劉林林 童艷

南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院

豎井型公路隧道自然通風(fēng)潛力評價

劉林林 童艷

南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院

引入“污染系數(shù)”和“標(biāo)準(zhǔn)數(shù)”概念來評價城市豎井型公路隧道的自然通風(fēng)潛力，分別給出正常行車工況下隧道的污染系數(shù)和阻滯工況下標(biāo)準(zhǔn)數(shù)計算方法。對南京某下穿隧道進(jìn)行實例計算分析，采用三種CO濃度標(biāo)準(zhǔn)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(shù)以及阻滯工況下（車速≤10km/h）隧道標(biāo)準(zhǔn)數(shù)。研究表明：正常行車工況下，車速越快，污染系數(shù)越小，自然通風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)基本滿足要求。

豎井型 公路隧道 自然通風(fēng)潛力評價 污染系數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)

目前，國內(nèi)對城市豎井型公路隧道的研究越來越多，相應(yīng)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(jì)門隧道以及新模范馬路隧道等。通過多位學(xué)者研究，基本上掌握了豎井型公路隧道內(nèi)氣流運(yùn)動規(guī)律和污染物擴(kuò)散運(yùn)動規(guī)律等[1～4]，但仍缺少一種合理評價該類隧道自然通風(fēng)潛力的方法。因此，本文引入“污染系數(shù)”和“標(biāo)準(zhǔn)數(shù)”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(fēng)潛力進(jìn)行評價。

1 自然通風(fēng)潛力評價

1.1 污染系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)

污染系數(shù)為隧道內(nèi)污染物實際濃度與污染物濃度標(biāo)準(zhǔn)限值的比值，即：

式中：φ表示污染系數(shù)；ci為隧道計算段i的污染物濃度，ppm；clim為污染物濃度標(biāo)準(zhǔn)限值，ppm。

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)為隧道最小需風(fēng)量與實際通風(fēng)量比值[5～6]，即：

式中：Μ表示標(biāo)準(zhǔn)數(shù)；Q為隧道實際通風(fēng)量，m3/s；Qmin為隧道最小需風(fēng)量，m3/s。

當(dāng)φ≤1或Μ≤1時，表明隧道自然通風(fēng)潛力大，僅依靠自然通風(fēng)即可使隧道內(nèi)污染物濃度達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)φ＞1或Μ＞1時，表明隧道自然通風(fēng)潛力小，僅依靠自然通風(fēng)不足以使隧道內(nèi)污染物濃度達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，需要輔助通風(fēng)，即在隧道豎井內(nèi)安裝機(jī)械風(fēng)機(jī)。

1.2 評價方法

正常行車工況和阻滯工況下隧道氣流運(yùn)動規(guī)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(fēng)量及最小需風(fēng)量，并采用式（1）和式（2）計算出污染系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)。

3）根據(jù)各計算段污染系數(shù)和整個隧道的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)，綜合評價豎井型公路隧道的自然通風(fēng)潛力。

2 各計算段風(fēng)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(shù)少，使得“活塞風(fēng)”較大而車輛散熱不足，從而導(dǎo)致強(qiáng)風(fēng)壓與弱熱壓，故本文假設(shè)車輛等間距勻速行駛，隧道內(nèi)外無溫差，不考慮熱壓作用[7]。

2.1.1 交通風(fēng)力

交通風(fēng)力為由于隧道內(nèi)汽車運(yùn)動使得其對隧道內(nèi)空氣產(chǎn)生的推動力。對于計算段i交通風(fēng)力為：

式中：Pti為交通風(fēng)力，Pa；ni為計算段i通過的車輛數(shù)；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(fēng)阻力損失

各計算段自然風(fēng)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(fēng)阻力損失，Pa；ξi為計算段i的損失系數(shù)，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(shù)；li為計算段i的長度，m；d為計算段斷面當(dāng)量直徑，m；Vn為自然風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3。

由隧道內(nèi)車輛運(yùn)動產(chǎn)生的交通風(fēng)力使得隧道壁面摩擦所引起的交通風(fēng)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(fēng)阻力損失，Pa；ui為隧道計算段斷面風(fēng)速，m/s。

由豎井內(nèi)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(nèi)氣流流動阻力損失，Pa；ζsi為豎井i局部阻力系數(shù)；λsi為豎井i壁面沿程阻力系數(shù)；lsi為豎井i高度，m；dsi為豎井i斷面當(dāng)量直徑，m；usi為豎井 i內(nèi)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(jù)能量守恒定律，交通風(fēng)力與通風(fēng)阻力損失相等，得出下式：

對于各豎井，根據(jù)節(jié)點(diǎn)壓力平衡原理，豎井底部開口節(jié)點(diǎn)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(fēng)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(lián)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(fēng)速（u1，u2，…，um）和豎井?dāng)嗝骘L(fēng)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(nèi)車輛行駛速度小，車輛積壓，散熱大，自然風(fēng)速較小。因此，該工況僅考慮熱壓作用，忽略風(fēng)壓。隧道實際通風(fēng)量的計算公式[8]如下：

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

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

3 隧道污染物濃度

隧道通風(fēng)主要是對一氧化碳（CO）、煙霧和異味污染物進(jìn)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(kuò)散方程組

隧道內(nèi)污染物的擴(kuò)散受分子擴(kuò)散、對流運(yùn)移與紊流擴(kuò)散的影響。由于公路隧道為細(xì)長結(jié)構(gòu)，忽略分子擴(kuò)散與環(huán)境溫度變化對流場和擴(kuò)散物質(zhì)特性的影響，機(jī)動車排入隧道內(nèi)的污染物在隧道橫截面上快速擴(kuò)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(shù)，即：c=c(x,t)。對于隧道計算段i，污染物對流擴(kuò)散方程[11]:

式中：ci為一氧化碳?xì)怏w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(yùn)動共同造成，即：（。根據(jù)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(kuò)散系數(shù)，m2/s，它與ui、vt、Am、Ar等有關(guān)[11～12]。

由式（17），可以建立由上述m個污染物擴(kuò)散方程構(gòu)成的方程組。

源項主要為機(jī)動車污染物和由通風(fēng)系統(tǒng)引入隧道空氣中的污染物，計算公式如下：

式中：αi為進(jìn)風(fēng)系數(shù)，L/s；ci為豎井引入空氣中含CO的濃度，ppm；qi為計算段i內(nèi)機(jī)動車排放CO的量，ppm。

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

阻滯工況下，稀釋CO最小需風(fēng)量公式如下：

式中：δ為CO濃度限值，ppm；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa，取101325Pa；pt為隧址設(shè)計氣壓，Pa；T0為標(biāo)準(zhǔn)氣溫，K；Ts為隧道夏季的設(shè)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(nèi)的沉積，計算公式如下：

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

3.2 污染物擴(kuò)散方程組的求解

污染物擴(kuò)散方程組求解方法參照文獻(xiàn)[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(shù)據(jù)，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(shè)”[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(nèi)交通風(fēng)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?cè)嚨镭Q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(cè)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(yīng)最大適應(yīng)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(biāo)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(biāo)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(shù)計算

1）各個計算段風(fēng)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(fēng)速和豎井?dāng)嗝骘L(fēng)速，如圖3、圖4所示。

圖3 四種典型車速下各計算段斷面風(fēng)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(fēng)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(fēng)速高于豎井段斷面風(fēng)速。車輛行駛速度越大，各計算段斷面風(fēng)速越大。在20km/h、40km/h和60km/h三種車速下，主體斷面風(fēng)速逐段變化較為平緩，豎井交替出現(xiàn)進(jìn)排風(fēng)，豎井組3處計算段斷面風(fēng)速基本不變，豎井內(nèi)基本無進(jìn)排風(fēng)，而在車速80km/h下，豎井組3處的主體斷面風(fēng)速出現(xiàn)上下波動，豎井內(nèi)交替出現(xiàn)進(jìn)排風(fēng)現(xiàn)象，表明隨著隧道內(nèi)車速加快，隧道頂部的豎井對隧道氣流運(yùn)動影響增大。

圖4 四種典型車速下各豎井?dāng)嗝孢M(jìn)（排）風(fēng)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(kuò)散方程組。CO基準(zhǔn)排放量qco取1g/(km·輛)[16]。在標(biāo)準(zhǔn)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(shè)隧道中均為小客車，則CO車型系數(shù)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(xiàn)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(dá)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(yuǎn)低于車速20km/h下各計算段段CO濃度，表明隧道內(nèi)隨著車輛行駛速度的加快，交通風(fēng)力增強(qiáng)，豎井進(jìn)、排風(fēng)速度增大，各計算段污染物濃度迅速降低，自然通風(fēng)效果良好。

圖6 不同CO濃度標(biāo)準(zhǔn)限值下各計算段污染系數(shù)

3）污染系數(shù)

對于隧道內(nèi)CO濃度控制范圍的取值有多個標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范[13]中規(guī)定采用縱向通風(fēng)方式的隧道CO稀釋標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)；暴露時間30min，則要求CO濃度在100ppm之內(nèi)[17]。

然而，從生理角度出發(fā)，當(dāng)空氣中的一氧化碳濃度達(dá)到10ppm，10分鐘后人體血液內(nèi)的碳氧血紅蛋白（COHb）可達(dá)到2%以上，從而引起行動遲緩等神經(jīng)系統(tǒng)反應(yīng)；達(dá)到30ppm時，人體血液內(nèi)的碳氧血紅蛋白（COHb）可達(dá)到5%左右，可導(dǎo)致視覺和聽力障礙；達(dá)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(zhì)要求越來越高，規(guī)范[13]中CO控制濃度已不符合現(xiàn)實情況。本文選用三種CO濃度標(biāo)準(zhǔn)限值（10ppm、30ppm和50ppm），分別計算出各計算段的污染系數(shù)，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可見：采用不同CO濃度標(biāo)準(zhǔn)限值，污染系數(shù)小于1的計算段個數(shù)不同。當(dāng)采用30ppm和50ppm限值，四種車速下各計算段污染系數(shù)均小于1，即CO濃度均滿足要求。當(dāng)采用10ppm限值，僅車速20km/h和40km/h工況存在污染系數(shù)大于1。車速20km/h工況，從計算段6到隧道出口，污染系數(shù)均高于1；車速40km/h工況下，僅出口段污染系數(shù)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(yīng)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(nèi)積壓，釋放出大量熱量，造成每個豎井內(nèi)氣流均向外流出，因此將隧道看成一個整體。

4.3.2 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)計算

1）實際通風(fēng)量

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

表1 隧道實際通風(fēng)量

2）最小需風(fēng)量

聯(lián)立式（20）和（21），計算出隧道最小需風(fēng)量，結(jié)果見表2。

表2 不同CO濃度標(biāo)準(zhǔn)限值下隧道最小需風(fēng)量

3）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)

由式（2）可計算出不同CO濃度限值下的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)，如圖7所示。當(dāng)采用10ppm或30ppm作為CO濃度限值時，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)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(dāng)采用50ppm作為CO濃度限值時，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)為0.95，低于1，即隧道內(nèi)實際通風(fēng)量大于最小需風(fēng)量，僅依靠自然通風(fēng)作用即可使隧道內(nèi)CO濃度達(dá)到衛(wèi)生要求。

圖7 不同CO濃度限值下隧道標(biāo)準(zhǔn)數(shù)

5 結(jié)語

公路隧道中豎井的應(yīng)用大大提高了隧道內(nèi)空氣品質(zhì)，但仍缺少一種合理評價該類隧道自然通風(fēng)潛力的方法。本文提出“污染系數(shù)”和“標(biāo)準(zhǔn)數(shù)”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(fēng)潛力。通過實例計算研究表明：隧道污染系數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)數(shù)越小，自然通風(fēng)潛力越大；反之，自然通風(fēng)潛力較差，即僅依靠自然通風(fēng)不能滿足要求，此時需要設(shè)置機(jī)械風(fēng)機(jī)進(jìn)行輔助通風(fēng)。通過對比三種CO濃度限值（10ppm、30ppm和50ppm），得出舊的規(guī)范中CO濃度限值已不符合現(xiàn)狀。此外，本文中存在一些假設(shè)，因此需要對其進(jìn)一步量化研究，便于準(zhǔn)確地評價豎井型公路隧道的自然通風(fēng)潛力，為豎井型公路隧道設(shè)計提供依據(jù)或參考。

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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(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院暖通工程系（210009）；E-mail:tongyan_email@sina.com

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