程设计提供借鉴和参考。
汕头市苏埃隧道工程位于广东省汕头市海湾大桥与礐石大桥之间，跨越汕头市苏埃内海湾，海域长约3.5 km，线路全长6.68 km。苏埃隧道是汕头市第一条穿海通道，第三条过海通道，是连通汕头湾南北两岸、畅通城市发展”大动脉”的全天候过海新通道，能解决过海交通瓶颈，改善汕头市”一市两城”的格局，实现城市空间向南扩展，对城市建设发展具有重要意义。广东省发展改革委于2012年5月正式批复该工程可行性研究报告，2017年3月正式土建开工，采用公私合营模式（PPP），投资概算约57亿元。隧道地理位置如图1所示。
图1 汕头市苏埃隧道工程地理位置图
该项目土建施工工法经过方案比选、论证后采用对码头、航道、环境影响均较小的盾构法施工，过海段采用内/外径为13.3 m/14.5 m的大直径盾构。盾构法是暗挖法中的一种全机械化施工方法，盾构机的主体部分是可移动的高强度钢套壳。在隧道掘进时，通过盾构外壳和管片支承四周围岩，防止发生往隧道内的坍塌，切削装置开挖的土体通过出土机械运出洞外，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构，如图2所示。
图2 盾构横断面施工示意图
隧道过海段采用盾构法施工，具有以下特点：
1） 盾构段长度比较长，超过3 km， 属于特长隧道。
2） 盾构段为圆形结构，需要同时满足行车、疏散、管线安装等各类条件。
3） 作为一个机械施工的整体结构，管片最好连续，不宜破坏；中间风井、风塔、横向疏散通道等通常不设置在盾构段。
隧道通风设计需同时满足安全标准、卫生标准、舒适性标准：安全标准以控制烟雾浓度和隧道最大风速为主；卫生标准以稀释CO为主；舒适性标准要满足换气次数和最小风速。通风设计标准是影响通风系统规模的一个重要因素，基于此，设计过程中对通风标准取值进行了多次研究及审查，也开展了大量的类似工程及国际规范的调研工作，结合隧道的实际情况、现场条件、营运经济性及已建城市道路隧道通风的实际营运效果等进行综合分析，最终采用了JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》（以下简称《细则》）推荐的数据。
汽车尾气排放量是影响通风系统规模的另一个重要因素，同时应与目标年实际通过隧道的车辆相匹配。很多学者均对此提出了质疑并进行了大量的研究，随着隧道建设的蓬勃发展，相应的行业标准也在逐步修订。《细则》于2014年正式颁布实施，对尾气排放标准给出了新的规定。该项目2014年启动初步设计时即采用了《细则》的推荐值。
该隧道交通组成中76%为小客车，且不通行货车，严禁通行油罐车或液态天然气等危险品运载车辆，对于必须经过该隧道的军事车辆，通行时由消防车开道。初期（2023年）、近期（2028年）、远期（2038年）预测高峰小时交通量分别为3 112、3 612、4 673 辆/h。大型车比例为15.5%，方向分布系数按55%取值。
根据预测交通量、尾气排放标准及隧道长度、坡度等参数计算东西线隧道各期需风量，见表1。
从隧道的计算需风量结果中能看出需风量最大值由通风标准中的CO决定，烟雾并不起决定性作用。远期正常行车工况30、40、50、60 km/h对应的需风量分别为353、303、243、202 m3/s， 远期阻塞工况需风量为413 m3/s， 换气工况需风量为282 m3/s。
苏埃隧道为跨城区水下隧道，土建方案采用两管盾构隧道结构形式，路线总长6 680 m， 地下隧道封闭段全长4 230 m， 两端采用明挖法施工，过海段采用盾构法施工，东/西线盾构段长3 047.5 m/3 045.5 m， 为一级公路兼城市道路，设计时速60 km/h。以东线为例，纵断面如图3所示。
图3 隧道纵断面图
全横向通风、半横向通风均需配置风道，结合隧道控制需风量，需要配置的新排风道面积较大，会加大盾构直径，增加土建投资。该项目受盾构直径的限制，能设置风道的断面空间较小，故不对全横向通风、半横向通风方案进行比选。
结合盾构井设置位置、盾构直径、线路走向、洞口周边环评要求，研究比选4种纵向式组合通风方式：射流风机（全段设置）+竖井分段排出式方案（方案1）、射流风机（全段设置）+竖井分段排出式+土建排烟风道方案（方案2）、射流风机（明挖段设置）+竖井分段排出式+土建排烟风道方案（方案3）、东线采用射流风机（明挖段设置）+竖井分段送排出式+土建排烟风道/西线采用射流风机（明挖段设置）+竖井分段排出式+土建排烟风道方案（方案4）。
以东线隧道为例，在北岸盾构井位置设置排风塔及排风机房，轴流风机设置在排风机房内，将隧道全长分为2个纵向通风区段，长度分别为720、3 510 m， 通风方式为分段纵向式排风。射流风机分组设置在盾构段、明挖段隧道，以不影响盾构段直径为前提，射流风机安装在圆形盾构的上层空间。火灾工况采用分段纵向排烟，根据火灾点不同分别从排风塔或者洞口排除烟气。在非阻塞工况，能较好地控制烟气流动和扩散；但阻塞工况，车辆聚集在隧道内不能迅速开出，纵向排烟会导致烟气蔓延到车辆聚集位置，不能完全保证火灾点下游段人员和车辆的安全。运营通风总体剖面示意图见图4。
图4 方案1运营通风总体剖面示意图
和方案1相比，在两圆形盾构隧道行车上层空间增设专用排烟风道，射流风机依然分组设置在盾构段、明挖段隧道。通风运营工况同方案1，火灾发生在盾构段采用重点排烟，其他段采用分段纵向排烟。火灾规模小于30 MW，盾构隧道内径13.3 m满足同时设置土建排烟风道和射流风机的安装空间；火灾规模大于50 MW，盾构隧道内径13.3 m不能满足土建排烟风道的过风面积及射流风机的安装空间，需加大隧道内径。射流风机分组设置在隧道内各处，配电方案造价较高。运营通风总体剖面示意图见图5。
利用两管盾构隧道上层空间设置专用排烟道，盾构段不设置射流风机，射流风机集中设置在明挖暗埋段，两管盾构内径为13.3m， 土建排烟风道面积设计范围为11～16 m2。该方案土建排烟风道的面积基本不受限制。运营通风总体剖面示意图见图6。
图6 运营通风方案3总体示意图
利用两管盾构隧道上层空间设置专用排烟道，盾构段不设置射流风机，射流风机集中设置在明挖暗埋段，两管盾构内径为13.3m， 土建排烟风道面积设计范围为11～16 m2。此方案土建排烟风道的面积基本不受限制。方案4与方案3区别在于方案4在东线隧道北岸风井至洞口的720 m范围内设置了隧道送风系统。运营通风总体剖面示意图见图7。
图7 运营通风方案4总体示意图
4种通风方案比选结果见表2。
苏埃隧道盾构内径为13.3 m， 火灾规模为50 MW。方案2不具备土建方案成立的条件。
苏埃隧道连接汕头湾南北两岸，为海底城市主干道，具有交通流量大、易发生交通堵塞等特点。从设计发展角度看，尊重生命、保障安全是工程设计的重要内容，而且在国际上越来越受到重视。因此，该项目考虑隧道阻塞火灾工况，方案1不满足要求。
方案3为通风井排出式（下文详细介绍了运营工况），北岸风塔至洞口段部分工况存在交通力与排风气流逆向，不能充分利用交通风、不节能，需要设置较多的射流风机以实现设计的气流组织，较难控制。通过合理的设计分析计算，在低车速工况采用合流型排风，高车速工况充分利用交通风，采用分流型排风。可满足东线隧道北岸洞口污染物浓度不超标的要求。
方案4在东线隧道北岸风塔至洞口的720 m设置送风竖井，东线隧道通风方式为通风井送排式，北岸风塔至洞口段利用明挖段有利条件设置送风短道，可很好地满足东线隧道北岸洞口污染物浓度不超标的要求。但需要设置土建送风短道及少量射流风机，土建造价高。
通过上述分析，方案3和方案4均满足隧道的功能需求，方案3造价低于方案4。结合上述方案分析，为保证行车安全、满足其功能定位及土建投资等各方面因素，该工程隧道通风方案选择方案3。
苏埃隧道为两管隧道，采用盾构+两端明挖暗埋结构形式。盾构内径为13.3m， 盾构空间分为3层，上部为土建排烟风道层，中部为行车层，下部为安全通道/电缆廊道层。
方案3利用两管盾构隧道上层空间设置专用排烟道，面积为15.6 m2，盾构段不设置射流风机，射流风机集中设置在明挖暗埋段。盾构横断面布置见图8。
图8 盾构横断面布置图
隧道北岸洞口500 m范围内有1栋别墅、3栋住宅和1所小学，环境空气质量执行GB3095—2012《环境空气质量标准》二级标准。隧道南岸洞口位于礐石风景名胜区及汕头市湿地自然保护区范围内，环境空气质量执行GB 3095—2012《环境空气质量标准》一级标准。两岸洞口均不能直接作为全部污染空气排放点，需要设置高风塔高空集中排放。经测算，隧道的大部分污染空气（约80%）通过风塔高空集中排放，洞口排放约20%。
北岸风塔结合盾构井设置，中心里程距离隧道洞口720 m; 南盾构井位于海中央没有兼排风塔，南岸风塔向岸边推移，设置在明挖暗埋段，中心里程距离隧道洞口170 m， 两岸风塔高度大约在55 m。隧道风塔位置见图9。
图9 隧道风塔位置
隧道的控制需风量是按对应年的预测交通量及汽车尾气排放量计算的，能满足隧道设计标准的理论计算值。在某些工况，即便不启动射流风机，隧道车辆行驶过程中产生的交通风量也会远大于隧道的控制需风量，此时就需要按照实际车辆行驶带动的交通风量对隧道CO、烟雾浓度进行核算，同时要结合洞口允许污染物排放指标，控制大部分污风从风塔排放，保证洞口污染物浓度不超标；而有些工况，隧道车辆行驶过程中产生的交通风会远小于隧道的控制需风量，此时就需要启动射流风机辅助通风，加大隧道洞口进入的总风量（需风量有上限，隧道断面风速不大于10 m/s），核算风塔和洞口排放比例、洞口污染物浓度，该过程需要反复迭代计算。
迭代计算控制关键点如下：
1） 两端明挖暗埋段长度为720 m+463 m， 射流风机设置组数有限。
2） 隧道断面控制风速不大于10 m/s， 隧道入口进入总风量有上限。
3） 隧道通风气流组织分流形式为风塔和隧道出口同时排放污染空气。
4） 隧道通风采用分流气流组织形式，隧道进入总风量按照上限值计算，出风塔位置对应隧道断面的CO、烟雾浓度，此浓度为下一通风段的设计浓度基点，可以计算出洞口污染物浓度，再判断该值是否满足环评要求，若不满足，就需要采用合流气流组织形式。
按照上述迭代计算关键点，计算出远期东西线隧道出口端、排风竖井、匝道各段的排风量及洞口污染物排放比例，计算结果如表3所示。这些数值为隧道在不同行车工况下各段实际运营风量，其值与3.3节给出的隧道计算需风量仍有较大差别。
根据表3的计算结果及所选设备的参数，东线隧道行车速度为50～60 km/h时，采用分流排风工况，70%～80%污染空气从风塔排放，20%～30%污染空气从洞口及匝道排放；车速≤40 km/h及交通阻塞工况时，采用合流排风工况，全部污染空气均需从风塔排放。以东线隧道为例，各类设备的启停运营模式如表4所示。
南北岸风机机房内各设置4台大型轴流风机，单台风量为100～150 m3/s， 风压为1 000～2 000 Pa， 电动机功率为400 kW，电压为10 kV;2台排风/排烟风机，单台风量为150 m3/s， 风压为1 000 Pa， 电动机功率为250 kW，电压为10 kV。
东线通风区段1（长3 510 m）设置3组12台射流风机，区段2（长720 m）存在为克服分流型运营工况的逆向交通风需要配置多台射流风机的情况，设置3组12台射流风机，共6组24台射流风机；西线通风区段1（长4 056 m）设置5组20台射流风机，区段2（长170 m）设置1组4台射流风机，共6组24台射流风机。射流风机直径为1 120 mm， 流量为39.1 m3/s， 出口风速为38 m/s， 推力为1 519 Pa， 功率为55 kW。隧道通风设备布置见图10。
图10 通风设备布置示意图
1） 对于特长隧道，单一通风方式已无法满足项目建设需求。纵向式组合通风方案在大直径盾构隧道领域具有较好应用前景。组合通风方案的实际运营效果有待检验，不同运营工况、运营速度下设备启停模式、运营时间等均需要深入研究。
2） 隧道控制需风量是理论计算值，需要结合交通工况、洞口污染物等进行二次风量分配计算。风塔至出口一段距离较长时，低速及阻塞工况可能会出现出口污染物超标，此段通风需要特殊设计，没有条件开设自然通风口或采取净化措施时，采取合流型排风工况，全部或者部分污染空气从风塔排放，避免了洞口污染物超标。这种设计思路在同类项目中均未见相关描述，本文也仅是作了初步的探讨，后续仍有深入研究的必要。
3） 通风三大设计标准（安全、卫生、舒适性）、机动车尾气排放量是影响通风系统规模的两大因素，文中所述相关取值具有时代背景。《细则》是针对全国范围各类隧道给出的相关取值，对发达地区的大型隧道项目未作其他规定，这些取值若直接用到发达地区的大型隧道项目，设计则过于保守，设备配置必然冗余，造成大量资源浪费。所以这两大因素需要结合项目所处地区开展专项研究，进行合理取值。