竖井型公路隧道自然通风潜力评价

刘林林 童艳

南京工业大学城市建设与安全工程学院

竖井型公路隧道自然通风潜力评价

刘林林 童艳

南京工业大学城市建设与安全工程学院

引入“污染系数”和“标准数”概念来评价城市竖井型公路隧道的自然通风潜力，分别给出正常行车工况下隧道的污染系数和阻滞工况下标准数计算方法。对南京某下穿隧道进行实例计算分析，采用三种CO浓度标准限值（10ppm、30ppm和50ppm），得出正常行车工况下四种典型车速（20km/h、40km/h、60km/h和80km/h）各段隧道污染系数以及阻滞工况下（车速≤10km/h）隧道标准数。研究表明：正常行车工况下，车速越快，污染系数越小，自然通风潜力越大；而阻滞工况下，车辆积压，散出热量大，促使CO气体从竖井排出，标准数基本满足要求。

竖井型 公路隧道 自然通风潜力评价 污染系数 标准数

目前，国内对城市竖井型公路隧道的研究越来越多，相应的实体隧道相继建成，如成都红星路下穿隧道、南京西安门隧道、通济门隧道以及新模范马路隧道等。通过多位学者研究，基本上掌握了竖井型公路隧道内气流运动规律和污染物扩散运动规律等[1～4]，但仍缺少一种合理评价该类隧道自然通风潜力的方法。因此，本文引入“污染系数”和“标准数”概念分别对竖井型公路隧道在正常行车工况（选择四种典型车速20km/h、40km/h、60km/h和80km/h）和阻滞工况（车速≤10km/h）下的自然通风潜力进行评价。

1 自然通风潜力评价

1.1 污染系数和标准数

污染系数为隧道内污染物实际浓度与污染物浓度标准限值的比值，即：

式中：φ表示污染系数；ci为隧道计算段i的污染物浓度，ppm；clim为污染物浓度标准限值，ppm。

标准数为隧道最小需风量与实际通风量比值[5～6]，即：

式中：Μ表示标准数；Q为隧道实际通风量，m3/s；Qmin为隧道最小需风量，m3/s。

当φ≤1或Μ≤1时，表明隧道自然通风潜力大，仅依靠自然通风即可使隧道内污染物浓度达到卫生标准。

当φ＞1或Μ＞1时，表明隧道自然通风潜力小，仅依靠自然通风不足以使隧道内污染物浓度达到卫生标准。在这种情况下，需要辅助通风，即在隧道竖井内安装机械风机。

1.2 评价方法

正常行车工况和阻滞工况下隧道气流运动规律不同，此外竖井的存在，竖井组周边的污染物浓度与暗埋段处的污染物浓度存在差异。因此采用两种评价方法，具体步骤如下：

1）对于正常行车工况，将隧道出入口与其相邻竖井之间的隧道主体各划分为一个计算段；相邻两竖井之间的隧道主体划分为一个计算段；对于阻滞工况，将隧道看成整体，即一个计算段。

2）计算出正常行车工况下隧道各计算段的污染物浓度和阻滞工况下整个隧道的实际通风量及最小需风量，并采用式（1）和式（2）计算出污染系数和标准数。

3）根据各计算段污染系数和整个隧道的标准数，综合评价竖井型公路隧道的自然通风潜力。

2 各计算段风速

2.1 正常行车工况

正常行车工况下，隧道车辆车速大而车数少，使得“活塞风”较大而车辆散热不足，从而导致强风压与弱热压，故本文假设车辆等间距匀速行驶，隧道内外无温差，不考虑热压作用[7]。

2.1.1 交通风力

交通风力为由于隧道内汽车运动使得其对隧道内空气产生的推动力。对于计算段i交通风力为：

式中：Pti为交通风力，Pa；ni为计算段i通过的车辆数；Ar为隧道净空截面积，m2；vt为汽车行驶速度，m/s；ui为计算段i断面空气速度，m/s；Am为汽车等效阻抗面积，即汽车正面投影面积，m2。

2.1.2 通风阻力损失

各计算段自然风阻力损失△Pmi可按下式计算：

式中：△Pmi为隧道计算段i的自然风阻力损失，Pa；ξi为计算段i的损失系数，入口段为ξe，出口段为1，其余中间段均为0；λi为计算段i的壁面摩擦阻力系数；li为计算段i的长度，m；d为计算段断面当量直径，m；Vn为自然风速，m/s；ρ为空气密度，kg/m3。

由隧道内车辆运动产生的交通风力使得隧道壁面摩擦所引起的交通风力流动损失△Pr，可按下式计算：

式中：△Pri为隧道计算段i的自然风阻力损失，Pa；ui为隧道计算段断面风速，m/s。

由竖井内气流流动而使得竖井壁面摩擦而引起的气流流动阻力损失△Psj，可按下式计算：

式中：△Psi为隧道计算段i的竖井内气流流动阻力损失，Pa；ζsi为竖井i局部阻力系数；λsi为竖井i壁面沿程阻力系数；lsi为竖井i高度，m；dsi为竖井i断面当量直径，m；usi为竖井 i内气流速度，m/s，usi=(ui+1-ui) Ar/Asi，其中Asi为竖井i截面积，m。

2.1.3 气体流动压力平衡

对于全隧道，根据能量守恒定律，交通风力与通风阻力损失相等，得出下式：

对于各竖井，根据节点压力平衡原理，竖井底部开口节点处的压力Psi与从隧道出入口算起到该处所有计算段交通风力与流动阻力平衡，得出下式：

式中：Psi=△Psi+P0，P0为外界大气压力。

联立式（3）～（8）可以得到m个方程组成的高度非线性方程组。通过求解该方程组，可以得到隧道各计算段断面风速（u1，u2，…，um）和竖井断面风速（usj1，usj2，…，usj(m-1）)。

2.2 阻滞工况

在交通阻滞工况下（车速≤10km/h），隧道内车辆行驶速度小，车辆积压，散热大，自然风速较小。因此，该工况仅考虑热压作用，忽略风压。隧道实际通风量的计算公式[8]如下：

式中：q0为单个汽车单位时间发热量，W，取9170；Nr为隧道内存在的汽车数量；Ls为竖井高度，m；ρr、ρs和ρw分别为隧道内、竖井内和室外空气的密度，kg/m3；ui为进入隧道的空气流速，m/s，ui=0.5×Q/Ar；usi为竖井排风风速，m/s，usi=Q/Asi；ξs为竖井排风局部阻力系数；Cp为空气定压比热，kJ/(kg·℃)；n为竖井个数；m为有效热压系数，针对隧道发热体分布形式，可取0.6；R为气体常数，取287J/(kg·K)。

联立式（6）～（16）组成的方程组，可以计算出全隧道的实际通风量Q和进入隧道空气流速ur。

3 隧道污染物浓度

隧道通风主要是对一氧化碳（CO）、烟雾和异味污染物进行稀释[8]，而三者中以一氧化碳为主[9]。因此，本文仅考虑一氧化碳一种污染物。

3.1 污染物扩散方程组

隧道内污染物的扩散受分子扩散、对流运移与紊流扩散的影响。由于公路隧道为细长结构，忽略分子扩散与环境温度变化对流场和扩散物质特性的影响，机动车排入隧道内的污染物在隧道横截面上快速扩散均匀[10]。因此，污染物浓度c仅仅是时间t与隧道轴向长度x的函数，即：c=c(x,t)。对于隧道计算段i，污染物对流扩散方程[11]:

式中：ci为一氧化碳气体在隧道计算段i横截面上的平均体积浓度，mL/m3；si和pi分别为计算段i污染物源项和汇项，mL/(m·3s)；x指向行车方向；为计算段i横截面上的紊流污染物体积流率，它由大气湍流和汽车运动共同造成，即：（。根据梯度理论，大气湍流体积流率与浓度梯度成正比，即：为计算段i横截面上的平均紊流扩散系数，m2/s，它与ui、vt、Am、Ar等有关[11～12]。

由式（17），可以建立由上述m个污染物扩散方程构成的方程组。

源项主要为机动车污染物和由通风系统引入隧道空气中的污染物，计算公式如下：

式中：αi为进风系数，L/s；ci为竖井引入空气中含CO的浓度，ppm；qi为计算段i内机动车排放CO的量，ppm。

式中：qco为CO基准排放量，m3/辆·km；fa为考虑CO的车况系数；fd为车辆密度系数；fh为考虑CO的海拔高度系数；fiv为考虑CO的纵坡车速系数；fm考虑CO的车型系数；Li为计算段i长度，m；n为车型类别数；Nm为相应车型的设计交通量，辆/h[13]。

阻滞工况下，稀释CO最小需风量公式如下：

式中：δ为CO浓度限值，ppm；p0为标准大气压，Pa，取101325Pa；pt为隧址设计气压，Pa；T0为标准气温，K；Ts为隧道夏季的设计气温，K。

汇项主要为从竖井排出隧道的污染物以及污染物在隧道内的沉积，计算公式如下：

式中：βi为排风系数，L/s；ki为CO在隧道内的沉降率，L/s，很小可被忽略[14]。

3.2 污染物扩散方程组的求解

污染物扩散方程组求解方法参照文献[1]。

入口边界条件中隧道和竖井入口处CO浓度值取某日上午隧道入口处15分钟实测数据，如图1所示。c1取平均值，为3.8。计算段i-1的出口断面平均浓度ci-1为计算段i的入口断面平均浓度ci，即ci-1=ci。

图1 室外CO浓度逐时变化曲线

出口边界条件采用“局部单向划假设”[12、15]处理方法，即适用于出口边界位于没有回流的地方。交通阻滞工况下，隧道内交通风力小，部分计算段存在回流。因此，不适合使用该处理方法。

4 实例计算

4.1 隧道概况

某下穿单向行驶三车道竖井型隧道，位于南京市，全长1410m，净宽12m，净高5m。全程共有3个竖井组，共有24个竖井，单个竖井长12m（净长8m），宽3m，高6m，长边沿隧道纵向，顶部开口高出室外地面0.5m，底部开口与隧道侧壁面顶部平齐。两个竖井间距为12m，竖井开口率为3.4%。

4.2 正常行车工况

针对四种典型车速20km/h，40km/h，60km/h和80km/h，对应最大适应交通量分别为1330、1700、1800和1600（小客车·辆/h·车道）[13]。

4.2.1 隧道计算段划分

沿着车辆行车方向，将隧道主体段分别标记为计算段1，计算段2，…，计算段25，则整个隧道共有25个计算段，其中有三个竖井组，四个暗埋段，依次标识为竖井组1、2、3，暗埋段1、2、3，如图2所示。

图2 正常行车工况隧道计算段划分

4.2.2 污染系数计算

1）各个计算段风速

采用MATLAB软件计算由25个方程组成的高度非线性方程组，对四种典型车速分别计算，得到各计算段断面风速和竖井断面风速，如图3、图4所示。

图3 四种典型车速下各计算段断面风速

由图3、图4可见：正常行车工况，不同车速下隧道各计算段断面风速逐段变化趋势基本一致，暗埋段（即计算段1、7、12和25）断面风速高于竖井段断面风速。车辆行驶速度越大，各计算段断面风速越大。在20km/h、40km/h和60km/h三种车速下，主体断面风速逐段变化较为平缓，竖井交替出现进排风，竖井组3处计算段断面风速基本不变，竖井内基本无进排风，而在车速80km/h下，竖井组3处的主体断面风速出现上下波动，竖井内交替出现进排风现象，表明随着隧道内车速加快，隧道顶部的竖井对隧道气流运动影响增大。

图4 四种典型车速下各竖井断面进（排）风速

图5 四种典型车速下各计算段CO浓度

2）各计算段CO浓度

采用MATLAB软件求解由25个方程组成的污染物扩散方程组。CO基准排放量qco取1g/(km·辆)[16]。在标准状况下CO气体密度为1.25g/L，换算成常温常压下为1.145g/L，则qco=0.000873m3/(辆·km)。假设隧道中均为小客车，则CO车型系数fm取1.0。通过计算，得到各计算段的CO浓度，如图5所示。

沿行车方向CO浓度呈递增趋势，在计算段7和12处出现波峰。在车速20km/h下，隧道各计算段CO浓度最高，计算段7和12处的CO浓度分别为11.2ppm和15.6ppm，出口浓度达到29.0ppm。在车速40km/h、60km/h和80km/h下，各计算段CO浓度递增缓慢，略高于室外CO浓度，但远低于车速20km/h下各计算段段CO浓度，表明隧道内随着车辆行驶速度的加快，交通风力增强，竖井进、排风速度增大，各计算段污染物浓度迅速降低，自然通风效果良好。

图6 不同CO浓度标准限值下各计算段污染系数

3）污染系数

对于隧道内CO浓度控制范围的取值有多个标准。规范[13]中规定采用纵向通风方式的隧道CO稀释标准为300ppm。某研究表明，人体暴露于隧道时间15min，CO浓度推荐控制在160ppm之内；暴露时间30min，则要求CO浓度在100ppm之内[17]。

然而，从生理角度出发，当空气中的一氧化碳浓度达到10ppm，10分钟后人体血液内的碳氧血红蛋白（COHb）可达到2%以上，从而引起行动迟缓等神经系统反应；达到30ppm时，人体血液内的碳氧血红蛋白（COHb）可达到5%左右，可导致视觉和听力障碍；达到50ppm时，健康成年人可以承受8小时。

因此，随着人们对空气品质要求越来越高，规范[13]中CO控制浓度已不符合现实情况。本文选用三种CO浓度标准限值（10ppm、30ppm和50ppm），分别计算出各计算段的污染系数，结果如图6所示。

由图6可见：采用不同CO浓度标准限值，污染系数小于1的计算段个数不同。当采用30ppm和50ppm限值，四种车速下各计算段污染系数均小于1，即CO浓度均满足要求。当采用10ppm限值，仅车速20km/h和40km/h工况存在污染系数大于1。车速20km/h工况，从计算段6到隧道出口，污染系数均高于1；车速40km/h工况下，仅出口段污染系数高于1；然而，车辆以平均车速20km/h通过隧道不足五分钟，CO仅会造成人体不适，不会造成较大伤害。

4.3 阻滞工况

假定车辆等间距匀速行驶，平均行车速度为10km/h，单向交通每车道最大适应交通量为950小客车·辆/h。

4.3.1 计算段划分

在阻滞工况下，车辆在隧道内积压，释放出大量热量，造成每个竖井内气流均向外流出，因此将隧道看成一个整体。

4.3.2 标准数计算

1）实际通风量

通过计算由式（9）～（16）组成的方程组，得出隧道实际通风量Q，结果见表1。

表1 隧道实际通风量

2）最小需风量

联立式（20）和（21），计算出隧道最小需风量，结果见表2。

表2 不同CO浓度标准限值下隧道最小需风量

3）标准数

由式（2）可计算出不同CO浓度限值下的标准数，如图7所示。当采用10ppm或30ppm作为CO浓度限值时，标准数高于1，然而，车辆以平均车速10km/h通过隧道时间不足十分钟，对人体影响较小。当采用50ppm作为CO浓度限值时，标准数为0.95，低于1，即隧道内实际通风量大于最小需风量，仅依靠自然通风作用即可使隧道内CO浓度达到卫生要求。

图7 不同CO浓度限值下隧道标准数

5 结语

公路隧道中竖井的应用大大提高了隧道内空气品质，但仍缺少一种合理评价该类隧道自然通风潜力的方法。本文提出“污染系数”和“标准数”概念分别评价竖井型公路隧道正常行车工况和阻滞工况下隧道自然通风潜力。通过实例计算研究表明：隧道污染系数或标准数越小，自然通风潜力越大；反之，自然通风潜力较差，即仅依靠自然通风不能满足要求，此时需要设置机械风机进行辅助通风。通过对比三种CO浓度限值（10ppm、30ppm和50ppm），得出旧的规范中CO浓度限值已不符合现状。此外，本文中存在一些假设，因此需要对其进一步量化研究，便于准确地评价竖井型公路隧道的自然通风潜力，为竖井型公路隧道设计提供依据或参考。

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As s e s s m e nts of Na tura l Ve ntila tion Pote ntia l of Highw a y Tunne l w ith Sha fts

LIU Lin-lin,TONG Yan
College of Urban Construction and Safety Engineering,Nanjing University of Technology

The concept of“pollution coefficient”and“criteria number”is introduced to evaluate the natural ventilation potential of highway tunnel with shafts,the calculation method of“pollution coefficient”under normal driving and“criteria number”under traffic block is proposed.Through the calculation example analysis of a tunnel in Nanjing,three CO concentration standard limit(10ppm,30ppm and 50ppm)are adopted,the“pollution coefficient”under four typical speed under normal driving conditions(20km/h,40km/h,60km/h and 80km/h)paragraphs tunnel pollution coefficient and“criteria number”under traffic block (speed of 10km/h or less)is concluded.Research shows that:under normal driving conditions,the faster the speed,the smaller the pollution coefficient,the greater the potential for natural ventilation;and under block condition,the vehicle backlog,heat generated,prompting CO gas from shaft discharge,“criteria number”basic meet the requirements.

shaft,highway tunnel,assessments of natural ventilation potential,pollution coefficient,criteria number

1003-0344（2015）03-017-6

2014-1-9

童艳（1973～），女，博士，副教授；南京中山北路200号南京工业大学城市建设与安全工程学院暖通工程系（210009）；E-mail:tongyan_email@sina.com

国家自然科学基金（NO.51178217）；江苏省自然科学基金（BK2011804）