溫小寶，韓興博，葉飛，鄧念兵，楊海挺，張興冰,3，王培源

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.寧波市交通工程管理中心，浙江 寧波 315000；3.四川成樂(lè)高速公路有限責(zé)任公司，四川 成都 610000)

隨著我國(guó)隧道基礎(chǔ)設(shè)施從“建設(shè)為主”向“建養(yǎng)并重”過(guò)渡，大量運(yùn)營(yíng)隧道的養(yǎng)護(hù)維修與長(zhǎng)壽命化技術(shù)受到重視，碳化耐久性作為隧道鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)面臨的重要挑戰(zhàn)，受到了眾多學(xué)者的關(guān)注[1-4].與廠房、住宅、橋梁等地表建筑物不同，公路隧道由于半封閉的空間特征及汽車行駛過(guò)程中大量尾氣的排放，隧道內(nèi)部CO2的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于大氣環(huán)境[5-6]，甚至能夠達(dá)到正常大氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的5 倍以上[7].CO2體積分?jǐn)?shù)作為影響混凝土碳化進(jìn)程的控制因素之一[8-9]，對(duì)混凝土碳化速度的影響顯著[5,10-11].與地表建筑物相比，公路隧道襯砌的碳化耐久性保障面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[12-13].

考慮到公路隧道內(nèi)的CO2體積分?jǐn)?shù)高于大氣環(huán)境，曾石發(fā)等[14-16]通過(guò)建立相應(yīng)的計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)隧道CO2體積分?jǐn)?shù)的理論計(jì)算.韓興博等[3]通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式，視整個(gè)隧道中的CO2體積分?jǐn)?shù)為一常量，給出公路隧道襯砌混凝土碳化壽命的計(jì)算方法.王蕾[15]基于分子擴(kuò)散機(jī)理，提出隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法，為隧道碳化模型中參數(shù)的確定提供了支持.上述計(jì)算主要考慮了交通量對(duì)CO2整體分布的影響，計(jì)算方法較理想.隧道長(zhǎng)度、隧道斷面內(nèi)的位置、隧道不同的結(jié)構(gòu)部位等均會(huì)對(duì)CO2體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生影響，因此應(yīng)在碳化耐久性設(shè)計(jì)中區(qū)別考慮.

關(guān)于隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，目前已有部分報(bào)道.Moreno 等[17]對(duì)巴塞羅那地鐵隧道的空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中CO2體積分?jǐn)?shù)為371×10-6～569×10-6.Kappelt 等[18]對(duì)哥本哈根地鐵的污染物進(jìn)行類似的監(jiān)測(cè)，CO2體積分?jǐn)?shù)極值約為600×10-6.李兵成等[19]對(duì)西康鐵路秦嶺隧道的環(huán)境衛(wèi)生進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該隧道CO2質(zhì)量濃度為1.02～2.13 g/m3(體積分?jǐn)?shù)為526×10-6～1 099×10-6).盡管地鐵和鐵路隧道中不涉及汽車行駛帶來(lái)的CO2排放，受封閉環(huán)境的影響，CO2體積分?jǐn)?shù)仍然高于大氣環(huán)境的400×10-6[20].關(guān)于公路隧道的CO2體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)，劉洋[21]對(duì)西安市內(nèi)4 條公路隧道的環(huán)境污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)CO2的體積分?jǐn)?shù)基本為600×10-6～900×10-6.Cong 等[22]對(duì)青島仰口隧道的污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中CO2的體積分?jǐn)?shù)為700×10-6～1 600×10-6.Khan 等[23]對(duì)巴基斯坦的Lowari 隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)階段的污染物體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)營(yíng)期間CO2的體積分?jǐn)?shù)極值超過(guò)2 000×10-6.總體而言，目前關(guān)于隧道尤其是公路隧道的環(huán)境CO2體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少.現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的CO2體積分?jǐn)?shù)差異較大，導(dǎo)致差異的原因不明確.此外，現(xiàn)有的CO2體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)基本從隧道洞內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生保障的角度出發(fā)，監(jiān)測(cè)位置選擇較隨意，不能反映隧道襯砌表面的CO2體積分?jǐn)?shù)，直接用于碳化耐久性評(píng)估的準(zhǔn)確性不能保障.

為了更加準(zhǔn)確地確定公路隧道內(nèi)部環(huán)境的CO2體積分?jǐn)?shù)，得到隧道空間內(nèi)部CO2的分布規(guī)律，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)合數(shù)值模擬，考慮公路隧道的內(nèi)部空間特性，分析公路隧道內(nèi)部CO2的分布特性，為不同交通組織類型的隧道以及隧道的不同位置、不同結(jié)構(gòu)（主洞、加寬帶、橫通道）等的襯砌碳化耐久性設(shè)計(jì)提供更加科學(xué)的依據(jù).

1 公路隧道CO2 分布的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1.1 監(jiān)測(cè)方案

1.1.1 移動(dòng)式快速監(jiān)測(cè) 為了獲取公路隧道CO2分布的基本水平與整體規(guī)律，對(duì)寧波市域的5 處隧道進(jìn)行CO2體積分?jǐn)?shù)移動(dòng)式快速監(jiān)測(cè).儀器采用BLATN 空氣質(zhì)量檢測(cè)儀，CO2體積分?jǐn)?shù)的測(cè)量范圍為0～5×10-3，分辨率為10-6，精度為4.5×10-5.為了保證安全和數(shù)據(jù)的有效性，監(jiān)測(cè)人員手持儀器，在隧道檢修道上行進(jìn)，監(jiān)測(cè)高度為1.5 m，水平距離為邊墻向內(nèi)0.5 m，縱向以50 m為間隔，對(duì)隧道壁附近的CO2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè).每個(gè)點(diǎn)位待儀器采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行記錄，采集3 次，以平均值作為該點(diǎn)位的最終監(jiān)測(cè)值.移動(dòng)式快速監(jiān)測(cè)的隧道工況如表1 所示.表中，隧道均為雙車道，截面面積的差異不明顯；監(jiān)測(cè)時(shí)通風(fēng)設(shè)備均未在工作狀態(tài)；斷續(xù)流由洞口前方交叉路口的信號(hào)燈控制.

表1 CO2 監(jiān)測(cè)工況Tab.1 Carbon dioxide monitoring conditions

1.1.2 固定式長(zhǎng)期監(jiān)測(cè) 為了更加詳細(xì)地監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)CO2的時(shí)變特征，以大金山隧道為代表，在隧道內(nèi)安裝4 組具有4G 通信模塊的CO2監(jiān)測(cè)儀，分別布置在隧道的入口、2/4、3/4 和出口位置的燈具(高度為5.5 m)或側(cè)墻指示牌(高度為3.5 m)上方.監(jiān)測(cè)方案中移動(dòng)式快速監(jiān)測(cè)和固定式長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的方案規(guī)劃及儀器布置如圖1 所示.

圖1 CO2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)程Fig.1 Carbon dioxide on-site monitoring process

1.2 測(cè)試數(shù)據(jù)及規(guī)律分析

1.2.1 測(cè)試結(jié)果 公路隧道運(yùn)營(yíng)環(huán)境中CO2體積分?jǐn)?shù)的基本水平和分布規(guī)律是碳化模型中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)，文獻(xiàn)[15,21～23]描述的大都是所依托工程的點(diǎn)監(jiān)測(cè)值.將5 處隧道的移動(dòng)式快速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總（見(jiàn)圖2）后可知，隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)在不同時(shí)空的分布有顯著區(qū)別，點(diǎn)監(jiān)測(cè)值無(wú)法描述整個(gè)隧道的CO2體積分?jǐn)?shù)，因此有必要對(duì)其時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行探討.圖2 中，y為CO2體積分?jǐn)?shù)，x為距離隧道入口的位置.

圖2 移動(dòng)式監(jiān)測(cè)不同工況的CO2 分布圖Fig.2 Carbon dioxide distribution of mobile monitoring under different working conditions

1.2.2 沿長(zhǎng)分布規(guī)律

1）單向直線隧道分布的規(guī)律.5 個(gè)工況的隧道入口及洞外100 m CO2體積分?jǐn)?shù)均約為550×10-6，故寧波市象山縣的城市隧道在距離地面1.5～2.0 m 位置的CO2體積分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)水平約為550×10-6.對(duì)工況S1、S2 的異常值進(jìn)行篩除后，可以擬合得到顯著的線性關(guān)系（見(jiàn)圖2(a)、(b)），而工況S3 的上升段、S4 的直線段呈現(xiàn)出一定線性增長(zhǎng)的規(guī)律.為了對(duì)空間分布規(guī)律進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以將運(yùn)營(yíng)隧道直線段中的CO2體積分?jǐn)?shù)縱向分布大致歸納為

式中：y為CO2體積分?jǐn)?shù)，x為距離；a為增長(zhǎng)系數(shù)，該值與交通流狀態(tài)（CO2排放水平）、通風(fēng)水平和隧道線形尺寸等有關(guān)；b為CO2體積分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)水平.受線形、斷面變化、橫通道等的影響，需要關(guān)注不同測(cè)點(diǎn)區(qū)間性的局部特征.對(duì)已有文獻(xiàn)中測(cè)量所得的隧道CO2體積分?jǐn)?shù)、本文所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示.

表2 不同隧道CO2 體積分?jǐn)?shù)測(cè)量值Tab.2 Measurements of carbon dioxide volume fraction in different tunnels

對(duì)比工況S1 和S2，可知隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)與交通流連續(xù)特性的關(guān)系，與CO2體積分?jǐn)?shù)隨距離平穩(wěn)增長(zhǎng)的高架嶺隧道不同，史家山隧道由于在洞口前方300 m 左右處設(shè)置有一紅綠燈，因此交通流呈斷續(xù)流狀態(tài)，CO2體積分?jǐn)?shù)曲線具有顯著的鋸齒特征.

2）雙向直線隧道分布的規(guī)律.對(duì)比工況S1 和S3，可知隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)與交通流單雙向的關(guān)系，雖然影城隧道的長(zhǎng)度小于高架嶺隧道，但是最大CO2體積分?jǐn)?shù)均約為700×10-6.這主要是因?yàn)橛俺撬淼罏殡p向隧道且無(wú)機(jī)械通風(fēng)，通風(fēng)阻力較大，CO2排出較慢，因此在隧道中滯留.影城隧道在250 m 處CO2體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)了陡降，呈現(xiàn)出中間體積分?jǐn)?shù)大、兩邊體積分?jǐn)?shù)小的現(xiàn)象.原因是監(jiān)測(cè)人員的移動(dòng)式監(jiān)測(cè)需要步行時(shí)間，在這期間由于雙向車流量在變化，導(dǎo)致交通風(fēng)風(fēng)向處于來(lái)回變化的狀態(tài)，致使隧道中部CO2積聚，無(wú)法排出.實(shí)際中雙向直線隧道的體積分?jǐn)?shù)峰值不一定在出口處，這與其不穩(wěn)定的通風(fēng)水平具有較大的關(guān)系.

3）單向曲線隧道分布的規(guī)律.對(duì)比工況S1 和S4，可知隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)與隧道線形的關(guān)系，和直線隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)與位置近似呈線性正相關(guān)的規(guī)律不同，大金山隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)與位置呈現(xiàn)先升后降的特征.這與秦嶺鐵路隧道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相似[19]，隧道中部體積分?jǐn)?shù)最高，兩端體積分?jǐn)?shù)較低.原因是大金山隧道中后部為曲線，曲線會(huì)使得斷面分布出現(xiàn)內(nèi)濃外疏的分布特征，而移動(dòng)式監(jiān)測(cè)僅沿曲線外側(cè)進(jìn)行了巡檢，因此CO2體積分?jǐn)?shù)分布在隧道直線段為增長(zhǎng)趨勢(shì)，曲線段為下降趨勢(shì).

4）不同監(jiān)測(cè)時(shí)間的影響.對(duì)比工況S4 與S5，可知隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)與測(cè)量時(shí)間的關(guān)系，晚9 點(diǎn)時(shí)體積分?jǐn)?shù)顯著高于外界環(huán)境，而凌晨1 點(diǎn)時(shí)體積分?jǐn)?shù)趨于平穩(wěn)，整體略低于外界環(huán)境，這主要是由不同時(shí)段的交通量水平?jīng)Q定的.

5）橫通道和加寬帶的影響.如圖2(a)、(d)所示，橫通道的存在具有一定的互補(bǔ)式通風(fēng)作用，靠近入口的橫通道會(huì)使得斷面體積分?jǐn)?shù)升高，靠近出口的橫通道會(huì)使得斷面體積分?jǐn)?shù)降低，但影響范圍不大.加寬帶會(huì)產(chǎn)生一定的緩沖作用，在一定范圍內(nèi)使得CO2體積分?jǐn)?shù)沿距離的提高速率放緩.

1.2.3 時(shí)變分布規(guī)律 為了討論運(yùn)營(yíng)隧道CO2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化，取大金山隧道9 月22 日—9 月28 日的固定式監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖3、4 所示.

圖3 CO2 日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.3 Daily monitoring data of carbon dioxide

1）隧道中CO2體積分?jǐn)?shù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與距離呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，入口、1/2 處、3/4 處及出口的平均體積分?jǐn)?shù)分別為467×10-6、646×10-6、987×10-6、1 172×10-6，較符合線性關(guān)系，如下所示：

此處（5.5 m 高）的CO2體積分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)水平467×10-6明顯低于移動(dòng)式監(jiān)測(cè)（1.5 m 高）的值550×10-6，略高于空氣中CO2體積分?jǐn)?shù)400×10-6.這可能與CO2的空間斷面分布有關(guān)，洞外路面處的CO2受重力和通風(fēng)的影響，會(huì)使得地表一定高度范圍內(nèi)的CO2體積分?jǐn)?shù)高于外界環(huán)境值，拱頂一定范圍內(nèi)的CO2體積分?jǐn)?shù)與外界環(huán)境較一致.

2）如圖3 所示為運(yùn)營(yíng)隧道CO2體積分?jǐn)?shù)24 h的變化情況.可知，7 點(diǎn)～20 點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)較高，各處極值產(chǎn)生在8 點(diǎn)、12 點(diǎn)、17 點(diǎn)，與居民作息和早晚高峰顯著相關(guān).

3）如圖4 所示為運(yùn)營(yíng)隧道CO2體積分?jǐn)?shù)一周的變化情況.可知，體積分?jǐn)?shù)變化具有明顯的周期性，且周末體積分?jǐn)?shù)高于周內(nèi)，這與居民周末更多的出行相關(guān).

圖4 CO2 周監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.4 Week monitoring data of carbon dioxide

2 CO2 空間分布數(shù)值計(jì)算

由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的安全問(wèn)題和實(shí)時(shí)交通風(fēng)的不穩(wěn)定性，測(cè)量時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得整個(gè)斷面的CO2空間分布情況.為了彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方式的不足，利用ANSYS 軟件中的CFD 求解器Fluent 進(jìn)行數(shù)值仿真.考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中各工況斷面不一且交通量、實(shí)時(shí)交通風(fēng)難以確定，未直接選用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)隧道的參數(shù)進(jìn)行模擬，而是采用控制變量法.在確定同一斷面和同一較不利情況的交通量后，研究長(zhǎng)度、線形、加寬帶、橫通道以及交通流特征和通風(fēng)水平對(duì)CO2分布的影響規(guī)律.

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

為了減小數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分難度和計(jì)算復(fù)雜程度，忽略了檢修道、風(fēng)機(jī)、指示牌等細(xì)部構(gòu)造，將隧道斷面簡(jiǎn)化為三心圓斷面，采用spacecliam 軟件建立公路隧道三維模型.為了模擬汽車尾氣中CO2的排放和擴(kuò)散，將連續(xù)行駛車輛的排氣過(guò)程簡(jiǎn)化為與隧道同長(zhǎng)、與排氣管同高、與路面同寬的薄板，對(duì)該薄板進(jìn)行源項(xiàng)設(shè)置和質(zhì)量流率的賦值.模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和四面體劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，隧道采用1 m 的單元尺寸，CO2釋放薄板采用0.2 m 的單元尺寸.模型如圖5所示，尺寸如表3 所示.

圖5 CO2 排放的模型Fig.5 Model of carbon dioxide emission

表3 隧道及釋放源薄板模型的尺寸Tab.3 Size of tunnel and release source thin plate model m

2.2 求解方法與邊界條件

模型采用基于壓力的求解器和Standardk-ε 雙方程湍流模型.速度-壓力耦合采用SIMPLE 算法，動(dòng)量離散格式采用二階迎風(fēng)，其余量采用一階迎風(fēng)，計(jì)算收斂殘差取10-4.

模擬時(shí)簡(jiǎn)化通風(fēng)壓力為整個(gè)斷面均勻加載，隧道出、入口設(shè)置為壓力斷面，入口壓力按照各工況的通風(fēng)壓力計(jì)算，出口壓力設(shè)置為0（大氣壓強(qiáng)相對(duì)值）.將隧道側(cè)壁、路面和拱頂設(shè)置為壁面，粗糙高度設(shè)置為8 mm.CO2釋放薄板設(shè)置為源項(xiàng)，以交通量和不同車輛的CO2排放因子為依據(jù)，計(jì)算整條隧道的CO2排放量[3,27].

2.3 模擬工況

為了探討不同隧道長(zhǎng)度L、線形、單雙向以及有、無(wú)加寬帶和橫通道等情況下CO2的空間分布情況，設(shè)置如表4 所示的6 個(gè)工況.其中，參考影城隧道和史家山隧道的長(zhǎng)度，且考慮到1 000 m為長(zhǎng)隧道和中短隧道的劃分界限，更典型，因此確定隧道長(zhǎng)度為400 m 和1 000 m.曲線隧道的半徑選取為1 000 m.加寬帶與橫通道根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG T D70-2010)，設(shè)置在隧道的750 m 處，加寬帶長(zhǎng)為50 m，橫通道截面的特征參照規(guī)范推薦，選用直邊墻車行橫通道.

表4 隧道CO2 空間分布的數(shù)值模擬工況Tab.4 Numerical simulation working conditions of carbon dioxide spatial distribution in tunnel

2.4 參數(shù)確定

1）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)并參照相關(guān)資料，確定單洞小時(shí)交通量為2 970 veh/h.為了方便工況對(duì)比，認(rèn)為單、雙向洞內(nèi)交通量均一致，具體的車輛組成如表5 所示.表中，Nm為不同車型的數(shù)量.

表5 交通量及組成Tab.5 Traffic volume and composition

2）隧道的CO2排放體積流量可按下式計(jì)算得到：

式中：qVCO2為CO2的排放體積流量；為不同車型CO2排放因子，其取值參照文獻(xiàn)[3]；n為車輛類型數(shù)量.計(jì)算得到400 m 和1 000 m 隧道的CO2排放體積流量分別為0.054 73 和0.136 83 m3/s.

3）各工況的通風(fēng)參照規(guī)范單獨(dú)計(jì)算.400 m隧道無(wú)機(jī)械通風(fēng)，1 000 m 隧道有機(jī)械通風(fēng)，考慮單向交通的交通風(fēng)為助力、自然風(fēng)為阻力，雙向交通的自然風(fēng)為助力、交通風(fēng)為阻力，隧道入口斷面加載值為交通風(fēng)、自然風(fēng)和局部阻力之差，機(jī)械通風(fēng)設(shè)置于隧道內(nèi)，400 m 斷面處采用2 臺(tái)1120 型風(fēng)機(jī)，各工況風(fēng)壓設(shè)置的具體值如表6 所示.表中，工況2 的方向系數(shù)為0.6.

表6 通風(fēng)水平Tab.6 Air level

3 結(jié)果分析

3.1 縱向整體分布規(guī)律

各工況中線縱斷面的CO2體積分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)出沿高度和距離增大的趨勢(shì)，此處僅展示工況1 的中線縱斷面云圖，如圖6(a)所示.為了對(duì)各工況進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算各工況橫斷面的積分平均值來(lái)表征CO2沿隧道縱向的整體變化趨勢(shì)，如圖6(b)所示.可見(jiàn)，各工況的CO2體積分?jǐn)?shù)沿縱向均具有穩(wěn)定且顯著的線性特征，這由穩(wěn)定的CO2排放速率和通風(fēng)水平?jīng)Q定.由于數(shù)值模擬中未考慮洞外路面尾氣的進(jìn)入和大氣環(huán)境中的基準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)，對(duì)各工況進(jìn)行定截距為0 的線性擬合，對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)a進(jìn)行對(duì)比，如圖6(c)所示，得到以下規(guī)律.

圖6 CO2 縱向整體分布規(guī)律Fig.6 Vertical overall distribution law of carbon dioxide

1）同交通量下雙向交通的增長(zhǎng)系數(shù)遠(yuǎn)大于單向交通，其根本區(qū)別在于通風(fēng)壓力，16.23 Pa 的通風(fēng)壓力差值使得雙向交通的a相對(duì)單向交通提高了335%，說(shuō)明通風(fēng)水平對(duì)CO2體積分?jǐn)?shù)分布的影響顯著.

2）同交通量下曲線隧道的增長(zhǎng)系數(shù)比直線隧道高5.7%，說(shuō)明線型對(duì)CO2分布的影響較小.

3）同交通量基本通風(fēng)水平下隧道長(zhǎng)度對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)的影響較小.

4）加寬帶處的CO2體積分?jǐn)?shù)存在增長(zhǎng)速率明顯減緩的現(xiàn)象，說(shuō)明加寬帶具有一定的緩沖作用，但整體來(lái)看，同交通量下加寬帶的存在會(huì)增大增長(zhǎng)系數(shù)，a提高約21.3%.

5）250 m 橫通道處的CO2體積分?jǐn)?shù)存在明顯的陡增現(xiàn)象，說(shuō)明左洞出口的高體積分?jǐn)?shù)CO2能夠通過(guò)橫通道擴(kuò)散至右洞，但750 m 橫通道對(duì)斷面平均值的作用不明顯，整體來(lái)看，同交通量下橫通道的存在會(huì)增大增長(zhǎng)系數(shù)，a提高約25.3%.

3.2 斷面各測(cè)點(diǎn)的分布規(guī)律

為了探究隧道襯砌混凝土周圍的CO2體積分?jǐn)?shù)，反映不同工況下隧道中CO2沿橫斷面的分布特征，沿?cái)嗝孑喞€內(nèi)0.5 m 距離由下向上且左、右對(duì)稱取7 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析.測(cè)點(diǎn)A（A'）、B（B'）、C（C'）、D高度分別為1.5、3.5、5.5、7.24 m，其中測(cè)點(diǎn)A、B、C分別與移動(dòng)式監(jiān)測(cè)、固定式監(jiān)測(cè)基本同高.

3.2.1 直線隧道斷面的分布規(guī)律

1）對(duì)比工況1 和工況2 的橫斷面云圖（見(jiàn)圖7(a)、(b)）可知，當(dāng)通風(fēng)流暢時(shí)，CO2分布呈現(xiàn)橢圓擴(kuò)散狀；反之，則呈現(xiàn)微凹型.這是由于重力作用下CO2會(huì)在底部積聚，通風(fēng)順暢時(shí)風(fēng)壓能夠完全克服沿程阻力，CO2將沿縱向往四周較均勻地?cái)U(kuò)散，而通風(fēng)不暢時(shí)一方面由于風(fēng)壓較小，CO2受重力影響更大，在左、右向的擴(kuò)散大于向上的擴(kuò)散，另一方面由于風(fēng)壓無(wú)法完全克服墻壁的摩擦，導(dǎo)致CO2在底部和兩邊積聚.

圖7 直線隧道的CO2 斷面分布圖Fig.7 Carbon dioxide section distribution of straight tunnel

2）對(duì)比圖7(c)、(d)、(e)可知，測(cè)點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)沿?cái)嗝鎸?duì)稱，且與位置關(guān)系顯著，位置越低，體積分?jǐn)?shù)越大，因此測(cè)點(diǎn)分析僅選用一側(cè)的4 個(gè)測(cè)點(diǎn).單測(cè)點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)變化與距離不呈現(xiàn)嚴(yán)格的線性關(guān)系，而是存在一個(gè)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)前體積分?jǐn)?shù)較小，基本不變，拐點(diǎn)后呈現(xiàn)線性變化趨勢(shì)，該現(xiàn)象與移動(dòng)式監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖2(d)、(e)）相似.這是由于模擬中未考慮洞外路面尾氣的進(jìn)入，在重力作用和通風(fēng)條件下CO2的擴(kuò)散需要一定的距離和時(shí)間，而現(xiàn)實(shí)中洞外路面尾氣的進(jìn)入影響程度不一，因此移動(dòng)式監(jiān)測(cè)工況S1、S2 呈現(xiàn)線性關(guān)系，工況S3、S4 與模擬結(jié)果類似.

3）消除工況1、2、4 各測(cè)點(diǎn)的拐點(diǎn)影響后進(jìn)行線性擬合，增長(zhǎng)系數(shù)的對(duì)比如圖7(f)所示.可知，在基本通風(fēng)水平下，長(zhǎng)度對(duì)各測(cè)點(diǎn)a的影響較小.在同交通量下，通風(fēng)水平對(duì)各測(cè)點(diǎn)的a影響顯著，較低的通風(fēng)水平會(huì)明顯地增大測(cè)點(diǎn)A、B、C的a，減小測(cè)點(diǎn)D的a.

4）工況4 的模型參數(shù)與史家山隧道較相似，可以進(jìn)行一定的對(duì)比.其中史家山隧道移動(dòng)式監(jiān)測(cè)的增長(zhǎng)系數(shù)為0.256×10-6m-1，工況4 中A測(cè)點(diǎn)與移動(dòng)式監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，增長(zhǎng)系數(shù)為0.43×10-6m-1，略高于實(shí)際.這一方面是由于數(shù)值模擬采取了較不利的交通量，另一方面是由于數(shù)值模擬未考慮熱尾氣溫升力、射流風(fēng)機(jī)升壓和實(shí)時(shí)交通風(fēng)局部擾動(dòng)等作用，對(duì)現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化.從CO2的空間分布規(guī)律以及增長(zhǎng)系數(shù)的數(shù)量級(jí)和數(shù)值大小來(lái)看，采用的CO2排放量計(jì)算方法及數(shù)值模擬方式具有一定的合理性.

3.2.2 曲線隧道斷面的分布規(guī)律 與直線隧道較對(duì)稱的斷面分布不同，曲線隧道呈現(xiàn)出明顯的外側(cè)少、內(nèi)側(cè)多的特征，如圖8(a)所示.其中，測(cè)點(diǎn)A、B的體積分?jǐn)?shù)顯著高于直線工況，但測(cè)點(diǎn)C、D、A'、B'、C'呈現(xiàn)出體積分?jǐn)?shù)基本未增加的狀態(tài)，如圖8(b)、(c)所示.這說(shuō)明曲線特征使得CO2在內(nèi)側(cè)底部產(chǎn)生了局部聚集.測(cè)點(diǎn)A、B在曲線后半部分均產(chǎn)生了振蕩，這與移動(dòng)式監(jiān)測(cè)工況S4 吻合.當(dāng)考慮曲線隧道碳化問(wèn)題時(shí)，應(yīng)著重注意曲線內(nèi)側(cè)底部，建議在隧道中后部選取極值作為安全體積分?jǐn)?shù).

圖8 曲線隧道的CO2 斷面分布圖Fig.8 Carbon dioxide section distribution of curved tunnel

3.2.3 加寬帶的影響規(guī)律 加寬帶的存在對(duì)斷面分布的影響具有明顯的區(qū)段性.如圖9(a)、(b)所示，加寬帶位置以前的斷面分布與工況4 相同，均為橢圓擴(kuò)散、對(duì)稱分布，但在加寬帶位置后，由于加寬帶的存在，CO2分布產(chǎn)生整體向加寬帶一側(cè)的聚集.從測(cè)點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)變化來(lái)看，750 m 處測(cè)點(diǎn)A'、B'產(chǎn)生了陡增現(xiàn)象，40 m 長(zhǎng)度的加寬帶后測(cè)點(diǎn)C'、D產(chǎn)生了陡增現(xiàn)象，測(cè)點(diǎn)A'、B'產(chǎn)生了先陡降，后平穩(wěn)增長(zhǎng)直至下降的現(xiàn)象.這主要是由于CO2在加寬帶處受到了緩沖和聚集，在重力作用下隧道底部的體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生了陡增現(xiàn)象，但由于離開(kāi)加寬帶時(shí)斷面面積減小，CO2向出口的流動(dòng)受到阻擊，從而向拱頂下方左方進(jìn)行擴(kuò)散，因此導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)C'、D的體積分?jǐn)?shù)陡增.整體來(lái)看，各測(cè)點(diǎn)在出口部位的增長(zhǎng)速率均有放緩，但大致符合線性規(guī)律，因此消除各測(cè)點(diǎn)的拐點(diǎn)影響后進(jìn)行線性擬合.對(duì)比增長(zhǎng)系數(shù)，如圖9(c)所示.可知，相對(duì)工況4，加寬帶的存在會(huì)增大各測(cè)點(diǎn)的增長(zhǎng)系數(shù)，加寬帶一側(cè)的測(cè)點(diǎn)A'、B'體積分?jǐn)?shù)低于另一側(cè)，測(cè)點(diǎn)C'體積分?jǐn)?shù)高于另一側(cè).

圖9 1 000 m 直線（有加寬帶）隧道CO2 斷面分布圖Fig.9 Carbon dioxide section distribution of 1 000 m straight line (with broadband) tunnel

3.2.4 橫通道影響規(guī)律 如圖10(a)、(b)所示，靠近橫通道一側(cè)的測(cè)點(diǎn)A'、B'、C'在250 m 處的體積分?jǐn)?shù)顯著提高，然后逐漸降低，再升高，但在750 m處測(cè)點(diǎn)A'、B'、C'的體積分?jǐn)?shù)分別呈現(xiàn)陡增、平緩和下降的現(xiàn)象，整體來(lái)看，750 m 后各測(cè)點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)均放緩.可見(jiàn)，橫通道的存在對(duì)CO2斷面分布的影響顯著，具有一定的互補(bǔ)式通風(fēng)效果.整體來(lái)看，靠近橫通道一側(cè)測(cè)點(diǎn)在出口部位的體積分?jǐn)?shù)略低于另一側(cè)的測(cè)點(diǎn)，中間部位的體積分?jǐn)?shù)變化劇烈，但另一側(cè)大致符合線性規(guī)律，因此消除另一側(cè)各測(cè)點(diǎn)的拐點(diǎn)影響后進(jìn)行線性擬合.對(duì)比增長(zhǎng)系數(shù)，如圖10(c)所示.可知，相對(duì)工況4，橫通道的存在會(huì)增大斷面各測(cè)點(diǎn)的增長(zhǎng)系數(shù).

圖10 1 000 m 直線（有橫通道）隧道的CO2 斷面分布圖Fig.10 Carbon dioxide section distribution of 1 000 m straight line (with cross channel) tunnel

4 結(jié)論

（1）公路隧道直線段的運(yùn)營(yíng)期CO2體積分?jǐn)?shù)沿縱向具有明顯的線性遞增特征，通常情況下隧道出口處的CO2體積分?jǐn)?shù)最高，可達(dá)691×10-6～1 226×10-6，為一般大氣環(huán)境水平的2～4 倍.增長(zhǎng)系數(shù)a與通風(fēng)水平、線形、長(zhǎng)度以及加寬帶和橫通道等有關(guān)，其中通風(fēng)水平對(duì)a的影響最大，加寬帶和橫通道會(huì)顯著增大a，長(zhǎng)度和線型對(duì)a的影響較小.基本水平b與測(cè)點(diǎn)位置有關(guān)，5.5 m 高度處大致為450×10-6，1.5 m 高度處大致為550×10-6.

（2）公路隧道運(yùn)營(yíng)期CO2體積分?jǐn)?shù)水平沿橫斷面的分布具有明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象和重力效應(yīng)，整體上呈現(xiàn)從下向上體積分?jǐn)?shù)減小的特征.直線隧道的斷面分布對(duì)稱，通風(fēng)順暢時(shí)分布為橢圓擴(kuò)散狀，不暢時(shí)為微凹狀.曲線隧道呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)底部集中、外側(cè)極小的現(xiàn)象.加寬帶具有緩沖作用，使得斷面整體分布向加寬帶一側(cè)聚集，但加寬帶一側(cè)的測(cè)點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)總體低于另一側(cè).橫通道具有明顯的互補(bǔ)式通風(fēng)效果.

（3）公路隧道運(yùn)營(yíng)期CO2的體積分?jǐn)?shù)分布具有明顯的時(shí)變特征，8 點(diǎn)、12 點(diǎn)、17 點(diǎn)出現(xiàn)日體積分?jǐn)?shù)極值，周末出現(xiàn)周體積分?jǐn)?shù)極值，總體具有周期性，體積分?jǐn)?shù)與交通量水平顯著相關(guān).

（4）基于隧道內(nèi)部交通量的特性，給出隧道內(nèi)部CO2體積分?jǐn)?shù)分布的具體模擬方法.利用本研究的CO2排放量計(jì)算方法及數(shù)值模擬方式，能夠在一定程度上準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)實(shí)情況中CO2的排放與隧道中CO2的分布特性.

（5）公路隧道的交通流情況、通風(fēng)水平、幾何特征與細(xì)部構(gòu)造等對(duì)運(yùn)營(yíng)環(huán)境CO2體積分?jǐn)?shù)的空間分布具有顯著影響，進(jìn)一步的研究應(yīng)針對(duì)不同影響因素進(jìn)行更準(zhǔn)確的定量分析，為隧道襯砌碳化耐久性的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).

（6）運(yùn)營(yíng)期隧道CO2體積分?jǐn)?shù)時(shí)空分布的數(shù)值模擬應(yīng)同時(shí)考慮通風(fēng)壓力、重力作用、熱尾氣浮力作用、射流風(fēng)機(jī)升壓擾動(dòng)作用和交通風(fēng)的局部擾動(dòng)作用等，提高數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性.

（7）基于公路隧道運(yùn)營(yíng)環(huán)境CO2體積分?jǐn)?shù)的時(shí)空分布特征，為了保證隧道通行人員的駕駛安全和隧道襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性，應(yīng)對(duì)不同隧道部位及區(qū)段進(jìn)行駕駛安全和碳化風(fēng)險(xiǎn)分析.針對(duì)性地采取措施，包括混凝土材料優(yōu)化、混凝土表面封堵、CO2主動(dòng)吸附和定期增強(qiáng)通風(fēng)等.