自然通風在城市道路隧道中的應用研究

陳玉遠，甘 甜

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

0 引言

為緩解或有效解決城市經濟快速發展帶來的交通問題，修建城市道路隧道在世界各國呈現急劇增長的趨勢，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或居民區附近，若布置不合理，不加以科學規劃與處置，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境污染物濃度分布情況進行系統數值模擬研究。童艷等［4］采用模型試驗，結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生的污染物擴散以后所發生綜合作用的結果進行模擬預測。范磊等［6］采用三維數值模擬的方法，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，并根據計算結果提出了一種較為經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置隔墻對入口隧道設計環境改善的必要性。田利偉［10］通過采用大型環境風洞試驗的方法，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計提供新思路。

1 工程概況

昆明東外環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，設計時速60 km/h。右線隧道出口無環境敏感區域，左線隧道出口為居民區，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 隧道內通風計算標準

2．1 隧道內通風衛生標準

通風標準按我國現行的JTJ 026．1《公路隧道通風照明設計規范》執行，詳見表1。

表1 通風衛生標準Table 1 Health standard of ventilation

隧道內風速應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

現行的JTJ 026．1《公路隧道通風照明設計規范》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范的推薦值為2．5 m2/(輛·km)。本次計算按規范要求，按每年2%遞減，并根據不同年份的尾氣排放量及相應預測交通量進行需風量計算，見表2。

2．3 設計交通量

根據《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 隧道內車型比例Table 3 Proportions of different types of vehicles in tunnel

3 隧道通風系統設計

3．1 需風量計算

根據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，計算結果如表4所示。

表4 需風量計算結果Table 4 Calculation results of air volumes needed

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

3．2 通風方案

國內外對于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。

根據線路專業提供的平面資料知，左線隧道出口335 m范圍內為綠化帶，可以在綠化帶內設自然通風口，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，減少對洞口附近環境影響。以下對左線隧道有無自然通風口的隧道通風系統設計進行對比分析。

3．2．1 無自然通風口方案

經計算左線隧道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4組。風機運行數量如表5所示。

表5 左線隧道射流風機運行數量表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范圍內隧道上部路面為綠化帶，考慮在綠化帶內設自然通風口，通風口設置位置結合路面綠化帶和景觀確定。通風口設置在隧道寬度方向的中部，寬度為4 m，每處通風口設置長度為10 m，共設10處，設置總長度為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展公司開發)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］。根據隧道結構形式建立計算節點圖，見圖3。隧道通風模擬結果如表6所示。

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

表6 隧道通風量計算結果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量如表7所示。

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

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

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

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

3．3 隧道洞口環境評價

左線隧道出口右側為居民區，屬于環境敏感區域，居民區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環境產生影響。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，洞口外模擬區域范圍為200 m(X)×200 m(Y)×20 m(Z)。

隧道內通風風速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。

根據汽車尾氣排放標準和隧道內車流量可得隧道內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，隧道內通風量492 m3/s，因此洞口CO和NO2的質量濃度分別為5．8 mg/m3和 1．3 mg/m3。

本工程執行現行的GB 3095《環境空氣質量標準》中二級標準，CO和NO2質量濃度分別為: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，在洞口右側約24m位置處NO2濃度可達0．24 mg/m3，滿足GB 3095《環境空氣質量標準》中二級標準的要求，居民區距離隧道洞口約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30 m之外范圍可以滿足GB 3095《環境空氣質量標準》中二級標準的要求，已接近居民區，與設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境保護。

4 結論與討論

1)將自然通風成功地應用于昆明東外環中路左線隧道通風系統中，解決了隧道洞口污染物集中排放對周邊環境的影響，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、間距如何設置才能保證最佳的排污效果以及阻滯和火災工況下的通風排煙效果將是本課題下一步研究的方向。

［1］韓直．公路隧道通風設計的理念與方法［J］．地下空間與工程學院，2005，1(3):464-466．(HAN Zhi．Concept and method of ventilation design for highway tunnel［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005，1(3):464-466．(in Chinese))

［2］匡江紅，余斌，魏建，等．城市隧道口污染物排放的分析研究［J］．熱科學與技術，2006，5(3):245-250．(KUANG Jianghong，YU Bin，WEⅠJian，et al．Analysis and research on pollutants discharge from urban tunnel portals［J］．Journal of Thermal Science and Technology，2006，5(3):245-250．(in Chinese))

［3］徐麗．城市公路隧道洞口污染物擴散數值模擬［D］．成都:西南交通大學，2007．(XU Li．Numerical simulation study of contamination diffusion from a road tunnel portal［D］．Chengdu:Southwest Jiaotong University，2007．(in Chinese))

［4］童艷，施明恒，茅靳豐，等．豎井型公路隧道自然通風過程的實驗研究［J］．暖通空調，2009，39(9):61-65．(TONG Yan，SHⅠMingheng，MAO Jinfeng，et al．Experimental study of natural ventilation for road tunnels with shafts［J］．Journal of HV＆AC，2009，39(9):61-65．(in Chinese))

［5］郭強，陳超，任明亮．城市地下道路與地面交通污染綜合作用研究［J］．地下空間與工程學報，2009，5(6):1280-1283．(GUO Qiang，CHEN Chao，REN Mingliang．Preliminary study on the conjunct influences of pollutant from the urban underground highway and ground traffic［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009，5(6):1280-1283．(in Chinese))

［6］范磊，曾艷華，何川．風井出口廢氣擴散的模擬及控制研究［J］．地下空間與工程學報，2007，3(5):822-825，848．(FAN Lei，ZENG Yanhua，HE Chuan．Simulation and control study of exhaust gas diffusion from a vent tower port［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007，3(5):822-825，848．(in Chinese))

［7］匡江紅，朱國慶，余斌．隧道洞口污染物擴散控制方案的研究［J］．計算力學學報，2005，22(6):771-775．(KUANG Jianghong，ZHU Guoqing，YU Bin．Study on the controlling method of exhaust gas diffusion from a tunnel portal［J］．Chinese Journal of Computational Mechanics，2005，22(6):771-775．(in Chinese))

［8］楊玉容，何川，曾艷華．特長公路隧道出口廢氣濃度擴散現場實測研究［J］．地下空間與工程學報，2008，4(2):392-396．(YANG Yurong，HE Chuan，ZENG Yanhua．Research and field test about diffusion of exhaust gas from an extra long highway tunnel outlet［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2008，4(2):392-396．(in Chinese))

［9］王子云，謝朝軍，唐上明，等．城市隧道雙洞口污染物擴散模擬分析［J］．鐵道工程學報，2010(12):69-72．(WANG Ziyun，XⅠE Chaojun，TANG Shangming，et al．Simulation analysis of pollutant diffusion of urban doubleportal tunnel［J］．Journal of Railway Engineering Society，2010(12):69-72．(in Chinese))

［10］田利偉．城市交通隧道洞口污染物擴散的控制策略研究［J］．建筑熱能通風空調，2011，30(2):28-32．(TⅠAN Liwei．Research on control strategy of pollutants diffusion from traffic tunnels［J］．Building Energy ＆ Environment，2011，30(2):28-32．(in Chinese))

［11］陳玉遠．城市公路隧道多匝道通風系統計算方法的探討［J］．現代隧道技術，2011，48(5):97-100．(CHEN Yuyuan．Discussion of calculation method for multiple-ramp ventilation systems in urban highway unnels［J］．Modern Tunneling Technology，2011，48(5):97-100．(in Chinese))