上海城市隧道调研及外滩隧道通风系统评价

陆 袁, 钱必华, 俞伊赜, 李峥嵘

(1.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092; 2.同济大学 机械与能源工程学院, 上海 200092)

1 概述

交通建设是经济发展过程中的重要环节。随着经济的腾飞,隧道工程也在高速发展。1950年,中国仅有几十座隧道,总长不到3 km[1]。截至2017年底,我国已建成公路隧道逾16 000座,总里程超过15 000 km[2]。城市隧道作为城市交通的重要组成部分,同样处于高速发展中。以上海为例,截至2021年底,上海已建成越江公路隧道17座[3-16](见表1)。打浦路隧道:于1971年建成时,采用全横向通风。2010年时改造为半横向通风,且新修的复线为纵向通风。西藏南路隧道:主要为纵向通风结合半横向通风的模式,但在浦东排风塔至浦东出口之间,采用轴流送风机向隧道内输入新风,故而设计者称其为半横向通风[11]。延安东路隧道:1989年建成的延安东路隧道北线在设计时采用全横向通风,1996年建成的延安东路隧道南线采用纵向通风[16]。根据JTG/T D70/2—02—2014《公路隧道通风设计细则》(以下简称《细则》),隧道机械通风系统可分为纵向通风、横向通风。横向通风的通风气流在行车空间内沿垂直于隧道轴线方向流动,如延安东路隧道北线[14]、打浦路隧道[15]。纵向通风的通风气流在行车空间内沿隧道轴线方向流动,通车于21世纪的上海城市隧道多采用此通风方式。

表1 上海越江公路隧道及通风方式(截至2021年底)

对于城市隧道工程,在保证隧道安全的同时,需要避免隧道出入口排风对城市环境造成的污染。根据GB 3095—2012《环境空气质量标准》,商业交通居民混合区属于二类环境空气功能区,区域内CO质量浓度的24 h平均值应低于4 mg/m3。但是,《细则》规定的隧道内交通阻滞段CO质量浓度最大值(即隧道内污染物质量浓度的控制目标)高达187.5 mg/m3,因此属于二类环境空气功能区的城市中心区隧道,需采取措施降低出口处CO质量浓度。以纵向通风为例,通常依靠射流风机组织的机械通风结合通风井高空排放方式,降低隧道出口周边区域CO质量浓度。因此,通风井设计对于城市隧道具有重要意义。

本文对上海城市隧道进行调研。以上海市外滩隧道(属于地下快速路隧道)通风井作为研究对象,通过交通工况调查和实测,总结通风井设计优点,对实测日正常交通工况、阻滞交通工况下北通风井承担隧道内稀释CO需风量比例进行计算。

2 上海城市隧道调研

2.1 纵向通风与横向通风对比

根据《细则》,纵向通风可利用交通风(即单向车流形成的活塞风),协助稀释隧道内的CO。该方式不需要在隧道内建设风道,通风井不需要设置新风系统。因此,纵向通风系统的工程造价、运营成本低。然而,因污染物会在隧道出口处集中排放,不利于隧道出口处的空气质量达标。

上海部分城市隧道的车道数量、盾构内直径见表2。对表2中的各隧道,计算单位车道隧道截面积(隧道截面积除以隧道车道数量,隧道截面积由盾构内直径计算得到),衡量隧道内空间利用率。单位车道隧道截面积越小,说明隧道内空间利用率越高。与横向通风隧道相比,纵向通风隧道的平均单位车道隧道截面积减小6.67%。且以复兴东路隧道、外滩隧道的空间利用率尤为突出,两者平均单位车道隧道截面积比横向通风隧道平均单位车道隧道截面积减小29.12%。这主要得益于纵向通风系统不需要建设占用空间较大的风道,可最大限度利用隧道内空间。

表2 上海部分城市隧道的车道数量和盾构内直径

2.2 城市隧道通风井

因所处地理位置不同,上海城市隧道通风井呈现出不同的设计形式。位于中环及中环以外的通风井,如军工路隧道浦东通风井(见图1)、上中路隧道浦西通风井、长江路隧道浦东通风井、翔殷路隧道浦东通风井和浦西通风井等,均布置在道路中间或道路两侧,选取空地独立建造。因附近建筑物稀疏,在通风井设计时并未考虑对城市景观的影响。

图1 军工路隧道浦东通风井

位于中环以内的通风井,如人民路隧道浦西通风井(见图2)贴附建设于城隍珠宝丽水路总店外,以降低对城市景观的影响。

图2 人民路隧道浦西通风井

复兴东路隧道浦东通风井建设在世茂滨江花园小区空地内。新建路隧道浦西通风井采用多个低通风井形式(见图3),隐藏在道路中间的绿化带内。人民路隧道浦东通风井建设在东昌路渡口内。大连路隧道浦西通风井贴附建设在隧道管理中心侧墙外。外滩隧道南通风井利用废弃的延安东雨水泵站改造而成。

图3 新建路隧道浦西通风井

建成于20世纪的延安东路隧道浦东通风井(见图4)、浦西通风井,独立建造,体型庞大。延安东路隧道浦东通风井设计时间为20世纪80年代,当时的陆家嘴地区仍以农田、荒地为主,不需要考虑土地资源利用问题[17]。延安东路隧道浦东通风井进风口高18.5 m,排风口高47.2 m。延安东路隧道浦西通风井进风口高34.6 m,排风口高53.5 m。

图4 延安东路隧道浦东通风井

随着城镇化率提高和城市人口密度增大,土地资源利用率和城市景观影响对城市中心区隧道通风井设计要求越来越高,采用附建或结建式设计方法[18],将隧道通风井纳入周边建筑设计的案例越来越多。然而,受限于周边建筑,此类隧道通风井排放高度普遍较低,部分甚至不足20 m,普遍低于非城市中心区的隧道通风井。又因隧道通风井与周边建筑间距较近,对周边建筑的环境影响比较显著。

2.3 调研结果

① 纵向通风系统可提高隧道内空间利用率。

② 与城市建筑相结合的设计方法,成为城市中心区隧道通风井的设计趋势。

③ 与城市建筑相结合的城市中心区隧道通风井,排放高度受周边建筑高度的限制,普遍低于非城市中心区的隧道通风井。

3 外滩隧道通风系统评价

3.1 外滩隧道与通风系统概况

外滩隧道是一条位于上海外滩地下的城市快速路,隧道南起中山南二路和延安东路口,沿中山东二路、中山东一路、吴淞路,北至吴淞路和长治路口。隧道全长3.3 km,盾构内直径12.75 m,为双层单向隧道,上下均设3车道,设计时速40 km/h,通行中、小型客车。上层车流方向为由北向南,下层为由南向北。

外滩隧道通风系统为通风井排出式纵向通风。隧道内,依靠单向车流形成的活塞风,以及悬挂于隧道上方的射流风机,保证隧道内的通风量。临近隧道出口处,设有隧道通风井,分担隧道的部分排风,以降低隧道出口污染物总量,减小隧道对周边区域的环境影响。

外滩隧道南、北出口前各设有1个通风井。南通风井(见图5)位于中山东二路与永安路交界处,属于保护建筑群沿线,故利用废弃的延安东雨水泵站改造而成,分担由北向南车道的排风。

图5 外滩隧道南通风井

北通风井位于城投控股大厦核心筒内(见图6),分担由南向北车道的排风。北通风井为国内首例与高层建筑相结合的隧道通风井形式,将通风井排放高度提升至100 m以降低对周围区域的环境影响,是目前上海外环内城市隧道通风井中最高的[18]。该项目集通风井、隧道管理中心、高层办公楼为一体,实现土地集约化利用[19]。

图6 外滩隧道北通风井

北通风井的风机房配置2台额定风量为125 m3/s的轴流风机(见图7)。在隧道通风系统设计过程中,认为2台风机在交通阻滞时处于启动状态。但在现场调研中询问隧道管理方发现,出于隧道运营成本的考虑,2台风机仅在火灾工况下启动。因此,实际运行中,北隧道通风井内的流量,仅来自于隧道内外温差形成的自然通风。

图7 北通风井风机房内轴流风机

3.2 隧道交通调查及通风量需求

笔者于2021年8月12日至18日,统计了外滩隧道由南向北车道吴淞路出口、长治路出口的车流量,并将结果按时段整理,见表3。统计期间,新能源车辆占比为15.81%,CO排放计算中不考虑该类车辆。

表3 外滩隧道由南向北车道车流量

外滩隧道设计时速(正常交通工况)为40 km/h,根据《细则》建议和工作日高峰期车流量实地调研情况,阻滞交通工况时速为10 km/h。

采用《细则》中的式(6.3.2)、(6.3.3)计算正常交通工况、阻滞交通工况下隧道内稀释CO需风量:

(1)

(2)

式中qreq——隧道稀释CO需风量,m3/s

q——隧道CO排放量,m3/s

φ——CO体积分数限值,cm3/m3

p0——标准大气压,kPa,取101.325 kPa

p——隧址大气压,kPa,取100 kPa

T——隧址平均实测气温,K

T0——标准气温,K,取273 K

Vs——设计目标年份CO基准排放量,m3/(辆·km)

fa——车况系数,参照《细则》表6.3.2-1取1.1

fd——车密度系数,参照《细则》表6.2.2-2按隧道设计时速取1.5

fh——海拔系数,参照《细则》图6.3.2取1.0

fiv——纵坡-车速系数,参照《细则》表6.3.2-3取1.0

L——隧道长度,m,为3 287 m

N——车型的数量,辆/h

fm——车型系数,鉴于隧道主要通行小客车,参照《细则》表6.3.2-2取1.0

对于CO体积分数限值,参照《细则》第5.3.1条,正常交通工况取100 cm3/m3,阻滞交通工况时取150 cm3/m3。设计目标年份CO基准排放量为在《细则》第6.3.1条给出的2000年基准排放量的基础上,根据《细则》第6.1.2条按每年递减2.0%进行计算。对比各研究者在不同时期的实测CO排放量[20],该计算值处于合理范围但接近上限值。车型的数量按表3中正常交通工况、阻滞交通工况平均车流量乘非新能源车辆占比计算。将已知参数代入式(1)、(2)计算得到正常交通工况、阻滞交通工况下隧道稀释CO需风量,见表4。

表4 正常交通工况、阻滞交通工况下隧道稀释CO需风量

3.3 北通风井通风能力

在隧道通风系统中,隧道通风井的作用是分担部分隧道的排风量,降低隧道出口污染物总量。以西藏南路隧道为例,在设计过程中,希望依靠隧道通风井内的轴流风机,使通风井分担总排风量的80%[11]。然而,调研中发现,因隧道运营成本等原因,通风井内轴流风机在非火灾工况下处于关闭状态。依赖自然通风力时,隧道通风井可分担的通风量需通过实验确定。

笔者于2021年1月18—24日对外滩隧道北通风井的通风量进行了现场测试。测试内容包括通风井内风速、通风井内空气温度、室外空气温度。通风井内风速由超声波风速仪测量,测点位于通风井底部直线形风道内且湍流充分发展处,在垂直于气流方向上设置2个测点。通风井内空气温度(平均实测气温为12.9 ℃)由温湿度自动记录仪测量,共设3个测点,分别位于2台超声波风速仪的背风处,以及轴流风机前的静压箱内。室外空气温度由小型气象站测量,位于办公建筑屋顶,与通风井出口水平距离为10 m。

1月19日通风井风速测试结果见图8。测试断面截面积为56 m2,正常交通工况风速取13:30至16:30测试结果的平均值(为1.47 m/s),阻滞交通工况风速取18:30至19:00测试结果的平均值(为1.60 m/s)。

图8 1月19日通风井风速测试结果

根据测试断面截面积及正常交通工况风速、阻滞交通工况风速可计算得到两种交通工况下通风井通风量(见表5)。由此可计算得到,两种交通工况下通风井通风量占隧道稀释CO需风量比例(见表5)。由表5可知,对于2021年1月19日,正常交通工况下通风井可承担47.8%的通风量,阻滞交通工况下通风井可承担23.9%的通风量。

表5 隧道通风井通风量计算结果

4 结论

① 纵向通风系统可提高隧道内空间利用率。与城市建筑相结合的设计方法,成为城市中心区隧道通风井的设计趋势。与城市建筑相结合的城市中心区隧道通风井,排放高度受周边建筑高度的限制,普遍低于非城市中心区的隧道通风井。

② 在实测日,外滩隧道北通风井正常交通工况下可承担47.8%的通风量,阻滞交通工况下可承担23.9%的通风量。