0 引言
随着交通强国战略的实施，道路跨越大宽度海湾和海峡已成为必然趋势，势必出现越来越多的超级跨海隧道[1-4]。为解决汽车污染物排放、火灾等对安全运营的影响，应对超级跨海隧道进行通风排烟设计。然而超级跨海隧道往往交通量大，隧道超长，通风排烟问题已成为隧道建设的制约因素[5]。近年通行的南京纬三路跨江隧道和武汉三阳路公铁合建隧道等都进行了独立排烟道设计[6,7]。
综合考虑土建造价、运营能耗和防灾救援可靠性，海底隧道目前普遍采用的是纵向通风排烟模式和纵向通风+半横向排烟模式[8]。由于交通量小，汽车污染物排放小，国外采用纵向通风排烟跨海隧道长度已超过25 km，如挪威Rogfast海峡隧道(长26.7 km)，采用设3处通风竖井的分段纵向通风排烟方式[9];又如丹麦费马恩海峡隧道(长18.1 km)是世界上采用全射流通风最长的跨海隧道，最大的纵向通风及排烟长度已超越18 km[10]。
目前国内已经建成了一大批跨海隧道，由于跨海隧道的工程特殊性，通风设计成为隧道设计中的至关重要的环节。厦门翔安海底隧道(6.05 km)采用纵向分段送排式纵向通风方案，左右线分别在厦门岛和翔安岸边设置送排风竖井，两竖井各负担一条隧道的空气交换[11]。胶州湾跨海隧道(7.8 km)左线隧道采用2段纵向通风方式、右线隧道采用分3段纵向通风方式，同时考虑环保要求在左线隧道云南路隧道出口端设置洞口高排风塔[12]。港珠澳海底隧道(6.75 km)采用半横向通风方式，在香港端和珠海澳门端各设置一个送排风竖井，顶部排风道内设置电动隔板门[13]。长江隧道(8.9 km)过江段采用纵向通风方式，在隧道顶部设置专门的排烟通道，行车道顶部隔板中央每隔30 m设置2 m×1.5 m电动可调风门1个，每3个分为一组[14]。由于公路隧道交通量大，排出污染物量大，火灾概率高，我国跨海隧道的长度还未超过10 km[15]。规划中的青岛胶州湾第二海底隧道长15.8 km，将成为国内超过15 km的超级跨海城市道路隧道，受通航、施工技术难度、海域保护的制约，无法设置海中风塔，该超级隧道的通风排烟技术面临挑战。
目前，国内大部分海底隧道采用的是纵向通风+半横向排烟模式，该通风方式有效地利用汽车行驶带来的交通风和活塞风;竖井的添加便于汽车行驶产生的尾气及时排出隧道，可以有效降低对隧道出口端城市的环境污染。但跨海隧道由于其地理特殊性，在海中不具备修建竖井的条件，此种方式有一定的局限性，并且该通风系统的造价要高于全射流通风方案。现行的隧道通风设计规范[16]仅研究了单管隧道的通风防灾，对分岔隧道并未涉及。
本文将根据青岛胶州湾第二海底隧道埋深、施工方法及外部环境条件，提出超长海底隧道的新型海中送排通风方案，解决青岛胶州湾第二海底隧道无法设海中风塔的安全运营问题，为超长海底隧道的建设提供一种新思路。
1 方案的提出
1.1 隧道概况
青岛第二海底隧道在黄岛端接疏港高速，青岛端在海泊河入海口附近登陆，隧道全长约15.89 km，是目前筹建的中国最长公路海底隧道。采用分离双洞形式，城市快速路兼一级公路标准，客货通行。主隧道双向6车道，设计车速80 km/h，分岔隧道为双洞4车道，设计车速60 km/h。根据青岛侧的埋深不同，提出了浅埋方案和深埋方案。
浅埋方案在黄岛端海中长约8 050 m采用矿山法施工，在青岛段海中约6 720 m采用盾构法施工。在黄岛端矿山法隧道段设置约8050 m的服务隧道，服务隧道在K12+700的位置分别接入南北线下部的救援通道中，两线救援通道在青岛段从环湾大道方向出地面。青岛端南线隧道在K18+780分岔，北线隧道在K18+780分岔。深埋方案采用矿山法施工，两隧道间设置服务隧道。青岛端南线隧道在K15+900分岔，北线隧道在K16+330分岔。隧道两埋深方案均采用V型坡，其坡度及坡长如表1所示。
表1 隧道坡度及坡长(深埋方案)
为满足防灾救援要求，主隧道与服务隧道之间每750 m设置一组横通道，主线隧道和青岛端分岔隧道横断面顶部均设排烟道(如图1所示)，火灾采用重点排烟方式。两方案在黄岛岸边K7+600设置一座竖井;为保护海域环境，海中不设通风竖井，浅埋方案青岛侧盾构竖井施工后回填恢复海面。
图1 青岛第二海底隧道横断面布置图
1.2 新型海中送排通风方案的提出
由于黄岛岸边竖井距离黄岛侧洞口仅2 950 m左右，仅靠一座竖井送排通风，竖井东侧长约12 km的隧道内风流速度将超过10 m/s，新型通风方案借助服务隧道、隧道顶部排烟道、盾构隧道下部救援通道向黄岛岸边竖井东侧隧道送风或排风，以实现设一座岸边通风竖井将隧道分为3段纵向通风方案。
1.2.1 浅埋隧道新型海中送排通风方案
该通风方案如图2，实质上通过黄岛竖井送排风和海中送排风将隧道分为3段纵向通风。北线海中送排风口距离黄岛竖井约3 500 m，通过服务隧道向北线隧道海中送入新风，为缩短服务隧道送风长度，从黄岛竖井分隔独立空间与服务隧道相连接。海中排风通过南北线顶部排烟道经由黄岛竖井排出;为加大海中排风能力、减小通风能耗，海中设置联络风道将南北线排烟道联通以增加风道的面积。南线隧道海中送排风口距离青岛段分岔口约2 200 m，海中排风经南线主隧道顶部排烟道，通过主线排风塔排出;该2 200 m长度范围的隧道新风量由南线隧道底部救援通道设3台风机送入，每台风机供风45 m3/s左右。南线隧道青岛端分岔口后的新风量则由北线隧道底部救援通道进入，通过南北线分岔口处设置联络通道，向南线隧道送入。
图2 浅埋新型海中送排通风方案
该方案南北线最长的通风区段分别长8 860 m、9 040 m。为了满足青岛洞口环保要求，在南线主线SK出口和匝道S1K出口分别设置排风塔集中排放废气，排风塔的排风比为70%左右。
1.2.2 深埋隧道新型海中送排通风方案
通风方案示意如图3，深埋方案北线通风方案与浅埋方案相同，而南线海中送排风距离青岛侧分岔口前860 m(SK16+300)处，海中排风口在分岔口前860 m处。为减小通风能耗，设置排烟道联络通道，利用南北线隧道顶部排烟道作为南线隧道的海中利用服务隧道，在距离分岔口前810 m向南线隧道送入新风。该方案南北线最长的通风区段分别长8 664 m和8 870 m。为了满足两端洞口环保要求，南线出口排风塔设置及排风量与浅埋方案相同。
图3 深埋新型海中送排通风方案
1.2.3 火灾排烟通风方案
青岛第二海底隧道利用顶部富裕拱形空间作为排烟道，每隔60 m设置专用排烟阀，采用重点排烟方式。
南北线隧道各分为3个排烟区段(如图4)，分别为青岛主线段及匝道火灾(分区(1))、青岛分岔至黄岛竖井中间段火灾(分区(2))、黄岛岸边段火灾(分区(3))。当青岛主线和匝道段发生火灾时，利用青岛主线隧道和分岔隧道进(出)口风塔将烟气排出;当青岛端隧道分岔点至黄岛竖井中间段隧道发生火灾时，开启青岛主线隧道和分岔隧道进(出)口风塔，以及黄岛竖井的排风塔的排烟风机联合工作将烟气排出;当黄岛岸边段隧道发生火灾时，开启黄岛竖井风塔的排烟风机将烟气排出。
图4 隧道排烟分区图
青岛端南北线排烟风机、黄岛岸边竖井排烟风机和排风风机分开设置。黄岛岸边竖井要为黄岛岸边段和海中段排烟，由于海中排烟段的长度远大于黄岛岸边段，黄岛岸边竖井分设两套排烟风机。
2 新型海中送排运营通风计算
2.1 隧道各段的需风量
根据市政道路的通行能力和服务水平，隧道内不同的行车速度与相适应的交通量相关[17]。当设计行车速度为80 km/h时，不同行车速度下，隧道的通行能力如下:
(1)四级服务水平，行车速度≥40 km/h，每车道通行能力为2 100 pcu/h。
(2)三级服务水平，行车速度≥55 km/h，每车道通行能力为1 750 pcu/h。
(3)二级服务水平，行车速度≥64 km/h，每车道通行能力为1 280 pcu/h。
(4)一级服务水平，行车速度≥72 km/h，每车道通行能力为720 pcu/h。
由于市政隧道在早晚高峰小时段交通量大，行车速度慢，服务水平降低;其余时间段交通量小，行车速度高，服务水平提高。在进行运营通风计算时，取以下两种工况作为正常行车控制工况:
工况1:早晚高峰小时行车工况，全线隧道内行车速度为40 km/h，按饱和交通量每车道2 100 pcu/h计算，采用机械通风;
工况2:隧道内交通畅通，全线隧道内按80 km/h，按通行能力每车道720 pcu/h计算，采用机械通风;
按照10 km/h行车速度阻塞长度2 km计算交通阻滞工况;隧道内设完善的交通监控系统，当隧道阻塞长度超过1 km关闭隧道，设计按2 km堵塞长度进行计算。
根据黄岛竖井的位置、海中送排风的位置隧道纵坡、青岛分岔里程，结合《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2-02—2014)[16]、国际道路协会(PIARC)《ROAD TUNNELS:VEHICLE EMISSIONS AND AIR DEMAND FOR VENTILATION-PIARC2012》[18]，以及国内机动车尾气排放标准的提高和环保电动车的发展趋势，对隧道内需风量进行优化，计算得到两种方案南北线各段隧道的换气和稀释污染物浓度需风量(稀释污染物需风量按CO、NO2和烟尘浓度分别计算，取其中最大值作为特征值)，分别计算如表2和表3所示。
表2 浅埋方案各段隧道需风量表
表3 深埋方案各段隧道需风量表
从表2—3可以看出，在80 km/h行车速度时，行车速度高，隧道各段需风量均由换气控制;而40km/h行车速度时，行车速度低，隧道内车辆多，北线隧道黄岛入口至黄岛竖井、黄岛竖井至海中排风口段，以及深埋南线隧道海中排风口至青岛洞口段均需风量由稀释污染物浓度控制。通风设计时，要特别注意核算不同行车工况下，各段隧道内的换气需风量和稀释污染物浓度需风量是否满足要求。
2.2 海中送排风量
2.2.1 40 km/h行车工况
(1)浅埋方案:在40 km/h行车工况，北线隧道黄岛竖井及海中分别送入205 m3/s和235 m3/s风量;北线黄岛竖井排风比按90%取，而海中排风烟道断面积小、距离长，排风量则要兼顾排风比和排风风机的选型;按海中排风风机风压在2 800 Pa左右，确定海中排风量为310 m3/s。
南线隧道黄岛竖井排风量对后段隧道内风量影响大，取92%;海中排风距离长，断面小，与北线隧道类似确定海中排风量，为250 m3/s。由于南线青岛端底部救援通道送风受限，3台45m3/s的送风机能满足青岛端2 220 m主隧道内稀释污染物浓度，但换气的需风量差约7 m3/s，则黄岛竖井送风量由620 m3/s增大为630 m3/s;分岔口海中送风量则由两匝道的需风量控制。
(2)深埋方案:北线隧道送排风量的确定与浅埋通风方案相同。南线隧道黄岛竖井排风比取90%;海中排风按海中排风风机风压在2 500 Pa左右、同时兼顾出口段上坡稀释污染物浓度风量，确定海中排风比。南线黄岛竖井送风量取620 m3/s，南线分岔海中送风的风量取320 m3/s，海中排风量为360 m3/s。
根据竖井及海中的送排风量、不同行车速度所对应的交通量，采用通风网络技术[19-22]，计算得到主隧道、匝道、服务隧道、顶部排风道、竖井及排风塔内风流流动情况如图5。
图5 40 km/h行车工况，隧道内风流分配图
2.2.2 80 km/h行车工况
在80 km/h行车工况，受交通通风力影响，从隧道入口进入的新鲜风量加大，为达到通风节能的效果，需对黄岛竖井送风量及海中送风量进行控制，控制风机开启。通过试算得到80 km/h行车工况两方案的送排风量如下。
(1)浅埋方案:对于北线隧道，将海中送风量235 m3/s调整为200 m3/s，黄岛竖井送风量205 m3/s调整为195 m3/s，海中排风和黄岛竖井排风量不变。对于南线隧道，将黄岛竖井送风量由630 m3/s调整为420 m3/s，通过少开一台风机实现;其余送排风量不变。
(2)深埋方案:对于北线隧道，将海中送风量由240 m3/s调整为150 m3/s，黄岛竖井送风量、海中排风和黄岛竖井排风量不变。对于南线隧道，将黄岛竖井送风量由620 m3/s调整为250 m3/s，通过少开风机和变频控制风机实现;其余送排风量不变。
由此计算得到80 km/h行车工况下，主隧道、分岔匝道、服务隧道、顶部排风道、竖井及排风塔内风流流动情况如图6。
图6 80 km/h行车工况，隧道内风流分配图
从图5、图6可以看出，采用新型海中送排通风方案，各段隧道内流过风量即满足稀释污染物浓度要求，也满足换气通风要求，通风效果良好。
2.3 运营通风配置及节能控制
根据以上计算，提出青岛第二海底隧道运营通风配置及节能控制原则如下:
(1)隧道内竖井轴流风机、海中送排风机、隧道出口集中排风风机及隧道内的射流风机，按最不利行车工况40 km/h配置，其中两线隧道中的射流风机按不利自然风2.5 m/s计。
(2)当行车速度为80 km/h时，南北线隧道从入口流入的风量增加，调整竖井送风井和海中送风量。调整的原则是:流入隧道的风量要满足隧道内换气通风量的要求，同时各分段中的新鲜风量要满足稀释污染物浓度的要求。对风机的调节通过减少风机台数和风机变频来实现。
由此得到两埋深方案风机配置分别如表4—6。必须提出的是，要实现图5和图6的风流流动分配，南北两线黄岛送排风、服务隧道海中送风、救援通道海中送风、南线分岔前海中送风、排烟通道海中排风、出口风塔排风等的风机需独立设置。
表4 浅埋方案运营轴流风机功率表
表5 深埋方案运营轴流风机功率表
表6 浅埋方案射流风机台数表
每天按隧道内40 km/h的车速行车4 h,80 km/h的车速行车12 h，服务隧道内射流风机每天开启4 h，浅埋方案和深埋方案正常运营年总能耗分别为3 329万元和3 624万元。
3 与海中设竖井通风方案的对比分析
若在黄岛岸边及海中各设一座竖井，两竖井的里程分别为K7+600和K17+700左右(如图7)，将隧道分为3个区段，采用竖井送排式纵向通风。通风区段长度分别为2 930 m、8 100 m、4 260 m。计算得出浅埋方案和深埋方案正常运营年总能耗分别为2 881万元和3 329万元。
图7 海中设竖井通风方案
通过计算可以看出，从运营通风效果来看，两方案均能达到规范满足的通风效果。从运营能耗来看，采用海中设竖井送排通风方案的年通风方案比采用新型海中送排通风方案能耗小，年节约295～448万元，但从目前国内市政和山岭隧道运营风机不开和少开的现状来看，年能耗的节约量将会减小。从土建工程来看，海中设竖井送排通风方案需在青岛侧设两线隧道的送排风竖井及风机房;而新型海中送排通风方案仅需增加北线海中排烟联络风道、南北线海中送风机房。从通风长度来看，两通风方案南北线最大通风长度相差约1 km，但隧道采用半横向集中排烟，并不影响火灾排烟效果。从通风系统布置来看，海中设竖井送排通风方案的通风系统布置相对简单，新型海中送排通风方案系统布置略为复杂;通风系统的北线服务隧道海中送风、北线顶部排烟道海中排风、南线救援通道海中及分岔口送风、南线顶部排烟道海中排风风道均相对独立，仅为几何结构关系的复杂。从附属通道的有效利用来看，新型海中送排通风方案综合利用了服务隧道、南北线顶部排烟道、盾构底部救援通道，为特长海底隧道通风方案制订提供了新理念。
4 结论及建议
(1)超长海底隧道可利用顶部排烟道、服务隧道、盾构底部救援通道的布置，实现海中不设竖井的新型送排通风方案，该方案实质上属于3段通风方案，其系统布置相对复杂。
(2)随着埋深和施工方法的不同，青岛胶州湾第二海底隧道的海中送排通风方案也不同。对于深埋矿山法方案中，中间服务隧道可作为海中送风通道，顶部排烟道可作为海中排风通道;浅埋矿山+盾构方案中，服务隧道和底部救援通道可作为海中送风通道。
(3)由于新型海中送排通风方案在海中借助顶部排烟风道排风，受断面小和距离长的限制，其排风风量应兼顾排风比和排风风机的选型。
(4)当隧道内按不同行车速度行驶时，由于交通量和行车速度的不同，带入隧道内的交通风也不同，为达到通风节能的效果，需进行不同行车速度的风机开启控制。
(5)尽管新型海中送排通风方案系统布置相对复杂，但其海中送排风路径相对明确。当南北两线黄岛送排风、服务隧道海中送风、救援通道海中送风、南线分岔前海中送风、排烟通道海中排风、出口风塔排风风机独立设置后，通风效果良好。
(6)与海中设通风竖井送排通风方案对比分析来看，尽管通风能耗略大，系统略为复杂，但利用了服务隧道、南北线顶部排烟道、盾构底部救援通道，解决了超长跨海隧道难以设置竖井或只能长距离设置竖井的通风排烟难题，为特长海底隧道通风方案制订提供了新理念。
(7)新型海中送风方案实质为3段送排通风方案，本文仅对其进行了前期探索，该方案要顺利实施，尚需解决好以下2个问题:
(1)南北线海中排烟道排风口、浅埋南线救援通道底部3处送风口的土建结构复杂，其送排风效果与土建构造密切相关，需设专题研究。
(2)尽管目前水底隧道重点排烟方式应用广泛，在排烟口的设置距离、设置形式、开启个数、排烟风量等方面已有较多研究成果;但该工程中黄岛竖井至青岛端排风井的长度超过12 km，尚需设专题展开考虑漏风影响的超长距离的重点排烟效果研究。
摘自《地下空间与工程学报》