特长公路明挖隧道废气排放及结构方案研究

常春雨 张佳 褚方平

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092

引言

早期我国公路、铁路工程基于建设难度、工程投资等方面考虑，大量采用地面道路或路堤、路堑等形式。随着城市规模的扩大及经济迅速发展，地面或路堑、路堤等道路形式对城市有限空间资源的占用及对片区的割裂作用愈加明显，成为城市建设发展的阻碍，因而新建工程优先采用桥、隧形式。近年来对于已建工程，越来越多采用下沉方式改造地面道路，以释放更多的地面空间［1-3］。

城市交通隧道两侧往往为住宅或商业区，对环境空气质量标准要求较高，隧道内产生的废气如通过洞口集中排放不符合环境保护要求。如何优化隧道废气排放以满足空气环境质量要求是工程中需重点解决的问题。本文依托海南G98 环岛高速崖州段特长明挖隧道工程，通过对比分析，提出了低风井机械分散排放废气的方案，在此基础上进一步分析了结构受力特点，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

现状环岛高速G98 为路堤形式，从崖州湾科技城重点片区中间穿越，两侧地块之间的交通无法沟通，严重制约片区规划的落实和未来可持续发展建设。本工程路改隧建成后，现状地面建设为景观绿地，沿线两侧规划为商业、商住用地以及教育科研用地，结合景观绿轴的建设，形成与生态景观相协调的路网交通体系，有利于城市的整体融合发展。

隧道全长3930m，其中暗埋段3090m，为特长隧道。隧道断面为“双孔一管廊”的三舱形式，左右两孔分别为车行道，中间舱上层为管廊，下层为人员疏散通道，结构断面见图1。

图1 隧道横断面Fig.1 Cross section of tunnel

2 废气排放方案

2.1 方案比选

本工程虽属公路项目，但其结构形式为典型的城市明挖交通隧道，综合了公路隧道的限界标准、城市交通隧道明挖工法的特点。

公路隧道多为山岭隧道，所处环境一般较为空旷，可采用纵向式、半横向式或全横向式通风［4］，废气均从洞口集中排出，其中半横向式及全横向式对活塞风利用率不高，造价高，公路隧道一般采用全射流方式纵向机械通风即可满足技术要求。本工程周边远期规划建筑密度大，对环境空气质量要求较为严格，如仅采用射流风机诱导式纵向通风，隧道内废气从两端出口集中排放，将导致附近污染物浓度超标，大大降低隧道出口附近的空气质量。经环评评价后此方案难以满足要求，应探寻其他可行方案以降低排放浓度。

本工程结构形式、施工方式及周边环境与城市明挖交通隧道特点高度契合，城市特长交通隧道由于其所处位置的特殊性，往往周边环境敏感，废气排放方式主要为“排风塔+射流风机”高空排放［5］、“低风井+射流风机”分散排放［6］或中部设置敞开段将长封闭段化整为零的自然通风等。现对各方案特点做简要阐述。

1.排风塔+射流风机

隧道内设置射流风机，同时在隧道主线出口设置高风塔，废气经高风塔在高空稀释，污染物落地浓度小。此方案广泛应用于国内城市特长隧道，技术成熟。对于本工程需建两座高风塔，考虑到隧道两侧规划地块开发强度大，中心地区建筑高度最高超过100m，风塔建筑高度过高，且配套机房占地面积大，同时也难与地上景观相协调。

2.低风井+射流风机

隧道内设置射流风机，在近隧道出口端的顶板开孔，设置出地面的风井，各风井等量排放，布置间距及数量根据计算确定，形成洞口+低风井组合的分散排放方式。此方案通过各低风井排出部分废气，可减轻洞口集中排放浓度，由于低风井需引出地面，城市道路中央绿化带宽度较小的情况下难以实现，实际工程应用相对较少。

本工程上部地面为大规模景观绿轴，低风井可通过建筑装饰隐藏于景观中。

3.增设敞开段

可调整纵断面，中间设置敞开段，将连续的暗埋段分为多段，以满足洞口排放要求。对于本工程可在中间设置一处长约200m 的敞开段，原隧道变为两条隧道，可满足要求。由此带来的问题是隧道纵断起伏较大，车辆驾驶舒适度降低。另敞开段的设置导致地面景观绿洲的连续性及美观性降低。

各方案综合对比见表1。

表1 隧道排放方案比选Tab.1 Comparison of tunnel emission schemes

综合隧道建设规模、周边环境及交通量情况，确定采用“低风井+射流风机”分散排放方式。根据隧道内活塞风的流向，在隧道车行方向出口附近，隧道顶板设置若干出地面的低风井，井内放置小型风机用于排出废气及火灾时的烟气。隧道内采用射流风机诱导型纵向通风方式。正常交通时，汽车行驶产生的活塞风能满足隧道需风量的要求，因此可以不开射流风机；交通阻塞工况下，开启射流风机诱导隧道内空气沿车行方向流动，使隧道内空气环境满足设计标准。另在隧道覆土较深处设置地下风机房，与隧道叠层合建，为中间舱施以通风加压，在火灾时能够防止烟气进入，人员可通过中间舱内设置的疏散楼梯疏散至地面。低风井结构横断面如图2 所示。

图2 低风井结构横断面Fig.2 Cross section of low air shaft structure

2.2 方案可行性分析

汽车尾气是影响环境空气质量的主要污染物，其中NO2和CO 占据极大部分。根据当地《环境质量年报》数据可知，隧道所处区域全年空气质量指数属一级（优）的天数共299d，占全年有效监测天数的81.9%，属二级（良）的天数共61d，占全年有效监测天数的16.7%，属三级（轻度污染）的天数共5d，占全年有效监测天数的1.4%，总体空气质量优良。隧道建成后排放目标为不得突破现状环境等级，区域环境应按《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）［7］中的二级标准控制，见表2。

表2 环境空气标准Tab.2 Ambient air standards

通过对沿线环境空气现状监测，主要污染物中NO2日平均浓度为16μg／m3，年平均浓度为12μg／m3，CO日平均浓度为1186μg／m3，现状道路区域环境空气质量满足要求。

根据隧道排放方案，低风井排放上游20%的废气，剩余80%废气从洞口排放。现采用《环境影响评价技术导则_大气环境》（HJ2.2—2018）推荐的AERMOD 模型，结合本工程远期车流量及车型组成，预测工程营运期汽车尾气对隧道出口四周4800m范围内的环境空气的影响，并考虑污染物基准排放2%折减率。模拟统计结果见图3、图4 及表3，表中占标率为预测值占标准值的百分比。

表3 污染物最大贡献质量浓度预测结果Tab.3 Prediction results of maximum contribution mass concentration of pollutants

图3 NO2 最大贡献浓度预测结果Fig.3 Prediction results of maximum contribution concentration of NO2

图4 CO 最大贡献浓度预测结果Fig.4 Prediction results of maximum contribution concentration of CO

可以看出，由于远期车流量较目前有一定程度的增长，隧道区域内主要污染物NO2日均排放浓度预测值高于现状，且集中在隧道洞口及风井处。主要原因是现状道路为路堤形式，属连续排放的线性污染源，相对封闭式隧道污染物排放较为分散，而隧道建成后主要从洞口及低风井形成相对集中的多点排放。

同时各污染物1h、24h和年最大贡献值均不超标，且距控制值有一定差距，说明分散排放的方案起到了比较明显的浓度控制效果。叠加现状环境后统计结果见表4。

表4 叠加现状环境后预测结果Tab.4 Table of prediction results after superimposing the current environment

在叠加现状环境质量浓度后，98%保证率区域内24h和年最大贡献值均不超标，满足二级控制标准，说明“低风井+射流风机”的分散排放方式是可行的。

公路作为汽车的承载体，隧道建成后本身不产生污染物，污染物主要来源于隧道内行驶的汽车。汽车污染物的控制主要来自于汽车制造技术的提高和对汽柴油污染物含量的控制要求，随着我国对汽车制造业和汽柴油的环境保护要求不断提高，以及新能源机动车占有量的逐年增加与老旧汽车的淘汰更新，隧道内污染物的排放量将逐渐减少，实际排放量应小于预测值。

3 结构方案分析

常规明挖隧道采用矩形框架结构，根据总体纵断线型布置，隧道覆土最大达到6.2m，结构内力较大，经过多方案技术比选后，确定采用折板式顶板的三舱断面形式。顶板采用折板可有效降低板墙处应力集中现象，优化结构受力，同时提高断面利用率。设置中间舱既可为人员疏散、管线布置提供便利条件，双中墙的设置增加了结构整体刚度，提高了结构对地震作用的抵抗能力。

低风井设置在隧道南北线各车行方向距出口约200m处。在标准断面基础上，顶板开洞间隔设置低风井，由此产生荷载不均会对结构整体性产生一定的影响。为进一步研究低风井方案结构受力特性，将其与相同荷载条件下标准断面计算结果进行对比。

计算均采用“荷载-结构”模型进行分析。标准断面沿隧道纵向取单位长度，按底板支承在弹性地基上的平面框架分析。低风井处结构建立空间模型进行整体分析，选取范围为相邻两条变形缝间的节段，采用带刚域的三维框架单元模拟主体结构板、墙，底板下方用土体弹簧模拟地基反力作用，底板弹簧受拉时，取消受拉部分的弹簧重新计算。计算结果如图5、图6 所示。

图5 标准横断面弯矩（单位：kN·m）Fig.5 Standard cross-sectional bending moment（unit：kN·m）

图6 低风井空间模型弯矩云图（单位：kN·m）Fig.6 Moment cloud diagram of low air shaft spatial model（unit：kN·m）

从图5、图6 可以看出，首先由于顶板设置风井开洞后上部荷载减小，在相同约束条件下，顶板跨中弯矩较标准段有所减小，顶板中支座处由于荷载不平衡的情况产生局部应力集中，支座弯矩略高于标准段。其次相比标准段两侧内力基本平衡，顶板开洞后在顶板偏心荷载及结构几何不对称的作用下，结构内力分布体现为未开洞一侧的弯矩较开洞侧稍大。由于顶板上部设置风井，井壁与顶板连接处出现局部应力集中情况，设计中通过设置洞边梁加固。结构各部位计算结果对比见表5。

表5 内力计算结果对比Tab.5 Comparison of internal force calculation results

总体对比下可知标准断面与顶板开洞的空间模型计算结果存在差异，但差异较小并无内力陡变情况，采用低风井方案对结构构件尺寸及配筋基本无影响，说明该方案在满足隧道使用功能的基础上，同时兼顾了经济性。

4 结语

本文基于新建特长明挖隧道外部条件对空气环境的限制，对比了多种废气排放方案的适用性，评价预测了运营期隧道区域污染物的排放浓度。对比分析了隧道顶板设置低风井后，与同条件下标准断面结构内力变化情况。得到主要结论如下：

1.隧道位于城市中心区域时，周边条件往往受到诸多制约，可以利用隧道上部地面绿地或道路绿化带，通过设置低风井方式分散排放废气。合理的设置低风井数量及间距可以满足环境空气质量要求。

2.顶板设置低风井结构时，顶板开洞侧荷载较标准段小，在上部不均匀荷载作用下，对应底板支座弯矩减小，底板中支座及对侧边支座内力较标准段略有提高，顶板跨中内力减小，中支座内力提高，同时井壁与顶板处存在应力集中现象，需采取加固措施。综合分析后，结构变化未导致壁厚及配筋增加，说明该方案经济性较高。

此外，由于低风井设置在隧道行车方向出口，该断面为一侧开孔，结构形态及受力不对称。断面另一侧为对向隧道进口，地面空间有条件情况下也可在顶板开洞设置光导管，进一步减少结构上部荷载，优化构件尺寸的同时，也可为隧道提供自然光源代替人工加强照明，减轻车辆进入隧道时的“黑洞”效应。由此引申出的思路，可在日后类似工程中探索应用。