基于實測數據的西漢高速公路秦嶺隧道通風效果評估

官海兵

摘要：為了保證西漢高速秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道運營期間的行車安全，觀測了該區段隧道斷面的實際交通量，并與預測交通量進行對比分析；利用CO濃度檢測器和能見度檢測器對隧道上行線內污染物進行實測，并分析討論了實測數據。結果表明：實際交通量達到預測交通量的88%；隧道內實測最大CO濃度與規范中設計值相比差距較大，實測最大煙霧濃度接近或超過規范中煙霧濃度設計值。因此，需要對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道送排通風系統工程進行改造，以滿足目前隧道內通風要求，同時忽略CO濃度的影響，將煙霧濃度作為主要考慮因素。

關鍵詞：隧道工程；通風效果；交通量；污染物

中圖分類號：U453.5文獻標志碼：B

Abstract： In order to assure the safety for the operation period of Qinling tunnel I and II of XianHanzhong expressway， the traffic of those two tunnels were measured and analyzed. By using the CO concentration detector and sight inspector， the pollutants in the upstream line of Qinling tunnels were measured. Analysis of the measured data shows that the average value of measured traffic reaches 88% of the maximum value of predicted traffic； the measured maximum value of CO concentration in Qinling tunnel I and II are much lower than the designed value； the measured maximum value of smoke concentration are around or higher than the designed value. Therefore， the ventilation system used in Qinling tunnels needs to be improved to meet the requirement of ventilation at present. During the improvement， the effect of CO concentration can be ignored， while the influence of the smoke concentration needs be considered as a major factor.

Key words： tunnel engineering； measured data； ventilation effect； evaluation

0引言

戶縣經洋縣至勉縣高速公路（簡稱西漢高速）是國家“7918”高速公路網北京至昆明線（G5）在陜西境內重要的一段，是溝通華北和西南的公路運輸大通道，也是陜西省“2367”高速公路網的重要組成路段。該工程自2002年8月開工，至2007年9月全線貫通，建設工期為5年。由于其在國家高速公路網中的重要作用和建設條件的特殊性，在當時受到了交通部、陜西省委、省政府的高度重視，被列為全國公路建設的標志性工程。其中秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道作為西漢高速重要控制性工程之一，在汶川地震救援和物資運送等重大事件中發揮了重要作用。

許多學者對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道做了大量的研究工作。2005年，楊彥民、曹振等人經過分析、計算，對隧道群運營通風系統在不同工況下風機的運行進行優化配置，細化了防火與救災模式等內容，最終確定了秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道的通風設計[1]。2008年，王立新、李寧軍等人通過計算，著重分析在現有通風條件下，正常運營和火災工況下洞內可容納的最大車輛數[2]，對秦嶺終南山隧道初期運營通風狀態作出評價。2011年，郭利平、屈永照等人根據西漢高速公路秦嶺隧道照明系統測量數據，分析了現有照明系統存在的問題，并從多方面提出了秦嶺隧道照明系統改善措施[3]。經過6～7年的運營后，西漢高速公路秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道通風系統是否能滿足目前的通風要求還沒有引起研究者們的關注。

為了提高西漢高速秦嶺特長隧道群的通風運營條件，現場測試了西漢高速秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道內的交通量、CO濃度和煙霧濃度，并基于實測數據的分析，對該段隧道通風系統的運營現狀進行評估。

1工程概況

秦嶺Ⅰ號隧道進口位于戶縣觀音山，出口位于寧陜縣七畝坪，為直線型特長隧道。其中，上行線進口樁號K58+725，出口樁號K64+827，隧道單洞長度為6 102 m，坡度為258%；下行線進口樁號K64+859，出口樁號K58+715，隧道單洞長度為6 144 m，坡度為-254%，平均海拔高度1 312 m。隧道采用“新奧法”復合式襯砌、高壓鈉燈光電照明、機械通風；隧道進口洞門型式采用削竹式，出口采用端墻式，隧道圍巖以花崗巖、閃長巖和變質砂巖為主，圍巖類別以Ⅳ、Ⅴ類為主。秦嶺Ⅰ號隧道上行線安裝射流風機30臺，下行線安裝射流風機24臺。

秦嶺Ⅱ號隧道進口位于寧陜縣七畝坪，出口位于寧陜縣西傅家河，為直線型特長隧道。其中，上行線進口樁號K65+435，出口樁號K71+560，隧道單洞長6 125 m，22%上坡

4 765 m，059%下坡1 360 m（行車方向）；下行線進口樁號K71+540，出口樁號K65+445，隧道單洞長6 095 m，22%下坡4 765 m，063%上坡1 290 m（行車方向）。隧道采用“新奧法”復合式襯砌、高壓鈉燈光電照明、機械通風；隧道洞門型式主要采用削竹式；隧道圍巖以閃長巖和變質石英砂巖為主，圍巖類別以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類為主。通風斷面面積為6537 m2，當量直徑為834 m。秦嶺Ⅱ號隧道上行線安裝射流風機32臺，下行線安裝射流風機26臺，采用全射流縱向通風。

2秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道交通量分析

基于2007～2013年秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道斷面交通量的實測數據（按照客車和貨車2種車型進行統計），分別以折線圖的形式表示，如圖1所示，其中虛線為各類型車線性擬合得到的線性增長趨勢線。2014年1～7月再次對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道斷面交通進行觀測，為了使不同交通流能夠在同樣的標準下進行分析，將實測中的各類車輛交通量換算成標準車當量。根據《公路工程技術標準》[4]給出計算公式

式中：Ve為當量交通量（veh）；V為自然交通量（veh）；Pi為第i類車交通量占總交通量的百分比（%）；Ei為第i類車的車輛換算系數，見表1。

表2為考慮轉換至鐵路和寶漢等高速交通量之后換算成的標準車當量[56]。基于四階段預測理論對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道交通量進行預測，使隧道通風系統獲得良好的控制效果，保證司乘人員的健康，對優化通風系統以及降低隧道運營成本有著重要意義，預測結果見圖2。

由圖1可以看出，2007～2013年秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道交通量逐年上升，其中貨車為交通量的主體，且線性增長率較大。這幾年有增長減緩的趨勢，由于其基數較大，因此隧道內稀釋煙霧所需風量依然較大。根據2014年1～7月實際觀測，交通量值平均值為26 461 veh·d-1，已達到2016年度預測交通量30 064 veh·d-1的88%，且2014年4月實際觀測交通量也已經超過2016年度預測交通量。故從交通量方面看，秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道內的通風設備已經不能滿足目前隧道內的通風要求。

3秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道污染物測試

為了更好地了解秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道內的空氣情況，以秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道上行線為研究對象，對隧道內部的相關污染物進行檢測，其中主要包括對CO濃度和煙霧濃度的測試。

3.1測試方法

由于山嶺重丘區隧道高峰交通量一般出現在早上9～10時，故于2014年7月31日9：00～10：00、11：00～12：00對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道上行線空氣質量進行了2次檢測。利用CO1A型檢測儀和能見度檢測器對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道內的CO濃度和煙霧濃度進行檢測。

3.2測點布置

由于測量光線透過率的儀器體積較大，需要連接外接電源及計算機設備，為保證人員、設備安全，減小對隧道內正常運營的干擾，將測點布置在隧道緊急停車帶高度為1 m的位置[712]。為了方便測量并提高測量效率，同一隧道內煙霧濃度和CO濃度的測點選擇同一斷面，共選擇了5處位置，分別進行了3次量測讀數。測點的平面布置見圖3。圖4為現場測試煙霧濃度與CO濃度時的照片。

3.3數據處理

為方便研究，以折線圖的形式來表示秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道內的CO濃度和煙霧濃度沿隧道縱向分布的情況，如圖5、6所示。由于在Ⅰ號隧道距出口50 m處的光照度測量受外界光線的影響較大，故取消該點透過率的測量。數據處理時，CO濃度是取3次測量的平均值，煙霧濃度用衰減系數K來表示，通過測出的3組照度并取其平均值，帶入K的計算公式

式中：E0為儀器發出的光照度；E為光照在隧道內傳播100 m后的照度。

4實測結果分析與討論

由圖5和圖6中的實測CO濃度曲線可以看出，秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道上行線內的CO濃度實測值較低，這與通風計算的結果是吻合的；且2個隧道內最大CO濃度分別為

17.33 ppm和15.67 ppm，與《公路隧道通風照明設計規范》[13]（后文簡稱“規范”）中250 ppm的設計值相比差距較大，故CO濃度目前不作為通風的控制因素。由圖5和圖6中的實測煙霧濃度曲線可以看出，秦嶺Ⅱ號隧道上行線衰減系數K的最大值為0009 3 m-1；而規范中規定，當隧道內采用鈉燈光源、80 km·h-1設計車速、二級服務水平時，對應的煙霧設計濃度的衰減系數K=0007 m-1。說明秦嶺Ⅱ號隧道煙霧濃度已超過極限值，現有通風系統已不能滿足稀釋煙霧的通風需求。本次實測數據是在緊急停車帶（高度1 m）得到的，秦嶺Ⅰ號隧道上行線中，實測出煙霧濃度衰減系數的最大值為0005 4 m-1，由于受熱空氣向上聚集的影響，煙霧在拱頂的濃度必定大于邊墻處的濃度[1417]。可以推算一定高度上隧道煙霧濃度值可能達到規范中的限值，說明秦嶺Ⅰ號隧道上行線現有通風系統接近或可能達到其極限。

通過對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道上行線內CO濃度的實測，并與規范對比后得出，CO濃度目前不作為通風的控制因素，建議在后期改造工程中不作重點因素考慮。通過對秦嶺Ⅰ號隧道上行線隧道內煙霧濃度的實測，并與規范對比得出，秦嶺Ⅰ號隧道上行線煙霧濃度已接近上限值。根據對隧道內交通量的預測，得出通過隧道內的汽車將持續增加，加上貨車占的比重較大，且隧道的坡度較大，故該隧道現有通風系統不能滿足將來稀釋煙霧的通風需求。通過對秦嶺Ⅱ號隧道上行線隧道內煙霧濃度的實測，并與規范對比得出，秦嶺Ⅱ號隧道上行線煙霧濃度已超過上限值，故該隧道應盡快實施送排式通風系統。根據實測的CO濃度和煙霧濃度值得出，目前隧道內通風的主要目的不是保證衛生條件，而是保證行車安全[18]。由于秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道上行線內煙霧濃度沿隧道縱向分布不均勻，在具體實施設計中應分段計算需風量，然后確定風機的布置和數量。

5結語

本文研究了西漢高速秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道斷面的實測交通量，并利用CO濃度檢測器和能見度檢測器測試了西漢高速秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道上行線內的污染物。研究結果表明：2014年1～7月實際觀測交通量平均值約為26 461 veh·d-1，已達到2016年度預測交通量（30 064 veh·d-1）的88%；秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道內實測最大CO濃度分別為17.33 ppm和15.67 ppm，與規范設計值（250 ppm）相比差距較大；秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道內實測最大煙霧濃度衰減系數分別為0005 4 m-1和0009 3 m-1，已經接近或超過規范中煙霧濃度的設計值（0007 m-1）。因此，需要對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道送排通風系統進行改造，同時將煙霧濃度作為主要考慮因素，以滿足目前隧道內的通風需求。

參考文獻：

[1]楊彥民，曹振.秦嶺特長公路隧道群通風設計[J].公路，2005（4）：186191.

[2]王立新，李寧軍，張素磊，等.秦嶺終南山公路隧道初期運營通風研究[J].公路隧道，2008，15（1）：6162.

[3]郭利平，屈永照，徐北平.西漢高速公路秦嶺隧道照明系統改善研究[J].公路與汽車，2011（1）：7377.

[4]JTG B01—2014，公路工程技術標準[S].

[5]張光鵬，雷波，田明力，等.空氣交換方法在公路隧道縱向通風中的應用研究[J].現代隧道技術，2011，48（1）：4245.

[6]胡彥杰，鄧敏，楊濤.雙洞互補式通風在大別山隧道中的應用研究[J].交通科技，2011（2）：5660.

[7]金豫杰，羅文廣.基于BP神經網絡的公路隧道交通量預測[J].廣西工學院學報，2005，16（S3）：3134.

[8]王少飛，陳建忠，涂耕.公路隧道的交通特點研究[J].道路交通與安全，2008，9（1）：3640.

[9]楊超，王志偉.公路隧道通風技術現狀及發展趨勢[J].地下空間與工程學報，2011，7（4）：819824.

[10]夏永旭，趙峰.特長公路隧道縱向半橫向混合通風方式研究[J].中國公路學報，2005，18（3）：8083.

[11]宋國森，胡斌.特長公路隧道平導通風方案研究及優化[J].公路交通科技，2011，28（4）：8490.

[12]夏豐勇，謝永利，王亞瓊，等.特長公路隧道互補式通風模式[J].交通運輸工程學報，2014，14（6）：2734.

[13]JTG/T D70/202—2014，公路隧道通風設計細則[S].

[14]王亞瓊，夏豐勇，謝永利，等.特長公路隧道雙洞互補式通風物理模型試驗[J].中國公路學報，2014，27（6）：8490.

[15]石平，程久勝.烏池壩特長公路隧道通風方案設計[J].現代隧道技術，2007，44（2）：7281.

[16]劉彤，賴金星，李寧軍.二郎山隧道運營通風數值模擬研究[J].地下空間與工程學報，2006，2（5）：860886.

[17]王磊，郭洋洋.特長公路隧道火災工況網絡通風技術研究[J].筑路機械與施工機械化，2012，29（4）：7678.

[18]夏永旭，石平.公路隧道通風空氣交叉污染三維數值分析[J].長安大學學報：自然科學版，2006，26（6）：4447.

[責任編輯：王玉玲]