上海城市隧道調研及外灘隧道通風系統(tǒng)評價

陸 袁, 錢必華, 俞伊賾, 李崢嶸

(1.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司, 上海 200092; 2.同濟大學 機械與能源工程學院, 上海 200092)

1 概述

交通建設是經濟發(fā)展過程中的重要環(huán)節(jié)。隨著經濟的騰飛,隧道工程也在高速發(fā)展。1950年,中國僅有幾十座隧道,總長不到3 km[1]。截至2017年底,我國已建成公路隧道逾16 000座,總里程超過15 000 km[2]。城市隧道作為城市交通的重要組成部分,同樣處于高速發(fā)展中。以上海為例,截至2021年底,上海已建成越江公路隧道17座[3-16](見表1)。打浦路隧道:于1971年建成時,采用全橫向通風。2010年時改造為半橫向通風,且新修的復線為縱向通風。西藏南路隧道:主要為縱向通風結合半橫向通風的模式,但在浦東排風塔至浦東出口之間,采用軸流送風機向隧道內輸入新風,故而設計者稱其為半橫向通風[11]。延安東路隧道:1989年建成的延安東路隧道北線在設計時采用全橫向通風,1996年建成的延安東路隧道南線采用縱向通風[16]。根據(jù)JTG/T D70/2—02—2014《公路隧道通風設計細則》(以下簡稱《細則》),隧道機械通風系統(tǒng)可分為縱向通風、橫向通風。橫向通風的通風氣流在行車空間內沿垂直于隧道軸線方向流動,如延安東路隧道北線[14]、打浦路隧道[15]。縱向通風的通風氣流在行車空間內沿隧道軸線方向流動,通車于21世紀的上海城市隧道多采用此通風方式。

表1 上海越江公路隧道及通風方式(截至2021年底)

對于城市隧道工程,在保證隧道安全的同時,需要避免隧道出入口排風對城市環(huán)境造成的污染。根據(jù)GB 3095—2012《環(huán)境空氣質量標準》,商業(yè)交通居民混合區(qū)屬于二類環(huán)境空氣功能區(qū),區(qū)域內CO質量濃度的24 h平均值應低于4 mg/m3。但是,《細則》規(guī)定的隧道內交通阻滯段CO質量濃度最大值(即隧道內污染物質量濃度的控制目標)高達187.5 mg/m3,因此屬于二類環(huán)境空氣功能區(qū)的城市中心區(qū)隧道,需采取措施降低出口處CO質量濃度。以縱向通風為例,通常依靠射流風機組織的機械通風結合通風井高空排放方式,降低隧道出口周邊區(qū)域CO質量濃度。因此,通風井設計對于城市隧道具有重要意義。

本文對上海城市隧道進行調研。以上海市外灘隧道(屬于地下快速路隧道)通風井作為研究對象,通過交通工況調查和實測,總結通風井設計優(yōu)點,對實測日正常交通工況、阻滯交通工況下北通風井承擔隧道內稀釋CO需風量比例進行計算。

2 上海城市隧道調研

2.1 縱向通風與橫向通風對比

根據(jù)《細則》,縱向通風可利用交通風(即單向車流形成的活塞風),協(xié)助稀釋隧道內的CO。該方式不需要在隧道內建設風道,通風井不需要設置新風系統(tǒng)。因此,縱向通風系統(tǒng)的工程造價、運營成本低。然而,因污染物會在隧道出口處集中排放,不利于隧道出口處的空氣質量達標。

上海部分城市隧道的車道數(shù)量、盾構內直徑見表2。對表2中的各隧道,計算單位車道隧道截面積(隧道截面積除以隧道車道數(shù)量,隧道截面積由盾構內直徑計算得到),衡量隧道內空間利用率。單位車道隧道截面積越小,說明隧道內空間利用率越高。與橫向通風隧道相比,縱向通風隧道的平均單位車道隧道截面積減小6.67%。且以復興東路隧道、外灘隧道的空間利用率尤為突出,兩者平均單位車道隧道截面積比橫向通風隧道平均單位車道隧道截面積減小29.12%。這主要得益于縱向通風系統(tǒng)不需要建設占用空間較大的風道,可最大限度利用隧道內空間。

表2 上海部分城市隧道的車道數(shù)量和盾構內直徑

2.2 城市隧道通風井

因所處地理位置不同,上海城市隧道通風井呈現(xiàn)出不同的設計形式。位于中環(huán)及中環(huán)以外的通風井,如軍工路隧道浦東通風井(見圖1)、上中路隧道浦西通風井、長江路隧道浦東通風井、翔殷路隧道浦東通風井和浦西通風井等,均布置在道路中間或道路兩側,選取空地獨立建造。因附近建筑物稀疏,在通風井設計時并未考慮對城市景觀的影響。

圖1 軍工路隧道浦東通風井

位于中環(huán)以內的通風井,如人民路隧道浦西通風井(見圖2)貼附建設于城隍珠寶麗水路總店外,以降低對城市景觀的影響。

圖2 人民路隧道浦西通風井

復興東路隧道浦東通風井建設在世茂濱江花園小區(qū)空地內。新建路隧道浦西通風井采用多個低通風井形式(見圖3),隱藏在道路中間的綠化帶內。人民路隧道浦東通風井建設在東昌路渡口內。大連路隧道浦西通風井貼附建設在隧道管理中心側墻外。外灘隧道南通風井利用廢棄的延安東雨水泵站改造而成。

圖3 新建路隧道浦西通風井

建成于20世紀的延安東路隧道浦東通風井(見圖4)、浦西通風井,獨立建造,體型龐大。延安東路隧道浦東通風井設計時間為20世紀80年代,當時的陸家嘴地區(qū)仍以農田、荒地為主,不需要考慮土地資源利用問題[17]。延安東路隧道浦東通風井進風口高18.5 m,排風口高47.2 m。延安東路隧道浦西通風井進風口高34.6 m,排風口高53.5 m。

圖4 延安東路隧道浦東通風井

隨著城鎮(zhèn)化率提高和城市人口密度增大,土地資源利用率和城市景觀影響對城市中心區(qū)隧道通風井設計要求越來越高,采用附建或結建式設計方法[18],將隧道通風井納入周邊建筑設計的案例越來越多。然而,受限于周邊建筑,此類隧道通風井排放高度普遍較低,部分甚至不足20 m,普遍低于非城市中心區(qū)的隧道通風井。又因隧道通風井與周邊建筑間距較近,對周邊建筑的環(huán)境影響比較顯著。

2.3 調研結果

① 縱向通風系統(tǒng)可提高隧道內空間利用率。

② 與城市建筑相結合的設計方法,成為城市中心區(qū)隧道通風井的設計趨勢。

③ 與城市建筑相結合的城市中心區(qū)隧道通風井,排放高度受周邊建筑高度的限制,普遍低于非城市中心區(qū)的隧道通風井。

3 外灘隧道通風系統(tǒng)評價

3.1 外灘隧道與通風系統(tǒng)概況

外灘隧道是一條位于上海外灘地下的城市快速路,隧道南起中山南二路和延安東路口,沿中山東二路、中山東一路、吳淞路,北至吳淞路和長治路口。隧道全長3.3 km,盾構內直徑12.75 m,為雙層單向隧道,上下均設3車道,設計時速40 km/h,通行中、小型客車。上層車流方向為由北向南,下層為由南向北。

外灘隧道通風系統(tǒng)為通風井排出式縱向通風。隧道內,依靠單向車流形成的活塞風,以及懸掛于隧道上方的射流風機,保證隧道內的通風量。臨近隧道出口處,設有隧道通風井,分擔隧道的部分排風,以降低隧道出口污染物總量,減小隧道對周邊區(qū)域的環(huán)境影響。

外灘隧道南、北出口前各設有1個通風井。南通風井(見圖5)位于中山東二路與永安路交界處,屬于保護建筑群沿線,故利用廢棄的延安東雨水泵站改造而成,分擔由北向南車道的排風。

圖5 外灘隧道南通風井

北通風井位于城投控股大廈核心筒內(見圖6),分擔由南向北車道的排風。北通風井為國內首例與高層建筑相結合的隧道通風井形式,將通風井排放高度提升至100 m以降低對周圍區(qū)域的環(huán)境影響,是目前上海外環(huán)內城市隧道通風井中最高的[18]。該項目集通風井、隧道管理中心、高層辦公樓為一體,實現(xiàn)土地集約化利用[19]。

圖6 外灘隧道北通風井

北通風井的風機房配置2臺額定風量為125 m3/s的軸流風機(見圖7)。在隧道通風系統(tǒng)設計過程中,認為2臺風機在交通阻滯時處于啟動狀態(tài)。但在現(xiàn)場調研中詢問隧道管理方發(fā)現(xiàn),出于隧道運營成本的考慮,2臺風機僅在火災工況下啟動。因此,實際運行中,北隧道通風井內的流量,僅來自于隧道內外溫差形成的自然通風。

圖7 北通風井風機房內軸流風機

3.2 隧道交通調查及通風量需求

筆者于2021年8月12日至18日,統(tǒng)計了外灘隧道由南向北車道吳淞路出口、長治路出口的車流量,并將結果按時段整理,見表3。統(tǒng)計期間,新能源車輛占比為15.81%,CO排放計算中不考慮該類車輛。

表3 外灘隧道由南向北車道車流量

外灘隧道設計時速(正常交通工況)為40 km/h,根據(jù)《細則》建議和工作日高峰期車流量實地調研情況,阻滯交通工況時速為10 km/h。

采用《細則》中的式(6.3.2)、(6.3.3)計算正常交通工況、阻滯交通工況下隧道內稀釋CO需風量:

(1)

(2)

式中qreq——隧道稀釋CO需風量,m3/s

q——隧道CO排放量,m3/s

φ——CO體積分數(shù)限值,cm3/m3

p0——標準大氣壓,kPa,取101.325 kPa

p——隧址大氣壓,kPa,取100 kPa

T——隧址平均實測氣溫,K

T0——標準氣溫,K,取273 K

Vs——設計目標年份CO基準排放量,m3/(輛·km)

fa——車況系數(shù),參照《細則》表6.3.2-1取1.1

fd——車密度系數(shù),參照《細則》表6.2.2-2按隧道設計時速取1.5

fh——海拔系數(shù),參照《細則》圖6.3.2取1.0

fiv——縱坡-車速系數(shù),參照《細則》表6.3.2-3取1.0

L——隧道長度,m,為3 287 m

N——車型的數(shù)量,輛/h

fm——車型系數(shù),鑒于隧道主要通行小客車,參照《細則》表6.3.2-2取1.0

對于CO體積分數(shù)限值,參照《細則》第5.3.1條,正常交通工況取100 cm3/m3,阻滯交通工況時取150 cm3/m3。設計目標年份CO基準排放量為在《細則》第6.3.1條給出的2000年基準排放量的基礎上,根據(jù)《細則》第6.1.2條按每年遞減2.0%進行計算。對比各研究者在不同時期的實測CO排放量[20],該計算值處于合理范圍但接近上限值。車型的數(shù)量按表3中正常交通工況、阻滯交通工況平均車流量乘非新能源車輛占比計算。將已知參數(shù)代入式(1)、(2)計算得到正常交通工況、阻滯交通工況下隧道稀釋CO需風量,見表4。

表4 正常交通工況、阻滯交通工況下隧道稀釋CO需風量

3.3 北通風井通風能力

在隧道通風系統(tǒng)中,隧道通風井的作用是分擔部分隧道的排風量,降低隧道出口污染物總量。以西藏南路隧道為例,在設計過程中,希望依靠隧道通風井內的軸流風機,使通風井分擔總排風量的80%[11]。然而,調研中發(fā)現(xiàn),因隧道運營成本等原因,通風井內軸流風機在非火災工況下處于關閉狀態(tài)。依賴自然通風力時,隧道通風井可分擔的通風量需通過實驗確定。

筆者于2021年1月18—24日對外灘隧道北通風井的通風量進行了現(xiàn)場測試。測試內容包括通風井內風速、通風井內空氣溫度、室外空氣溫度。通風井內風速由超聲波風速儀測量,測點位于通風井底部直線形風道內且湍流充分發(fā)展處,在垂直于氣流方向上設置2個測點。通風井內空氣溫度(平均實測氣溫為12.9 ℃)由溫濕度自動記錄儀測量,共設3個測點,分別位于2臺超聲波風速儀的背風處,以及軸流風機前的靜壓箱內。室外空氣溫度由小型氣象站測量,位于辦公建筑屋頂,與通風井出口水平距離為10 m。

1月19日通風井風速測試結果見圖8。測試斷面截面積為56 m2,正常交通工況風速取13:30至16:30測試結果的平均值(為1.47 m/s),阻滯交通工況風速取18:30至19:00測試結果的平均值(為1.60 m/s)。

圖8 1月19日通風井風速測試結果

根據(jù)測試斷面截面積及正常交通工況風速、阻滯交通工況風速可計算得到兩種交通工況下通風井通風量(見表5)。由此可計算得到,兩種交通工況下通風井通風量占隧道稀釋CO需風量比例(見表5)。由表5可知,對于2021年1月19日,正常交通工況下通風井可承擔47.8%的通風量,阻滯交通工況下通風井可承擔23.9%的通風量。

表5 隧道通風井通風量計算結果

4 結論

① 縱向通風系統(tǒng)可提高隧道內空間利用率。與城市建筑相結合的設計方法,成為城市中心區(qū)隧道通風井的設計趨勢。與城市建筑相結合的城市中心區(qū)隧道通風井,排放高度受周邊建筑高度的限制,普遍低于非城市中心區(qū)的隧道通風井。

② 在實測日,外灘隧道北通風井正常交通工況下可承擔47.8%的通風量,阻滯交通工況下可承擔23.9%的通風量。