基于實測數(shù)據(jù)的西漢高速公路秦嶺隧道通風(fēng)效果評估

官海兵

摘要：為了保證西漢高速秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道運營期間的行車安全，觀測了該區(qū)段隧道斷面的實際交通量，并與預(yù)測交通量進(jìn)行對比分析；利用CO濃度檢測器和能見度檢測器對隧道上行線內(nèi)污染物進(jìn)行實測，并分析討論了實測數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：實際交通量達(dá)到預(yù)測交通量的88%；隧道內(nèi)實測最大CO濃度與規(guī)范中設(shè)計值相比差距較大，實測最大煙霧濃度接近或超過規(guī)范中煙霧濃度設(shè)計值。因此，需要對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道送排通風(fēng)系統(tǒng)工程進(jìn)行改造，以滿足目前隧道內(nèi)通風(fēng)要求，同時忽略CO濃度的影響，將煙霧濃度作為主要考慮因素。

關(guān)鍵詞：隧道工程；通風(fēng)效果；交通量；污染物

中圖分類號：U453.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to assure the safety for the operation period of Qinling tunnel I and II of XianHanzhong expressway， the traffic of those two tunnels were measured and analyzed. By using the CO concentration detector and sight inspector， the pollutants in the upstream line of Qinling tunnels were measured. Analysis of the measured data shows that the average value of measured traffic reaches 88% of the maximum value of predicted traffic； the measured maximum value of CO concentration in Qinling tunnel I and II are much lower than the designed value； the measured maximum value of smoke concentration are around or higher than the designed value. Therefore， the ventilation system used in Qinling tunnels needs to be improved to meet the requirement of ventilation at present. During the improvement， the effect of CO concentration can be ignored， while the influence of the smoke concentration needs be considered as a major factor.

Key words： tunnel engineering； measured data； ventilation effect； evaluation

0引言

戶縣經(jīng)洋縣至勉縣高速公路（簡稱西漢高速）是國家“7918”高速公路網(wǎng)北京至昆明線（G5）在陜西境內(nèi)重要的一段，是溝通華北和西南的公路運輸大通道，也是陜西省“2367”高速公路網(wǎng)的重要組成路段。該工程自2002年8月開工，至2007年9月全線貫通，建設(shè)工期為5年。由于其在國家高速公路網(wǎng)中的重要作用和建設(shè)條件的特殊性，在當(dāng)時受到了交通部、陜西省委、省政府的高度重視，被列為全國公路建設(shè)的標(biāo)志性工程。其中秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道作為西漢高速重要控制性工程之一，在汶川地震救援和物資運送等重大事件中發(fā)揮了重要作用。

許多學(xué)者對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道做了大量的研究工作。2005年，楊彥民、曹振等人經(jīng)過分析、計算，對隧道群運營通風(fēng)系統(tǒng)在不同工況下風(fēng)機的運行進(jìn)行優(yōu)化配置，細(xì)化了防火與救災(zāi)模式等內(nèi)容，最終確定了秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道的通風(fēng)設(shè)計[1]。2008年，王立新、李寧軍等人通過計算，著重分析在現(xiàn)有通風(fēng)條件下，正常運營和火災(zāi)工況下洞內(nèi)可容納的最大車輛數(shù)[2]，對秦嶺終南山隧道初期運營通風(fēng)狀態(tài)作出評價。2011年，郭利平、屈永照等人根據(jù)西漢高速公路秦嶺隧道照明系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)，分析了現(xiàn)有照明系統(tǒng)存在的問題，并從多方面提出了秦嶺隧道照明系統(tǒng)改善措施[3]。經(jīng)過6～7年的運營后，西漢高速公路秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道通風(fēng)系統(tǒng)是否能滿足目前的通風(fēng)要求還沒有引起研究者們的關(guān)注。

為了提高西漢高速秦嶺特長隧道群的通風(fēng)運營條件，現(xiàn)場測試了西漢高速秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道內(nèi)的交通量、CO濃度和煙霧濃度，并基于實測數(shù)據(jù)的分析，對該段隧道通風(fēng)系統(tǒng)的運營現(xiàn)狀進(jìn)行評估。

1工程概況

秦嶺Ⅰ號隧道進(jìn)口位于戶縣觀音山，出口位于寧陜縣七畝坪，為直線型特長隧道。其中，上行線進(jìn)口樁號K58+725，出口樁號K64+827，隧道單洞長度為6 102 m，坡度為258%；下行線進(jìn)口樁號K64+859，出口樁號K58+715，隧道單洞長度為6 144 m，坡度為-254%，平均海拔高度1 312 m。隧道采用“新奧法”復(fù)合式襯砌、高壓鈉燈光電照明、機械通風(fēng)；隧道進(jìn)口洞門型式采用削竹式，出口采用端墻式，隧道圍巖以花崗巖、閃長巖和變質(zhì)砂巖為主，圍巖類別以Ⅳ、Ⅴ類為主。秦嶺Ⅰ號隧道上行線安裝射流風(fēng)機30臺，下行線安裝射流風(fēng)機24臺。

秦嶺Ⅱ號隧道進(jìn)口位于寧陜縣七畝坪，出口位于寧陜縣西傅家河，為直線型特長隧道。其中，上行線進(jìn)口樁號K65+435，出口樁號K71+560，隧道單洞長6 125 m，22%上坡

4 765 m，059%下坡1 360 m（行車方向）；下行線進(jìn)口樁號K71+540，出口樁號K65+445，隧道單洞長6 095 m，22%下坡4 765 m，063%上坡1 290 m（行車方向）。隧道采用“新奧法”復(fù)合式襯砌、高壓鈉燈光電照明、機械通風(fēng)；隧道洞門型式主要采用削竹式；隧道圍巖以閃長巖和變質(zhì)石英砂巖為主，圍巖類別以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類為主。通風(fēng)斷面面積為6537 m2，當(dāng)量直徑為834 m。秦嶺Ⅱ號隧道上行線安裝射流風(fēng)機32臺，下行線安裝射流風(fēng)機26臺，采用全射流縱向通風(fēng)。

2秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道交通量分析

基于2007～2013年秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道斷面交通量的實測數(shù)據(jù)（按照客車和貨車2種車型進(jìn)行統(tǒng)計），分別以折線圖的形式表示，如圖1所示，其中虛線為各類型車線性擬合得到的線性增長趨勢線。2014年1～7月再次對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道斷面交通進(jìn)行觀測，為了使不同交通流能夠在同樣的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行分析，將實測中的各類車輛交通量換算成標(biāo)準(zhǔn)車當(dāng)量。根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[4]給出計算公式

式中：Ve為當(dāng)量交通量（veh）；V為自然交通量（veh）；Pi為第i類車交通量占總交通量的百分比（%）；Ei為第i類車的車輛換算系數(shù)，見表1。

表2為考慮轉(zhuǎn)換至鐵路和寶漢等高速交通量之后換算成的標(biāo)準(zhǔn)車當(dāng)量[56]?；谒碾A段預(yù)測理論對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道交通量進(jìn)行預(yù)測，使隧道通風(fēng)系統(tǒng)獲得良好的控制效果，保證司乘人員的健康，對優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)以及降低隧道運營成本有著重要意義，預(yù)測結(jié)果見圖2。

由圖1可以看出，2007～2013年秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道交通量逐年上升，其中貨車為交通量的主體，且線性增長率較大。這幾年有增長減緩的趨勢，由于其基數(shù)較大，因此隧道內(nèi)稀釋煙霧所需風(fēng)量依然較大。根據(jù)2014年1～7月實際觀測，交通量值平均值為26 461 veh·d-1，已達(dá)到2016年度預(yù)測交通量30 064 veh·d-1的88%，且2014年4月實際觀測交通量也已經(jīng)超過2016年度預(yù)測交通量。故從交通量方面看，秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道內(nèi)的通風(fēng)設(shè)備已經(jīng)不能滿足目前隧道內(nèi)的通風(fēng)要求。

3秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道污染物測試

為了更好地了解秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道內(nèi)的空氣情況，以秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道上行線為研究對象，對隧道內(nèi)部的相關(guān)污染物進(jìn)行檢測，其中主要包括對CO濃度和煙霧濃度的測試。

3.1測試方法

由于山嶺重丘區(qū)隧道高峰交通量一般出現(xiàn)在早上9～10時，故于2014年7月31日9：00～10：00、11：00～12：00對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道上行線空氣質(zhì)量進(jìn)行了2次檢測。利用CO1A型檢測儀和能見度檢測器對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道內(nèi)的CO濃度和煙霧濃度進(jìn)行檢測。

3.2測點布置

由于測量光線透過率的儀器體積較大，需要連接外接電源及計算機設(shè)備，為保證人員、設(shè)備安全，減小對隧道內(nèi)正常運營的干擾，將測點布置在隧道緊急停車帶高度為1 m的位置[712]。為了方便測量并提高測量效率，同一隧道內(nèi)煙霧濃度和CO濃度的測點選擇同一斷面，共選擇了5處位置，分別進(jìn)行了3次量測讀數(shù)。測點的平面布置見圖3。圖4為現(xiàn)場測試煙霧濃度與CO濃度時的照片。

3.3數(shù)據(jù)處理

為方便研究，以折線圖的形式來表示秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道內(nèi)的CO濃度和煙霧濃度沿隧道縱向分布的情況，如圖5、6所示。由于在Ⅰ號隧道距出口50 m處的光照度測量受外界光線的影響較大，故取消該點透過率的測量。數(shù)據(jù)處理時，CO濃度是取3次測量的平均值，煙霧濃度用衰減系數(shù)K來表示，通過測出的3組照度并取其平均值，帶入K的計算公式

式中：E0為儀器發(fā)出的光照度；E為光照在隧道內(nèi)傳播100 m后的照度。

4實測結(jié)果分析與討論

由圖5和圖6中的實測CO濃度曲線可以看出，秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道上行線內(nèi)的CO濃度實測值較低，這與通風(fēng)計算的結(jié)果是吻合的；且2個隧道內(nèi)最大CO濃度分別為

17.33 ppm和15.67 ppm，與《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》[13]（后文簡稱“規(guī)范”）中250 ppm的設(shè)計值相比差距較大，故CO濃度目前不作為通風(fēng)的控制因素。由圖5和圖6中的實測煙霧濃度曲線可以看出，秦嶺Ⅱ號隧道上行線衰減系數(shù)K的最大值為0009 3 m-1；而規(guī)范中規(guī)定，當(dāng)隧道內(nèi)采用鈉燈光源、80 km·h-1設(shè)計車速、二級服務(wù)水平時，對應(yīng)的煙霧設(shè)計濃度的衰減系數(shù)K=0007 m-1。說明秦嶺Ⅱ號隧道煙霧濃度已超過極限值，現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)已不能滿足稀釋煙霧的通風(fēng)需求。本次實測數(shù)據(jù)是在緊急停車帶（高度1 m）得到的，秦嶺Ⅰ號隧道上行線中，實測出煙霧濃度衰減系數(shù)的最大值為0005 4 m-1，由于受熱空氣向上聚集的影響，煙霧在拱頂?shù)臐舛缺囟ù笥谶厜μ幍臐舛萚1417]?？梢酝扑阋欢ǜ叨壬纤淼罒熿F濃度值可能達(dá)到規(guī)范中的限值，說明秦嶺Ⅰ號隧道上行線現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)接近或可能達(dá)到其極限。

通過對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道上行線內(nèi)CO濃度的實測，并與規(guī)范對比后得出，CO濃度目前不作為通風(fēng)的控制因素，建議在后期改造工程中不作重點因素考慮。通過對秦嶺Ⅰ號隧道上行線隧道內(nèi)煙霧濃度的實測，并與規(guī)范對比得出，秦嶺Ⅰ號隧道上行線煙霧濃度已接近上限值。根據(jù)對隧道內(nèi)交通量的預(yù)測，得出通過隧道內(nèi)的汽車將持續(xù)增加，加上貨車占的比重較大，且隧道的坡度較大，故該隧道現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)不能滿足將來稀釋煙霧的通風(fēng)需求。通過對秦嶺Ⅱ號隧道上行線隧道內(nèi)煙霧濃度的實測，并與規(guī)范對比得出，秦嶺Ⅱ號隧道上行線煙霧濃度已超過上限值，故該隧道應(yīng)盡快實施送排式通風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)實測的CO濃度和煙霧濃度值得出，目前隧道內(nèi)通風(fēng)的主要目的不是保證衛(wèi)生條件，而是保證行車安全[18]。由于秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道上行線內(nèi)煙霧濃度沿隧道縱向分布不均勻，在具體實施設(shè)計中應(yīng)分段計算需風(fēng)量，然后確定風(fēng)機的布置和數(shù)量。

5結(jié)語

本文研究了西漢高速秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道斷面的實測交通量，并利用CO濃度檢測器和能見度檢測器測試了西漢高速秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道上行線內(nèi)的污染物。研究結(jié)果表明：2014年1～7月實際觀測交通量平均值約為26 461 veh·d-1，已達(dá)到2016年度預(yù)測交通量（30 064 veh·d-1）的88%；秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道內(nèi)實測最大CO濃度分別為17.33 ppm和15.67 ppm，與規(guī)范設(shè)計值（250 ppm）相比差距較大；秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道內(nèi)實測最大煙霧濃度衰減系數(shù)分別為0005 4 m-1和0009 3 m-1，已經(jīng)接近或超過規(guī)范中煙霧濃度的設(shè)計值（0007 m-1）。因此，需要對秦嶺Ⅰ、Ⅱ號隧道送排通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，同時將煙霧濃度作為主要考慮因素，以滿足目前隧道內(nèi)的通風(fēng)需求。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]