隧道工程通风排烟的设计要领

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一、机械排烟方案

新“建规”（报批稿）中第14．3．1规定：当隧道设置机械排烟系统时，应符合下列规定：长度不大于3000m的单洞单向交通隧道，宜采用纵向排烟方式。因此，该隧道的机械排烟的方式按纵向排烟方式来设计。即在隧道顶部设置射流风机，引导烟气向车行方向出口排出。按照射流风机机械通风方式的火灾工况排烟风量计算结果可知，隧道排烟风量为56．68m3／s。如发生火灾，排烟风速按2．5m／s考虑，选择射流风机排风量为18m3／s，需射流风机4台。在隧道暗埋段均匀布置两组共4台射流风机，将隧道顶部的空气有组织向下行洞口流动排出。该方案的优点：按照技术规范设计、施工，依据成熟充分。

方案的缺点：其一，局部设置射流风机后，标准预制构件断面尺寸变大，框架结构顶部需加高1．2m。那么隧道的整体埋深深度至少增加1．2m。将造成土方开挖量增大，边坡加固、维护难度增加，工期明显延长。其二，通过射流风机将火灾中产生的热烟向隧道口有组织传递排放。笔者认为，射流风机对于非火灾状况下的通风效果比较明显。发生火灾时，热烟气应在未降低到一定高度之前排除隧道。此时很重要的参数就是热烟的温度。也就是说应该在热烟的温度降低之前，烟层的热浮力使烟层还停留在隧道内的上部时，火灾烟气就应该被排除隧道。由于下穿隧道出口处的位置较高，水平设置的射流风机在将热烟向隧道口引导的同时，热烟与隧道内的低温空气混合，热浮力迅速下降，烟气层迅速下降并使整个隧道充满有毒烟气。这样的排烟效果实际就成了全隧道断面排烟。在许多的实际案例中（如翔安海底隧道），全断面排烟的效果不令人满意。其三，根据“建规”条文说明的内容，机械通风会通过不同途径对不同类型和规模的火灾产生影响，在纵向机械通风下，载重货车的火灾增长率可以达到自然通风时的10倍。也就是说机械通风方式并不是对所有火灾类型都有利。

二、竖井型自然排烟方案

所谓竖井就是在隧道中修建的具有通风排烟作用的竖向井道。自然排烟是相对于机械排烟方式的无动力的排烟方式。竖井型自然通风排烟的方法广泛应用于城市隧道工程实例中。“建规”对于竖井型自然排烟方法无明确的条文规定。但国内诸多单位和地区对于城市隧道的竖井排烟方式有所研究，并在一些项目中推广应用。如理工大学工程兵工程学院对此有专门的研究，建立了相关理论体系。江苏省还制定了地方性标准《城市隧道竖井型自然通风设计与验收规范》（以下简称“竖井型规范”）。笔者认为，该规范在该工程设计方案的选择上有很好的指导作用。“竖井型规范”第7．2．2条规定，隧道入口算作起点，至各个通风竖井的中心位置，直至隧道出口，将隧道看成由若干段组成。第9．0．1条规定，隧道按照竖井要求设置通风竖井后，隧道内可不设置机械排烟系统。实际上该方法就是通过设置竖井，把长隧道分割成多个短隧道，而达到不需要设置机械排烟的规范要求条件。

按照该方案设计时，应着重注意以下几点：（1）竖井的位置。竖井宜沿着隧道长度方向设置在隧道顶部，最好在顶部中央位置。（2）严格控制竖井间距。由于竖井自然排烟时的气流流动的动力是热烟浮升力、汽车通行时的“活塞风”以及竖井上下的空气压差。竖井间距较大的话，热烟容易在隧道内滞留，造成烟气层高度下降。因此，应按照“竖井型规范”第4．0．4条规定设置竖井，即不加辅助风机时，竖井间距不得大于240m。笔者认为，一般设置竖井的主要作用是排除污浊空气。对于普通的隧道通风，竖井的设置可以按照间距不大于240m考虑，但对于火灾工况的排烟要求，这样的排烟量就不能满足排烟要求了。这是因为，其一“建规”第9．2．4条规定，自然排烟口距该防烟分区最远点的水平距离不应超过30m，而竖井就相当于自然排烟口的作用。其二竖井排烟主要是靠竖井上下的空气压差。也就是要有高宽比的限制。该隧道顶部覆土浅薄，竖井高度不高，高宽难以满足要求。实际上竖井上下口的压差并不大，可能在火灾工况下的排烟效果不佳。其三竖井自然排烟的动力之一是汽车的活塞风。火灾时，着火隧道内将不会有汽车驶入，活塞风的效果将大打折扣。其四，竖井通风需要设置足够数量的竖井和足够的面积，对于地面的道路、绿化影响较大，同时增加预制构件的制作和防水工作的难度。因此，简单地考虑设置竖井对于该隧道并不能达到消防安全有效、建设经济快速的目的。

三、集中开孔分段自然排放方案

“建规”中规定，隧道封闭暗埋段的长度超过500m时，需设置机械排烟。集中开孔分段自然排放的方案是根据该隧道左右两线封闭段长度不等的实际情况来具体考虑的，原则就是将隧道封闭段长度控制在500m以内。以此来满足规范对于隧道长度的要求，在发生火灾时烟气自然排放，烟气层不充斥整个隧道断面，这样对隧道内人员安全疏散是最有利的。具体方法是在左线框架与右线U槽合建段的侧壁和顶板集中开孔，将火灾时产生的烟气和热量集中排放至大气。集中开孔段距左线通道起点425m、距左线通道终点470m，封闭段均小于500m长度。为使集中开孔段达到与隧道洞口一样的火灾消防效果，从两个方面采取措施：其一保证开孔面积，具体做法是在结构允许的情况下尽量扩大侧壁和顶板的开孔面积（实际开孔为210m2），大于隧道洞口断面面积（45．6m2）；其二防止烟气流动，在两个封闭段中部的顶板下各向下凸出高度0．9m的钢筋砼梁划分防烟分区（参照“建规”第9．4．2条：防烟分区宜采用隔墙、顶棚下凸出不小于500mm的结构梁以及顶棚或吊顶下凸出不小于500mm的不燃烧体等进行分隔）。同时，在两个封闭段范围内通道顶板上各增设一组竖井，进一步加强通风排烟效果，该竖井作为通风口和采光孔，提高通道内行车舒适性。保证烟气从侧面和顶面排出，而不继续纵向扩散。在侧壁开口有助于隧道内人员疏散：该侧壁开口于相邻右线的半敞开段，火灾时，人们可以利用侧向开口作为紧急出口向右线道路疏散。上述集中开孔后，在火灾排烟方面，已使隧道一分为二，每段封闭段长度均小于500m，可满足规范要求。

四、方案比较

在增设射流风机的情况下，预制构件的高度至少增加1．2m，在厦门这样沿海、高地下水位的地区，开挖深度的增加就意味着施工难度、工程量的急剧增大。从图4看出，带集中开孔的组合框架，能满足规范的通风和火灾工况下的排烟面积要求。经反复对比、论证，第三种方案的优势明显。既符合规范的规定，又能满足封闭隧道长度和自然排烟面积的要求，施工简单，施工周期短，造价最低，且今后的运营费用较低。经过反复比较和验算，该隧道的通风、排烟设计选择集中开孔自然排放方案。

五、结束语

该项目采用了在隧道侧壁和顶棚集中开孔的方式作为排烟的方法，是基于该隧道左右线暗埋长度不同的特殊情况而制定的。这样的方法，既符合了“建规”的条文要求，也满足施工工艺和工期的要求。至于能否满足火灾工况烟气的有效排放，待工程施工完成后，将分别进行热烟和冷烟的试验。

作者：任彤 庄伟戎 单位：厦门市消防支队