南昌红谷隧道通风及洞口污染物排放分析

中铁第六勘察设计院集团有限公司 王东伟中铁二院工程集团有限责任公司 苟红松中铁第六勘察设计院集团有限公司 戴 新

0 引言

随着经济的发展，人口的增长，城市交通非常繁忙，加上地下建筑的兴起，使得城市隧道越发普及[1]，城市隧道不仅可以缓解城市交通压力，而且可以极大缩短线路里程，减小对周围环境和人民生产、生活的影响[2]。然而，随着隧道建设长度、交通量和复杂程度的不断增大，运营通风已成为保障隧道使用功能、防灾与救援功能等的重要措施之一[3]。

城市道路隧道多建在城市中心区，为了满足交通疏解的需求，除了主线隧道外,通常还会设置多条匝道。隧道通风系统有多个支路，通风网络较为复杂，常规的通风计算方法对多匝道的隧道并不适用[4]。

王艳等人以营盘路隧道为例研究了多匝道公路隧道通风系统风网特点[5]；陈玉远采用SES软件，解决了多匝道通风网络解算的难题[4]；袁浩庭等人研究了城市地下隧道分(合)流匝道通风阻力特性[6]。目前对多匝道隧通风系统的研究主要集中在通风网络的解算和通风阻力特性上，而对多匝道隧道通风网络数据、洞口污染物排放浓度的实测工作开展得较少。本文以南昌红谷隧道为例，通过需风量计算、通风网络模拟及现场实测，并通过污染物扩散预测分析，总结多匝道城市道路隧道通风设计中有关洞口污染物排放的经验，供同行参考。

1 工程概况

红谷隧道连接南昌市红谷滩新区与东岸老城区(见图1)，为目前国内最大的内河沉管隧道，隧道采用互通立交形式与东岸路网衔接，匝道较多、接线复杂，通风网络相互影响。工程运营期废气污染源主要为机动车排放的尾气，所含的成分有200余种化合物，但主要为CO、NOx、碳氢化合物和可吸入颗粒物PM10。本文评价因子定为NO2和CO。

2 隧道通风设计标准及方案

2.1 主要设计标准

1) 隧道外空气环境控制标准。

隧道外空气环境参数取GB 3095—2012《环境空气质量标准》中的二级标准，见表1。

表1 隧道外空气环境参数 mg/m3

2) 室外气象参数。

夏季通风室外计算温度为32.7 ℃，冬季通风室外计算温度为5.3 ℃；年平均温度为17.6 ℃；夏季室外平均风速为2.2 m/s，冬季室外平均风速为2.6 m/s。

3) 尾气排放标准。

综合考虑各类型车辆的保有量、在用车的排放标准及车型组成等因素，隧道内汽车尾气排放标准按环境保护部发布的在用机动车综合排放因子选取[7]。运营初期按国Ⅲ标准计算，近期按50%国Ⅲ、50%国Ⅳ标准计算，远期按50%国Ⅳ、50%国Ⅴ标准计算。由于采用的计算模型不同，本文计算采用的尾气排放标准有别于国标及世界道路协会(Permanent International Association of Road Congresses，PIARC)2012R05EN报告中有关隧道需风量计算标准。

4) 大气污染物排放限值。

隧道洞口污染物浓度应满足环境空气质量标准，如果无法满足，应设置排风塔集中排放污染气体。排风塔高度应满足GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》的要求(见表2)。

表2 NOx污染物排放限值

对于隧道需风量计算，国内相关标准中缺少NOx等污染物基准排放量数据，仅对隧道内NO2设计浓度有规定(20 min内的平均设计体积分数取1.0×10-6)，因此，无法准确计算隧道内和洞口污染物浓度及排放速率。如果需要预测隧道洞口NO2的浓度分布，或根据排放速率确定排风塔的建设高度，则须借助世界道路协会(PIARC)等的相关标准。

5) 交通量预测。

根据2013年完成的隧道交通影响评价，隧道预测高峰小时标准车交通量初期(2018年)为2 988辆/h，中期(2024年)为5 040辆/h，远期(2032年)为5 136辆/h。隧道内仅限通行非危化品车辆，车型组成见表3。

2.2 隧道主要设计参数

隧道主线封闭段长度为北线2 415 m、南线2 480 m；隧道内行车速度主线按50 km/h、匝道按30 km/h设计。

表3 隧道内通行车型组成占比 %

隧道主线断面积为61 m2，匝道断面积为47 m2，道路净空高4.5 m。

2.3 隧道通风方案

隧道东岸采用互通立交形式与东岸道路衔接，隧道匝道较多，分合流点位于江中，隧道两岸暗埋段两侧高层建筑物较多，其中东岸沿江中大道东侧有滨江1号建筑(高167 m)，江西省水利厅(高80 m)；中山西路南侧有近水花园小区(高100 m)，隧道下游1 km有滕王阁景区；西岸怡园路两侧均为高层住宅小区。排风塔高度需在100 m以上，实施困难且严重影响周围景观。

隧道进出匝道较多，采取分散排放、多点疏散的理念，采用全纵向射流通风方式。

3 隧道通风洞口污染物扩散计算

3.1 隧道污染物源强度计算

根据JTG B03—2006《公路建设项目环境影响评价规范》，气态污染物排放源强度计算公式如下：

(1)

式中Qj为j类气态污染物排放源强度，mg/(m·s)；Ai为i型车预测年的小时交通量，辆/h；Eij为汽车专用公路运行工况下i型车j类污染物在预测年的单车排放因子，mg/(辆·m)。

车辆尾气中的NOx主要由NO、NO2组成，燃料高温燃烧后最初排放的NOx中NO约占95%。PIARC2012报告中明确指出，只有在行驶车辆中柴油车比例较少的隧道中，NO2的贡献值才低于10%[8]。但NO在有氧环境下被氧化成NO2，其转化平衡条件与环境温度、压力和时长有关，故很难确定NO2在氮氧化物中的含量。GB 3095—2012《环境空气质量标准》中，污染物浓度限值中NO2为氮氧化物的80%，本文计算以此为NO2排放因子的转换依据。

通过计算得出隧道污染物排放源强度，见表4。

表4 隧道污染物排放源强度计算值 mg/(m·s)

3.2 隧道洞口污染物扩散模式

隧道洞口污染空气排放受通风方式、交通状况、洞口气象条件和洞口建筑形式等因素的影响。隧道出口污染模式TOP模式的计算表达为[9]

(2)

式中S(x)为距洞口x处污染物的平均质量浓度，mg/m3；S0为废气在出洞口处的质量浓度，mg/m3；x为距洞口的水平距离，m；Fv为洞口出口截面积，m2；a、m为不同试验条件和测点位置得出的经验参数。

(3)

(4)

m=0.487+0.15v0-0.039 5u

(5)

Δt=t0-tu

(6)

式(3)～(6)中C0为隧道进口污染物质量浓度，mg/m3；L为隧道长度，m；V为隧道风量，m3/s；u为洞口环境风速，m/s；v0为洞口排出气流速度，m/s；t0为洞口排出气体温度，℃；tu为洞口处环境温度，℃；θ为排出气流方向与环境主导风向的交角，°。

3.3 洞口空气环境敏感点

项目范围内环境空气敏感点主要分布在隧道出口，西岸敏感点为江信国际花园、滨江豪园等，东岸敏感点有近水花园、赣粤高速公路公司等，距离项目较近，环境空气敏感点见表5。

表5 洞口环境空气敏感点

3.4 隧道通风网络解算

项目匝道较多，通风网络复杂，关乎主线及各匝道通风量分配。本文应用SES软件，对各行车速度工况进行网络解算(如图2、3所示)，计算不同车速下隧道风量分配情况，从而计算各洞口污染物的排放量。同时进行现场实测，获取实际工况隧道洞口风量分配，各车速工况隧道出口风量分配见表6。

注：λ为隧道沿程阻力系数，数字代表节点编号，“○”代表通风网络解算节点，“□”代表通风网络解算特征段。图2 隧道南线通风网络模型

图3 隧道北线通风网络模型

由表6可以看出，根据隧道通风网络解算出的隧道通风量均大于设计需风量(隧道合计风量与设计需风量对比)，隧道标准断面风速在3.4 m/s以上，满足隧道运营通风所需风量、风速要求。由于D匝道长度较短，无交通或行车速度较低时，在交通通风力和H匝道内射流风机升压力的作用下，D匝道气流反向。

表6 隧道不同车速下隧道出口风量测试值及模拟值

表6中测试和模拟无交通工况为隧道非运营状态、射流风机全部开启时的各洞口通风量，由于隧道通风阻力和风机总升压力等假设条件相似，测试和模拟无交通工况的风量接近，模拟计算的其他车速工况下的通风量可作为下一步洞口污染物浓度预测的输入条件。

另外，从2018年运营的交通流量监测数据来看，全年小时平均交通量达5 001辆/h，已达到中期客流水平，2019年上半年交通量已经超过远期客流，运营采取早晚高峰时段各开启射流风机60 min的方式，隧道内监测到的CO体积分数最大值为5.49×10-6，平均值为2.9×10-6，远低于设计值(100×10-6)。因此，对于主要行驶小型客车的城市道路隧道，需风量计算时基准排放量取值不宜过高。

我国已于2005年7月1日开始实施汽车尾气排放Ⅱ级标准，轻型汽车CO的排放标准为2.2 g/(辆·km)，相当于0.001 76 m3/(辆·km)，考虑劣化系数后为0.002 11 m3/(辆·km)。该工程计算需风量时，CO基准排放量以2000年0.007 m3/(辆·km)作为基准值，按照2%的年递减率折减，隧道建成近期2024年汽车尾气排放量为0.004 3 m3/(辆·km)，前者为后者的49.1%。而2018年1月1日起，全国已执行国Ⅴ排放标准，CO的排放量远低于公路隧道通风相关标准的推荐值。因此，设计以行驶轻型车为主的城市隧道通风系统时，若CO基准排放量取值偏高，会导致需风量计算偏大，实际运营时射流风机冗余较多。以CO为对象，对比国标和PIARC2012标准远期2032年的计算结果可知，采用PIARC2012标准计算的需风量仅为国标的1/4～1/3。因此，对于仅通行轻型车辆的城市道路隧道，CO基准排放量2000年数据可取0.004 m3/(辆·km)。

4 洞口污染物扩散结果分析

4.1 不同风量对敏感点的环境影响分析

由模拟计算及实测的风量分配结果来看，隧道内无交通或车辆低速行驶与实测时开启风机数量接近，风量分配与实测结果相近。由于低速车辆行驶时隧道内污染物浓度较高，TOP模式以此为基础进行计算，分析各匝道洞口的污染物扩散对敏感建筑的影响。

以当地年平均温度17.6 ℃，隧道内温度32 ℃，室外平均风速2.5 m/s，轴线与自然风交角θ为30°预测污染物浓度。根据环境空气特征因子监测结果，CO和NO2本底质量浓度分别取2、0.03 mg/m3；隧道污染物排放源强度取2024年对应CO、NO2值，预测不同通风量条件下，距离洞口不同位置的污染物地面浓度，结果见表7、8。

表7 隧道西岸洞口地面污染物质量浓度预测结果

表8 隧道东岸洞口地面污染物质量浓度预测结果

从表7、8可以看出：

1) 隧道洞口处污染物浓度最大，相同通风量条件下，距洞口越远，污染物地面浓度越低，CO、NO2的时均浓度在距离洞口20 m外小于GB 3095—2012《环境空气质量标准》规定的二级标准浓度限值。

2) 出洞口处的废气浓度S0随着通风量的增大而减小，表明隧道内通风量V越大，稀释能力越强。而通过洞口TOP扩散模式计算可知，在一定风量范围内，洞内污染物的平均浓度S(x)随通风量V的增大而增大。对于多匝道隧道通风而言，在主隧道污染物源强度一定的条件下，某一匝道分摊的风量越多，其含有污染物的总量也越大，对应的场所地面浓度也就越高。

3) 相同风量、相同水平距离条件下，对比不同匝道之间的污染物预测浓度，可以得出西岸北主线出口的污染物浓度明显高于其他匝道，主要原因是相较于东岸各匝道，西岸出口匝道只有2个，而北主线出口风量分配比例相对较大，对应洞口的污染物源强度较大。可见分离匝道越多，每处洞口污染物排放源强度就越小，洞口附近污染物排放浓度也就越低。

4.2 隧道出洞口污染物浓度测试结果分析

为了更清楚地了解预测模式的准确性，以及是否能用于后期项目的隧道洞口环境预测，同时需要进行哪些参数修正，以红谷隧道为对象，对隧道东、西岸距离环境敏感点较近的几个主要出洞口附近污染物浓度分布情况进行了测试。测试条件如表9、10所示。测试时间为隧道早晚高峰交通时段。预测浓度的输入条件为交通阻滞时(10 km/h)对应各匝道的模拟通风量；隧道内外温差为5 ℃(汽车排热量在隧道内累积,夏季隧道交通拥堵时，平均每km温升可达2.5～5.0 ℃[10])，接近测试时段的隧道内外温差；预测室外风速同测试风速；轴线与自然风交角θ为30°。测试仪器选用高精度多功能泵吸式气体分析仪，测试原理为电化学和红外光谱吸收，测试精度CO为0.01×10-6，NO2为0.001×10-6。

表9 隧道西岸洞口污染物预测与测试浓度对比

表10 隧道东岸洞口污染物预测与测试浓度对比

表9、10中测试数据为隧道敞口段上侧沿纵向1.5 m高处气体浓度，由预测和测试结果可知：

1) 污染物浓度的预测值和测试值相差不大，除E匝道部分测点外，实测结果均低于预测值，TOP模式可以作为类似工程预测隧道洞口污染物浓度的简单计算公式。预测模式的气态污染物排放源强度Qj可按在用车综合排放因子中50%国Ⅳ、50%国Ⅴ的排放标准进行折算。

2) 洞口预测气体浓度随着预测距离的增大而逐渐减小，而预测点污染物浓度受地面道路交通污染物排放的叠加影响，并没有明显的递减趋势。NO2的测试浓度在距离洞口100 m前后反而有所回升，此处在隧道洞口接地点位置，测试点距离污染源点较近，测试浓度有所增加。预测时应考虑城市隧道U形槽对预测点浓度的影响，隧道线路接地点外侧污染物预测浓度应进行修正。

3) 对比东、西岸隧道洞口污染物预测结果可知，环境风速越小，污染物纵向衰减的速度越慢，测试结果也呈现同样的趋势。西岸北主线和H匝道洞口环境风速相对较小，距离洞口50～75 m范围内，NO2浓度可能会出现局部超标的现象，实测结果中除洞口外均能满足环境空气质量的二级标准要求，但与限定值较为接近。

4.3 隧道洞口敏感点的环境影响分析

通过对隧道洞口敏感建筑物附件污染物预测和布点监测，分析CO、NO2对评价区域环境敏感点的影响情况，同时与实际监测值进行对比，分析两者之间出现差异的原因。

表11给出了隧道高峰期阻塞工况下(10 km/h)隧道通风量对应的洞口敏感区域CO、NO2预测和测试浓度及占标率。可见江信国际花园、滨江豪园、粤赣高速公路公司等敏感建筑污染物小时最大浓度均达标，西岸主线洞口处的江信花园占标率较高。从测试结果来看，东岸E匝道洞口处的近水花园特征污染物的占标率远高于预测值，该结果与前节分析结论相同。

在输入条件基本相同的情况下，E匝道的预测和测试结果相差悬殊。图4为2019年5月监测到的当月隧道日平均交通量与预测交通量的对比。

从图4可见，各匝道实测和预测交通量分配趋势基本吻合，隧道西岸N主线出口交通量最大，污染物预测和实际占标率均较大。而E匝道预测交通量明显低于实测值，预测交通量少，该匝道通风网络计算所得风量也较少，致使污染物预测值偏低。

表11 隧道洞口敏感建筑物污染物预测结果

图4 隧道交通量实测与预测结果对比

另外，如果除去环境风速对A匝道洞口污染物扩散的有利因素，西岸隧道洞口污染物排放压力明显大于东岸分离匝道洞口，这一点基本与图4交通量趋势相吻合。因此，隧道东岸采取分离匝道疏导交通，对于隧道洞口污染物排放极为有利。同时由于D、S1匝道洞口沿大堤敷设，距敏感建筑较远，地势空旷，污染物扩散较快，对敏感建筑影响有限。D匝道的正常交通量大，交通通风力也大，该匝道出洞口风量就大，污染物排放能力强。另可通过射流风机的诱导作用，增加S1匝道的诱导风量，以降低E、H匝道洞口的风量分配，减少对洞口外侧敏感建筑的影响。

近年来，降低集中排风塔高度已成为城市隧道建设的重要课题，采用净化除尘设备去除污染物。但是对于隧道大风量、低浓度、常温常压下处理NOx的特点成为隧道净化技术的难点，整套净化除尘设备初投资较高，占用机房面积较大，运行、维护费用较高，目前国内少数项目正尝试采用该技术处理污染空气。采用分散排放形式相比集中排放更为有利。分散排放可以采用在隧道出洞口暗埋段设置多个排风口，将集中排放的废气分散在多个低矮风井排放，降低单个排风井的污染物总量及浓度。

从以上分析结果可以看出，多匝道分离洞口排放也可以作为分散排放的一种形式，调节分离匝道风量分配比例，减少距离敏感建筑物较近出洞口的通风量，可有效降低敏感建筑附近的污染物浓度，以达到环境空气质量标准的相关要求。

5 结论

1) 对于以小型客车通行为主的城市道路隧道，需风量计算时采用的CO基准排放值不宜过高。

2) 从隧道洞口环境预测及实测结果来看，洞口20 m以外CO浓度可达到环境空气质量的二级标准，而NOx浓度易超标。NOx的排放限值往往会成为隧道需风量计算和排风塔高度的控制因素，在国内隧道通风系统设计及标准制定上应引起足够的重视。

3) 多匝道分离洞口排放可作为分散排放的一种形式，通过诱导交通组织和调节分离匝道风量分配比例，减少距离敏感建筑物较近出洞口的通风量，可有效降低敏感建筑附近的污染物浓度，达到环境空气质量标准的相关要求。