城市复杂隧道通风排烟系统优化研究

城市复杂隧道通风排烟系统优化研究

吴博博  

中铁大桥勘测设计院集团有限公司  湖北省武汉市  430056

摘 要：为了满足现代化城市交通发展实际需求，现如今城市隧道结构越来越复杂，加之隧道本身就相对比较闭塞，所以通常需要设有多个风井，这就使得隧道内部气流变化更加复杂，一定程度上增加了火灾发生风险，因此对隧道通风排烟系统的通风效果和排烟能力提出了更高要求。基于此，本文首先总结了城市隧道火灾发生的主要原因，然后分析城市隧道常用的通风形式，最后结合某工程实例进一步探讨城市复杂隧道通风排烟系统的优化策略，旨在能为行业相关人士提供一定的借鉴。

关键词：城市；复杂隧道；通风排烟；系统优化

引 言

随着城市化进程的加速，隧道作为城市交通的重要组成部分，其安全性与舒适性日益受到关注。然而隧道内部空气流通不畅、烟雾积聚等问题时常发生，给行车安全带来隐患，隧道内部火灾等突发事件的防范和应对也对通风排烟系统提出了更高的要求。为了改善隧道内部的空气质量、提高行车安全性，并有效应对突发事件，对通风排烟系统进行优化显得尤为必要。通过提高通风系统的风量、优化通风系统的布局、修补或更换风带等措施，能够加强对隧道内部空气的循环，减少污染物积聚，提高通风排烟效果。同时，结合隧道结构和消防安全要求，采取相应措施确保烟雾从侧面和顶面排出，从而保障行车安全和隧道的正常运行。

1城市隧道火灾原因分析

车辆故障是城市隧道火灾发生的一个常见原因，例如汽车的发动机过热、燃油泄漏等可能导致自燃，都会引发火灾。其次是车上物品起火，如乘客携带的易燃易爆物品，或货物在运输过程中因摩擦、撞击等原因产生火花，进而引发火灾。此外，隧道内部设施也可能发生故障，如电缆老化、电气设备短路等导致漏电，进而产生火花点燃可燃物，引发火灾。另外，隧道内车祸频发，车辆相撞可能导致油箱破裂、燃油泄漏，进而引发火灾。这些火灾原因不仅给隧道内的行车安全带来巨大威胁，还可能造成人员伤亡和财产损失[1]。

明火虽然是隧道火灾发生的重要因素，但更重要的原因是隧道空间相对封闭，通风不畅，导致易燃空气长期积聚。因此，只有在隧道运行中保证通风排烟，才能够有效提升隧道运行使用的安全性。同时加强隧道内的火灾预防和监控措施，也是保障隧道行车安全的重要一环。

2城市隧道常用的通风形式

2.1 全横向通风

隧道内，由于车辆运行产生的废气和烟雾容易积聚，对行车安全和人员健康构成威胁。全横向通风模式主要是在隧道内设置送风道和排风道，使隧道内基本上不产生纵向流动的风，而只有横向流动的风，这种通风方式能够确保隧道内的空气流动均匀，减少污染物在隧道内的积聚。全横向通风模式下，新鲜空气通过送风道被送入隧道内部，而污浊空气则通过排风道被排出隧道，有助于维持隧道内空气的新鲜度和清洁度，从而保障隧道内人员的健康和行车安全。而且全横向通风模式还具有灵活性和可控性强的特点，通过调整送风道和排风道的设置以及风机的运行参数，可以根据隧道内的实际情况和需求进行精确的通风控制，实现节能和高效的通风效果[2]。

值得注意的是，全横向通风模式在城市隧道中的应用需要根据隧道的具体结构和长度进行合理设计，以确保通风效果的最佳化和成本的合理性。同时还需要考虑隧道内的火灾防范和应对措施，以确保在紧急情况下能够迅速排烟和降低烟雾浓度，提高疏散和救援效率。

2.2 纵向通风

纵向通风是指从隧道洞口或竖井引进新鲜空气，经过隧管作纵向流动，将污浊空气稀释至规定标准后，再由另一洞口或竖井排出的通风方式。这种方式主要利用隧道进出口的压力差来形成气流，进口处产生负压，出口处产生正压，从而推动气流流动实现通风效果。纵向通风包含有多种形式，包括竖井式纵向通风、射流式纵向通风、混合式纵向通风等，其中射流式纵向通风最为常用，该通风方式具有节省土建费用、风机投资及运营费的优势，因此在隧道通风设计中得到了广泛应用。

纵向通风虽然具有成本效益，但在某些情况下可能存在局限性。例如，在火灾发生时，火势可能沿着气流纵向延伸，这可能导致救援困难。因此，在设计纵向通风系统时，需要充分考虑隧道的安全性和应急救援需求。

2.3 半横向通风

半横向通风模式是一种介于纵向通风与全横向通风之间的通风方式，该通风形式结合了纵向通风和横向通风的优点，既能在一定程度上实现空气的均匀分布和有效排除污浊空气，又能在成本和运行效率上达到一个相对平衡的状态。半横向通风模式下新鲜空气可以从隧道的一端或两端引入，而有害气体与烟尘则通过隧道断面以外的风渠排出隧道，送风道和排风道的设置使得隧道内的空气流动既不完全是纵向的，也不完全是横向的，而是形成了一种综合性的流动模式。这种通风模式更适用于一定长度的隧道，具体长度范围可以根据隧道的实际情况和设计要求来确定。实际应用中，半横向通风模式可以通过调整送风道和排风道的设置以及风机的运行参数，根据隧道内的交通流量、空气质量状况等因素进行灵活调整，以实现最佳的通风效果。

3 城市复杂隧道通风排烟系统优化研究

工程概况：某城市隧道工程总长1601m，该隧道选用的纵向通风形式，即射流风机诱导型纵向通风方式，排烟道设置在盾构段车道顶部位置，总面积约14m2，同时在东岸风塔处设置有2台重点排烟风机；东岸和西岸分别设置有2台轴流风机。高风塔设置在两岸，其作用是排放废气，其中东岸风塔高度为35m，西岸风塔高度是48m。

3.1 单端式重点排烟

我国《道路隧道设计规范》（DG/TJ08—2033—2008）中明确规定，当隧道横向车行通道间距超过1500m的情况下，必须设置重点排烟系统。这一规定的目的在于确保在隧道内部发生火灾或其他紧急情况时，能够迅速有效地排烟，减少烟雾对人员疏散和救援工作的影响，从而保障隧道内的行车安全和人员生命安全。上述案例中隧道长度1602m，明显超出了规定长度，所以必须设置重点排烟系统，经过多方面综合考量，该工程设置了单端式重点排烟系统。这种方式主要依赖于隧道一端设置的排烟设施，通过强力排烟设备将烟雾迅速排出隧道，以减少烟雾在隧道内的积聚和对人员疏散的影响[3]。实际应用中，单端式重点排烟方式通常与隧道内的火灾自动报警系统、灭火系统等联动，一旦发生火灾，相关系统能够迅速启动并协调工作，排烟设备在接收到启动信号后，会立即开始工作，将烟雾从隧道一端排出，同时隧道内的其他安全设施也会启动，如应急照明、疏散指示等，以指导人员安全疏散。该隧道采用了2台转速为1470r/min、口径为2m的轴流风机，在开展系统设计和产品生产验收活动时，针对风机开展了严格的性能曲线测试，测试结果表明风机曲线能够充分满足施工需求。

然而，单端式重点排烟方式也存在一定的局限性。由于仅依赖一端进行排烟，可能无法完全满足在火灾等紧急情况下对排烟效果的要求，排烟设备的性能、布局以及与其他安全设施的协调配合等因素也会影响到排烟效果。

3.2 压盖式排烟口

因为该隧道采用的重点排烟方式，所以还需在排烟道上方每间隔60米设置一台常闭电动排烟口，这一设计的核心目的是确保在火灾或其他紧急情况下，能够迅速并有效地排除隧道内的烟雾和有害气体，从而保障人员疏散和救援工作的顺利进行。常闭电动排烟口在正常情况下是关闭的，这有助于保持隧道内的空气流通和温度稳定。一旦发生火灾或其他需要排烟的紧急情况，排烟口能够迅速打开，与排烟系统协同工作，将烟雾和有害气体排出隧道。每间隔60米设置一个排烟口可以更好地保证排烟的均匀性和高效性，避免烟雾在隧道内积聚，减少其对人员疏散和救援工作的影响[4]。设计中还需考虑到其操作的便捷性和安全性，最好能够通过远程控制或现场操作进行开启和关闭，确保在紧急情况下能够迅速响应。同时，排烟口还应配备必要的防火和防护措施，以确保其在火灾等恶劣环境下的正常运行。

3.3 大口径轴流风机

该隧道盾构段单孔净空面积达到80m²，所以选用的大口径轴流风机，轴流风机具有风量大、风压适中的特点，适用于通风要求较高而压力要求较低的场合。在隧道通风系统中，大口径轴流风机能够有效地提供所需的空气流动，确保隧道内的空气质量，并有助于排除烟雾和其他有害气体。选择大口径轴流风机还需考虑其性能参数，如风量、风压、噪音等，以确保满足隧道的通风需求，安装和维护风机也是确保隧道通风系统正常运行的关键环节。在选用大口径轴流风机时，应综合考虑其性能、可靠性、安装维护便利性等因素，以确保隧道通风系统的有效性和安全性[5]。

案例工程使用大口径3.15m轴流风机，该风机具有240m3/s的风量，风机静止时，质量为8.9t，运行时质量达12.5t，相应的其具有超过7m的风机房净高。

3.4 全影型声屏障的排烟处理

针对隧道周边噪声敏感点的问题，通过设置适当长度的全影型声屏障以及其他噪声控制措施，可以有效地减少噪声对周边环境的影响，提升人们的居住和工作环境质量。该隧道主线和匝道峒口周边噪声敏感点分布得非常近，因此设置了100m长和150m长的全影型声屏障，全影型声屏障能够显著减少隧道进出口车辆产生的噪声对周边居民或环境敏感点的影响，保障人们的居住和工作环境质量。在声屏障的设计过程中，需要充分考虑其降噪效果、结构强度、耐候性等因素，确保其在各种环境条件下都能发挥良好的降噪作用。同时声屏障的安装位置、高度和长度也需要根据具体的噪声源和传播路径进行合理规划，以达到最佳的降噪效果。除了声屏障的设置，还可以结合其他噪声控制措施，如优化车辆行驶路线、限制车辆行驶速度、采用低噪声路面等，进一步提高噪声控制效果。

由于声屏障区段的断面较高，传统的排烟方式可能无法有效应对火灾等紧急情况下的烟雾排放。因此，需要综合考虑隧道和声屏障区段的结构特点、火灾风险以及排烟效率等因素，选择适合的排烟策略。采用分区排烟方式就是一种不错的解决措施，根据隧道和声屏障区段的不同特点，将排烟系统划分为不同的区域，每个区域独立控制排烟设备的运行，可以更精准地应对不同区域的烟雾排放需求，提高排烟效率。

结束语

总而言之，结合实际情况不断改善优化城市复杂隧道通风排烟系统，能够有效提升隧道安全运行水平。本文案例中，优化后的系统采用了先进的通风技术和排烟设备，显著提高了通风效率，确保了隧道内空气质量的持续改善。同时针对火灾等紧急情况的排烟能力也得到了大幅提升，能够在短时间内将烟雾迅速排出隧道，为人员疏散和救援工作提供了有力保障。优化后的系统还充分考虑了节能减排的要求，通过精准控制通风量和排烟量，实现了能源的高效利用。总之，城市复杂隧道通风排烟系统优化不仅提升了隧道的安全性和舒适性，也为城市的可持续发展做出了积极贡献。

参考文献

[1]梅方晨.现代有轨电车地下区间隧道自然通风口参数研究[J].暖通空调，2022，52(S2):140-145.

[2]蒋卫艇.关于对公路隧道集中排烟量计算的思考[J].隧道与轨道交通，2022，(04):17-19+66.

[3]饶倩，田海洋.北横通道隧道火灾通风排烟数值模拟研究[J].现代隧道技术，2022，59(S1):306-311.

[4]赵宇.超特长公路隧道合理通风参数及人员安全疏散模式研究[D].西南交通大学，2022.

[5]唐文哲.地铁隧道吊顶排烟口流动阻力与结构参数优化[D].湖南科技大学，2022.