摘要：本文以南京市建寧西路過江通道工程為例，在設(shè)計過程中探討了隧道廢氣排放的幾種方案及各自特點，分析了其經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，提出了三種比選方案，根據(jù)經(jīng)濟、技術(shù)及環(huán)境比選分析結(jié)果，推薦本工程采用“高風(fēng)塔分流排污 射流式ESP廢氣凈化裝置”的組合式廢氣排放方案，在控制工程造價和運營成本的同時，可極大程度上減少隧道廢氣排放對周邊環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。環(huán)境影響評價結(jié)果表明，采用該方案可使隧道洞口周邊空氣質(zhì)量滿足二類環(huán)境空氣功能區(qū)污染物濃度限值要求。

關(guān)鍵詞：隧道工程；水下隧道；廢氣排放；方案比選

中圖分類號：U451+.3""""""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）03-0132-05

Comparison and Selection of Exhaust Emission Scheme For Jianning West Road River Crossing Project

LI Zhiyuan， YANG Bin， ZHAO Guang

（Sujiaoke Technology Group Co.， Ltd.， Nanjing Jiangsu 210017， China）

Abstract： Taking Jianning West Road river crossing project in Nanjing as an example， this paper discusses several schemes and their respective characteristics of tunnel exhaust emission in the design process， analyzes its economic and environmental benefits， and puts forward three comparison schemes. According to the comparison and analysis results of economy， technology and environment， it is recommended to adopt the combined exhaust emission scheme of \"high tower blowdown + jet ESP exhaust purification device\" for the project. While controlling the project cost and operation cost， it can greatly reduce the impact of tunnel exhaust emission on the surrounding ambient air quality. The results of environmental impact assessment show that the air quality around the tunnel portal can meet the requirements of pollutant concentration limit in class Ⅱ ambient air functional area.

Key words： tunnel engineering; underwater tunnel; exhaust emission; scheme comparison and selection

0 引言

近年來，一大批公路與市政用途的大型越江隧道建設(shè)將我國水下隧道的建設(shè)規(guī)模和修建技術(shù)推到了新的高度。就通風(fēng)系統(tǒng)而言，面臨的共同難題之一就是如何解決隧道廢氣排放方式與大氣環(huán)境影響、周圍區(qū)域規(guī)劃之間的矛盾[1]。

隧道內(nèi)產(chǎn)生的廢氣主要包括CO、NO_x和煙塵（PM）[2?3]。為了使隧道內(nèi)各項污染物濃度滿足行車安全要求和人員衛(wèi)生要求，需從洞外引入足量的新風(fēng)對隧道內(nèi)的廢氣進行稀釋并排至洞外，該舉措勢必對洞口周邊環(huán)境的空氣質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。我國現(xiàn)行標準《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB 3095—2012）對洞口周邊環(huán)境空氣功能區(qū)進行了分類，并對各類功能區(qū)內(nèi)各項污染物濃度限值提出了明確要求。因此，在通風(fēng)設(shè)計過程中，應(yīng)綜合考慮工程造價、運營成本及環(huán)境影響等多方面因素，制定科學(xué)合理的廢氣排放方案，實現(xiàn)全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

1 工程概況

江蘇省南京市建寧西路過江通道工程北起興浦路與江北快速大道交叉處，向南順興浦路穿越長江至江南岸，沿現(xiàn)狀建寧西路布設(shè)，在金川河西路前接入現(xiàn)狀建寧路。主線隧道封閉段分為江北暗埋段、江北工作井、越江盾構(gòu)段、江南工作井、江南暗埋段等，全長約4"900m。運營工況下，隧道采用縱向通風(fēng)方式，設(shè)計需風(fēng)量約為500m³/s。根據(jù)GB 3095—2012，兩岸洞口周邊區(qū)域為二類環(huán)境空氣功能區(qū)，須執(zhí)行相應(yīng)的污染物濃度限值標準。

2 隧道廢氣排放方式

（１）洞口直排

隧道內(nèi)污染物經(jīng)隧道入口引入的新風(fēng)稀釋后，直接從隧道出口排出，根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，這種方式通常適用于長度較小的三、四類城市隧道，如南京萬景園隧道、南京綠博園隧道等。建寧西路過江通道暗埋段長度約4"900m，根據(jù)以往的工程設(shè)計經(jīng)驗及初步估算，采用洞口直排方案無法滿足建寧西路過江通道兩岸洞口周邊環(huán)境的空氣質(zhì)量要?求。

（２）集中高空排放

在靠近隧道出口附近區(qū)域內(nèi)設(shè)置高排風(fēng)塔，利用大型排風(fēng)軸流機將隧道內(nèi)大部分污染空氣進行高空擴散排放，從而使污染物擴散后落地濃度滿足環(huán)境要求。這種方式通常適用于特長隧道和水下隧道，如南京定淮門長江隧道、南京和燕路過江通道、武漢長江隧道等。

建寧西路過江通道工程現(xiàn)階段即采用此種方案，在江南、江北工作井分別設(shè)置一處高排風(fēng)塔，將隧道內(nèi)約70%的污染空氣通過風(fēng)塔排放至高空。

3 隧道廢氣凈化技術(shù)

（１）靜電除塵技術(shù)

靜電除塵器（Electrostatic precipitator，ESP），是目前全世界在隧道工程中應(yīng)用較為廣泛的空氣凈化技術(shù)，分為一段式和二段式兩種。隧道用靜電除塵器一般選用二段式[4]。其工作原理如圖2所示，電離區(qū)由放電電極板（負極）和接地電極板（正極）交替排列組成，集塵區(qū)由高壓電極板與接地電極板交替排列組成。電極板接入直流高電壓后，產(chǎn)生高密度靜電電場，含塵氣體通過高壓靜電場時，在靜電場力的作用下充分電離，產(chǎn)生大量的自由電子和正離子，離子和電子會附著在顆粒物上，帶電顆粒向其極性相反的方向運動，被吸附在除塵段的平板電極上，最后通過清灰，排除灰塵。

在實際應(yīng)用中，靜電除塵器通常作為廢氣凈化站的除塵段，與脫硝設(shè)備、軸流風(fēng)機、污水處理裝置等系統(tǒng)配套應(yīng)用。廢氣凈化站建設(shè)規(guī)模較大，通常用于處理大風(fēng)量的污染空氣。流程圖見圖3。常見的隧道廢氣凈化站可分為旁通式、吊頂式和豎井式三種形?式。

?日本是目前全球?qū)λ淼缽U氣進行處理最多的國家，以下是其部分設(shè)有靜電除塵裝置的實例。

東京灣海底隧道（9.6公里）、關(guān)越隧道（11公里）、天王山隧道（2公里）、關(guān)門隧道（3.5公里）、飛鳥山隧道（0.6公里）、Midoribashi隧道（3.4公里）、花園橋和Hasumiya隧道[5]。

此外，靜電除塵器還可與隧道射流風(fēng)機結(jié)合，組成射流式空氣凈化裝置（圖4），簡稱射流式ESP，可靈活處理隧道內(nèi)局部小風(fēng)量的污染空氣。

（２）脫硝技術(shù)

脫硝技術(shù)通常與靜電除塵技術(shù)配套使用，根據(jù)不同的工作原理主要分為土壤凈化法、光催化法和吸收吸附法[6]，目前在隧道中應(yīng)用最為廣泛的是活性炭吸附法。

（３）碳納米管CNT/ASF綜合治理技術(shù)

碳納米管CNT/ASF（Carbon nanotubes 碳納米管，Activated super fiber 活性超級纖維）綜合治理技術(shù)是一種基于碳納米管、ASF新材料的新型空氣凈化技術(shù)，其核心原理是利用碳納米管（Carbon nanotubes，CNT）的二維材料特性，制成具有高壓電場的CNT正負極板，見圖5。當(dāng)空氣中的顆粒物經(jīng)過CNT極板時，受高壓電場影響，會沿著電力線方向匯聚到CNT極板上，實現(xiàn)對顆粒物的高效過濾。由于CNT材料強大的電子發(fā)射特性，CNT正負極板還具有除菌、滅火病毒、去除VOC及甲醛的功能。

ASF是一種新型的環(huán)保材料，可以在常溫下高效催化NOx、VOC等污染物，并將其轉(zhuǎn)化為H2O、N2、CO2等。

? 基于該技術(shù)的隧道空氣凈化設(shè)備主要由導(dǎo)流罩、CNT顆粒物處理模塊、ASF氣體污染物分界模塊、動力單元、傳感器、控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成?？蓪崿F(xiàn)大流量氣場下空氣污染物的高效過濾、分解。具有維護簡單、運行成本低等優(yōu)點。目前已在南京市草場門隧道等市政工程中投入使用，見圖6。

4 隧道廢氣排放方案比選

4.1 方案設(shè)計

建寧西路過江通道工程初步設(shè)計階段采用了集中高空排放的方案，根據(jù)環(huán)評報告測算結(jié)果，由于南岸明挖暗埋段長度較大，右線隧道洞口排出的廢氣（設(shè)計風(fēng)量為137m3/s）經(jīng)擴散后，附近區(qū)域內(nèi)污染物濃度超出二類環(huán)境空氣功能區(qū)污染物濃度限值，需優(yōu)化設(shè)計方案，采取一定措施降低南岸洞口所排放廢氣中的污染物濃度。根據(jù)當(dāng)前階段項目現(xiàn)場條件，在集中高空排放方式的基礎(chǔ)上，提出三種廢氣凈化方案進行比選。

（１）方案一：旁通式廢氣凈化站

根據(jù)隧道主體結(jié)構(gòu)形式，擬在隧道右線南岸洞口附近設(shè)置一座旁路式廢氣凈化站，用以凈化隧道內(nèi)污染空氣，凈化后的空氣由洞口直接排出，設(shè)計處理風(fēng)量為150m³/s，見圖7。

（２）方案二：吊頂式碳納米管CNT/ASF空氣凈化設(shè)備

根據(jù)測算，在隧道右線南岸明挖暗埋段布設(shè)7組吊頂式碳納米管CNT/ASF空氣凈化設(shè)備，每組三臺，單臺設(shè)備處理風(fēng)量為20"000m³/h，每組設(shè)備布置間距為100m，見圖8。

（３）方案三：射流式ESP廢氣凈化裝置

結(jié)合原射流風(fēng)機布設(shè)方案，將原設(shè)計右線南岸洞口附近的四組射流風(fēng)機替換為射流式ESP裝置，單臺設(shè)備空氣處理量為44"280m³/h，每組設(shè)備布置間距為150m，見圖9。

4.2 經(jīng)濟技術(shù)比選分析

根據(jù)設(shè)計方案及設(shè)備選型，三種空氣凈化方案的經(jīng)濟、技術(shù)比選分析詳見表1。

4.3 環(huán)境效益比選分析

本工程環(huán)境評價范圍執(zhí)行GB 3095—2012二級標準限值。濃度限值標準及本工程基本污染物環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀具體見表2。

根據(jù)環(huán)境影響報告，針對集中高空排放及上述三種空氣凈化方案，對本工程右線洞口附近評價范圍內(nèi)最大地面1小時平均濃度、24小時平均濃度及年平均濃度的預(yù)測結(jié)果詳見表3。

根據(jù)表3可知，采取方案一、方案二的凈化措施，可使本工程洞口附近污染物濃度達到GB 3095—2012二級標準，方案一污染物凈化率較高，約為方案二的2倍。方案三采用的射流式ESP廢氣凈化裝置不具備NO₂凈化功能，無法滿足環(huán)境評價要求。

5 結(jié)論

綜上所述，旁通式廢氣凈化站具有較高的廢氣凈化效率，但設(shè)備投資及運營養(yǎng)護費用較高；相較于旁通式廢氣凈化站，吊頂式碳納米管CNT/ASF空氣凈化設(shè)備廢氣凈化效率稍低，但可極大程度上降低設(shè)備投資及運營養(yǎng)護費用，性價比較高。因此，推薦本工程采用方案二，在隧道右線南岸明挖暗埋段布設(shè)7組吊頂式碳納米管CNT/ASF空氣凈化設(shè)備，可實現(xiàn)預(yù)期的環(huán)保要求。

城市隧道作為軌道交通的補充，可進一步緩解城市交通壓力，并逐漸成為地下空間開發(fā)的一個重要引擎，帶動城市綜合開發(fā)。近幾年，我國城市隧道高速發(fā)展，而隧道空氣污染物對大氣環(huán)境和周邊民眾的健康將產(chǎn)生極大的危害，因此開展城市隧道尾氣綜合治理成套設(shè)備的研制及應(yīng)用將產(chǎn)生良好的社會效益。

參考文獻：

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