高海拔隧道中考虑CO和烟雾的海拔高度系数

严涛^{1, 2}，王明年¹，郭春¹，晁峰¹，陈汉波¹

(1. 西南交通大学 土木工程学院 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都，610031；

2. 西南交通大学峨眉校区土木系，四川 峨眉，614202)

摘要：为较准确地计算隧道需风量，通过现场实测推导考虑各车型的CO及烟雾海拔高度系数计算公式，并将计算公式应用于工程巴朗山隧道。研究结果表明：在海拔3.8 km巴朗山隧道洞口处，考虑CO的海拔高度系数比规范值减少33.75%，考虑烟雾的海拔高度系数比规范值增加6.58%。

关键词：高海拔公路隧道；高度系数；CO；烟雾

中图分类号：U451                文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)11-4012-06

Altitude coefficient considering CO and smoke emission in high altitude highway tunnels

YAN Tao^{1, 2}, WANG Mingnian¹, GUO Chun¹, CHAO Feng¹, CHEN Hanbo¹

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2. Department of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Emei 614202, China)

Abstract: To provide a feasible method for more accurate calculation of the ventilation, the calculation formula of altitude coefficient considering CO and smoke of different cars was drawn by field test combining, and the formula was used in the Baron Mountain tunnel. The results show that the considered altitude coefficient of CO is 33.75% smaller than code value in Baron Mountain tunnel entrance at 3.8 km. The considered altitude coefficient of smoke is 6.58% bigger than code value.

Key words: high altitude highway tunnels; altitude coefficient; CO; smoke

目前，西部公路隧道建设有向特高和特长发展的趋势，海拔高度超过3.8 km的已建或在建有代表性的隧道有花岩子隧道、日尔郎山隧道、列衣隧道、雀儿山隧道等；长度超过7.0 km的已建或在建有代表性的隧道有巴朗山隧道、雪山梁隧道、雀儿山隧道、泥巴山隧道、秦岭终南山隧道等^[1-3]。高海拔隧道后期运营通风费用较高, 正确计算需风量对成本控制显得尤为重要。通风排出及稀释的有害气体主要是汽油车产生的CO及柴油车产生的烟雾，与之对应的计算指标就是考虑CO和烟雾的海拔高度系数。2000年发布的《公路隧道通风照明设计规范》^[4]中考虑CO和考虑烟雾的海拔高度系数f_h和f_h(VI)的海拔最大限值仅为2.2 km和2.4 km，当取值超过限值时，规范规定作直线延伸。关于考虑CO的海拔高度系数f_h和考虑烟雾的海拔高度系数f_h(VI)的研究是随着高海拔隧道的不断修建出现的，之前相关的研究较少。西南交通大学在二郎山隧道中对以汽油车为主的考虑CO海拔高度系数f_h进行了研究^[5]。海拔2.0 km处实测值比规范值降低12%~28%；最高海拔5.0 km处实测值比规范值降低33%~39%。韩直^[6]研究了通风设计中主要参数CO排放量、隧道内车辆的排队长度及停滞时间与交通运营的关系，建立了通风模糊控制模型，达到环保、节能的目的。郑金龙等^[7]在雀儿山隧道中对以柴油车为主的考虑烟雾的海拔高度系数f_h(VI)进行了研究。在海拔4.38 km雀儿山隧道洞口处，实测值比规范值增加21.0%。涂耘^[8]重点对烟雾的折减率进行了深入研究，认为烟雾的年折减率为1%~2%。另外，王贺武等^[9-11]分别就通风设计中一些关键参数进行了研究，取到了一定成果。随着西部高海拔隧道的大量修建，CO海拔高度系数f_h和考虑烟雾的海拔高度系数f_h(VI)的正确取值对通风计算影响显著。而且，隧道需风量计算与各种车型有关。但是，目前对于汽油车和柴油车的研究车型过于单一，车型较少且重复性较强。为此，本文作者在已取得的实测数据基础上，补充测试以前未测试车型，研究考虑各车型的CO和烟雾的海拔高度系数，探索在公路隧道营运通风设计中考虑CO和烟雾的海拔高度系数的合理取值。

1  考虑CO的海拔高度系数

1.1  考虑CO的海拔高度系数的定义及表达式

CO排放量计算公式^[4]为：

    (1)

其中：Q_CO为整条隧道的CO总排放量，m³/s；q_CO为基准排放量，m³/(km·辆)；f_a为车况系数；f_d为车密度系数；f_hi为海拔高度系数；f_iv为纵坡-车速系数；L为隧道长度，m；N_m为各车型的设计值，辆/h；f_m为车型系数；n为车型类别数。

根据式(1)可计算出海拔400 m的CO排放量Q₍₄₀₀₎，将其定为基准排放值，再计算任意超过400 m的海拔高度i的CO排放量Q_(i)，将Q_(i)与Q₍₄₀₀₎相比，得到任意海拔高度i的考虑CO的海拔高度系数：

             (2)

由式(2)可知，在海拔高度400 m处，考虑CO的海拔高度系数为1，该值为考虑CO的起点海拔高度系数。

1.2  汽油车CO排放测试试验

在各个高程点，将汽油车发动机由怠速加速到中等转速，维持5 s以上，再降到怠速状态，通过废气分析仪读取CO排放量的最大值。

主要的测试仪器为NHA-503废气分析仪、空盒气压计、秒表、海拔高度计、精密机械秒表、温湿度计、交流发电机。

重点对规范限值2 200 m以上的高度进行研究，同时要以海拔高度400 m的CO排放量作为基准排放点，因此，海拔高度选择的范围为400~4 500 m。

作为前期测试的补充，选择在山区旅游线路上有代表性的三菱越野车进行现场测试。

1.3  数据分析

1.3.1  测试数据

三菱越野车各海拔的测试数据见表1，实测各海拔高度CO排放量、实测考虑CO的海拔高度系数分别如图1和图2所示。

图1  实测各海拔高度CO排放量

Fig. 1  CO emissions at each height of field test

图2  考虑CO的海拔高度系数实测值与规范值

Fig. 2  Measured values and criterion of altitude coefficient considering CO emission

表1  汽油车CO排放试验测试结果

Table 1  CO emission test results of gasoline car

1.3.2  一元线性回归分析

汽油车(三菱车)的考虑CO海拔高度系数随海拔高度的变化关系式用一元线性回归分析得出如下：

                (3)

其中：x为实测的海拔标高值；y为实测的考虑CO的海拔高度系数。实测线性回归拟合值、2002年实测回归拟合值及现有规范海拔高度系数如图3所示。

1.3.3 考虑各车型的CO海拔高度系数公式推导

将式(1)简写为

    (4)

图3  考虑CO的海拔高度系数实测值与规范值

Fig. 3  Measured values and criterion of altitude coefficient considering CO emission from different models

旅行车、轻型货车(小客车)和大型客车、拖挂车(大客车)考虑CO的车型系数f_m分别为2.5和7.0。

分别由三菱越野车及切诺基大型客车代表小客车及大客车，通过一元线性回归得到各车型考虑CO的海拔高度系数如下。

1) 对于三菱旅行车(代表小客车)，

           (5)

2) 对于切诺基大型客车(代表大客车)，

           (6)

y₀和y₁分别对应已测车型考虑CO的海拔高度系数，代入式(4)，两边同除以本隧道总的设计交通量，可得考虑各车型的CO海拔高度系数：

       (7)

式中：n_m为某车型占总车型的比例。

1.3.4  考虑各车型的计算值与规范值的比较分析

在海拔4.5 km巴朗山垭口处，通过规范直线延伸可得考虑CO海拔高度系数为2.23。通过式(7)计算得到考虑各车型CO海拔高度系数为3.306，比规范值减少32.55%。

在海拔3.8 km巴朗山隧道洞口处，通过规范直线延伸可得考虑CO海拔高度系数为2.913。通过式(7)计算得到考虑各车型CO海拔高度系数为1.93，比规范值减少33.75%。

2  烟雾海拔高度系数

2.1  考虑烟雾海拔高度系数的定义及表达式

烟雾排放量计算公式^[4]为

              (8)

式中：为烟雾总排放量；为基准排放量；为车况系数；为海拔高度系数；为纵坡-车速系数；为车型系数；n_D为车型类别数。

根据式(8)，可计算出海拔400 m的烟雾排放量Q_VI(400)，将其定为基准排放量，再计算任意超过400 m的海拔高度i的烟雾排放量Q_VI(i)，将Q_VI(i)与Q_VI(400)相比，得到任意海拔高度i的考虑烟雾的海拔高度系数：

          (9)

烟雾排放量采用波许烟度R_b表示，式(9)又可表示为

                 (10)

由式(10)可知，在海拔高度400 m处，考虑烟雾的海拔高度系数为1，即为考虑烟雾的起点海拔高度系数。

2.2  柴油车烟雾测试试验

在不同的海拔高度处，采用柴油车自由加速烟度的测量滤纸烟度法，等间隔时间对柴油车辆进行重复采样。

主要测试仪器为GZFULI型透射式烟度计、空盒气压计、海拔高度计、机械秒表、温湿度计、交流发电机。

试验重点对规范限值2.4 km以上的高度进行研究，同时要以海拔高度400 m烟雾排放量作为基准排放点，因此海拔高度选择的范围为400~4 500 m。

选择在山区旅游线路上有代表性的皮卡柴油车进行现场测试。

2.3  数据分析

2.3.1  原始测试数据

皮卡柴油车各海拔高度测试数据见表2，实测各海拔高度烟雾排放量、实测考虑烟雾海拔高度系数分别如图4和图5所示。

2.3.2  一元线性回归分析

皮卡柴油车的烟雾海拔高度系数随海拔高度的变化关系式用一元线性回归分析得出如下：

        (11)

其中：x为实测的海拔标高值；y为实测的考虑烟雾海拔高度系数。实测线性回归拟合值、2005年实测回归拟合值及现有规范海拔高度系数如图6所示。

表2  柴油车烟雾测试结果

Table 2  Test results of diesel vehicle considering smoke

图4  实测各海拔高度烟雾排放量

Fig. 4  Smoke emission at each height

图5  考虑烟雾海拔高度系数实测值与规范值

Fig. 5  Measured values and criterion of altitude coefficient considering smoke for different models

图6  不同车型考虑烟雾海拔高度系数实测值与规范值

Fig. 6  Measured values and criterion of altitude coefficient considering smoke for different models

2.3.3  考虑各车型的烟雾海拔高度系数公式推导

将式(8)简写为

  (12)

小货车、中货车和大货车的考虑烟雾的车型系数分别为0.4，1.0和1.5。

分别由皮卡、金杯柴油货车、全顺柴油货车代表小货车、中货车及大货车，通过一元线性回归得到各车型考虑烟雾的海拔高度系数如下。

1) 对于皮卡(代表小货车)，

             (13)

2) 对于金杯柴油货车(代表中货车)，

              (14)

3) 对于全顺柴油货车(代表大货车)，

         (15)

y₀，y₁及y₂分别对应已测车型考虑烟雾的海拔高度系数，带入式(12)并除以总的设计交通量可得：

  (16)

式中：n_m为某车型占总车型的比例。

2.3.4  考虑各车型的计算值与规范值的比较分析

在海拔4.5 km垭口处，从规范图中直线延伸可得考虑烟雾海拔高度系数为2.23。通过式(16)计算得到考虑各车型烟雾海拔高度系数为2.389，比规范值增加7.13%。

在海拔3.8 km巴朗山隧道洞口处，从规范图中直线延伸可得考虑烟雾海拔高度系数为2.02。通过式(16)计算得到考虑各车型烟雾海拔高度系数为2.153，比规范值增加6.58%。

3  结论

1) 通过现场实测推导了考虑各种车型的考虑CO及烟雾的海拔高度系数计算公式，能较为准确地计算隧道需风量。

2) 运用推导的各车型且符合当前车辆技术水平的考虑CO及烟雾的海拔高度系数计算公式，在海拔3.8 km巴朗山隧道洞口处，考虑CO的海拔高度系数计算值比规范值减少33.75%; 考虑烟雾的海拔高度系数计算值比规范值增加6.58%。

3) 通过对海拔高度系数进行修正，可以较为准确的计算运营阶段隧道需风量，避免出现风量不足或风量浪费，保证营运安全。随着西部高海拔特长隧道的大量修建，研究具有应用推广的实用价值。下一步可展开对隧道实际需风量，风机型号、数量、布置方式的研究。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2013-12-20；修回日期：2014-03-13

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2010CB732105)；国家自然科学基金资助项目(51108384)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(SWJTU10101B10096020，SWJTU11BR013)；西部交通建设科技项目(2006318000104，200831800058) (Project(2010CB732105) supported by the National Key Basic Research Program of China; Project(51108384) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(SWJTU10101B10096020, SWJTU11BR013) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities; Projects(2006318000104, 200831800058) supported by Western Traffic Construction Scientific Program)

通信作者：严涛(1982-)，男，四川简阳人，博士研究生，讲师，从事隧道及地下工程教学与科研；电话：0833-5198457；E-mail: yantao228@163.com