特長(zhǎng)公路明挖隧道廢氣排放及結(jié)構(gòu)方案研究

常春雨 張佳 褚方平

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 200092

引言

早期我國(guó)公路、鐵路工程基于建設(shè)難度、工程投資等方面考慮，大量采用地面道路或路堤、路塹等形式。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大及經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，地面或路塹、路堤等道路形式對(duì)城市有限空間資源的占用及對(duì)片區(qū)的割裂作用愈加明顯，成為城市建設(shè)發(fā)展的阻礙，因而新建工程優(yōu)先采用橋、隧形式。近年來(lái)對(duì)于已建工程，越來(lái)越多采用下沉方式改造地面道路，以釋放更多的地面空間［1-3］。

城市交通隧道兩側(cè)往往為住宅或商業(yè)區(qū)，對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求較高，隧道內(nèi)產(chǎn)生的廢氣如通過(guò)洞口集中排放不符合環(huán)境保護(hù)要求。如何優(yōu)化隧道廢氣排放以滿足空氣環(huán)境質(zhì)量要求是工程中需重點(diǎn)解決的問(wèn)題。本文依托海南G98 環(huán)島高速崖州段特長(zhǎng)明挖隧道工程，通過(guò)對(duì)比分析，提出了低風(fēng)井機(jī)械分散排放廢氣的方案，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

現(xiàn)狀環(huán)島高速G98 為路堤形式，從崖州灣科技城重點(diǎn)片區(qū)中間穿越，兩側(cè)地塊之間的交通無(wú)法溝通，嚴(yán)重制約片區(qū)規(guī)劃的落實(shí)和未來(lái)可持續(xù)發(fā)展建設(shè)。本工程路改隧建成后，現(xiàn)狀地面建設(shè)為景觀綠地，沿線兩側(cè)規(guī)劃為商業(yè)、商住用地以及教育科研用地，結(jié)合景觀綠軸的建設(shè)，形成與生態(tài)景觀相協(xié)調(diào)的路網(wǎng)交通體系，有利于城市的整體融合發(fā)展。

隧道全長(zhǎng)3930m，其中暗埋段3090m，為特長(zhǎng)隧道。隧道斷面為“雙孔一管廊”的三艙形式，左右兩孔分別為車行道，中間艙上層為管廊，下層為人員疏散通道，結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖1。

圖1 隧道橫斷面Fig.1 Cross section of tunnel

2 廢氣排放方案

2.1 方案比選

本工程雖屬公路項(xiàng)目，但其結(jié)構(gòu)形式為典型的城市明挖交通隧道，綜合了公路隧道的限界標(biāo)準(zhǔn)、城市交通隧道明挖工法的特點(diǎn)。

公路隧道多為山嶺隧道，所處環(huán)境一般較為空曠，可采用縱向式、半橫向式或全橫向式通風(fēng)［4］，廢氣均從洞口集中排出，其中半橫向式及全橫向式對(duì)活塞風(fēng)利用率不高，造價(jià)高，公路隧道一般采用全射流方式縱向機(jī)械通風(fēng)即可滿足技術(shù)要求。本工程周邊遠(yuǎn)期規(guī)劃建筑密度大，對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量要求較為嚴(yán)格，如僅采用射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)式縱向通風(fēng)，隧道內(nèi)廢氣從兩端出口集中排放，將導(dǎo)致附近污染物濃度超標(biāo)，大大降低隧道出口附近的空氣質(zhì)量。經(jīng)環(huán)評(píng)評(píng)價(jià)后此方案難以滿足要求，應(yīng)探尋其他可行方案以降低排放濃度。

本工程結(jié)構(gòu)形式、施工方式及周邊環(huán)境與城市明挖交通隧道特點(diǎn)高度契合，城市特長(zhǎng)交通隧道由于其所處位置的特殊性，往往周邊環(huán)境敏感，廢氣排放方式主要為“排風(fēng)塔+射流風(fēng)機(jī)”高空排放［5］、“低風(fēng)井+射流風(fēng)機(jī)”分散排放［6］或中部設(shè)置敞開(kāi)段將長(zhǎng)封閉段化整為零的自然通風(fēng)等?，F(xiàn)對(duì)各方案特點(diǎn)做簡(jiǎn)要闡述。

1.排風(fēng)塔+射流風(fēng)機(jī)

隧道內(nèi)設(shè)置射流風(fēng)機(jī)，同時(shí)在隧道主線出口設(shè)置高風(fēng)塔，廢氣經(jīng)高風(fēng)塔在高空稀釋，污染物落地濃度小。此方案廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)城市特長(zhǎng)隧道，技術(shù)成熟。對(duì)于本工程需建兩座高風(fēng)塔，考慮到隧道兩側(cè)規(guī)劃地塊開(kāi)發(fā)強(qiáng)度大，中心地區(qū)建筑高度最高超過(guò)100m，風(fēng)塔建筑高度過(guò)高，且配套機(jī)房占地面積大，同時(shí)也難與地上景觀相協(xié)調(diào)。

2.低風(fēng)井+射流風(fēng)機(jī)

隧道內(nèi)設(shè)置射流風(fēng)機(jī)，在近隧道出口端的頂板開(kāi)孔，設(shè)置出地面的風(fēng)井，各風(fēng)井等量排放，布置間距及數(shù)量根據(jù)計(jì)算確定，形成洞口+低風(fēng)井組合的分散排放方式。此方案通過(guò)各低風(fēng)井排出部分廢氣，可減輕洞口集中排放濃度，由于低風(fēng)井需引出地面，城市道路中央綠化帶寬度較小的情況下難以實(shí)現(xiàn)，實(shí)際工程應(yīng)用相對(duì)較少。

本工程上部地面為大規(guī)模景觀綠軸，低風(fēng)井可通過(guò)建筑裝飾隱藏于景觀中。

3.增設(shè)敞開(kāi)段

可調(diào)整縱斷面，中間設(shè)置敞開(kāi)段，將連續(xù)的暗埋段分為多段，以滿足洞口排放要求。對(duì)于本工程可在中間設(shè)置一處長(zhǎng)約200m 的敞開(kāi)段，原隧道變?yōu)閮蓷l隧道，可滿足要求。由此帶來(lái)的問(wèn)題是隧道縱斷起伏較大，車輛駕駛舒適度降低。另敞開(kāi)段的設(shè)置導(dǎo)致地面景觀綠洲的連續(xù)性及美觀性降低。

各方案綜合對(duì)比見(jiàn)表1。

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

綜合隧道建設(shè)規(guī)模、周邊環(huán)境及交通量情況，確定采用“低風(fēng)井+射流風(fēng)機(jī)”分散排放方式。根據(jù)隧道內(nèi)活塞風(fēng)的流向，在隧道車行方向出口附近，隧道頂板設(shè)置若干出地面的低風(fēng)井，井內(nèi)放置小型風(fēng)機(jī)用于排出廢氣及火災(zāi)時(shí)的煙氣。隧道內(nèi)采用射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)型縱向通風(fēng)方式。正常交通時(shí)，汽車行駛產(chǎn)生的活塞風(fēng)能滿足隧道需風(fēng)量的要求，因此可以不開(kāi)射流風(fēng)機(jī)；交通阻塞工況下，開(kāi)啟射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)隧道內(nèi)空氣沿車行方向流動(dòng)，使隧道內(nèi)空氣環(huán)境滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。另在隧道覆土較深處設(shè)置地下風(fēng)機(jī)房，與隧道疊層合建，為中間艙施以通風(fēng)加壓，在火災(zāi)時(shí)能夠防止煙氣進(jìn)入，人員可通過(guò)中間艙內(nèi)設(shè)置的疏散樓梯疏散至地面。低風(fēng)井結(jié)構(gòu)橫斷面如圖2 所示。

圖2 低風(fēng)井結(jié)構(gòu)橫斷面Fig.2 Cross section of low air shaft structure

2.2 方案可行性分析

汽車尾氣是影響環(huán)境空氣質(zhì)量的主要污染物，其中NO2和CO 占據(jù)極大部分。根據(jù)當(dāng)?shù)亍董h(huán)境質(zhì)量年報(bào)》數(shù)據(jù)可知，隧道所處區(qū)域全年空氣質(zhì)量指數(shù)屬一級(jí)（優(yōu)）的天數(shù)共299d，占全年有效監(jiān)測(cè)天數(shù)的81.9%，屬二級(jí)（良）的天數(shù)共61d，占全年有效監(jiān)測(cè)天數(shù)的16.7%，屬三級(jí)（輕度污染）的天數(shù)共5d，占全年有效監(jiān)測(cè)天數(shù)的1.4%，總體空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良。隧道建成后排放目標(biāo)為不得突破現(xiàn)狀環(huán)境等級(jí)，區(qū)域環(huán)境應(yīng)按《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）［7］中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)控制，見(jiàn)表2。

表2 環(huán)境空氣標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Ambient air standards

通過(guò)對(duì)沿線環(huán)境空氣現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)，主要污染物中NO2日平均濃度為16μg／m3，年平均濃度為12μg／m3，CO日平均濃度為1186μg／m3，現(xiàn)狀道路區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量滿足要求。

根據(jù)隧道排放方案，低風(fēng)井排放上游20%的廢氣，剩余80%廢氣從洞口排放?，F(xiàn)采用《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則_大氣環(huán)境》（HJ2.2—2018）推薦的AERMOD 模型，結(jié)合本工程遠(yuǎn)期車流量及車型組成，預(yù)測(cè)工程營(yíng)運(yùn)期汽車尾氣對(duì)隧道出口四周4800m范圍內(nèi)的環(huán)境空氣的影響，并考慮污染物基準(zhǔn)排放2%折減率。模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4 及表3，表中占標(biāo)率為預(yù)測(cè)值占標(biāo)準(zhǔn)值的百分比。

表3 污染物最大貢獻(xiàn)質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.3 Prediction results of maximum contribution mass concentration of pollutants

圖3 NO2 最大貢獻(xiàn)濃度預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.3 Prediction results of maximum contribution concentration of NO2

圖4 CO 最大貢獻(xiàn)濃度預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.4 Prediction results of maximum contribution concentration of CO

可以看出，由于遠(yuǎn)期車流量較目前有一定程度的增長(zhǎng)，隧道區(qū)域內(nèi)主要污染物NO2日均排放濃度預(yù)測(cè)值高于現(xiàn)狀，且集中在隧道洞口及風(fēng)井處。主要原因是現(xiàn)狀道路為路堤形式，屬連續(xù)排放的線性污染源，相對(duì)封閉式隧道污染物排放較為分散，而隧道建成后主要從洞口及低風(fēng)井形成相對(duì)集中的多點(diǎn)排放。

同時(shí)各污染物1h、24h和年最大貢獻(xiàn)值均不超標(biāo)，且距控制值有一定差距，說(shuō)明分散排放的方案起到了比較明顯的濃度控制效果。疊加現(xiàn)狀環(huán)境后統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 疊加現(xiàn)狀環(huán)境后預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.4 Table of prediction results after superimposing the current environment

在疊加現(xiàn)狀環(huán)境質(zhì)量濃度后，98%保證率區(qū)域內(nèi)24h和年最大貢獻(xiàn)值均不超標(biāo)，滿足二級(jí)控制標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明“低風(fēng)井+射流風(fēng)機(jī)”的分散排放方式是可行的。

公路作為汽車的承載體，隧道建成后本身不產(chǎn)生污染物，污染物主要來(lái)源于隧道內(nèi)行駛的汽車。汽車污染物的控制主要來(lái)自于汽車制造技術(shù)的提高和對(duì)汽柴油污染物含量的控制要求，隨著我國(guó)對(duì)汽車制造業(yè)和汽柴油的環(huán)境保護(hù)要求不斷提高，以及新能源機(jī)動(dòng)車占有量的逐年增加與老舊汽車的淘汰更新，隧道內(nèi)污染物的排放量將逐漸減少，實(shí)際排放量應(yīng)小于預(yù)測(cè)值。

3 結(jié)構(gòu)方案分析

常規(guī)明挖隧道采用矩形框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)總體縱斷線型布置，隧道覆土最大達(dá)到6.2m，結(jié)構(gòu)內(nèi)力較大，經(jīng)過(guò)多方案技術(shù)比選后，確定采用折板式頂板的三艙斷面形式。頂板采用折板可有效降低板墻處應(yīng)力集中現(xiàn)象，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，同時(shí)提高斷面利用率。設(shè)置中間艙既可為人員疏散、管線布置提供便利條件，雙中墻的設(shè)置增加了結(jié)構(gòu)整體剛度，提高了結(jié)構(gòu)對(duì)地震作用的抵抗能力。

低風(fēng)井設(shè)置在隧道南北線各車行方向距出口約200m處。在標(biāo)準(zhǔn)斷面基礎(chǔ)上，頂板開(kāi)洞間隔設(shè)置低風(fēng)井，由此產(chǎn)生荷載不均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)整體性產(chǎn)生一定的影響。為進(jìn)一步研究低風(fēng)井方案結(jié)構(gòu)受力特性，將其與相同荷載條件下標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

計(jì)算均采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模型進(jìn)行分析。標(biāo)準(zhǔn)斷面沿隧道縱向取單位長(zhǎng)度，按底板支承在彈性地基上的平面框架分析。低風(fēng)井處結(jié)構(gòu)建立空間模型進(jìn)行整體分析，選取范圍為相鄰兩條變形縫間的節(jié)段，采用帶剛域的三維框架單元模擬主體結(jié)構(gòu)板、墻，底板下方用土體彈簧模擬地基反力作用，底板彈簧受拉時(shí)，取消受拉部分的彈簧重新計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面彎矩（單位：kN·m）Fig.5 Standard cross-sectional bending moment（unit：kN·m）

圖6 低風(fēng)井空間模型彎矩云圖（單位：kN·m）Fig.6 Moment cloud diagram of low air shaft spatial model（unit：kN·m）

從圖5、圖6 可以看出，首先由于頂板設(shè)置風(fēng)井開(kāi)洞后上部荷載減小，在相同約束條件下，頂板跨中彎矩較標(biāo)準(zhǔn)段有所減小，頂板中支座處由于荷載不平衡的情況產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，支座彎矩略高于標(biāo)準(zhǔn)段。其次相比標(biāo)準(zhǔn)段兩側(cè)內(nèi)力基本平衡，頂板開(kāi)洞后在頂板偏心荷載及結(jié)構(gòu)幾何不對(duì)稱的作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布體現(xiàn)為未開(kāi)洞一側(cè)的彎矩較開(kāi)洞側(cè)稍大。由于頂板上部設(shè)置風(fēng)井，井壁與頂板連接處出現(xiàn)局部應(yīng)力集中情況，設(shè)計(jì)中通過(guò)設(shè)置洞邊梁加固。結(jié)構(gòu)各部位計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.5 Comparison of internal force calculation results

總體對(duì)比下可知標(biāo)準(zhǔn)斷面與頂板開(kāi)洞的空間模型計(jì)算結(jié)果存在差異，但差異較小并無(wú)內(nèi)力陡變情況，采用低風(fēng)井方案對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸及配筋基本無(wú)影響，說(shuō)明該方案在滿足隧道使用功能的基礎(chǔ)上，同時(shí)兼顧了經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于新建特長(zhǎng)明挖隧道外部條件對(duì)空氣環(huán)境的限制，對(duì)比了多種廢氣排放方案的適用性，評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)了運(yùn)營(yíng)期隧道區(qū)域污染物的排放濃度。對(duì)比分析了隧道頂板設(shè)置低風(fēng)井后，與同條件下標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化情況。得到主要結(jié)論如下：

1.隧道位于城市中心區(qū)域時(shí)，周邊條件往往受到諸多制約，可以利用隧道上部地面綠地或道路綠化帶，通過(guò)設(shè)置低風(fēng)井方式分散排放廢氣。合理的設(shè)置低風(fēng)井?dāng)?shù)量及間距可以滿足環(huán)境空氣質(zhì)量要求。

2.頂板設(shè)置低風(fēng)井結(jié)構(gòu)時(shí)，頂板開(kāi)洞側(cè)荷載較標(biāo)準(zhǔn)段小，在上部不均勻荷載作用下，對(duì)應(yīng)底板支座彎矩減小，底板中支座及對(duì)側(cè)邊支座內(nèi)力較標(biāo)準(zhǔn)段略有提高，頂板跨中內(nèi)力減小，中支座內(nèi)力提高，同時(shí)井壁與頂板處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，需采取加固措施。綜合分析后，結(jié)構(gòu)變化未導(dǎo)致壁厚及配筋增加，說(shuō)明該方案經(jīng)濟(jì)性較高。

此外，由于低風(fēng)井設(shè)置在隧道行車方向出口，該斷面為一側(cè)開(kāi)孔，結(jié)構(gòu)形態(tài)及受力不對(duì)稱。斷面另一側(cè)為對(duì)向隧道進(jìn)口，地面空間有條件情況下也可在頂板開(kāi)洞設(shè)置光導(dǎo)管，進(jìn)一步減少結(jié)構(gòu)上部荷載，優(yōu)化構(gòu)件尺寸的同時(shí)，也可為隧道提供自然光源代替人工加強(qiáng)照明，減輕車輛進(jìn)入隧道時(shí)的“黑洞”效應(yīng)。由此引申出的思路，可在日后類似工程中探索應(yīng)用。