自然通風在城市道路隧道中的應(yīng)用研究

陳玉遠，甘 甜

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063)

0 引言

為緩解或有效解決城市經(jīng)濟快速發(fā)展帶來的交通問題，修建城市道路隧道在世界各國呈現(xiàn)急劇增長的趨勢，城市交通隧道作為城市立體交通方式，在緩解城市交通壓力方面具有明顯優(yōu)勢，在減少城市道路用地、縮短行車里程、疏導城市交通方面起到積極作用。但由于隧道洞口大多置于城市中心的主要街區(qū)或居民區(qū)附近，若布置不合理，不加以科學規(guī)劃與處置，車輛沿隧道通行所排放的廢氣會在車輛行駛過程中形成氣流作用從隧道出口集中排放，容易造成洞口附近污染物濃度超標，從而帶來一系列的污染和安全問題［1-3］。

對于城市道路隧道的污染物排放問題一直是相關(guān)人員的研究熱點，徐麗［3］采用CFD方法，以廣州康王隧道為研究對象，對城市公路隧道洞口周圍環(huán)境污染物濃度分布情況進行系統(tǒng)數(shù)值模擬研究。童艷等［4］采用模型試驗，結(jié)合量綱分析的方法對豎井自然通風的相似準則進行了研究。郭強等［5］采用三維數(shù)值計算的方法，對城市地下道路排放的污染物與地面交通干道產(chǎn)生的污染物擴散以后所發(fā)生綜合作用的結(jié)果進行模擬預測。范磊等［6］采用三維數(shù)值模擬的方法，對風井出口廢氣的對流擴散特征進行了模擬和分析，揭示了在不同外界風速和風向的條件下，出口處廢氣的擴散特征以及對其周圍空氣形成的污染范圍。匡江紅等［7］采用三維數(shù)值模擬的方法，對隧道洞口污染物的擴散情況進行了預測和分析，揭示了在不同風向條件下，隧道洞口廢氣的擴散特征，并根據(jù)計算結(jié)果提出了一種較為經(jīng)濟的控制污染物排放的方案。楊玉容等［8］針對特長公路隧道出口廢氣擴散濃度場受非恒定多因素作用的特點，提出了基于極值的濃度測試分析方法。王子云等［9］采用CFD技術(shù)和氣體擴散方程，對某城市雙洞隧道CO擴散進行模擬分析，探討城市雙洞隧道污染物擴散情況，分析車輛出口隧道對車輛進口隧道污染物擴散的影響，以及討論隧道洞口設(shè)置隔墻對入口隧道設(shè)計環(huán)境改善的必要性。田利偉［10］通過采用大型環(huán)境風洞試驗的方法，研究了綠化隔離帶以及中隔墻對城市交通隧道洞口污染的擴散影響。以上研究主要針對洞口污染物的排放與擴散，而對于自然通風的通風效果研究甚少。本文以某城市道路隧道為例，采用SES和CFD模擬軟件對自然通風的通風效果進行了計算分析，以期為今后類似工程的設(shè)計提供新思路。

1 工程概況

昆明東外環(huán)中路隧道為城市快速路，呈南北走向，隧道長度1 695 m，雙向6車道，設(shè)計時速60 km/h。右線隧道出口無環(huán)境敏感區(qū)域，左線隧道出口為居民區(qū)，與洞口距離約35 m。線路平面布置如圖1所示。因此，重點研究左線隧道出口的污染物擴散。

圖1 線路平面布置示意圖Fig．1 Plan layout of tunnel

2 隧道內(nèi)通風計算標準

2．1 隧道內(nèi)通風衛(wèi)生標準

通風標準按我國現(xiàn)行的JTJ 026．1《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》執(zhí)行，詳見表1。

表1 通風衛(wèi)生標準Table 1 Health standard of ventilation

隧道內(nèi)風速應(yīng)滿足稀釋空氣中異味的需風量要求，每小時換氣5次。

2．2 尾氣排放標準

現(xiàn)行的JTJ 026．1《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》推薦CO基準排放量取值為0．01 m3/(輛·km)，并按每年1%～2%速度遞減。煙霧的基準排放量參照規(guī)范的推薦值為2．5 m2/(輛·km)。本次計算按規(guī)范要求，按每年2%遞減，并根據(jù)不同年份的尾氣排放量及相應(yīng)預測交通量進行需風量計算，見表2。

2．3 設(shè)計交通量

根據(jù)《昆明南站交通分析》報告，遠期(2030年)預測單向高峰小時交通量為4 312pcu/h。車型比例按表3計算。

表2 尾氣排放標準Table 2 Vehicle exhaust discharging standard

表3 隧道內(nèi)車型比例Table 3 Proportions of different types of vehicles in tunnel

3 隧道通風系統(tǒng)設(shè)計

3．1 需風量計算

根據(jù)遠期預測交通量和尾氣排放標準對左線隧道遠期需風量進行計算，計算結(jié)果如表4所示。

表4 需風量計算結(jié)果Table 4 Calculation results of air volumes needed

由表4可以看出稀釋隧道內(nèi)煙霧所需風量最大，隧道設(shè)計計算需風量取458 m3/s。

3．2 通風方案

國內(nèi)外對于2 km以下隧道多采用射流風機全縱向通風方案，污染物通過隧道洞口直接排放，對于2 km以上隧道多采用豎井分/合流縱向通風方式。本隧道長度較短，采用射流風機全縱向通風方案。

根據(jù)線路專業(yè)提供的平面資料知，左線隧道出口335 m范圍內(nèi)為綠化帶，可以在綠化帶內(nèi)設(shè)自然通風口，利用自然通風降低正常運營通風能耗，并且自然通風口可以起到分散排污的效果，降低洞口污染物的排放量，減少對洞口附近環(huán)境影響。以下對左線隧道有無自然通風口的隧道通風系統(tǒng)設(shè)計進行對比分析。

3．2．1 無自然通風口方案

經(jīng)計算左線隧道10 km/h交通阻滯時射流風機所需推力最大，需要安裝24臺(直徑1 000 mm射流風機，30 kW，出口風速33．2 m/s)可逆射流風機，3臺一組，頂部安裝，射流風機分別布置在兩端隧道洞口，其中進出口各設(shè)4組。風機運行數(shù)量如表5所示。

表5 左線隧道射流風機運行數(shù)量表Table 5 Operating parameters of jet fans

3．2．2 有自然通風口方案

小里程端洞口335 m范圍內(nèi)隧道上部路面為綠化帶，考慮在綠化帶內(nèi)設(shè)自然通風口，通風口設(shè)置位置結(jié)合路面綠化帶和景觀確定。通風口設(shè)置在隧道寬度方向的中部，寬度為4 m，每處通風口設(shè)置長度為10 m，共設(shè)10處，設(shè)置總長度為100 m。自然通風口效果圖如圖2所示。

圖2 自然通風口效果圖Fig．2 Pictures of natural ventilation intakes

采用 SES4．1(Subway Environment Simulation Program，美國城市公共運輸部和運輸發(fā)展公司開發(fā))模擬軟件對有自然通風口時隧道正常運營通風進行了模擬計算［11］。根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)形式建立計算節(jié)點圖，見圖3。隧道通風模擬結(jié)果如表6所示。

圖3 隧道通風計算節(jié)點圖Fig．3 Calculation nodes of tunnel ventilation

表6 隧道通風量計算結(jié)果Table 6 Calculation results of air volumes needed

由表6可知，左線自然通風口污染物分流比例為15%，與無自然通風口方案相比從隧道出口排出的污染物總量相對減少，污染物影響范圍縮小。

有自然通風口時左線隧道射流風機運行數(shù)量如表7所示。

表7 左線隧道射流風機運行數(shù)量表Table 7 Operating parameters of jet fans

由表5和表7計算結(jié)果可以看出，有自然通風口時左線射流風機臺數(shù)由原來的24臺減少為18臺。

由于有自然通風口方案的風機配置臺數(shù)、洞口污染物排放量均優(yōu)于無自然通風口方案，因此推薦采用有自然通風口方案。隧道通風系統(tǒng)平面布置示意圖如4所示。

圖4 左線隧道通風系統(tǒng)平面布置示意圖Fig．4 Plan layout of ventilation system of left tunnel tube

3．3 隧道洞口環(huán)境評價

左線隧道出口右側(cè)為居民區(qū)，屬于環(huán)境敏感區(qū)域，居民區(qū)與左線隧道出口之間距離約35 m，左線隧道污染物采用洞口和自然通風口分散排放的方式，污染物會對洞口周邊一定范圍內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生影響。采用CFD模擬軟件對洞口污染物擴散范圍進行了研究。

利用AirPak建立洞口全尺寸模型，模型示意如圖5所示。

圖5 左線隧道出口模型Fig．5 Model of exit portal of left tunnel tube

計算邊界條件為隧道洞口高5．65 m，寬13 m，隧道水力直徑8．06 m，洞口外模擬區(qū)域范圍為200 m(X)×200 m(Y)×20 m(Z)。

隧道內(nèi)通風風速6．7 m/s，室外風速取冬季平均風速2．0 m/s，風向按最不利情況計算，即風向吹向居民區(qū)。

根據(jù)汽車尾氣排放標準和隧道內(nèi)車流量可得隧道內(nèi)CO和NO2的總排放量分別為12．17 kg/h和2．77 kg/h，由于自然通風口的分流作用，洞口CO和NO2的總排放量分別為10．34 kg/h和2．35 kg/h，隧道內(nèi)通風量492 m3/s，因此洞口CO和NO2的質(zhì)量濃度分別為5．8 mg/m3和 1．3 mg/m3。

本工程執(zhí)行現(xiàn)行的GB 3095《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》中二級標準，CO和NO2質(zhì)量濃度分別為:CO每小時平均10 mg/m3，NO2每小時平均0．24 mg/m3。可以看出洞口CO濃度可以滿足二級標準要求，NO2濃度高于二級標準要求，洞口NO2的擴散濃度及速度分布見圖6和圖7。

圖6 左線洞口NO2濃度分布云圖Fig．6 Cloud of distribution of NO2concentration at portal of left tunnel tube

可以看出，在洞口右側(cè)約24m位置處NO2濃度可達0．24 mg/m3，滿足GB 3095《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》中二級標準的要求，居民區(qū)距離隧道洞口約35 m，因此，采用自然通風口和隧道洞口分散排污的方式可以滿足洞口周邊空氣質(zhì)量要求。

圖7 左線洞口NO2速度分布矢量圖Fig．7 Vector of distribution of NO2velocity at portal of left tunnel tube

通過對無自然通風口條件下隧道出口的NO2擴散范圍進行計算可知，洞口右側(cè)30 m之外范圍可以滿足GB 3095《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》中二級標準的要求，已接近居民區(qū)，與設(shè)自然通風口方案相比，污染物擴散距離增加，不利于隧道洞口的環(huán)境保護。

4 結(jié)論與討論

1)將自然通風成功地應(yīng)用于昆明東外環(huán)中路左線隧道通風系統(tǒng)中，解決了隧道洞口污染物集中排放對周邊環(huán)境的影響，為類似工程提供指導和借鑒意義。

2)利用SES和CFD模擬軟件，分析得出隧道在采用自然通風時，可有效減少出口污染物排放總量和污染物的擴散范圍。

3)自然通風口的大小、間距如何設(shè)置才能保證最佳的排污效果以及阻滯和火災(zāi)工況下的通風排煙效果將是本課題下一步研究的方向。

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