胡清华

(中铁第四勘察设计院集团有限公司水下隧道技术湖北省工程实验室， 湖北 武汉 430063)

武汉三阳路公铁合建越江隧道通风设计

胡清华

(中铁第四勘察设计院集团有限公司水下隧道技术湖北省工程实验室， 湖北 武汉 430063)

武汉三阳路隧道为穿越长江的城市公路和轨道交通合建隧道，具有环保要求高、长度长和空间受限等特点，通风排烟系统设计难度大，且影响隧道的投资、运营费用、行车安全和防灾救援。为了解决洞口环保问题，对不同通风方案的气流组织、初期投资和运营费用进行研究，确定了竖井送排式纵向通风方案； 针对公铁合建防灾要求高的特点，结合横断面布置，合建段公路隧道采用重点排烟，地铁隧道采用分段设置排烟道的纵向排烟方式，并采用模拟分析的方法对典型火灾工况进行了仿真计算，验证了排烟效果。

越江隧道； 公铁合建； 通风设计

0 引言

水底城市公路隧道和轨道交通隧道具有不侵占航道净空、不影响航运和不受气候变化的影响等先天优势，近年来随着经济快速增长，水底隧道在沿海和沿江的一些城市得到了迅速发展，这对缓解沿海和沿江一些城市的交通发挥了重要作用，然而也随之带来一系列的污染和安全问题。

国内学者对公铁分建隧道通风及排烟的研究较多。肖明清[1]以南京纬三路长江隧道为例，介绍了单管双层隧道排烟道和排烟系统的设计，通过在隧道侧部设置上下层共用烟道，间隔设置排烟口，两端设置排烟风机，火灾时采用重点排烟的方式就近将火灾烟气排出； 奚峰[2]介绍了单管双层隧道通风设计基本情况，对上海4条双层隧道通风设计的案例进行了分析，归纳了单管双层隧道通风系统的设计特点； 杨军等[3]介绍了南京纬三路过江隧道的通风系统设计，重点研究了通风、温升等问题；张迪[4]基于既有盾构法道路隧道的设计实践，提出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； 董永锋等[5]针对双洞隧道火灾提出了3种排烟方案，采用FDS软件对各方案烟气和温度分布情况进行计算，确定了3种排烟方案的适用条件； 吴小华等[6]运用火灾动态模拟软件对采用独立排烟道集中排烟的隧道火灾进行了模拟，通过研究12种不同排烟口开启方案下隧道内的烟气蔓延规律，提出了排烟口设置的优化方案； 车轮飞等[7]针对屏蔽门和闭式地铁区间隧道通风系统，对典型区间火灾工况进行了模拟计算，得到了2种制式下隧道通风系统的控制策略； 翟毅[8]介绍了地铁隧道通风排烟系统的结构组成，对不同工况下隧道通风排烟系统的运行模式进行了总结归纳，为地铁火灾数值模拟提供了技术基础； 高明亮等[9]针对列车中部着火且停靠在区间隧道中部的地铁隧道火灾情况，提出了采用在疏散平台下先送风，再采用传统的纵向通风的方式，并进行模拟计算，得到了纵向通风临界风速。目前对于公铁合建隧道研究较少，曹文宏等[10]以高速公路和地铁合建的上海长江隧道为例，重点介绍了高速公路隧道通风排烟设计，未涉及地铁隧道通风系统。

武汉三阳路公铁合建越江隧道为国内在建的最大直径盾构隧道，通风排烟设计难度大，且影响后期的防灾救援和隧道运营安全，文章详细介绍了公路隧道通风方案、排烟设计以及地铁隧道运营通风和排烟设计。

1 工程概况

三阳路隧道位于武汉市，穿越长江段采用盾构法施工，为城市公路和轨道交通7号线合建隧道，越江段采用双管双层方式，越江段长2 590 m。线路北起汉口三阳路，南接武昌秦园路(见图1)。隧道上层为公路行车道，下层为轨道交通7号线[11-13](见图2)。

公路隧道长4 320 m，为双管隧道(单向行驶)，每管隧道有3个行车道。江中段采用盾构法施工，隧道外径15.2 m，内径13.9 m，工作井之外公路隧道均采用明挖法施工，汉口和武昌明挖段长度分别为680 m和1 050 m。在汉口解放大道、中山大道以及武昌和平大道、友谊大道侧各设置一对匝道。设计速度60 km/h，隧道内仅限客车通行。

轨道交通7号线在长江两岸设三阳路车站和徐家棚车站，区间长3 211 m，越江段与公路隧道合建，工作井至车站区间与公路隧道分建，采用内径5.5 m盾构施工。车辆为A型车6节编组，接触网供电，最高行驶速度为80 km/h，列车追踪间隔为2 min。

公路隧道和地铁隧道后期运营单位为独立的部门，为了方便后期运营管理，公路和地铁隧道通风系统分开设置，不考虑设备合用。

2 公路隧道通风系统设计

2.1 隧道内通风卫生标准

隧道为城市主干道，交通量大，长度长，参照国际道路学会PIARC和国内既有隧道的有关资料，考虑到城市隧道与山岭隧道的区别，适当提高隧道内通风设计的卫生标准，鉴于城市隧道阻滞情况发生较多，阻滞标准参考了DG/T J08-2033—2008《道路隧道设计规范》[14]的规定，平均车速10 km/h的计算长度为2 km，并按全程20 km/h阻滞进行校核。采用标准如表1所示。

(a)

(b)

图2 合建段隧道横断面图

交通工况车速/(km/h)CO体积分数/(cm3/m3)烟尘浓度/m-1正常60～401000．0065～0．007全程阻滞20200(15min)0．009局部阻滞(2km)10200(15min)0．009

2.2 尾气排放标准

随着国Ⅲ、国Ⅳ标准的执行，汽车尾气排放的污染物逐渐减少。环评报告对武汉机动车生产情况和车辆现有情况进行了调查和分析，尾气排放标准按该报告中的研究结论取值，初期汽车尾气排放标准按国Ⅲ计算，近期按50%国Ⅲ、50%国Ⅳ计算，远期按国Ⅳ标准选取。其中，国Ⅲ、国Ⅳ标准车CO排放量分别为2.3、1.0 g/km，颗粒物排放量分别为0.05、0.025 g/km。

2.3 设计交通量

根据交通量预测报告可知，初期(2017年)、近期(2020年)和远期(2030年)预测交通量分别为2 225、2 564、2 924辆/h，其中大型客车比例为10%。

2.4 需风量计算

根据卫生标准、尾气排放标准、交通量和交通组成对不同年限的需风量进行计算，稀释CO所需风量大于稀释烟尘所需风量，计算结果见表2。

表2 需风量计算结果

根据需风量计算结果可知，行车速度越低，需风量越大，平均车速10 km/h时需风量最大，左、右线设计需风量分别取427、401 m3/s。

2.5 运营通风系统设计

2.5.1 运营通风方案

三阳路越江隧道长度为4 320 m，两岸隧道洞口均为办公住宅密集区，且均为高层建筑，属于空气环境控制的敏感区域，对洞口空气质量及噪声要求较高。根据环评报告，不允许将污染空气超标排至该区域，因此，全射流纵向通风方式不适用。对竖井排出式纵向通风和竖井送排式纵向通风进行对比分析。

2.5.1.1 竖井排出式纵向通风

以右线为例，在武昌工作井内设轴流风机和排风塔，当交通阻滞时，污染物采用合流排放的方式。由于风塔至隧道出口长度为990 m，该段气流方向与行车方向相反，活塞风作为阻力考虑，为了克服该段通风阻力，排风机所需压头高达1 500 Pa，需设3台隧道风机，单台风机风量135 m3/s，风机功率300 kW。

2.5.1.2 竖井送排式纵向通风

同样以右线为例，在武昌工作井设置排风塔和送风机，将入口—武昌工作井段废气通过风塔排放，通过送风机送入新鲜空气，以满足出口段新风需求，并对出口段污染物进行稀释。由于进出口段气流方向与行车方向相同，活塞风可作为动力，风机所需压头较低，为800 Pa。

2.5.1.3 方案比选

方案比选如表3所示。竖井送排式在土建投资上高于竖井排出式，在气流组织、设备投资和后期运行费用方面均优于竖井排出式，投资回收期约半年，因此推荐采用竖井送排式方案。

表3 方案综合比选表

注： 运营费用按全天满负荷运行6 h计，一年365 d，电费按1元/(kW·h)，土建投资按0.8万元/m2计。

2.5.2 运营通风设计

在两岸工作井内分别设置排风塔、排风机房和送风机房，排风机房内各设3台排风机，送风机房内设1台送风机，风机参数和布置见表4和图3。

表4 风机数量表

为了防止送排风口短道出现回流，送排风口间距为50 m，送风道设于明挖段隧道顶部，送风口设计风速30 m/s。

风塔有2种设置方式： 单建或与周边建筑合建。根据环评报告可知，单建时风塔高度为110 m，风塔面积25 m2，瘦高型的风塔造型对周边景观影响较大，较难与周围建筑协调，故不采用单建方式。考虑到风塔周围有一规划180 m的高层建筑，且与隧道建成年限基本一致，为了减少风塔设置对周围景观的视觉冲击，设计中将风塔与周边高层建筑合建，风塔隐藏于建筑中，风塔高度185 m。

2.6 火灾防排烟系统设计

2.6.1 公路隧道排烟系统设计

2.6.1.1 火灾排烟方案

隧道等级为城市主干道，长度长，车流量大，并且洞口两侧分别设有红绿灯。根据武汉青岛路长江隧道运营经验可知，早晚高峰发生阻滞的情况较多，结合疏散方式和隧道实际情况，对不同地段采用不同的排烟方式。

1)盾构段。长2 590 m，人员采用纵向疏散方式，一旦在交通阻滞的情况下发生火灾，车辆和人员疏散距离长、难度大。为了提高人员疏散安全性，该段采用重点排烟方式，利用顶部富裕空间设置排烟道，排烟道两端分别与汉口和武昌工作井排风塔相连，风塔内轴流风机兼作火灾工况下排烟风机。

2)明挖段。明挖段采用横通道进行疏散，且设有2条匝道以及车行横通道可用于事故工况下的人员疏散，疏散口多，疏散距离短，采用纵向排烟方式，将烟气通过就近的工作井或隧道出口排出。

2.6.1.2 重点排烟模拟研究

1)火源设置。盾构段大客车火灾，火灾热释放率为20 MW，火灾增长速率为快速平方火。

2)几何参数。隧道最大纵坡2.8%，隧道断面尺寸64.1 m2，隧道高度为5.5 m，根据计算重点排烟时火灾产烟量为80 m3/s，火灾排烟量取1.5倍产烟量，即120 m3/s； 顶部排烟道面积14.1 m2，排烟口尺寸4 m(长)×1.5 m(宽)，排烟口间距60 m。

3)模拟工况设定。双向排烟，开启火源附近6个风口，模拟时间1 200 s。

采用FDS软件对能见度、温度和烟气蔓延范围进行模拟计算(见图4—6)。

图4 隧道纵向2 m高处能见度分布图

Fig. 4 Visibility distribution along longitudinal direction of tunnel higher than 2 m

图5 隧道纵向温度分布云图(℃)

Fig. 5 Nephogram of temperature along longitudinal direction of tunnel (℃)

图6 隧道纵向烟气蔓延云图

Fig. 6 Nephogram of smoke spread along longitudinal direction of tunnel

除火源附近10 m范围内能见度低于10 m、温度高于60 ℃之外，其余区段温度和能见度均能满足人员疏散安全要求，且烟气被控制在排烟口开启的300 m范围内，烟控效果较好。

2.6.2 疏散通道防烟系统设计

盾构段底部设置疏散通道，公路隧道间隔一定距离设一处疏散楼梯，火灾时人员通过疏散楼梯进入疏散通道，由就近的工作井疏散至地面。为了确保疏散通道的安全性，设计中采用了如下措施： 在疏散通道对应每个疏散楼梯处将其隔成封闭的空间，疏散通道两端设置加压风机，楼梯间与疏散通道隔墙上设置余压阀，火灾时通过加压风机与余压阀的联合作用满足疏散通道和楼梯间的余压以及疏散口处的风速要求，保证楼梯间和疏散通道余压值分别为30 Pa和50 Pa，依次形成不同的压力梯度，确保火灾烟气不进入楼梯间和疏散通道； 为了避免疏散通道超压，在通道两端设置余压阀。

3 地铁隧道通风系统设计

3.1 运营通风系统设计

区间两侧分别为三阳路站和徐家棚站，通过公铁合建工作井将地铁区间分为3段，长度分别为344、2 590、277 m，2个车站均采用双活塞通风模式。正常行车工况采用活塞通风，通过三阳路站和徐家棚站的活塞风井以及车站排热风机对区间通风换气，保证区间隧道温度和乘客新风量的要求。

采用SES4.1[15-16]模拟软件对隧道正常运营时温度和新风量进行了计算，结果见表5。

表5 区间温度、新风量计算结果

Table 5 Calculation results of temperature and fresh air volume for tunnel section

区间最高温度/℃换气次数/(次/h)初期近期远期人均新风量/(m3/h/人)初期近期远期左线34．23．03．13．3205189230右线34．43．03．33．9223223262

由表5可以看出，区间隧道最高温度低于40 ℃，换气次数大于3次/h，新风量大于30 m3/h/人，均满足规范要求。

3.2 火灾排烟系统设计

3.2.1 地铁隧道排烟方案

合建越江区间长度为2 590 m，远期高峰小时列车行车间隔为2 min，根据行车计算结果可知，该区段存在两列车同向追踪运行的工况。在行车方向右侧区域有富裕空间，利用此空间作为排烟道，排烟道面积6.4 m2，在越江区间最低点设置公路隧道废水泵房，由于泵房需利用排烟道的空间布置，排烟道无法全长贯通，故采用了分段设置排烟道的纵向排烟方式。

根据行车核算结果可知，汉口、武昌侧排烟道需设置的长度分别为850、812 m，江中段928 m不设烟道，将区间分为3个通风区段，该区段划分可以保证相邻的2个通风区段内只有一列车运行。

在两岸工作井处各设一个机械风井，风井内设2台隧道风机，工作井内对应左右线各设一个电动风阀，汉口侧和武昌侧烟道端部各设一处电动风阀，风阀面积10 m2。越江区间隧道通风系统如图7所示。

3.2.2 典型工况模拟计算

1)火源设置。地铁A型车火灾，热释放率10.5 MW，火灾增长速率为快速平方火。

2)几何参数。隧道最大纵坡2.8%，隧道断面尺寸22.9 m2，隧道高度为4.65 m，排烟道面积6.4 m2。

3)风机风量。根据计算纵向排烟临界风速2.3 m/s，排烟量取为60 m3/s，考虑风道漏风后风机风量为70 m3/s。

图7 越江区间通风系统原理图(单位： m)

Fig. 7 Sketch diagram of mechanism of ventilation system of Yangtze River-crossing section (m)

以越江段左线最不利火灾工况为例，列车在区段a车尾发生火灾，后方车辆已进入区段c，采用SES4.1模拟软件对该工况进行模拟计算。开启汉口和武昌侧排烟道端部风阀，两侧工作井各开启1台隧道风机进行排烟，火灾区段纵向风速2.68 m/s，大于临界风速，大部分烟气通过汉口风道排出，少部分进入区段b由武昌侧风道通过武昌风井排出，烟气不会进入区段c，不会影响该区段内人员的安全疏散，满足火灾排烟要求(见图8)。

图8 越江段左线a段车尾火灾通风示意图(单位： m)

Fig. 8 Sketch diagram of car tail fire ventilation at section a of Yangtze River-crossing section (m)

在地铁车行道左侧设置疏散平台，该平台间隔一定距离设一处疏散门通往疏散通道，区段a内列车人员可通过车头紧急逃生门疏散至轨面，或由车厢侧门至疏散平台，迎着新风方向往汉口井疏散，也可通过疏散平台进入疏散通道逃生。

4 结论与讨论

1)武汉三阳路隧道为国内目前在建的最大直径公铁合建越江隧道，公路与地铁隧道通风排烟设计为今后类似工程的设计提供借鉴。

2)对于地铁隧道，利用行车区侧部空间分段设置排烟道，将越江段分为3个排烟区段，解决了超长区间多辆列车追踪运行时的通风排烟难题。

3)目前按两管隧道(含公路和地铁)同一时间仅一处火灾进行设计，下一步将针对隧道特点、交通量和运营管理方式等方面对隧道火灾概率进行研究，探讨公铁同时发生火灾的概率和应对措施。

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Design of Ventilation of Yangtze River-crossing Highway-Metro Integrated Tunnel on Sanyang Road in Wuhan

HU Qinghua

(HubeiProvincialEngineeringLaboratoryforUnderwaterTunneling,ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

The Yangtze River-crossing highway-Metro integrated tunnel on Sanyang Road in Wuhan has many difficulties, i.e. high environmental protection, large length, limit space and hard ventilation system design. The ventilation system of the tunnel directly affects the construction investment, operation cost, traffic safety and fire rescue. For environmental protection of tunnel portal, the airflow, initial investment and operation cost of different ventilation schemes are studied; and the ventilation scheme of air-blow and air-exhaust through vertical shaft is adopted; for high fire rescue requirement, the attention should be paid to smoke exhausting of highway tunnel and the sectional longitudinal smoke exhausting method is adopted for Metro tunnel. Finally, a typical fire case is simulated and calculated.

Yangtze River-crossing tunnel; highway and Metro integration; ventilation design

2015-09-18;

2015-10-10

胡清华(1980—)，男，湖北潜江人，2005年毕业于兰州交通大学，暖通专业，硕士，高级工程师，从事地铁和市政隧道通风系统的设计与研究工作。E-mail： 15217599@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.010

U 455.46

A

1672-741X(2017)01-0062-06