高速公路隧道通风及排烟设计

高速公路隧道通风及排烟设计

胡顺利

重庆市市政设计研究院 重庆

摘要：天水市三阳川隧道通风及排烟设计，对隧道通风设计标准进行介绍，计算了左右线隧道通风需风量，同时分析了隧道运营通风及火灾时风机运行控制策略。

关键词：运营通风，隧道火灾，通风计算，需风量

1. 工程概况

天水市三阳川高速公路隧道工程，位于天水市麦积区，起到连接秦州、麦积城区、三阳川城区及连霍高速的重要作用，是天水市“四横三纵”高速公路网的重要补充，对完善天水市南北向交通及对外交通具有重大意义。

设计公路等级为一级公路，单向四车道标准，设计行车速度60km/h，左右线隧道长度分别为3972m和4027m。隧道建筑限界高度5.0m，行车道宽度3.5m，左侧侧向宽度0.5m，右侧侧向宽度取0.75m，检修道宽度0.75m，高度2.5m，主线隧道建筑限界净宽13.25m。

2. 隧道通风设计标准

本隧道为一级公路隧道，左右线长度均大于3000m，属于长隧道。根据《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2-02-2014）关于一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO₂）、烟尘设计浓度的规定，本隧道正常交通时的一氧化碳（CO）设计浓度取100 cm³/m³，阻滞交通时20min内平均设计浓度为150 cm³/m³ 。20min内二氧化氮（NO₂）平均设计浓度取1.0cm³/m³。正常交通时烟尘设计浓度K=0.007m^-1，阻滞交通时烟尘允许浓度为K=0.009m^-1。隧道空间最小换气频率不应低于3次/小时，换气风速不应低于1.5m/s，隧道内的最大设计风速不宜大于10.0m/s。

本隧道阻滞工况指阻滞段每车道长度1000m，各车道平均行车速度不大于30km/h。

3．通风方式分类与选择

隧道通风方式分为自然通风和机械通风两大类。根据隧道长度、隧道平纵指标、地形地质条件、交通车流量、气象条件、环保要求和工程造价等多种因素来选择通风方式。隧道的机械通风方式分为纵向通风、半横向通风、全横向通风和组合通风等四种方式。

随着国内公路隧道建设发展，全射流式纵向通风的使用范围由原来的2km长发展到4-5km，综合本隧道的运营要求、环境保护、控制工程造价等综因素，采用全射流式纵向通风。在正常运行时，开启射流风机正常通风；阻滞、火灾时，开启射流风机组织隧道内的空气进行定向的排风或排烟。

4. 通风计算主要参数

预测高峰小时交通量为近期2020年左线隧道11053pcu/d，右线隧道10611pcu/d；中期2030年左线隧道16800pcu/d，右线隧道16358pcu/d；远期2040年左线隧道24316pcu/d，右线隧道23874pcu/d。

隧道当量直径9.04m，隧道横断面积82.96 m²；CO基准排放量0.007 m³/辆·km；烟雾基准排放量2.0 m²/辆·km；隧道壁面摩阻损失系数λ=0.02；火灾等级标准（热释放量）20MW。

5. 计算结果

表1 三阳川隧道远期2040年隧道需风量表

隧道通风主要对车辆行驶中产生的CO、烟尘进行稀释，计算设计年份稀释CO和烟尘的需风量、稀释异味所需的隧道换气通风量，选取其中最大值作为非火灾工况的设计需风量，考虑隧道自然通风力，交通通风力即活塞风力，隧道通风阻力，计算得到隧道总阻力。风机及交通通风力提供的风量和风压应满足需风量和克服通风总阻力的要求。经计算，左、右线分别需要射流风机（叶轮直径1120mm）10组，每组两台，总计40台，风机数量不含备用风机。风机布置所需的风机数量一次性安置到位。射流风机纵向通风，每两台风机一组，吊顶布置。

当隧道内车流量较少且车速较高时，隧道内污染物发生量较少，开启隧道内部分射流风机将隧道内污染物从隧道洞口排出；当隧道内车流量较多且隧道发生阻滞时，开启隧道内全部射流风机，将隧道内污染物从隧道洞口排出。

6. 防排烟设计

隧道内发生火灾时，火灾产生的烟雾四处蔓延，严重影响人员逃生，并威胁生命安全。隧道防灾通风就是通过有效组织气流，将隧道内烟气迅速排除，创造一个有利于人员逃生的环境。

设计火灾最大热释放率按20MW考虑（隧道内不考虑通行油罐车），下降坡度最大为-3%，阻止烟雾回流的临界风速为2.5m/s。根据规范要求，需要设置隧道通风排烟系统，取3m/s的排烟控制风速。经计算，隧道通风设计满足防灾救援通风要求。当隧道内发生火灾时，火灾前方的车辆以正常车速迅速驶出隧道，通过设置的射流风机纵向排烟，使火灾烟尘顺流排出隧道，从而保证火灾后方的车辆处于安全状态。

7．隧道内射流风机运行控制

1.风机的运行控制采用就地控制和远程自动控制的两级控制形式。

2.就地控制由现场风机控制柜完成，负责风机的调试、检修时的现场控制。就地控制具有优先权。

3.射流风机每两台为一组，每组风机有一个相应的供电及控制回路，控制风机正转、反转或停转。

4. 通风控制系统由烟雾传感器、CO传感器、控制中心计算机系统、风机控制柜、配电系统及射流风机组成。通风控制系统应与照明控制系统、火灾报警与消防系统、交通监控系统等实现联动控制。

5.隧道正常运营时，烟雾传感器和CO传感器将各隧道内CO浓度值和烟尘浓度值反馈给控制中心计算机系统，计算机根据CO和烟尘浓度值分析隧道所需风量并确定风机开启模式，通过预定的控制软件经风机控制柜控制风机开启情况。同时控制中心具备监控设备故障、CO及烟雾浓度的功能。

6.火灾工况时，中央控制室根据火灾位置和行车工况确定风机开启和正反转状态，顺序开启隧道内风机，直到洞内形成一定的风速，控制烟气朝设计方向流动。

8. 结语

隧道通风方式选择由隧道长度、隧道平纵指标、地形地质条件、交通车流量、气象条件、环保要求和工程造价等多种因素决定，3-5km的高速公路隧道一般采用射流风机纵向式通风方案即可满足通风和排烟的要求。在隧道正常运营时，加强洞内能见度、CO浓度和交通量的监测，适时注意调整风机的运行数量和区段，以保证隧道运营的安全和舒适。

参考文献：

《JTG D70/2-2014，公路隧道设计规范》人民交通出版社股份有限公司，2014年

《JTG/T D70/2-02-2014，公路隧道通风设计细则》，人民交通出版社股份有限公司，2014年

张丽莎.胡顺利.《下穿通道通风设计》，《建筑设计》，2015年1 月，第38页