中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司 王東偉中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司 茍紅松中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司 戴 新

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人口的增長，城市交通非常繁忙，加上地下建筑的興起，使得城市隧道越發(fā)普及[1]，城市隧道不僅可以緩解城市交通壓力，而且可以極大縮短線路里程，減小對周圍環(huán)境和人民生產(chǎn)、生活的影響[2]。然而，隨著隧道建設(shè)長度、交通量和復(fù)雜程度的不斷增大，運營通風(fēng)已成為保障隧道使用功能、防災(zāi)與救援功能等的重要措施之一[3]。

城市道路隧道多建在城市中心區(qū)，為了滿足交通疏解的需求，除了主線隧道外,通常還會設(shè)置多條匝道。隧道通風(fēng)系統(tǒng)有多個支路，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜，常規(guī)的通風(fēng)計算方法對多匝道的隧道并不適用[4]。

王艷等人以營盤路隧道為例研究了多匝道公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)網(wǎng)特點[5]；陳玉遠采用SES軟件，解決了多匝道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的難題[4]；袁浩庭等人研究了城市地下隧道分(合)流匝道通風(fēng)阻力特性[6]。目前對多匝道隧通風(fēng)系統(tǒng)的研究主要集中在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的解算和通風(fēng)阻力特性上，而對多匝道隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、洞口污染物排放濃度的實測工作開展得較少。本文以南昌紅谷隧道為例，通過需風(fēng)量計算、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬及現(xiàn)場實測，并通過污染物擴散預(yù)測分析，總結(jié)多匝道城市道路隧道通風(fēng)設(shè)計中有關(guān)洞口污染物排放的經(jīng)驗，供同行參考。

1 工程概況

紅谷隧道連接南昌市紅谷灘新區(qū)與東岸老城區(qū)(見圖1)，為目前國內(nèi)最大的內(nèi)河沉管隧道，隧道采用互通立交形式與東岸路網(wǎng)銜接，匝道較多、接線復(fù)雜，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)相互影響。工程運營期廢氣污染源主要為機動車排放的尾氣，所含的成分有200余種化合物，但主要為CO、NOx、碳氫化合物和可吸入顆粒物PM10。本文評價因子定為NO2和CO。

2 隧道通風(fēng)設(shè)計標(biāo)準及方案

2.1 主要設(shè)計標(biāo)準

1) 隧道外空氣環(huán)境控制標(biāo)準。

隧道外空氣環(huán)境參數(shù)取GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準》中的二級標(biāo)準，見表1。

表1 隧道外空氣環(huán)境參數(shù) mg/m3

2) 室外氣象參數(shù)。

夏季通風(fēng)室外計算溫度為32.7 ℃，冬季通風(fēng)室外計算溫度為5.3 ℃；年平均溫度為17.6 ℃；夏季室外平均風(fēng)速為2.2 m/s，冬季室外平均風(fēng)速為2.6 m/s。

3) 尾氣排放標(biāo)準。

綜合考慮各類型車輛的保有量、在用車的排放標(biāo)準及車型組成等因素，隧道內(nèi)汽車尾氣排放標(biāo)準按環(huán)境保護部發(fā)布的在用機動車綜合排放因子選取[7]。運營初期按國Ⅲ標(biāo)準計算，近期按50%國Ⅲ、50%國Ⅳ標(biāo)準計算，遠期按50%國Ⅳ、50%國Ⅴ標(biāo)準計算。由于采用的計算模型不同，本文計算采用的尾氣排放標(biāo)準有別于國標(biāo)及世界道路協(xié)會(Permanent International Association of Road Congresses，PIARC)2012R05EN報告中有關(guān)隧道需風(fēng)量計算標(biāo)準。

4) 大氣污染物排放限值。

隧道洞口污染物濃度應(yīng)滿足環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準，如果無法滿足，應(yīng)設(shè)置排風(fēng)塔集中排放污染氣體。排風(fēng)塔高度應(yīng)滿足GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準》的要求(見表2)。

表2 NOx污染物排放限值

對于隧道需風(fēng)量計算，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準中缺少NOx等污染物基準排放量數(shù)據(jù)，僅對隧道內(nèi)NO2設(shè)計濃度有規(guī)定(20 min內(nèi)的平均設(shè)計體積分數(shù)取1.0×10-6)，因此，無法準確計算隧道內(nèi)和洞口污染物濃度及排放速率。如果需要預(yù)測隧道洞口NO2的濃度分布，或根據(jù)排放速率確定排風(fēng)塔的建設(shè)高度，則須借助世界道路協(xié)會(PIARC)等的相關(guān)標(biāo)準。

5) 交通量預(yù)測。

根據(jù)2013年完成的隧道交通影響評價，隧道預(yù)測高峰小時標(biāo)準車交通量初期(2018年)為2 988輛/h，中期(2024年)為5 040輛/h，遠期(2032年)為5 136輛/h。隧道內(nèi)僅限通行非?；奋囕v，車型組成見表3。

2.2 隧道主要設(shè)計參數(shù)

隧道主線封閉段長度為北線2 415 m、南線2 480 m；隧道內(nèi)行車速度主線按50 km/h、匝道按30 km/h設(shè)計。

表3 隧道內(nèi)通行車型組成占比 %

隧道主線斷面積為61 m2，匝道斷面積為47 m2，道路凈空高4.5 m。

2.3 隧道通風(fēng)方案

隧道東岸采用互通立交形式與東岸道路銜接，隧道匝道較多，分合流點位于江中，隧道兩岸暗埋段兩側(cè)高層建筑物較多，其中東岸沿江中大道東側(cè)有濱江1號建筑(高167 m)，江西省水利廳(高80 m)；中山西路南側(cè)有近水花園小區(qū)(高100 m)，隧道下游1 km有滕王閣景區(qū)；西岸怡園路兩側(cè)均為高層住宅小區(qū)。排風(fēng)塔高度需在100 m以上，實施困難且嚴重影響周圍景觀。

隧道進出匝道較多，采取分散排放、多點疏散的理念，采用全縱向射流通風(fēng)方式。

3 隧道通風(fēng)洞口污染物擴散計算

3.1 隧道污染物源強度計算

根據(jù)JTG B03—2006《公路建設(shè)項目環(huán)境影響評價規(guī)范》，氣態(tài)污染物排放源強度計算公式如下：

(1)

式中Qj為j類氣態(tài)污染物排放源強度，mg/(m·s)；Ai為i型車預(yù)測年的小時交通量，輛/h；Eij為汽車專用公路運行工況下i型車j類污染物在預(yù)測年的單車排放因子，mg/(輛·m)。

車輛尾氣中的NOx主要由NO、NO2組成，燃料高溫燃燒后最初排放的NOx中NO約占95%。PIARC2012報告中明確指出，只有在行駛車輛中柴油車比例較少的隧道中，NO2的貢獻值才低于10%[8]。但NO在有氧環(huán)境下被氧化成NO2，其轉(zhuǎn)化平衡條件與環(huán)境溫度、壓力和時長有關(guān)，故很難確定NO2在氮氧化物中的含量。GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準》中，污染物濃度限值中NO2為氮氧化物的80%，本文計算以此為NO2排放因子的轉(zhuǎn)換依據(jù)。

通過計算得出隧道污染物排放源強度，見表4。

表4 隧道污染物排放源強度計算值 mg/(m·s)

3.2 隧道洞口污染物擴散模式

隧道洞口污染空氣排放受通風(fēng)方式、交通狀況、洞口氣象條件和洞口建筑形式等因素的影響。隧道出口污染模式TOP模式的計算表達為[9]

(2)

式中S(x)為距洞口x處污染物的平均質(zhì)量濃度，mg/m3；S0為廢氣在出洞口處的質(zhì)量濃度，mg/m3；x為距洞口的水平距離，m；Fv為洞口出口截面積，m2；a、m為不同試驗條件和測點位置得出的經(jīng)驗參數(shù)。

(3)

(4)

m=0.487+0.15v0-0.039 5u

(5)

Δt=t0-tu

(6)

式(3)～(6)中C0為隧道進口污染物質(zhì)量濃度，mg/m3；L為隧道長度，m；V為隧道風(fēng)量，m3/s；u為洞口環(huán)境風(fēng)速，m/s；v0為洞口排出氣流速度，m/s；t0為洞口排出氣體溫度，℃；tu為洞口處環(huán)境溫度，℃；θ為排出氣流方向與環(huán)境主導(dǎo)風(fēng)向的交角，°。

3.3 洞口空氣環(huán)境敏感點

項目范圍內(nèi)環(huán)境空氣敏感點主要分布在隧道出口，西岸敏感點為江信國際花園、濱江豪園等，東岸敏感點有近水花園、贛粵高速公路公司等，距離項目較近，環(huán)境空氣敏感點見表5。

表5 洞口環(huán)境空氣敏感點

3.4 隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算

項目匝道較多，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，關(guān)乎主線及各匝道通風(fēng)量分配。本文應(yīng)用SES軟件，對各行車速度工況進行網(wǎng)絡(luò)解算(如圖2、3所示)，計算不同車速下隧道風(fēng)量分配情況，從而計算各洞口污染物的排放量。同時進行現(xiàn)場實測，獲取實際工況隧道洞口風(fēng)量分配，各車速工況隧道出口風(fēng)量分配見表6。

注：λ為隧道沿程阻力系數(shù)，數(shù)字代表節(jié)點編號，“○”代表通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算節(jié)點，“□”代表通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算特征段。圖2 隧道南線通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型

圖3 隧道北線通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型

由表6可以看出，根據(jù)隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算出的隧道通風(fēng)量均大于設(shè)計需風(fēng)量(隧道合計風(fēng)量與設(shè)計需風(fēng)量對比)，隧道標(biāo)準斷面風(fēng)速在3.4 m/s以上，滿足隧道運營通風(fēng)所需風(fēng)量、風(fēng)速要求。由于D匝道長度較短，無交通或行車速度較低時，在交通通風(fēng)力和H匝道內(nèi)射流風(fēng)機升壓力的作用下，D匝道氣流反向。

表6 隧道不同車速下隧道出口風(fēng)量測試值及模擬值

表6中測試和模擬無交通工況為隧道非運營狀態(tài)、射流風(fēng)機全部開啟時的各洞口通風(fēng)量，由于隧道通風(fēng)阻力和風(fēng)機總升壓力等假設(shè)條件相似，測試和模擬無交通工況的風(fēng)量接近，模擬計算的其他車速工況下的通風(fēng)量可作為下一步洞口污染物濃度預(yù)測的輸入條件。

另外，從2018年運營的交通流量監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，全年小時平均交通量達5 001輛/h，已達到中期客流水平，2019年上半年交通量已經(jīng)超過遠期客流，運營采取早晚高峰時段各開啟射流風(fēng)機60 min的方式，隧道內(nèi)監(jiān)測到的CO體積分數(shù)最大值為5.49×10-6，平均值為2.9×10-6，遠低于設(shè)計值(100×10-6)。因此，對于主要行駛小型客車的城市道路隧道，需風(fēng)量計算時基準排放量取值不宜過高。

我國已于2005年7月1日開始實施汽車尾氣排放Ⅱ級標(biāo)準，輕型汽車CO的排放標(biāo)準為2.2 g/(輛·km)，相當(dāng)于0.001 76 m3/(輛·km)，考慮劣化系數(shù)后為0.002 11 m3/(輛·km)。該工程計算需風(fēng)量時，CO基準排放量以2000年0.007 m3/(輛·km)作為基準值，按照2%的年遞減率折減，隧道建成近期2024年汽車尾氣排放量為0.004 3 m3/(輛·km)，前者為后者的49.1%。而2018年1月1日起，全國已執(zhí)行國Ⅴ排放標(biāo)準，CO的排放量遠低于公路隧道通風(fēng)相關(guān)標(biāo)準的推薦值。因此，設(shè)計以行駛輕型車為主的城市隧道通風(fēng)系統(tǒng)時，若CO基準排放量取值偏高，會導(dǎo)致需風(fēng)量計算偏大，實際運營時射流風(fēng)機冗余較多。以CO為對象，對比國標(biāo)和PIARC2012標(biāo)準遠期2032年的計算結(jié)果可知，采用PIARC2012標(biāo)準計算的需風(fēng)量僅為國標(biāo)的1/4～1/3。因此，對于僅通行輕型車輛的城市道路隧道，CO基準排放量2000年數(shù)據(jù)可取0.004 m3/(輛·km)。

4 洞口污染物擴散結(jié)果分析

4.1 不同風(fēng)量對敏感點的環(huán)境影響分析

由模擬計算及實測的風(fēng)量分配結(jié)果來看，隧道內(nèi)無交通或車輛低速行駛與實測時開啟風(fēng)機數(shù)量接近，風(fēng)量分配與實測結(jié)果相近。由于低速車輛行駛時隧道內(nèi)污染物濃度較高，TOP模式以此為基礎(chǔ)進行計算，分析各匝道洞口的污染物擴散對敏感建筑的影響。

以當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟?7.6 ℃，隧道內(nèi)溫度32 ℃，室外平均風(fēng)速2.5 m/s，軸線與自然風(fēng)交角θ為30°預(yù)測污染物濃度。根據(jù)環(huán)境空氣特征因子監(jiān)測結(jié)果，CO和NO2本底質(zhì)量濃度分別取2、0.03 mg/m3；隧道污染物排放源強度取2024年對應(yīng)CO、NO2值，預(yù)測不同通風(fēng)量條件下，距離洞口不同位置的污染物地面濃度，結(jié)果見表7、8。

表7 隧道西岸洞口地面污染物質(zhì)量濃度預(yù)測結(jié)果

表8 隧道東岸洞口地面污染物質(zhì)量濃度預(yù)測結(jié)果

從表7、8可以看出：

1) 隧道洞口處污染物濃度最大，相同通風(fēng)量條件下，距洞口越遠，污染物地面濃度越低，CO、NO2的時均濃度在距離洞口20 m外小于GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準》規(guī)定的二級標(biāo)準濃度限值。

2) 出洞口處的廢氣濃度S0隨著通風(fēng)量的增大而減小，表明隧道內(nèi)通風(fēng)量V越大，稀釋能力越強。而通過洞口TOP擴散模式計算可知，在一定風(fēng)量范圍內(nèi)，洞內(nèi)污染物的平均濃度S(x)隨通風(fēng)量V的增大而增大。對于多匝道隧道通風(fēng)而言，在主隧道污染物源強度一定的條件下，某一匝道分攤的風(fēng)量越多，其含有污染物的總量也越大，對應(yīng)的場所地面濃度也就越高。

3) 相同風(fēng)量、相同水平距離條件下，對比不同匝道之間的污染物預(yù)測濃度，可以得出西岸北主線出口的污染物濃度明顯高于其他匝道，主要原因是相較于東岸各匝道，西岸出口匝道只有2個，而北主線出口風(fēng)量分配比例相對較大，對應(yīng)洞口的污染物源強度較大?？梢姺蛛x匝道越多，每處洞口污染物排放源強度就越小，洞口附近污染物排放濃度也就越低。

4.2 隧道出洞口污染物濃度測試結(jié)果分析

為了更清楚地了解預(yù)測模式的準確性，以及是否能用于后期項目的隧道洞口環(huán)境預(yù)測，同時需要進行哪些參數(shù)修正，以紅谷隧道為對象，對隧道東、西岸距離環(huán)境敏感點較近的幾個主要出洞口附近污染物濃度分布情況進行了測試。測試條件如表9、10所示。測試時間為隧道早晚高峰交通時段。預(yù)測濃度的輸入條件為交通阻滯時(10 km/h)對應(yīng)各匝道的模擬通風(fēng)量；隧道內(nèi)外溫差為5 ℃(汽車排熱量在隧道內(nèi)累積,夏季隧道交通擁堵時，平均每km溫升可達2.5～5.0 ℃[10])，接近測試時段的隧道內(nèi)外溫差；預(yù)測室外風(fēng)速同測試風(fēng)速；軸線與自然風(fēng)交角θ為30°。測試儀器選用高精度多功能泵吸式氣體分析儀，測試原理為電化學(xué)和紅外光譜吸收，測試精度CO為0.01×10-6，NO2為0.001×10-6。

表9 隧道西岸洞口污染物預(yù)測與測試濃度對比

表10 隧道東岸洞口污染物預(yù)測與測試濃度對比

表9、10中測試數(shù)據(jù)為隧道敞口段上側(cè)沿縱向1.5 m高處氣體濃度，由預(yù)測和測試結(jié)果可知：

1) 污染物濃度的預(yù)測值和測試值相差不大，除E匝道部分測點外，實測結(jié)果均低于預(yù)測值，TOP模式可以作為類似工程預(yù)測隧道洞口污染物濃度的簡單計算公式。預(yù)測模式的氣態(tài)污染物排放源強度Qj可按在用車綜合排放因子中50%國Ⅳ、50%國Ⅴ的排放標(biāo)準進行折算。

2) 洞口預(yù)測氣體濃度隨著預(yù)測距離的增大而逐漸減小，而預(yù)測點污染物濃度受地面道路交通污染物排放的疊加影響，并沒有明顯的遞減趨勢。NO2的測試濃度在距離洞口100 m前后反而有所回升，此處在隧道洞口接地點位置，測試點距離污染源點較近，測試濃度有所增加。預(yù)測時應(yīng)考慮城市隧道U形槽對預(yù)測點濃度的影響，隧道線路接地點外側(cè)污染物預(yù)測濃度應(yīng)進行修正。

3) 對比東、西岸隧道洞口污染物預(yù)測結(jié)果可知，環(huán)境風(fēng)速越小，污染物縱向衰減的速度越慢，測試結(jié)果也呈現(xiàn)同樣的趨勢。西岸北主線和H匝道洞口環(huán)境風(fēng)速相對較小，距離洞口50～75 m范圍內(nèi)，NO2濃度可能會出現(xiàn)局部超標(biāo)的現(xiàn)象，實測結(jié)果中除洞口外均能滿足環(huán)境空氣質(zhì)量的二級標(biāo)準要求，但與限定值較為接近。

4.3 隧道洞口敏感點的環(huán)境影響分析

通過對隧道洞口敏感建筑物附件污染物預(yù)測和布點監(jiān)測，分析CO、NO2對評價區(qū)域環(huán)境敏感點的影響情況，同時與實際監(jiān)測值進行對比，分析兩者之間出現(xiàn)差異的原因。

表11給出了隧道高峰期阻塞工況下(10 km/h)隧道通風(fēng)量對應(yīng)的洞口敏感區(qū)域CO、NO2預(yù)測和測試濃度及占標(biāo)率。可見江信國際花園、濱江豪園、粵贛高速公路公司等敏感建筑污染物小時最大濃度均達標(biāo)，西岸主線洞口處的江信花園占標(biāo)率較高。從測試結(jié)果來看，東岸E匝道洞口處的近水花園特征污染物的占標(biāo)率遠高于預(yù)測值，該結(jié)果與前節(jié)分析結(jié)論相同。

在輸入條件基本相同的情況下，E匝道的預(yù)測和測試結(jié)果相差懸殊。圖4為2019年5月監(jiān)測到的當(dāng)月隧道日平均交通量與預(yù)測交通量的對比。

從圖4可見，各匝道實測和預(yù)測交通量分配趨勢基本吻合，隧道西岸N主線出口交通量最大，污染物預(yù)測和實際占標(biāo)率均較大。而E匝道預(yù)測交通量明顯低于實測值，預(yù)測交通量少，該匝道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計算所得風(fēng)量也較少，致使污染物預(yù)測值偏低。

表11 隧道洞口敏感建筑物污染物預(yù)測結(jié)果

圖4 隧道交通量實測與預(yù)測結(jié)果對比

另外，如果除去環(huán)境風(fēng)速對A匝道洞口污染物擴散的有利因素，西岸隧道洞口污染物排放壓力明顯大于東岸分離匝道洞口，這一點基本與圖4交通量趨勢相吻合。因此，隧道東岸采取分離匝道疏導(dǎo)交通，對于隧道洞口污染物排放極為有利。同時由于D、S1匝道洞口沿大堤敷設(shè)，距敏感建筑較遠，地勢空曠，污染物擴散較快，對敏感建筑影響有限。D匝道的正常交通量大，交通通風(fēng)力也大，該匝道出洞口風(fēng)量就大，污染物排放能力強。另可通過射流風(fēng)機的誘導(dǎo)作用，增加S1匝道的誘導(dǎo)風(fēng)量，以降低E、H匝道洞口的風(fēng)量分配，減少對洞口外側(cè)敏感建筑的影響。

近年來，降低集中排風(fēng)塔高度已成為城市隧道建設(shè)的重要課題，采用凈化除塵設(shè)備去除污染物。但是對于隧道大風(fēng)量、低濃度、常溫常壓下處理NOx的特點成為隧道凈化技術(shù)的難點，整套凈化除塵設(shè)備初投資較高，占用機房面積較大，運行、維護費用較高，目前國內(nèi)少數(shù)項目正嘗試采用該技術(shù)處理污染空氣。采用分散排放形式相比集中排放更為有利。分散排放可以采用在隧道出洞口暗埋段設(shè)置多個排風(fēng)口，將集中排放的廢氣分散在多個低矮風(fēng)井排放，降低單個排風(fēng)井的污染物總量及濃度。

從以上分析結(jié)果可以看出，多匝道分離洞口排放也可以作為分散排放的一種形式，調(diào)節(jié)分離匝道風(fēng)量分配比例，減少距離敏感建筑物較近出洞口的通風(fēng)量，可有效降低敏感建筑附近的污染物濃度，以達到環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準的相關(guān)要求。

5 結(jié)論

1) 對于以小型客車通行為主的城市道路隧道，需風(fēng)量計算時采用的CO基準排放值不宜過高。

2) 從隧道洞口環(huán)境預(yù)測及實測結(jié)果來看，洞口20 m以外CO濃度可達到環(huán)境空氣質(zhì)量的二級標(biāo)準，而NOx濃度易超標(biāo)。NOx的排放限值往往會成為隧道需風(fēng)量計算和排風(fēng)塔高度的控制因素，在國內(nèi)隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計及標(biāo)準制定上應(yīng)引起足夠的重視。

3) 多匝道分離洞口排放可作為分散排放的一種形式，通過誘導(dǎo)交通組織和調(diào)節(jié)分離匝道風(fēng)量分配比例，減少距離敏感建筑物較近出洞口的通風(fēng)量，可有效降低敏感建筑附近的污染物濃度，達到環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準的相關(guān)要求。