陸 袁, 錢必華, 俞伊賾, 李崢嶸

(1.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092; 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院, 上海 200092)

1 概述

交通建設(shè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的重要環(huán)節(jié)。隨著經(jīng)濟(jì)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(fēng)。2010年時改造為半橫向通風(fēng),且新修的復(fù)線為縱向通風(fēng)。西藏南路隧道:主要為縱向通風(fēng)結(jié)合半橫向通風(fēng)的模式,但在浦東排風(fēng)塔至浦東出口之間,采用軸流送風(fēng)機(jī)向隧道內(nèi)輸入新風(fēng),故而設(shè)計(jì)者稱其為半橫向通風(fēng)[11]。延安東路隧道:1989年建成的延安東路隧道北線在設(shè)計(jì)時采用全橫向通風(fēng),1996年建成的延安東路隧道南線采用縱向通風(fēng)[16]。根據(jù)JTG/T D70/2—02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(以下簡稱《細(xì)則》),隧道機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)可分為縱向通風(fēng)、橫向通風(fēng)。橫向通風(fēng)的通風(fēng)氣流在行車空間內(nèi)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]?？v向通風(fēng)的通風(fēng)氣流在行車空間內(nèi)沿隧道軸線方向流動,通車于21世紀(jì)的上海城市隧道多采用此通風(fēng)方式。

表1 上海越江公路隧道及通風(fēng)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(fēng)對城市環(huán)境造成的污染。根據(jù)GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,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(nèi)CO質(zhì)量濃度的24 h平均值應(yīng)低于4 mg/m3。但是,《細(xì)則》規(guī)定的隧道內(nèi)交通阻滯段CO質(zhì)量濃度最大值(即隧道內(nèi)污染物質(zhì)量濃度的控制目標(biāo))高達(dá)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(zhì)量濃度。以縱向通風(fēng)為例,通常依靠射流風(fēng)機(jī)組織的機(jī)械通風(fēng)結(jié)合通風(fēng)井高空排放方式,降低隧道出口周邊區(qū)域CO質(zhì)量濃度。因此,通風(fēng)井設(shè)計(jì)對于城市隧道具有重要意義。

本文對上海城市隧道進(jìn)行調(diào)研。以上海市外灘隧道(屬于地下快速路隧道)通風(fēng)井作為研究對象,通過交通工況調(diào)查和實(shí)測,總結(jié)通風(fēng)井設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn),對實(shí)測日正常交通工況、阻滯交通工況下北通風(fēng)井承擔(dān)隧道內(nèi)稀釋CO需風(fēng)量比例進(jìn)行計(jì)算。

2 上海城市隧道調(diào)研

2.1 縱向通風(fēng)與橫向通風(fēng)對比

根據(jù)《細(xì)則》,縱向通風(fēng)可利用交通風(fēng)(即單向車流形成的活塞風(fēng)),協(xié)助稀釋隧道內(nèi)的CO。該方式不需要在隧道內(nèi)建設(shè)風(fēng)道,通風(fēng)井不需要設(shè)置新風(fēng)系統(tǒng)。因此,縱向通風(fēng)系統(tǒng)的工程造價、運(yùn)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(zhì)量達(dá)標(biāo)。

上海部分城市隧道的車道數(shù)量、盾構(gòu)內(nèi)直徑見表2。對表2中的各隧道,計(jì)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(gòu)內(nèi)直徑計(jì)算得到),衡量隧道內(nèi)空間利用率。單位車道隧道截面積越小,說明隧道內(nèi)空間利用率越高。與橫向通風(fēng)隧道相比,縱向通風(fēng)隧道的平均單位車道隧道截面積減小6.67%。且以復(fù)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(fēng)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(fēng)系統(tǒng)不需要建設(shè)占用空間較大的風(fēng)道,可最大限度利用隧道內(nèi)空間。

表2 上海部分城市隧道的車道數(shù)量和盾構(gòu)內(nèi)直徑

2.2 城市隧道通風(fēng)井

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

圖1 軍工路隧道浦東通風(fēng)井

位于中環(huán)以內(nèi)的通風(fēng)井,如人民路隧道浦西通風(fēng)井(見圖2)貼附建設(shè)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(fēng)井

復(fù)興東路隧道浦東通風(fēng)井建設(shè)在世茂濱江花園小區(qū)空地內(nèi)。新建路隧道浦西通風(fēng)井采用多個低通風(fēng)井形式(見圖3),隱藏在道路中間的綠化帶內(nèi)。人民路隧道浦東通風(fēng)井建設(shè)在東昌路渡口內(nèi)。大連路隧道浦西通風(fēng)井貼附建設(shè)在隧道管理中心側(cè)墻外。外灘隧道南通風(fēng)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(fēng)井

建成于20世紀(jì)的延安東路隧道浦東通風(fēng)井(見圖4)、浦西通風(fēng)井,獨(dú)立建造,體型龐大。延安東路隧道浦東通風(fēng)井設(shè)計(jì)時間為20世紀(jì)80年代,當(dāng)時的陸家嘴地區(qū)仍以農(nóng)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(fēng)井進(jìn)風(fēng)口高18.5 m,排風(fēng)口高47.2 m。延安東路隧道浦西通風(fēng)井進(jìn)風(fēng)口高34.6 m,排風(fēng)口高53.5 m。

圖4 延安東路隧道浦東通風(fēng)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(fēng)井設(shè)計(jì)要求越來越高,采用附建或結(jié)建式設(shè)計(jì)方法[18],將隧道通風(fēng)井納入周邊建筑設(shè)計(jì)的案例越來越多。然而,受限于周邊建筑,此類隧道通風(fēng)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(fēng)井。又因隧道通風(fēng)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(diào)研結(jié)果

① 縱向通風(fēng)系統(tǒng)可提高隧道內(nèi)空間利用率。

② 與城市建筑相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法,成為城市中心區(qū)隧道通風(fēng)井的設(shè)計(jì)趨勢。

③ 與城市建筑相結(jié)合的城市中心區(qū)隧道通風(fēng)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(fēng)井。

3 外灘隧道通風(fēng)系統(tǒng)評價

3.1 外灘隧道與通風(fēng)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(gòu)內(nèi)直徑12.75 m,為雙層單向隧道,上下均設(shè)3車道,設(shè)計(jì)時速40 km/h,通行中、小型客車。上層車流方向?yàn)橛杀毕蚰?下層為由南向北。

外灘隧道通風(fēng)系統(tǒng)為通風(fēng)井排出式縱向通風(fēng)。隧道內(nèi),依靠單向車流形成的活塞風(fēng),以及懸掛于隧道上方的射流風(fēng)機(jī),保證隧道內(nèi)的通風(fēng)量。臨近隧道出口處,設(shè)有隧道通風(fēng)井,分擔(dān)隧道的部分排風(fēng),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(shè)有1個通風(fēng)井。南通風(fēng)井(見圖5)位于中山東二路與永安路交界處,屬于保護(hù)建筑群沿線,故利用廢棄的延安東雨水泵站改造而成,分擔(dān)由北向南車道的排風(fēng)。

圖5 外灘隧道南通風(fēng)井

北通風(fēng)井位于城投控股大廈核心筒內(nèi)(見圖6),分擔(dān)由南向北車道的排風(fēng)。北通風(fēng)井為國內(nèi)首例與高層建筑相結(jié)合的隧道通風(fēng)井形式,將通風(fēng)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(nèi)城市隧道通風(fēng)井中最高的[18]。該項(xiàng)目集通風(fēng)井、隧道管理中心、高層辦公樓為一體,實(shí)現(xiàn)土地集約化利用[19]。

圖6 外灘隧道北通風(fēng)井

北通風(fēng)井的風(fēng)機(jī)房配置2臺額定風(fēng)量為125 m3/s的軸流風(fēng)機(jī)(見圖7)。在隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,認(rèn)為2臺風(fēng)機(jī)在交通阻滯時處于啟動狀態(tài)。但在現(xiàn)場調(diào)研中詢問隧道管理方發(fā)現(xiàn),出于隧道運(yùn)營成本的考慮,2臺風(fēng)機(jī)僅在火災(zāi)工況下啟動。因此,實(shí)際運(yùn)行中,北隧道通風(fēng)井內(nèi)的流量,僅來自于隧道內(nèi)外溫差形成的自然通風(fēng)。

圖7 北通風(fēng)井風(fēng)機(jī)房內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)

3.2 隧道交通調(diào)查及通風(fēng)量需求

筆者于2021年8月12日至18日,統(tǒng)計(jì)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(jié)果按時段整理,見表3。統(tǒng)計(jì)期間,新能源車輛占比為15.81%,CO排放計(jì)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(shè)計(jì)時速(正常交通工況)為40 km/h,根據(jù)《細(xì)則》建議和工作日高峰期車流量實(shí)地調(diào)研情況,阻滯交通工況時速為10 km/h。

采用《細(xì)則》中的式(6.3.2)、(6.3.3)計(jì)算正常交通工況、阻滯交通工況下隧道內(nèi)稀釋CO需風(fēng)量:

(1)

(2)

式中qreq——隧道稀釋CO需風(fēng)量,m3/s

q——隧道CO排放量,m3/s

φ——CO體積分?jǐn)?shù)限值,cm3/m3

p0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,kPa,取101.325 kPa

p——隧址大氣壓,kPa,取100 kPa

T——隧址平均實(shí)測氣溫,K

T0——標(biāo)準(zhǔn)氣溫,K,取273 K

Vs——設(shè)計(jì)目標(biāo)年份CO基準(zhǔn)排放量,m3/(輛·km)

fa——車況系數(shù),參照《細(xì)則》表6.3.2-1取1.1

fd——車密度系數(shù),參照《細(xì)則》表6.2.2-2按隧道設(shè)計(jì)時速取1.5

fh——海拔系數(shù),參照《細(xì)則》圖6.3.2取1.0

fiv——縱坡-車速系數(shù),參照《細(xì)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(xì)則》表6.3.2-2取1.0

對于CO體積分?jǐn)?shù)限值,參照《細(xì)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(shè)計(jì)目標(biāo)年份CO基準(zhǔn)排放量為在《細(xì)則》第6.3.1條給出的2000年基準(zhǔn)排放量的基礎(chǔ)上,根據(jù)《細(xì)則》第6.1.2條按每年遞減2.0%進(jìn)行計(jì)算。對比各研究者在不同時期的實(shí)測CO排放量[20],該計(jì)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(jì)算。將已知參數(shù)代入式(1)、(2)計(jì)算得到正常交通工況、阻滯交通工況下隧道稀釋CO需風(fēng)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(fēng)量

3.3 北通風(fēng)井通風(fēng)能力

在隧道通風(fēng)系統(tǒng)中,隧道通風(fēng)井的作用是分擔(dān)部分隧道的排風(fēng)量,降低隧道出口污染物總量。以西藏南路隧道為例,在設(shè)計(jì)過程中,希望依靠隧道通風(fēng)井內(nèi)的軸流風(fēng)機(jī),使通風(fēng)井分擔(dān)總排風(fēng)量的80%[11]。然而,調(diào)研中發(fā)現(xiàn),因隧道運(yùn)營成本等原因,通風(fēng)井內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)在非火災(zāi)工況下處于關(guān)閉狀態(tài)。依賴自然通風(fēng)力時,隧道通風(fēng)井可分擔(dān)的通風(fēng)量需通過實(shí)驗(yàn)確定。

筆者于2021年1月18—24日對外灘隧道北通風(fēng)井的通風(fēng)量進(jìn)行了現(xiàn)場測試。測試內(nèi)容包括通風(fēng)井內(nèi)風(fēng)速、通風(fēng)井內(nèi)空氣溫度、室外空氣溫度。通風(fēng)井內(nèi)風(fēng)速由超聲波風(fēng)速儀測量,測點(diǎn)位于通風(fēng)井底部直線形風(fēng)道內(nèi)且湍流充分發(fā)展處,在垂直于氣流方向上設(shè)置2個測點(diǎn)。通風(fēng)井內(nèi)空氣溫度(平均實(shí)測氣溫為12.9 ℃)由溫濕度自動記錄儀測量,共設(shè)3個測點(diǎn),分別位于2臺超聲波風(fēng)速儀的背風(fēng)處,以及軸流風(fēng)機(jī)前的靜壓箱內(nèi)。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(fēng)井出口水平距離為10 m。

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

圖8 1月19日通風(fēng)井風(fēng)速測試結(jié)果

根據(jù)測試斷面截面積及正常交通工況風(fēng)速、阻滯交通工況風(fēng)速可計(jì)算得到兩種交通工況下通風(fēng)井通風(fēng)量(見表5)。由此可計(jì)算得到,兩種交通工況下通風(fēng)井通風(fēng)量占隧道稀釋CO需風(fēng)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(fēng)井可承擔(dān)47.8%的通風(fēng)量,阻滯交通工況下通風(fēng)井可承擔(dān)23.9%的通風(fēng)量。

表5 隧道通風(fēng)井通風(fēng)量計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

① 縱向通風(fēng)系統(tǒng)可提高隧道內(nèi)空間利用率。與城市建筑相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法,成為城市中心區(qū)隧道通風(fēng)井的設(shè)計(jì)趨勢。與城市建筑相結(jié)合的城市中心區(qū)隧道通風(fēng)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(fēng)井。

② 在實(shí)測日,外灘隧道北通風(fēng)井正常交通工況下可承擔(dān)47.8%的通風(fēng)量,阻滯交通工況下可承擔(dān)23.9%的通風(fēng)量。