王 平，楊嘉楠

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100082)

隨著城市化進程的推進，國內(nèi)各城市隧道建設(shè)不斷發(fā)展，城市道路路網(wǎng)不斷完善，城區(qū)道路交通擁堵逐漸緩解。隧道是相對密閉的空間，隧道內(nèi)污染物僅靠自然通風(fēng)不易排出。城市交通量不斷增長，容易造成隧道洞口附近污染物濃度超標，提升了隧道污染物的治理難度[1]。隨著公眾環(huán)保意識的提高，隧道等地下工程空氣質(zhì)量的要求也逐漸提高。

近年來，專家學(xué)者對隧道內(nèi)通風(fēng)方式進行了大量研究。已有研究表明，僅僅依靠增加豎井的自然通風(fēng)稀釋方式控制隧道污染物濃度，其技術(shù)經(jīng)濟性較差[2-3]，也難以滿足城市用地、景觀和環(huán)保要求[4]。機械通風(fēng)和隧道空氣凈化相結(jié)合是治理隧道空氣污染的發(fā)展方向[5-6]。隧道通風(fēng)與空氣凈化系統(tǒng)可以保證隧道內(nèi)和隧道洞口周圍環(huán)境達到衛(wèi)生標準，同時還可以保障行車安全和周邊居民身體健康。隧道空氣過濾凈化研究主要集中在凈化和過濾技術(shù)[2-3]，國內(nèi)還沒有實際投入使用的隧道空氣過濾凈化設(shè)備，大多利用模擬軟件對空氣凈化效果進行分析[7]。以日本和挪威為代表的發(fā)達國家對隧道凈化通風(fēng)系統(tǒng)的研究較早，應(yīng)用實例較多[8]。我國對隧道空氣凈化系統(tǒng)也有研究，重慶大學(xué)、上海市納米科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進中心，等開展了室內(nèi)研究，也開發(fā)了納米技術(shù)、土壤法等空氣凈化技術(shù)及相應(yīng)的小型設(shè)備，但由于成本和工程技術(shù)等原因，大多停留在試驗室研究階段，尚未有成熟的大型空氣凈化設(shè)備應(yīng)用于實際工程。

隧道凈化技術(shù)的應(yīng)用在國內(nèi)尚未有成熟的工程案例，設(shè)計人員也缺乏隧道空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計原則、標準等方面的經(jīng)驗?；诖?，本文以北京某城市隧道工程為例，對其空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計進行分析探討，以期為其他區(qū)域的隧道空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計提供理論參考。

1 工程簡介

采用工程案例為北京某城市隧道工程，其全線位于既有道路下，沿隧道兩側(cè)30 m范圍內(nèi)密布居住、辦公、教學(xué)等敏感建筑，對隧道內(nèi)廢氣的排放標準要求較高。地下道路全長6.57 km，標準段采用綜合管廊和地下道路共構(gòu)設(shè)置，隧道標準段節(jié)點效果如圖1所示。

圖1 隧道標準段節(jié)點效果

1.1 隧道工程概況

該隧道為一類城市交通隧道，隧道封閉段長度為6 086 m；設(shè)計行車速度為80 km/h；交通阻滯車速為30 km/h；隧道斷面面積為82.3 m2；設(shè)計交通量為左線1 800 pcu/h、右線3 430 pcu/h；路面縱坡為i≤±4.0%。隧道內(nèi)CO(一氧化碳)設(shè)計濃度為：正常運營時100 cm3/m3，交通阻滯時150 cm3/m3，養(yǎng)護維修時30 cm3/m3。煙霧設(shè)計濃度為：正常運營時0.007 0 m-1，養(yǎng)護維修時0.003 0 m-1。隧道內(nèi)NO2(二氧化氮)設(shè)計濃度為1.0 cm3/m3。隧道換氣頻率為3次/h。

1.2 隧道需風(fēng)量計算

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》(JTG/T D70/2—02—2014)[9]進行隧道通風(fēng)量計算，隧道需風(fēng)量如表1所示。

表1 隧道需風(fēng)量 (m3/s)

由表1可知，隧道平時通風(fēng)換氣次數(shù)應(yīng)滿足各工況最大需風(fēng)量，即442.65 m3/s。

1.3 隧道通風(fēng)方案比選

現(xiàn)有兩種隧道通風(fēng)方案，通過詳細對比，選擇更適合本案例的通風(fēng)方案。

方案一：采用分段縱向通風(fēng)方式，隧道內(nèi)廢氣的40%從隧道洞口排出，60%從排風(fēng)井排出。根據(jù)本工程環(huán)評要求，全線需設(shè)置12個直徑為7.5 m的排風(fēng)井，以滿足污染物排放要求。

方案二：采用全縱向式通風(fēng)+旁通式空氣凈化站方式，隧道內(nèi)空氣全部從洞口排出，隧道通風(fēng)系統(tǒng)示意如圖2所示。經(jīng)計算，不采取任何凈化措施的情況下，隧道洞口NOX(氮氧化物)超標，為了降低隧道洞口附近敏感點的環(huán)境污染，需設(shè)置隧道空氣凈化站，降低隧道排出空氣的污染物濃度，以滿足污染物排放要求。

圖2 隧道通風(fēng)系統(tǒng)示意

通過對比可知，方案一的排風(fēng)井選址難度大，景觀難以協(xié)調(diào)一致，在實際工程中操作難度大；同時，方案一擴大了污染物影響范圍，污染物總量并未減少，不推薦此方案。方案二的空氣凈化站能有效降低污染物總量，減少地面排風(fēng)井?dāng)?shù)量，景觀效果較好，還可以提高工程建設(shè)的靈活性。因此，本工程推薦采用方案二。

2 隧道內(nèi)外污染物允許濃度和排放分布特征分析

機動車排放尾氣中含有大量有害成分，例如CO、NOX和PM(顆粒物)等，城市隧道以汽油車為主，顆粒物影響較小，本文重點研究CO和NOX。為保障隧道內(nèi)行駛空間的空氣質(zhì)量，確定各污染物允許濃度和排放分布特征是隧道通風(fēng)與空氣凈化設(shè)計的重要內(nèi)容。

2.1 隧道內(nèi)污染物允許濃度

2.1.1 CO

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》(JTG/T D70/2—02—2014)[9]對隧道內(nèi)CO濃度限值的要求為：正常工況下125 mg/m3，阻塞工況下187.5 mg/m3。根據(jù)PIARC(世界道路協(xié)會)2012年報告，CO濃度限值取87.5 mg/m3。

2.1.2 NOX

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》(JTG/T D70/2—02—2014)[9]對NOX濃度限值提出了要求，即20 min內(nèi)NO2濃度應(yīng)不大于2.05 mg/m3，折合成NOX允許濃度為10.25 mg/m3[10]。我國《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)[11]中規(guī)定大氣環(huán)境中NOX濃度限值要求為：日均值不大于80 μg/m3、小時均值不大于200 μg/m3。

2.2 隧道外污染物允許濃度

目前，大部分國家僅制定了大氣環(huán)境空氣質(zhì)量標準，僅有挪威等少數(shù)國家明確規(guī)定了隧道洞口污染物濃度控制標準和大氣環(huán)境空氣質(zhì)量標準。隧道洞口環(huán)境空氣質(zhì)量標準(挪威)如表2所示。

表2 隧道洞口環(huán)境空氣質(zhì)量標準(挪威) (μg/m3)

《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)[11]對大氣環(huán)境中各項污染物控制指標做出了明確規(guī)定，其中二級標準對1 h的CO和NOX濃度限值要求分別為10 mg/m3和200 μg/m3。因此，隧道排風(fēng)井污染物濃度限值需符合標準要求。

除全國標準外，部分地區(qū)針對大氣污染物排放也制定了地區(qū)排放標準，以北京為例，隧道排風(fēng)井污染物需滿足《大氣污染物綜合排放標準》(DB11/501—2017)[12]的規(guī)定，單位周界無組織排放監(jiān)控濃度限值為：CO 3 mg/m3、NOX0.12 mg/m3。值得注意的是，大氣污染排放標準中單位周界無組織排放濃度限值表示的是監(jiān)控點與參照點濃度之間的差值，而參照點濃度為當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境濃度。一般情況下，山嶺公路隧道的背景值較低，可不考慮。城市隧道位于城市中心區(qū)，路面交通排放污染物容易和地下道路排放的污染物產(chǎn)生疊加作用。因此，城市隧道污染物背景值應(yīng)該根據(jù)大氣環(huán)境狀況確定。目前設(shè)計階段還無法提供具體數(shù)值，本文暫按環(huán)評報告中現(xiàn)狀監(jiān)測值計算，其中CO現(xiàn)狀監(jiān)測值為0.8 mg/m3，NOX現(xiàn)狀監(jiān)測值為0.112 mg/m3。隧道洞口單位周界無組織排放監(jiān)控濃度限值為：CO 3.8 mg/m3、NOX0.232 mg/m3。

目前，我國對大氣環(huán)境質(zhì)量的要求已與國際接軌，但對隧道內(nèi)的污染物濃度、隧道排放口污染物濃度的控制標準較發(fā)達國家寬松。根據(jù)工程經(jīng)驗和相關(guān)環(huán)評要求，隧道內(nèi)污染物允許濃度根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》(JTG/T D70/2—02—2014)[9]執(zhí)行。隧道排風(fēng)井和洞口污染物允許濃度需按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)[11]和當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境排放標準從嚴執(zhí)行。

2.3 隧道污染物排放分布特征

2.3.1 機動車污染物排放源強度

根據(jù)各類型機動車流量及其尾氣污染物的排放系數(shù)等參數(shù)，計算得出該路段行駛的機動車尾氣污染物的排放源強度[13]，計算公式如下：

(1)

式中，qj為j類氣態(tài)污染物排放源強度，mg/(m·s)；Ai為i型車預(yù)測年的小時交通量，pcu/h；Eij為在專用公路運行工況下i型車j類氣態(tài)污染物在預(yù)測年的單車排放因子，mg/(pcu·m)。

2.3.2 機動車污染物排放系數(shù)

隨著機動車內(nèi)燃機的發(fā)展更新，機動車排放限值標準日趨嚴格，不同排放標準汽車污染物排放量分擔(dān)率[14]如圖3所示。

圖3 不同排放標準汽車污染物排放量分擔(dān)率

由圖3可知，隨著老舊車不斷淘汰，清潔能源車、新能源車保有量不斷上升，機動車流污染物(CO、NOX等)排放量呈下降趨勢。機動車污染物排放系數(shù)是決定空氣凈化系統(tǒng)組成和規(guī)模的重要參考依據(jù)，其常用測試方法有臺架測試、車載排放測試和隧道測試等[10]。我國于2016年發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(GB 18352.6—2016)[15]，本次設(shè)計中Eij選用該標準，與環(huán)評報告保持一致。

2.3.3 隧道污染物濃度分布

根據(jù)鄧順熙等[16]研究成果，對于長直隧道，如果不考慮其在隧道內(nèi)的沉積作用，隧道內(nèi)氣態(tài)污染物濃度的縱向分布為

(2)

式中，C為污染物濃度，mg/m3；Cj 0為在x=0處j類氣態(tài)污染物濃度，mg/m3；qj為隧道內(nèi)機動車污染物排放源強，mg/(m·s)；Ar為隧道斷面面積，m2；V為隧道平均風(fēng)速，m/s。

3 空氣凈化站簡介

3.1 凈化站組成

隧道凈化技術(shù)主要以煙塵和NOX為治理目標，其主要類型包括以靜電除塵為代表的除塵技術(shù)和以活性碳吸收、吸附為代表的脫硝技術(shù)[17]。前期調(diào)研結(jié)果顯示靜電除塵+脫硝工藝初投資和運行費用昂貴，初投資按照處理的風(fēng)量進行估算，約35萬/m3。高投資在一定程度上限制了隧道空氣凈化技術(shù)的應(yīng)用，國內(nèi)尚未有成功的工程案例。

空氣凈化處理站主要由機械預(yù)過濾器、靜電除塵器、活性炭過濾器、大型軸流風(fēng)機、自動清洗系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)組成，其中核心部件為靜電除塵器和活性炭過濾器，本文重點介紹2個核心部件。隧道空氣凈化站組成示意如圖4所示。

圖4 隧道空氣凈化站組成示意

3.1.1 靜電除塵器

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》(JTG/T D70/2—02—2014)[9]中7.9.1及條文說明指出，目前我國尚未有除塵裝置的應(yīng)用實例，參考日本的相關(guān)研究和實例，主流標準機型處理風(fēng)速為9 m/s。根據(jù)PIARC《公路隧道手冊》介紹，隧道凈化設(shè)計風(fēng)速達13 m/s，PM2.5去除率大于80%，國際廠商也都能提供處理風(fēng)速為9～13 m/s時的高凈化效率報告。

本文對國內(nèi)代理商和廠家的產(chǎn)品進行性能測試，國內(nèi)不同廠家的靜電除塵器性能對比如表3所示。前期調(diào)研結(jié)果顯示，處理風(fēng)速過大或一味追求靜電除塵器凈化效率將大大提高設(shè)備投資，處理風(fēng)速過小或靜電除塵器凈化效率過低也會增加土建投資。本工程在提高設(shè)備國產(chǎn)率、減少投資的前提下，優(yōu)先考慮性價比更高的靜電除塵器，具體技術(shù)要求為：風(fēng)速6 m/s情況下，靜電除塵器的PM2.5和PM10凈化效率不小于85%。

表3 國內(nèi)不同廠家的靜電除塵器性能對比

3.1.2 活性炭過濾器

國內(nèi)不同廠家的活性炭過濾器性能對比如表4所示。本工程采用的活性炭過濾器產(chǎn)品應(yīng)滿足：風(fēng)速0.5 m/s情況下，NO2凈化效率不低于90%。

表4 國內(nèi)不同廠家的活性炭過濾器性能對比

通常，為有效保護活性炭過濾器的效率和壽命，NOX凈化設(shè)備多與靜電除塵設(shè)備結(jié)合使用。

3.2 凈化站布置

隧道內(nèi)污染物濃度隨隧道長度增加而增加，污染物濃度的峰值與車輛密度、車型有關(guān)。采用縱向通風(fēng)方式的隧道，隧道進出口污染物易產(chǎn)生堆積，污染物濃度較高。

應(yīng)根據(jù)隧道內(nèi)部及洞口污染物排放標準，確定凈化站設(shè)置位置，本文主要研究兩種情況：洞內(nèi)污染物超標和洞外污染物超標。當(dāng)洞內(nèi)污染物超標時，若設(shè)置單純隧道通風(fēng)系統(tǒng)，需在超標點前設(shè)置排風(fēng)井；若無法高空排放，需考慮設(shè)置旁通或豎井式空氣凈化站，降低洞內(nèi)污染物濃度，凈化站需根據(jù)隧道總長度、污染物濃度超標區(qū)段確定其設(shè)置數(shù)量和位置。當(dāng)洞外污染物超標時，若只設(shè)置隧道通風(fēng)系統(tǒng)，可滿足洞內(nèi)污染物濃度標準，在無法達到洞外環(huán)境空氣質(zhì)量標準情況下，凈化站應(yīng)設(shè)置在靠近隧道出洞口處，有效收集、處理隧道內(nèi)污染物，減少對隧道外環(huán)境的污染。

3.3 空氣凈化站理論綜合凈化效率

假設(shè)空氣凈化站處理風(fēng)量占需風(fēng)量比例為M，污染物凈化效率為δ，凈化站距隧道進口距離為X，凈化站距隧道出口距離為Y，忽略空氣凈化器占用距離，空氣凈化站理論綜合凈化效率[8]計算公式為

(3)

凈化效率計算示意如圖5所示。

圖5 凈化效率計算示意

4 隧道空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計

4.1 隧道污染物濃度計算

根據(jù)式(1)計算，隧道污染物源強分布情況如表5所示。

表5 隧道污染物排放源強分布情況 [mg/(m·s)]

隧道距離對污染物濃度的影響如圖6所示。

(a) CO

(b) NOX圖6 隧道距離對污染物濃度的影響

由圖6可知，隧道內(nèi)污染物濃度與隧道距離呈線性正相關(guān)，受左右線交通流量差異的影響，右線隧道內(nèi)污染物濃度高于左線，但隧道內(nèi)污染物濃度均遠低于隧道內(nèi)污染物濃度限值(CO 125 mg/m3，NOX0.25 mg/m3)。隧道洞口左、右線CO排放濃度分別為2.74 mg/m3、4.14 mg/m3；左、右線NOX排放濃度分別為0.25 mg/m3、0.37 mg/m3。與環(huán)境質(zhì)量標準中的限值相比，隧道洞口CO排放濃度低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)[11]中的限值10 mg/m3，NOX排放濃度高于《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)[11]中的限值0.2 mg/m3。與《大氣污染物綜合排放標準》(DB11/501—2017)[12]中無組織排放濃度限值相比，隧道洞口CO排放濃度左線滿足要求，右線略高于限值(3.8 mg/m3)；隧道洞口左右線NOX排放濃度均高于單位周界無組織排放監(jiān)控濃度限值(0.232 mg/m3)。

由3.2節(jié)可知，該隧道洞內(nèi)污染物濃度滿足限值要求，但無法達到洞外環(huán)境空氣質(zhì)量標準，基于此，應(yīng)在靠近隧道洞口處設(shè)置隧道空氣凈化站。在實際建設(shè)過程中，空氣凈化站位置根據(jù)工程用地紅線、周邊環(huán)境等綜合確定，左線空氣凈化站設(shè)置在距出口1 500 m，右線空氣凈化站設(shè)置在距出口386 m，根據(jù)實際位置進一步確定空氣凈化站的處理規(guī)模。

4.2 空氣凈化站處理風(fēng)量

本案例中，CO和NOX排放濃度均存在高于允許排放濃度的情況，其中NOX超標更為嚴重，活性炭過濾器對各種氣體污染物均有過濾效果，下文主要對NOX去除情況進行分析計算。

隧道排風(fēng)井和洞口污染物濃度需同時滿足《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)[11]和當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境排放標準的要求，空氣凈化站的處理風(fēng)量應(yīng)從環(huán)境質(zhì)量標準限值和單位周界無組織排放監(jiān)控濃度限值兩個方面綜合考慮。

4.2.1 按環(huán)境質(zhì)量標準限值

將凈化效率、各段距離代入式(3)，可得左線隧道綜合凈化效率計算公式為

(4)

推導(dǎo)可得M1=29.5%

可知，此時左線處理風(fēng)量占比M1為29.5%，處理風(fēng)量為130 m3/s。

右線隧道綜合凈化效率計算公式為

(5)

推導(dǎo)可得M2=54.5%

可知，此時右線處理風(fēng)量占比M2為 54.5%，處理風(fēng)量為242 m3/s。

4.2.2 按單位周界無組織排放監(jiān)控濃度限值

同樣，將凈化效率、各段距離代入式(3)，可得左線隧道綜合凈化效率計算公式為

(6)

推導(dǎo)可得M3=10.6%

可知，此時左線處理風(fēng)量占比M3為10.6%，處理風(fēng)量為47 m3/s。

右線隧道綜合凈化效率計算公式為

(7)

推導(dǎo)可得M4=44.2%

可知，此時右線處理風(fēng)量占比M4為44.2%，處理風(fēng)量為196 m3/s。

綜上所述，在凈化效率為90%的條件下，本工程左線空氣凈化站計算處理風(fēng)量為130 m3/s，占比29.5%，右線空氣凈化站計算處理風(fēng)量為242 m3/s，占比54.5%。為保證隧道內(nèi)外污染物排放達標，右線隧道凈化系統(tǒng)配置規(guī)模需遠大于左線，這主要是交通流量差異造成的，右線污染物排放量高于左線。根據(jù)以上分析，可知隧道污染物排放標準、機動車污染物排放系數(shù)、凈化站位置等將影響隧道凈化站進口和出口的污染物濃度，進而影響隧道凈化系統(tǒng)的組成和規(guī)模。

5 結(jié)論

本文以北京某新建隧道工程為例，對隧道內(nèi)外污染物允許濃度、隧道內(nèi)污染物排放與分布特征、隧道通風(fēng)與凈化系統(tǒng)設(shè)計等問題進行了分析探討，得出以下結(jié)論：

(1) 隧道排風(fēng)井和洞口污染物濃度建議按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)[11]和當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境排放標準從嚴執(zhí)行。

(2) 隨著老舊車不斷淘汰，清潔能源車、新能源車保有量不斷上升，機動車流污染物(CO、NOX等)排放量呈下降趨勢。設(shè)計人員需結(jié)合工程所處地區(qū)開展專項研究，對機動車污染物排放量進行合理取值。

(3) 隧道通風(fēng)與凈化系統(tǒng)組成和規(guī)模的主要影響因素包括隧道污染物排放標準、交通流量、污染物排放系數(shù)和凈化站位置等。