自然通风在城市道路隧道中的应用研究

陈玉远，甘 甜

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

0 引言

为缓解或有效解决城市经济快速发展带来的交通问题，修建城市道路隧道在世界各国呈现急剧增长的趋势，城市交通隧道作为城市立体交通方式，在缓解城市交通压力方面具有明显优势，在减少城市道路用地、缩短行车里程、疏导城市交通方面起到积极作用。但由于隧道洞口大多置于城市中心的主要街区或居民区附近，若布置不合理，不加以科学规划与处置，车辆沿隧道通行所排放的废气会在车辆行驶过程中形成气流作用从隧道出口集中排放，容易造成洞口附近污染物浓度超标，从而带来一系列的污染和安全问题［1-3］。

对于城市道路隧道的污染物排放问题一直是相关人员的研究热点，徐丽［3］采用CFD方法，以广州康王隧道为研究对象，对城市公路隧道洞口周围环境污染物浓度分布情况进行系统数值模拟研究。童艳等［4］采用模型试验，结合量纲分析的方法对竖井自然通风的相似准则进行了研究。郭强等［5］采用三维数值计算的方法，对城市地下道路排放的污染物与地面交通干道产生的污染物扩散以后所发生综合作用的结果进行模拟预测。范磊等［6］采用三维数值模拟的方法，对风井出口废气的对流扩散特征进行了模拟和分析，揭示了在不同外界风速和风向的条件下，出口处废气的扩散特征以及对其周围空气形成的污染范围。匡江红等［7］采用三维数值模拟的方法，对隧道洞口污染物的扩散情况进行了预测和分析，揭示了在不同风向条件下，隧道洞口废气的扩散特征，并根据计算结果提出了一种较为经济的控制污染物排放的方案。杨玉容等［8］针对特长公路隧道出口废气扩散浓度场受非恒定多因素作用的特点，提出了基于极值的浓度测试分析方法。王子云等［9］采用CFD技术和气体扩散方程，对某城市双洞隧道CO扩散进行模拟分析，探讨城市双洞隧道污染物扩散情况，分析车辆出口隧道对车辆进口隧道污染物扩散的影响，以及讨论隧道洞口设置隔墙对入口隧道设计环境改善的必要性。田利伟［10］通过采用大型环境风洞试验的方法，研究了绿化隔离带以及中隔墙对城市交通隧道洞口污染的扩散影响。以上研究主要针对洞口污染物的排放与扩散，而对于自然通风的通风效果研究甚少。本文以某城市道路隧道为例，采用SES和CFD模拟软件对自然通风的通风效果进行了计算分析，以期为今后类似工程的设计提供新思路。

1 工程概况

昆明东外环中路隧道为城市快速路，呈南北走向，隧道长度1 695 m，双向6车道，设计时速60 km/h。右线隧道出口无环境敏感区域，左线隧道出口为居民区，与洞口距离约35 m。线路平面布置如图1所示。因此，重点研究左线隧道出口的污染物扩散。

图1 线路平面布置示意图Fig．1 Plan layout of tunnel

2 隧道内通风计算标准

2．1 隧道内通风卫生标准

通风标准按我国现行的JTJ 026．1《公路隧道通风照明设计规范》执行，详见表1。

表1 通风卫生标准Table 1 Health standard of ventilation

隧道内风速应满足稀释空气中异味的需风量要求，每小时换气5次。

2．2 尾气排放标准

现行的JTJ 026．1《公路隧道通风照明设计规范》推荐CO基准排放量取值为0．01 m3/(辆·km)，并按每年1%～2%速度递减。烟雾的基准排放量参照规范的推荐值为2．5 m2/(辆·km)。本次计算按规范要求，按每年2%递减，并根据不同年份的尾气排放量及相应预测交通量进行需风量计算，见表2。

2．3 设计交通量

根据《昆明南站交通分析》报告，远期(2030年)预测单向高峰小时交通量为4 312pcu/h。车型比例按表3计算。

表2 尾气排放标准Table 2 Vehicle exhaust discharging standard

表3 隧道内车型比例Table 3 Proportions of different types of vehicles in tunnel

3 隧道通风系统设计

3．1 需风量计算

根据远期预测交通量和尾气排放标准对左线隧道远期需风量进行计算，计算结果如表4所示。

表4 需风量计算结果Table 4 Calculation results of air volumes needed

由表4可以看出稀释隧道内烟雾所需风量最大，隧道设计计算需风量取458 m3/s。

3．2 通风方案

国内外对于2 km以下隧道多采用射流风机全纵向通风方案，污染物通过隧道洞口直接排放，对于2 km以上隧道多采用竖井分/合流纵向通风方式。本隧道长度较短，采用射流风机全纵向通风方案。

根据线路专业提供的平面资料知，左线隧道出口335 m范围内为绿化带，可以在绿化带内设自然通风口，利用自然通风降低正常运营通风能耗，并且自然通风口可以起到分散排污的效果，降低洞口污染物的排放量，减少对洞口附近环境影响。以下对左线隧道有无自然通风口的隧道通风系统设计进行对比分析。

3．2．1 无自然通风口方案

经计算左线隧道10 km/h交通阻滞时射流风机所需推力最大，需要安装24台(直径1 000 mm射流风机，30 kW，出口风速33．2 m/s)可逆射流风机，3台一组，顶部安装，射流风机分别布置在两端隧道洞口，其中进出口各设4组。风机运行数量如表5所示。

表5 左线隧道射流风机运行数量表Table 5 Operating parameters of jet fans

3．2．2 有自然通风口方案

小里程端洞口335 m范围内隧道上部路面为绿化带，考虑在绿化带内设自然通风口，通风口设置位置结合路面绿化带和景观确定。通风口设置在隧道宽度方向的中部，宽度为4 m，每处通风口设置长度为10 m，共设10处，设置总长度为100 m。自然通风口效果图如图2所示。

图2 自然通风口效果图Fig．2 Pictures of natural ventilation intakes

采用 SES4．1(Subway Environment Simulation Program，美国城市公共运输部和运输发展公司开发)模拟软件对有自然通风口时隧道正常运营通风进行了模拟计算［11］。根据隧道结构形式建立计算节点图，见图3。隧道通风模拟结果如表6所示。

图3 隧道通风计算节点图Fig．3 Calculation nodes of tunnel ventilation

表6 隧道通风量计算结果Table 6 Calculation results of air volumes needed

由表6可知，左线自然通风口污染物分流比例为15%，与无自然通风口方案相比从隧道出口排出的污染物总量相对减少，污染物影响范围缩小。

有自然通风口时左线隧道射流风机运行数量如表7所示。

表7 左线隧道射流风机运行数量表Table 7 Operating parameters of jet fans

由表5和表7计算结果可以看出，有自然通风口时左线射流风机台数由原来的24台减少为18台。

由于有自然通风口方案的风机配置台数、洞口污染物排放量均优于无自然通风口方案，因此推荐采用有自然通风口方案。隧道通风系统平面布置示意图如4所示。

图4 左线隧道通风系统平面布置示意图Fig．4 Plan layout of ventilation system of left tunnel tube

3．3 隧道洞口环境评价

左线隧道出口右侧为居民区，属于环境敏感区域，居民区与左线隧道出口之间距离约35 m，左线隧道污染物采用洞口和自然通风口分散排放的方式，污染物会对洞口周边一定范围内环境产生影响。采用CFD模拟软件对洞口污染物扩散范围进行了研究。

利用AirPak建立洞口全尺寸模型，模型示意如图5所示。

图5 左线隧道出口模型Fig．5 Model of exit portal of left tunnel tube

计算边界条件为隧道洞口高5．65 m，宽13 m，隧道水力直径8．06 m，洞口外模拟区域范围为200 m(X)×200 m(Y)×20 m(Z)。

隧道内通风风速6．7 m/s，室外风速取冬季平均风速2．0 m/s，风向按最不利情况计算，即风向吹向居民区。

根据汽车尾气排放标准和隧道内车流量可得隧道内CO和NO2的总排放量分别为12．17 kg/h和2．77 kg/h，由于自然通风口的分流作用，洞口CO和NO2的总排放量分别为10．34 kg/h和2．35 kg/h，隧道内通风量492 m3/s，因此洞口CO和NO2的质量浓度分别为5．8 mg/m3和 1．3 mg/m3。

本工程执行现行的GB 3095《环境空气质量标准》中二级标准，CO和NO2质量浓度分别为:CO每小时平均10 mg/m3，NO2每小时平均0．24 mg/m3。可以看出洞口CO浓度可以满足二级标准要求，NO2浓度高于二级标准要求，洞口NO2的扩散浓度及速度分布见图6和图7。

图6 左线洞口NO2浓度分布云图Fig．6 Cloud of distribution of NO2concentration at portal of left tunnel tube

可以看出，在洞口右侧约24m位置处NO2浓度可达0．24 mg/m3，满足GB 3095《环境空气质量标准》中二级标准的要求，居民区距离隧道洞口约35 m，因此，采用自然通风口和隧道洞口分散排污的方式可以满足洞口周边空气质量要求。

图7 左线洞口NO2速度分布矢量图Fig．7 Vector of distribution of NO2velocity at portal of left tunnel tube

通过对无自然通风口条件下隧道出口的NO2扩散范围进行计算可知，洞口右侧30 m之外范围可以满足GB 3095《环境空气质量标准》中二级标准的要求，已接近居民区，与设自然通风口方案相比，污染物扩散距离增加，不利于隧道洞口的环境保护。

4 结论与讨论

1)将自然通风成功地应用于昆明东外环中路左线隧道通风系统中，解决了隧道洞口污染物集中排放对周边环境的影响，为类似工程提供指导和借鉴意义。

2)利用SES和CFD模拟软件，分析得出隧道在采用自然通风时，可有效减少出口污染物排放总量和污染物的扩散范围。

3)自然通风口的大小、间距如何设置才能保证最佳的排污效果以及阻滞和火灾工况下的通风排烟效果将是本课题下一步研究的方向。

［1］韩直．公路隧道通风设计的理念与方法［J］．地下空间与工程学院，2005，1(3):464-466．(HAN Zhi．Concept and method of ventilation design for highway tunnel［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005，1(3):464-466．(in Chinese))

［2］匡江红，余斌，魏建，等．城市隧道口污染物排放的分析研究［J］．热科学与技术，2006，5(3):245-250．(KUANG Jianghong，YU Bin，WEⅠJian，et al．Analysis and research on pollutants discharge from urban tunnel portals［J］．Journal of Thermal Science and Technology，2006，5(3):245-250．(in Chinese))

［3］徐丽．城市公路隧道洞口污染物扩散数值模拟［D］．成都:西南交通大学，2007．(XU Li．Numerical simulation study of contamination diffusion from a road tunnel portal［D］．Chengdu:Southwest Jiaotong University，2007．(in Chinese))

［4］童艳，施明恒，茅靳丰，等．竖井型公路隧道自然通风过程的实验研究［J］．暖通空调，2009，39(9):61-65．(TONG Yan，SHⅠMingheng，MAO Jinfeng，et al．Experimental study of natural ventilation for road tunnels with shafts［J］．Journal of HV＆AC，2009，39(9):61-65．(in Chinese))

［5］郭强，陈超，任明亮．城市地下道路与地面交通污染综合作用研究［J］．地下空间与工程学报，2009，5(6):1280-1283．(GUO Qiang，CHEN Chao，REN Mingliang．Preliminary study on the conjunct influences of pollutant from the urban underground highway and ground traffic［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009，5(6):1280-1283．(in Chinese))

［6］范磊，曾艳华，何川．风井出口废气扩散的模拟及控制研究［J］．地下空间与工程学报，2007，3(5):822-825，848．(FAN Lei，ZENG Yanhua，HE Chuan．Simulation and control study of exhaust gas diffusion from a vent tower port［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007，3(5):822-825，848．(in Chinese))

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［10］田利伟．城市交通隧道洞口污染物扩散的控制策略研究［J］．建筑热能通风空调，2011，30(2):28-32．(TⅠAN Liwei．Research on control strategy of pollutants diffusion from traffic tunnels［J］．Building Energy ＆ Environment，2011，30(2):28-32．(in Chinese))

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