基于实测数据的西汉高速公路秦岭隧道通风效果评估
摘要：为了保证西汉高速秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道运营期间的行车安全，观测了该区段隧道断面的实际交通量，并与预测交通量进行对比分析；利用CO浓度检测器和能见度检测器对隧道上行线内污染物进行实测，并分析讨论了实测数据。结果表明：实际交通量达到预测交通量的88%；隧道内实测最大CO浓度与规范中设计值相比差距较大，实测最大烟雾浓度接近或超过规范中烟雾浓度设计值。因此，需要对秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道送排通风系统工程进行改造，以满足目前隧道内通风要求，同时忽略CO浓度的影响，将烟雾浓度作为主要考虑因素。
关键词：隧道工程；通风效果；交通量；污染物
中图分类号：U453.5文献标志码：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
户县经洋县至勉县高速公路（简称西汉高速）是国家“7918”高速公路网北京至昆明线（G5）在陕西境内重要的一段，是沟通华北和西南的公路运输大通道，也是陕西省“2367”高速公路网的重要组成路段。该工程自2002年8月开工，至2007年9月全线贯通，建设工期为5年。由于其在国家高速公路网中的重要作用和建设条件的特殊性，在当时受到了交通部、陕西省委、省政府的高度重视，被列为全国公路建设的标志性工程。其中秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道作为西汉高速重要控制性工程之一，在汶川地震救援和物资运送等重大事件中发挥了重要作用。
许多学者对秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道做了大量的研究工作。2005年，杨彦民、曹振等人经过分析、计算，对隧道群运营通风系统在不同工况下风机的运行进行优化配置，细化了防火与救灾模式等内容，最终确定了秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道的通风设计[1]。2008年，王立新、李宁军等人通过计算，着重分析在现有通风条件下，正常运营和火灾工况下洞内可容纳的最大车辆数[2]，对秦岭终南山隧道初期运营通风状态作出评价。2011年，郭利平、屈永照等人根据西汉高速公路秦岭隧道照明系统测量数据，分析了现有照明系统存在的问题，并从多方面提出了秦岭隧道照明系统改善措施[3]。经过6～7年的运营后，西汉高速公路秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道通风系统是否能满足目前的通风要求还没有引起研究者们的关注。
为了提高西汉高速秦岭特长隧道群的通风运营条件，现场测试了西汉高速秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道内的交通量、CO浓度和烟雾浓度，并基于实测数据的分析，对该段隧道通风系统的运营现状进行评估。
1工程概况
秦岭Ⅰ号隧道进口位于户县观音山，出口位于宁陕县七亩坪，为直线型特长隧道。其中，上行线进口桩号K58+725，出口桩号K64+827，隧道单洞长度为6 102 m，坡度为258%；下行线进口桩号K64+859，出口桩号K58+715，隧道单洞长度为6 144 m，坡度为-254%，平均海拔高度1 312 m。隧道采用“新奥法”复合式衬砌、高压钠灯光电照明、机械通风；隧道进口洞门型式采用削竹式，出口采用端墙式，隧道围岩以花岗岩、闪长岩和变质砂岩为主，围岩类别以Ⅳ、Ⅴ类为主。秦岭Ⅰ号隧道上行线安装射流风机30台，下行线安装射流风机24台。
秦岭Ⅱ号隧道进口位于宁陕县七亩坪，出口位于宁陕县西傅家河，为直线型特长隧道。其中，上行线进口桩号K65+435，出口桩号K71+560，隧道单洞长6 125 m，22%上坡
4 765 m，059%下坡1 360 m（行车方向）；下行线进口桩号K71+540，出口桩号K65+445，隧道单洞长6 095 m，22%下坡4 765 m，063%上坡1 290 m（行车方向）。隧道采用“新奥法”复合式衬砌、高压钠灯光电照明、机械通风；隧道洞门型式主要采用削竹式；隧道围岩以闪长岩和变质石英砂岩为主，围岩类别以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类为主。通风断面面积为6537 m2，当量直径为834 m。秦岭Ⅱ号隧道上行线安装射流风机32台，下行线安装射流风机26台，采用全射流纵向通风。 2秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道交通量分析
基于2007～2013年秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道断面交通量的实测数据（按照客车和货车2种车型进行统计），分别以折线图的形式表示，如图1所示，其中虚线为各类型车线性拟合得到的线性增长趋势线。2014年1～7月再次对秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道断面交通进行观测，为了使不同交通流能够在同样的标准下进行分析，将实测中的各类车辆交通量换算成标准车当量。根据《公路工程技术标准》[4]给出计算公式
式中：Ve为当量交通量（veh）；V为自然交通量（veh）；Pi为第i类车交通量占总交通量的百分比（%）；Ei为第i类车的车辆换算系数，见表1。
表2为考虑转换至铁路和宝汉等高速交通量之后换算成的标准车当量[56]。基于四阶段预测理论对秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道交通量进行预测，使隧道通风系统获得良好的控制效果，保证司乘人员的健康，对优化通风系统以及降低隧道运营成本有着重要意义，预测结果见图2。
由图1可以看出，2007～2013年秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道交通量逐年上升，其中货车为交通量的主体，且线性增长率较大。这几年有增长减缓的趋势，由于其基数较大，因此隧道内稀释烟雾所需风量依然较大。根据2014年1～7月实际观测，交通量值平均值为26 461 veh・d-1，已达到2016年度预测交通量30 064 veh・d-1的88%，且2014年4月实际观测交通量也已经超过2016年度预测交通量。故从交通量方面看，秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道内的通风设备已经不能满足目前隧道内的通风要求。
3秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道污染物测试
为了更好地了解秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道内的空气情况，以秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道上行线为研究对象，对隧道内部的相关污染物进行检测，其中主要包括对CO浓度和烟雾浓度的测试。
3.1测试方法
由于山岭重丘区隧道高峰交通量一般出现在早上9～10时，故于2014年7月31日9：00～10：00、11：00～12：00对秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道上行线空气质量进行了2次检测。利用CO1A型检测仪和能见度检测器对秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道内的CO浓度和烟雾浓度进行检测。
3.2测点布置
由于测量光线透过率的仪器体积较大，需要连接外接电源及计算机设备，为保证人员、设备安全，减小对隧道内正常运营的干扰，将测点布置在隧道紧急停车带高度为1 m的位置[712]。为了方便测量并提高测量效率，同一隧道内烟雾浓度和CO浓度的测点选择同一断面，共选择了5处位置，分别进行了3次量测读数。测点的平面布置见图3。图4为现场测试烟雾浓度与CO浓度时的照片。
3.3数据处理
为方便研究，以折线图的形式来表示秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道内的CO浓度和烟雾浓度沿隧道纵向分布的情况，如图5、6所示。由于在Ⅰ号隧道距出口50 m处的光照度测量受外界光线的影响较大，故取消该点透过率的测量。数据处理时，CO浓度是取3次测量的平均值，烟雾浓度用衰减系数K来表示，通过测出的3组照度并取其平均值，带入K的计算公式
式中：E0为仪器发出的光照度；E为光照在隧道内传播100 m后的照度。
4实测结果分析与讨论
由图5和图6中的实测CO浓度曲线可以看出，秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道上行线内的CO浓度实测值较低，这与通风计算的结果是吻合的；且2个隧道内最大CO浓度分别为
17.33 ppm和15.67 ppm，与《公路隧道通风照明设计规范》[13]（后文简称“规范”）中250 ppm的设计值相比差距较大，故CO浓度目前不作为通风的控制因素。由图5和图6中的实测烟雾浓度曲线可以看出，秦岭Ⅱ号隧道上行线衰减系数K的最大值为0009 3 m-1；而规范中规定，当隧道内采用钠灯光源、80 km・h-1设计车速、二级服务水平时，对应的烟雾设计浓度的衰减系数K=0007 m-1。说明秦岭Ⅱ号隧道烟雾浓度已超过极限值，现有通风系统已不能满足稀释烟雾的通风需求。本次实测数据是在紧急停车带（高度1 m）得到的，秦岭Ⅰ号隧道上行线中，实测出烟雾浓度衰减系数的最大值为0005 4 m-1，由于受热空气向上聚集的影响，烟雾在拱顶的浓度必定大于边墙处的浓度[1417]。可以推算一定高度上隧道烟雾浓度值可能达到规范中的限值，说明秦岭Ⅰ号隧道上行线现有通风系统接近或可能达到其极限。
通过对秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道上行线内CO浓度的实测，并与规范对比后得出，CO浓度目前不作为通风的控制因素，建议在后期改造工程中不作重点因素考虑。通过对秦岭Ⅰ号隧道上行线隧道内烟雾浓度的实测，并与规范对比得出，秦岭Ⅰ号隧道上行线烟雾浓度已接近上限值。根据对隧道内交通量的预测，得出通过隧道内的汽车将持续增加，加上货车占的比重较大，且隧道的坡度较大，故该隧道现有通风系统不能满足将来稀释烟雾的通风需求。通过对秦岭Ⅱ号隧道上行线隧道内烟雾浓度的实测，并与规范对比得出，秦岭Ⅱ号隧道上行线烟雾浓度已超过上限值，故该隧道应尽快实施送排式通风系统。根据实测的CO浓度和烟雾浓度值得出，目前隧道内通风的主要目的不是保证卫生条件，而是保证行车安全[18]。由于秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道上行线内烟雾浓度沿隧道纵向分布不均匀，在具体实施设计中应分段计算需风量，然后确定风机的布置和数量。
5结语
本文研究了西汉高速秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道断面的实测交通量，并利用CO浓度检测器和能见度检测器测试了西汉高速秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道上行线内的污染物。研究结果表明：2014年1～7月实际观测交通量平均值约为26 461 veh・d-1，已达到2016年度预测交通量（30 064 veh・d-1）的88%；秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道内实测最大CO浓度分别为17.33 ppm和15.67 ppm，与规范设计值（250 ppm）相比差距较大；秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道内实测最大烟雾浓度衰减系数分别为0005 4 m-1和0009 3 m-1，已经接近或超过规范中烟雾浓度的设计值（0007 m-1）。因此，需要对秦岭Ⅰ、Ⅱ号隧道送排通风系统进行改造，同时将烟雾浓度作为主要考虑因素，以满足目前隧道内的通风需求。 参考文献：
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