豎井型公路隧道自然通風潛力評價

劉林林 童艷

南京工業大學城市建設與安全工程學院

豎井型公路隧道自然通風潛力評價

劉林林 童艷

南京工業大學城市建設與安全工程學院

引入“污染系數”和“標準數”概念來評價城市豎井型公路隧道的自然通風潛力，分別給出正常行車工況下隧道的污染系數和阻滯工況下標準數計算方法。對南京某下穿隧道進行實例計算分析，采用三種CO濃度標準限值（10ppm、30ppm和50ppm），得出正常行車工況下四種典型車速（20km/h、40km/h、60km/h和80km/h）各段隧道污染系數以及阻滯工況下（車速≤10km/h）隧道標準數。研究表明：正常行車工況下，車速越快，污染系數越小，自然通風潛力越大；而阻滯工況下，車輛積壓，散出熱量大，促使CO氣體從豎井排出，標準數基本滿足要求。

豎井型 公路隧道 自然通風潛力評價 污染系數 標準數

目前，國內對城市豎井型公路隧道的研究越來越多，相應的實體隧道相繼建成，如成都紅星路下穿隧道、南京西安門隧道、通濟門隧道以及新模范馬路隧道等。通過多位學者研究，基本上掌握了豎井型公路隧道內氣流運動規律和污染物擴散運動規律等[1～4]，但仍缺少一種合理評價該類隧道自然通風潛力的方法。因此，本文引入“污染系數”和“標準數”概念分別對豎井型公路隧道在正常行車工況（選擇四種典型車速20km/h、40km/h、60km/h和80km/h）和阻滯工況（車速≤10km/h）下的自然通風潛力進行評價。

1 自然通風潛力評價

1.1 污染系數和標準數

污染系數為隧道內污染物實際濃度與污染物濃度標準限值的比值，即：

式中：φ表示污染系數；ci為隧道計算段i的污染物濃度，ppm；clim為污染物濃度標準限值，ppm。

標準數為隧道最小需風量與實際通風量比值[5～6]，即：

式中：Μ表示標準數；Q為隧道實際通風量，m3/s；Qmin為隧道最小需風量，m3/s。

當φ≤1或Μ≤1時，表明隧道自然通風潛力大，僅依靠自然通風即可使隧道內污染物濃度達到衛生標準。

當φ＞1或Μ＞1時，表明隧道自然通風潛力小，僅依靠自然通風不足以使隧道內污染物濃度達到衛生標準。在這種情況下，需要輔助通風，即在隧道豎井內安裝機械風機。

1.2 評價方法

正常行車工況和阻滯工況下隧道氣流運動規律不同，此外豎井的存在，豎井組周邊的污染物濃度與暗埋段處的污染物濃度存在差異。因此采用兩種評價方法，具體步驟如下：

1）對于正常行車工況，將隧道出入口與其相鄰豎井之間的隧道主體各劃分為一個計算段；相鄰兩豎井之間的隧道主體劃分為一個計算段；對于阻滯工況，將隧道看成整體，即一個計算段。

2）計算出正常行車工況下隧道各計算段的污染物濃度和阻滯工況下整個隧道的實際通風量及最小需風量，并采用式（1）和式（2）計算出污染系數和標準數。

3）根據各計算段污染系數和整個隧道的標準數，綜合評價豎井型公路隧道的自然通風潛力。

2 各計算段風速

2.1 正常行車工況

正常行車工況下，隧道車輛車速大而車數少，使得“活塞風”較大而車輛散熱不足，從而導致強風壓與弱熱壓，故本文假設車輛等間距勻速行駛，隧道內外無溫差，不考慮熱壓作用[7]。

2.1.1 交通風力

交通風力為由于隧道內汽車運動使得其對隧道內空氣產生的推動力。對于計算段i交通風力為：

式中：Pti為交通風力，Pa；ni為計算段i通過的車輛數；Ar為隧道凈空截面積，m2；vt為汽車行駛速度，m/s；ui為計算段i斷面空氣速度，m/s；Am為汽車等效阻抗面積，即汽車正面投影面積，m2。

2.1.2 通風阻力損失

各計算段自然風阻力損失△Pmi可按下式計算：

式中：△Pmi為隧道計算段i的自然風阻力損失，Pa；ξi為計算段i的損失系數，入口段為ξe，出口段為1，其余中間段均為0；λi為計算段i的壁面摩擦阻力系數；li為計算段i的長度，m；d為計算段斷面當量直徑，m；Vn為自然風速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3。

由隧道內車輛運動產生的交通風力使得隧道壁面摩擦所引起的交通風力流動損失△Pr，可按下式計算：

式中：△Pri為隧道計算段i的自然風阻力損失，Pa；ui為隧道計算段斷面風速，m/s。

由豎井內氣流流動而使得豎井壁面摩擦而引起的氣流流動阻力損失△Psj，可按下式計算：

式中：△Psi為隧道計算段i的豎井內氣流流動阻力損失，Pa；ζsi為豎井i局部阻力系數；λsi為豎井i壁面沿程阻力系數；lsi為豎井i高度，m；dsi為豎井i斷面當量直徑，m；usi為豎井 i內氣流速度，m/s，usi=(ui+1-ui) Ar/Asi，其中Asi為豎井i截面積，m。

2.1.3 氣體流動壓力平衡

對于全隧道，根據能量守恒定律，交通風力與通風阻力損失相等，得出下式：

對于各豎井，根據節點壓力平衡原理，豎井底部開口節點處的壓力Psi與從隧道出入口算起到該處所有計算段交通風力與流動阻力平衡，得出下式：

式中：Psi=△Psi+P0，P0為外界大氣壓力。

聯立式（3）～（8）可以得到m個方程組成的高度非線性方程組。通過求解該方程組，可以得到隧道各計算段斷面風速（u1，u2，…，um）和豎井斷面風速（usj1，usj2，…，usj(m-1）)。

2.2 阻滯工況

在交通阻滯工況下（車速≤10km/h），隧道內車輛行駛速度小，車輛積壓，散熱大，自然風速較小。因此，該工況僅考慮熱壓作用，忽略風壓。隧道實際通風量的計算公式[8]如下：

式中：q0為單個汽車單位時間發熱量，W，取9170；Nr為隧道內存在的汽車數量；Ls為豎井高度，m；ρr、ρs和ρw分別為隧道內、豎井內和室外空氣的密度，kg/m3；ui為進入隧道的空氣流速，m/s，ui=0.5×Q/Ar；usi為豎井排風風速，m/s，usi=Q/Asi；ξs為豎井排風局部阻力系數；Cp為空氣定壓比熱，kJ/(kg·℃)；n為豎井個數；m為有效熱壓系數，針對隧道發熱體分布形式，可取0.6；R為氣體常數，取287J/(kg·K)。

聯立式（6）～（16）組成的方程組，可以計算出全隧道的實際通風量Q和進入隧道空氣流速ur。

3 隧道污染物濃度

隧道通風主要是對一氧化碳（CO）、煙霧和異味污染物進行稀釋[8]，而三者中以一氧化碳為主[9]。因此，本文僅考慮一氧化碳一種污染物。

3.1 污染物擴散方程組

隧道內污染物的擴散受分子擴散、對流運移與紊流擴散的影響。由于公路隧道為細長結構，忽略分子擴散與環境溫度變化對流場和擴散物質特性的影響，機動車排入隧道內的污染物在隧道橫截面上快速擴散均勻[10]。因此，污染物濃度c僅僅是時間t與隧道軸向長度x的函數，即：c=c(x,t)。對于隧道計算段i，污染物對流擴散方程[11]:

式中：ci為一氧化碳氣體在隧道計算段i橫截面上的平均體積濃度，mL/m3；si和pi分別為計算段i污染物源項和匯項，mL/(m·3s)；x指向行車方向；為計算段i橫截面上的紊流污染物體積流率，它由大氣湍流和汽車運動共同造成，即：（。根據梯度理論，大氣湍流體積流率與濃度梯度成正比，即：為計算段i橫截面上的平均紊流擴散系數，m2/s，它與ui、vt、Am、Ar等有關[11～12]。

由式（17），可以建立由上述m個污染物擴散方程構成的方程組。

源項主要為機動車污染物和由通風系統引入隧道空氣中的污染物，計算公式如下：

式中：αi為進風系數，L/s；ci為豎井引入空氣中含CO的濃度，ppm；qi為計算段i內機動車排放CO的量，ppm。

式中：qco為CO基準排放量，m3/輛·km；fa為考慮CO的車況系數；fd為車輛密度系數；fh為考慮CO的海拔高度系數；fiv為考慮CO的縱坡車速系數；fm考慮CO的車型系數；Li為計算段i長度，m；n為車型類別數；Nm為相應車型的設計交通量，輛/h[13]。

阻滯工況下，稀釋CO最小需風量公式如下：

式中：δ為CO濃度限值，ppm；p0為標準大氣壓，Pa，取101325Pa；pt為隧址設計氣壓，Pa；T0為標準氣溫，K；Ts為隧道夏季的設計氣溫，K。

匯項主要為從豎井排出隧道的污染物以及污染物在隧道內的沉積，計算公式如下：

式中：βi為排風系數，L/s；ki為CO在隧道內的沉降率，L/s，很小可被忽略[14]。

3.2 污染物擴散方程組的求解

污染物擴散方程組求解方法參照文獻[1]。

入口邊界條件中隧道和豎井入口處CO濃度值取某日上午隧道入口處15分鐘實測數據，如圖1所示。c1取平均值，為3.8。計算段i-1的出口斷面平均濃度ci-1為計算段i的入口斷面平均濃度ci，即ci-1=ci。

圖1 室外CO濃度逐時變化曲線

出口邊界條件采用“局部單向劃假設”[12、15]處理方法，即適用于出口邊界位于沒有回流的地方。交通阻滯工況下，隧道內交通風力小，部分計算段存在回流。因此，不適合使用該處理方法。

4 實例計算

4.1 隧道概況

某下穿單向行駛三車道豎井型隧道，位于南京市，全長1410m，凈寬12m，凈高5m。全程共有3個豎井組，共有24個豎井，單個豎井長12m（凈長8m），寬3m，高6m，長邊沿隧道縱向，頂部開口高出室外地面0.5m，底部開口與隧道側壁面頂部平齊。兩個豎井間距為12m，豎井開口率為3.4%。

4.2 正常行車工況

針對四種典型車速20km/h，40km/h，60km/h和80km/h，對應最大適應交通量分別為1330、1700、1800和1600（小客車·輛/h·車道）[13]。

4.2.1 隧道計算段劃分

沿著車輛行車方向，將隧道主體段分別標記為計算段1，計算段2，…，計算段25，則整個隧道共有25個計算段，其中有三個豎井組，四個暗埋段，依次標識為豎井組1、2、3，暗埋段1、2、3，如圖2所示。

圖2 正常行車工況隧道計算段劃分

4.2.2 污染系數計算

1）各個計算段風速

采用MATLAB軟件計算由25個方程組成的高度非線性方程組，對四種典型車速分別計算，得到各計算段斷面風速和豎井斷面風速，如圖3、圖4所示。

圖3 四種典型車速下各計算段斷面風速

由圖3、圖4可見：正常行車工況，不同車速下隧道各計算段斷面風速逐段變化趨勢基本一致，暗埋段（即計算段1、7、12和25）斷面風速高于豎井段斷面風速。車輛行駛速度越大，各計算段斷面風速越大。在20km/h、40km/h和60km/h三種車速下，主體斷面風速逐段變化較為平緩，豎井交替出現進排風，豎井組3處計算段斷面風速基本不變，豎井內基本無進排風，而在車速80km/h下，豎井組3處的主體斷面風速出現上下波動，豎井內交替出現進排風現象，表明隨著隧道內車速加快，隧道頂部的豎井對隧道氣流運動影響增大。

圖4 四種典型車速下各豎井斷面進（排）風速

圖5 四種典型車速下各計算段CO濃度

2）各計算段CO濃度

采用MATLAB軟件求解由25個方程組成的污染物擴散方程組。CO基準排放量qco取1g/(km·輛)[16]。在標準狀況下CO氣體密度為1.25g/L，換算成常溫常壓下為1.145g/L，則qco=0.000873m3/(輛·km)。假設隧道中均為小客車，則CO車型系數fm取1.0。通過計算，得到各計算段的CO濃度，如圖5所示。

沿行車方向CO濃度呈遞增趨勢，在計算段7和12處出現波峰。在車速20km/h下，隧道各計算段CO濃度最高，計算段7和12處的CO濃度分別為11.2ppm和15.6ppm，出口濃度達到29.0ppm。在車速40km/h、60km/h和80km/h下，各計算段CO濃度遞增緩慢，略高于室外CO濃度，但遠低于車速20km/h下各計算段段CO濃度，表明隧道內隨著車輛行駛速度的加快，交通風力增強，豎井進、排風速度增大，各計算段污染物濃度迅速降低，自然通風效果良好。

圖6 不同CO濃度標準限值下各計算段污染系數

3）污染系數

對于隧道內CO濃度控制范圍的取值有多個標準。規范[13]中規定采用縱向通風方式的隧道CO稀釋標準為300ppm。某研究表明，人體暴露于隧道時間15min，CO濃度推薦控制在160ppm之內；暴露時間30min，則要求CO濃度在100ppm之內[17]。

然而，從生理角度出發，當空氣中的一氧化碳濃度達到10ppm，10分鐘后人體血液內的碳氧血紅蛋白（COHb）可達到2%以上，從而引起行動遲緩等神經系統反應；達到30ppm時，人體血液內的碳氧血紅蛋白（COHb）可達到5%左右，可導致視覺和聽力障礙；達到50ppm時，健康成年人可以承受8小時。

因此，隨著人們對空氣品質要求越來越高，規范[13]中CO控制濃度已不符合現實情況。本文選用三種CO濃度標準限值（10ppm、30ppm和50ppm），分別計算出各計算段的污染系數，結果如圖6所示。

由圖6可見：采用不同CO濃度標準限值，污染系數小于1的計算段個數不同。當采用30ppm和50ppm限值，四種車速下各計算段污染系數均小于1，即CO濃度均滿足要求。當采用10ppm限值，僅車速20km/h和40km/h工況存在污染系數大于1。車速20km/h工況，從計算段6到隧道出口，污染系數均高于1；車速40km/h工況下，僅出口段污染系數高于1；然而，車輛以平均車速20km/h通過隧道不足五分鐘，CO僅會造成人體不適，不會造成較大傷害。

4.3 阻滯工況

假定車輛等間距勻速行駛，平均行車速度為10km/h，單向交通每車道最大適應交通量為950小客車·輛/h。

4.3.1 計算段劃分

在阻滯工況下，車輛在隧道內積壓，釋放出大量熱量，造成每個豎井內氣流均向外流出，因此將隧道看成一個整體。

4.3.2 標準數計算

1）實際通風量

通過計算由式（9）～（16）組成的方程組，得出隧道實際通風量Q，結果見表1。

表1 隧道實際通風量

2）最小需風量

聯立式（20）和（21），計算出隧道最小需風量，結果見表2。

表2 不同CO濃度標準限值下隧道最小需風量

3）標準數

由式（2）可計算出不同CO濃度限值下的標準數，如圖7所示。當采用10ppm或30ppm作為CO濃度限值時，標準數高于1，然而，車輛以平均車速10km/h通過隧道時間不足十分鐘，對人體影響較小。當采用50ppm作為CO濃度限值時，標準數為0.95，低于1，即隧道內實際通風量大于最小需風量，僅依靠自然通風作用即可使隧道內CO濃度達到衛生要求。

圖7 不同CO濃度限值下隧道標準數

5 結語

公路隧道中豎井的應用大大提高了隧道內空氣品質，但仍缺少一種合理評價該類隧道自然通風潛力的方法。本文提出“污染系數”和“標準數”概念分別評價豎井型公路隧道正常行車工況和阻滯工況下隧道自然通風潛力。通過實例計算研究表明：隧道污染系數或標準數越小，自然通風潛力越大；反之，自然通風潛力較差，即僅依靠自然通風不能滿足要求，此時需要設置機械風機進行輔助通風。通過對比三種CO濃度限值（10ppm、30ppm和50ppm），得出舊的規范中CO濃度限值已不符合現狀。此外，本文中存在一些假設，因此需要對其進一步量化研究，便于準確地評價豎井型公路隧道的自然通風潛力，為豎井型公路隧道設計提供依據或參考。

[1]童艷,施明恒,龔延風.豎井型自然通風公路隧道氣流與污染問題研究[J].建筑熱能通風空調,2009,28(4):18-22

[2]童艷,蘇榮華,龔延風.豎井型自然通風公路隧道氣流與污染物分布的影響因素研究[J].建筑科學,2011,27(6):92-98

[3]朱培根,羅春成,范蘭英,等.豎井型城市隧道自然通風理論研究[J].制冷空調與電力機械,2009,(1):11-14

[4]林衛,朱培根,田義龍,等.豎井型城市隧道自然通風模型實驗研究[J].制冷空調與電力機械,2011,(4):25-29

[5]J Modic.Criterial number by naturally ventilated tunnels[J].Ene -rgy and Buildings,1998,29(1):17-22

[6]J Modic.Air velocity and concentration of noxious substances in a naturally ventilated tunnel[J].Tunneling and Underground Spa -ce Technology,2003,(18):405-410

[7]童艷.豎井型市政公路隧道自然通風排煙理論與試驗研究[D].南京:東南大學,2010

[8]城市隧道豎井型自然通風設計與驗收規范(DGJ32/TJ102-2010 )[S]

[9]世界道路協會.Road Tunnels:Vehicle Emissions and Air Demad for Ventilation[R].PIARC Technical Committee on Road Tunn -els Operation(C5),2004

[10]Staehelin J,Schlapfer K,Biirgin T,et al.Emission factors from road traffic from a tunnel study(Gubrist tunnel,Switzerland).Part 1:concept and first result[J].Science Total Environment,1995, 169:141-147

[11]Roberto Bellasio.Modeling traffic air pollution in road tunnels [J].Atmospheric Environment,1997,31(10):1539-1551

[12]鄭道訪.公路長隧道通風方式研究[M].北京:科學技術文獻出版社,2000

[13]公路隧道通風照明設計規范(JTJ026.1-1999)[S]

[14]鄧順熙,劉人通.公路隧道空氣質量模式及應用[J].西安公路交通大學學報,2000,20(2):27-30

[15]陶文銓.數值傳熱學(第二版)[M].西安:西安交通大學出版社, 2001

[16]輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）(GB18 352.3-2005)[S]

[17]高建平,謝攀,唐敏.城市隧道中一氧化碳濃度控制限值的研究[J].安全與環境學報,2013,13(5):190-193

As s e s s m e nts of Na tura l Ve ntila tion Pote ntia l of Highw a y Tunne l w ith Sha fts

LIU Lin-lin,TONG Yan
College of Urban Construction and Safety Engineering,Nanjing University of Technology

The concept of“pollution coefficient”and“criteria number”is introduced to evaluate the natural ventilation potential of highway tunnel with shafts,the calculation method of“pollution coefficient”under normal driving and“criteria number”under traffic block is proposed.Through the calculation example analysis of a tunnel in Nanjing,three CO concentration standard limit(10ppm,30ppm and 50ppm)are adopted,the“pollution coefficient”under four typical speed under normal driving conditions(20km/h,40km/h,60km/h and 80km/h)paragraphs tunnel pollution coefficient and“criteria number”under traffic block (speed of 10km/h or less)is concluded.Research shows that:under normal driving conditions,the faster the speed,the smaller the pollution coefficient,the greater the potential for natural ventilation;and under block condition,the vehicle backlog,heat generated,prompting CO gas from shaft discharge,“criteria number”basic meet the requirements.

shaft,highway tunnel,assessments of natural ventilation potential,pollution coefficient,criteria number

1003-0344（2015）03-017-6

2014-1-9

童艷（1973～），女，博士，副教授；南京中山北路200號南京工業大學城市建設與安全工程學院暖通工程系（210009）；E-mail:tongyan_email@sina.com

國家自然科學基金（NO.51178217）；江蘇省自然科學基金（BK2011804）