公路隧道運營環(huán)境的二氧化碳分布特性

溫小寶，韓興博，葉飛，鄧念兵，楊海挺，張興冰,3，王培源

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.寧波市交通工程管理中心，浙江 寧波 315000；3.四川成樂高速公路有限責(zé)任公司，四川 成都 610000)

隨著我國隧道基礎(chǔ)設(shè)施從“建設(shè)為主”向“建養(yǎng)并重”過渡，大量運營隧道的養(yǎng)護維修與長壽命化技術(shù)受到重視，碳化耐久性作為隧道鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)面臨的重要挑戰(zhàn)，受到了眾多學(xué)者的關(guān)注[1-4].與廠房、住宅、橋梁等地表建筑物不同，公路隧道由于半封閉的空間特征及汽車行駛過程中大量尾氣的排放，隧道內(nèi)部CO2的體積分?jǐn)?shù)遠高于大氣環(huán)境[5-6]，甚至能夠達到正常大氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的5 倍以上[7].CO2體積分?jǐn)?shù)作為影響混凝土碳化進程的控制因素之一[8-9]，對混凝土碳化速度的影響顯著[5,10-11].與地表建筑物相比，公路隧道襯砌的碳化耐久性保障面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[12-13].

考慮到公路隧道內(nèi)的CO2體積分?jǐn)?shù)高于大氣環(huán)境，曾石發(fā)等[14-16]通過建立相應(yīng)的計算模型，實現(xiàn)隧道CO2體積分?jǐn)?shù)的理論計算.韓興博等[3]通過實測數(shù)據(jù)建立隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的計算公式，視整個隧道中的CO2體積分?jǐn)?shù)為一常量，給出公路隧道襯砌混凝土碳化壽命的計算方法.王蕾[15]基于分子擴散機理，提出隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的計算方法，為隧道碳化模型中參數(shù)的確定提供了支持.上述計算主要考慮了交通量對CO2整體分布的影響，計算方法較理想.隧道長度、隧道斷面內(nèi)的位置、隧道不同的結(jié)構(gòu)部位等均會對CO2體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生影響，因此應(yīng)在碳化耐久性設(shè)計中區(qū)別考慮.

關(guān)于隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的現(xiàn)場實測，目前已有部分報道.Moreno 等[17]對巴塞羅那地鐵隧道的空氣質(zhì)量進行監(jiān)測，其中CO2體積分?jǐn)?shù)為371×10-6～569×10-6.Kappelt 等[18]對哥本哈根地鐵的污染物進行類似的監(jiān)測，CO2體積分?jǐn)?shù)極值約為600×10-6.李兵成等[19]對西康鐵路秦嶺隧道的環(huán)境衛(wèi)生進行研究，發(fā)現(xiàn)該隧道CO2質(zhì)量濃度為1.02～2.13 g/m3(體積分?jǐn)?shù)為526×10-6～1 099×10-6).盡管地鐵和鐵路隧道中不涉及汽車行駛帶來的CO2排放，受封閉環(huán)境的影響，CO2體積分?jǐn)?shù)仍然高于大氣環(huán)境的400×10-6[20].關(guān)于公路隧道的CO2體積分?jǐn)?shù)實測，劉洋[21]對西安市內(nèi)4 條公路隧道的環(huán)境污染物進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)CO2的體積分?jǐn)?shù)基本為600×10-6～900×10-6.Cong 等[22]對青島仰口隧道的污染物進行監(jiān)測，其中CO2的體積分?jǐn)?shù)為700×10-6～1 600×10-6.Khan 等[23]對巴基斯坦的Lowari 隧道建設(shè)及運營階段的污染物體積分?jǐn)?shù)進行長期觀測發(fā)現(xiàn)，運營期間CO2的體積分?jǐn)?shù)極值超過2 000×10-6.總體而言，目前關(guān)于隧道尤其是公路隧道的環(huán)境CO2體積分?jǐn)?shù)實測數(shù)據(jù)較少.現(xiàn)有現(xiàn)場監(jiān)測的CO2體積分?jǐn)?shù)差異較大，導(dǎo)致差異的原因不明確.此外，現(xiàn)有的CO2體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測基本從隧道洞內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生保障的角度出發(fā)，監(jiān)測位置選擇較隨意，不能反映隧道襯砌表面的CO2體積分?jǐn)?shù)，直接用于碳化耐久性評估的準(zhǔn)確性不能保障.

為了更加準(zhǔn)確地確定公路隧道內(nèi)部環(huán)境的CO2體積分?jǐn)?shù)，得到隧道空間內(nèi)部CO2的分布規(guī)律，本文通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)合數(shù)值模擬，考慮公路隧道的內(nèi)部空間特性，分析公路隧道內(nèi)部CO2的分布特性，為不同交通組織類型的隧道以及隧道的不同位置、不同結(jié)構(gòu)（主洞、加寬帶、橫通道）等的襯砌碳化耐久性設(shè)計提供更加科學(xué)的依據(jù).

1 公路隧道CO2 分布的現(xiàn)場監(jiān)測

1.1 監(jiān)測方案

1.1.1 移動式快速監(jiān)測 為了獲取公路隧道CO2分布的基本水平與整體規(guī)律，對寧波市域的5 處隧道進行CO2體積分?jǐn)?shù)移動式快速監(jiān)測.儀器采用BLATN 空氣質(zhì)量檢測儀，CO2體積分?jǐn)?shù)的測量范圍為0～5×10-3，分辨率為10-6，精度為4.5×10-5.為了保證安全和數(shù)據(jù)的有效性，監(jiān)測人員手持儀器，在隧道檢修道上行進，監(jiān)測高度為1.5 m，水平距離為邊墻向內(nèi)0.5 m，縱向以50 m為間隔，對隧道壁附近的CO2體積分?jǐn)?shù)進行監(jiān)測.每個點位待儀器采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進行記錄，采集3 次，以平均值作為該點位的最終監(jiān)測值.移動式快速監(jiān)測的隧道工況如表1 所示.表中，隧道均為雙車道，截面面積的差異不明顯；監(jiān)測時通風(fēng)設(shè)備均未在工作狀態(tài)；斷續(xù)流由洞口前方交叉路口的信號燈控制.

表1 CO2 監(jiān)測工況Tab.1 Carbon dioxide monitoring conditions

1.1.2 固定式長期監(jiān)測 為了更加詳細地監(jiān)測隧道內(nèi)CO2的時變特征，以大金山隧道為代表，在隧道內(nèi)安裝4 組具有4G 通信模塊的CO2監(jiān)測儀，分別布置在隧道的入口、2/4、3/4 和出口位置的燈具(高度為5.5 m)或側(cè)墻指示牌(高度為3.5 m)上方.監(jiān)測方案中移動式快速監(jiān)測和固定式長期監(jiān)測的方案規(guī)劃及儀器布置如圖1 所示.

圖1 CO2 現(xiàn)場監(jiān)測過程Fig.1 Carbon dioxide on-site monitoring process

1.2 測試數(shù)據(jù)及規(guī)律分析

1.2.1 測試結(jié)果 公路隧道運營環(huán)境中CO2體積分?jǐn)?shù)的基本水平和分布規(guī)律是碳化模型中應(yīng)重點關(guān)注的參數(shù)，文獻[15,21～23]描述的大都是所依托工程的點監(jiān)測值.將5 處隧道的移動式快速監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總（見圖2）后可知，隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)在不同時空的分布有顯著區(qū)別，點監(jiān)測值無法描述整個隧道的CO2體積分?jǐn)?shù)，因此有必要對其時空分布規(guī)律進行探討.圖2 中，y為CO2體積分?jǐn)?shù)，x為距離隧道入口的位置.

圖2 移動式監(jiān)測不同工況的CO2 分布圖Fig.2 Carbon dioxide distribution of mobile monitoring under different working conditions

1.2.2 沿長分布規(guī)律

1）單向直線隧道分布的規(guī)律.5 個工況的隧道入口及洞外100 m CO2體積分?jǐn)?shù)均約為550×10-6，故寧波市象山縣的城市隧道在距離地面1.5～2.0 m 位置的CO2體積分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)水平約為550×10-6.對工況S1、S2 的異常值進行篩除后，可以擬合得到顯著的線性關(guān)系（見圖2(a)、(b)），而工況S3 的上升段、S4 的直線段呈現(xiàn)出一定線性增長的規(guī)律.為了對空間分布規(guī)律進行簡化，可以將運營隧道直線段中的CO2體積分?jǐn)?shù)縱向分布大致歸納為

式中：y為CO2體積分?jǐn)?shù)，x為距離；a為增長系數(shù)，該值與交通流狀態(tài)（CO2排放水平）、通風(fēng)水平和隧道線形尺寸等有關(guān)；b為CO2體積分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)水平.受線形、斷面變化、橫通道等的影響，需要關(guān)注不同測點區(qū)間性的局部特征.對已有文獻中測量所得的隧道CO2體積分?jǐn)?shù)、本文所測數(shù)據(jù)進行對比，如表2 所示.

表2 不同隧道CO2 體積分?jǐn)?shù)測量值Tab.2 Measurements of carbon dioxide volume fraction in different tunnels

對比工況S1 和S2，可知隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)與交通流連續(xù)特性的關(guān)系，與CO2體積分?jǐn)?shù)隨距離平穩(wěn)增長的高架嶺隧道不同，史家山隧道由于在洞口前方300 m 左右處設(shè)置有一紅綠燈，因此交通流呈斷續(xù)流狀態(tài)，CO2體積分?jǐn)?shù)曲線具有顯著的鋸齒特征.

2）雙向直線隧道分布的規(guī)律.對比工況S1 和S3，可知隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)與交通流單雙向的關(guān)系，雖然影城隧道的長度小于高架嶺隧道，但是最大CO2體積分?jǐn)?shù)均約為700×10-6.這主要是因為影城隧道為雙向隧道且無機械通風(fēng)，通風(fēng)阻力較大，CO2排出較慢，因此在隧道中滯留.影城隧道在250 m 處CO2體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)了陡降，呈現(xiàn)出中間體積分?jǐn)?shù)大、兩邊體積分?jǐn)?shù)小的現(xiàn)象.原因是監(jiān)測人員的移動式監(jiān)測需要步行時間，在這期間由于雙向車流量在變化，導(dǎo)致交通風(fēng)風(fēng)向處于來回變化的狀態(tài)，致使隧道中部CO2積聚，無法排出.實際中雙向直線隧道的體積分?jǐn)?shù)峰值不一定在出口處，這與其不穩(wěn)定的通風(fēng)水平具有較大的關(guān)系.

3）單向曲線隧道分布的規(guī)律.對比工況S1 和S4，可知隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)與隧道線形的關(guān)系，和直線隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)與位置近似呈線性正相關(guān)的規(guī)律不同，大金山隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)與位置呈現(xiàn)先升后降的特征.這與秦嶺鐵路隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)相似[19]，隧道中部體積分?jǐn)?shù)最高，兩端體積分?jǐn)?shù)較低.原因是大金山隧道中后部為曲線，曲線會使得斷面分布出現(xiàn)內(nèi)濃外疏的分布特征，而移動式監(jiān)測僅沿曲線外側(cè)進行了巡檢，因此CO2體積分?jǐn)?shù)分布在隧道直線段為增長趨勢，曲線段為下降趨勢.

4）不同監(jiān)測時間的影響.對比工況S4 與S5，可知隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)與測量時間的關(guān)系，晚9 點時體積分?jǐn)?shù)顯著高于外界環(huán)境，而凌晨1 點時體積分?jǐn)?shù)趨于平穩(wěn)，整體略低于外界環(huán)境，這主要是由不同時段的交通量水平?jīng)Q定的.

5）橫通道和加寬帶的影響.如圖2(a)、(d)所示，橫通道的存在具有一定的互補式通風(fēng)作用，靠近入口的橫通道會使得斷面體積分?jǐn)?shù)升高，靠近出口的橫通道會使得斷面體積分?jǐn)?shù)降低，但影響范圍不大.加寬帶會產(chǎn)生一定的緩沖作用，在一定范圍內(nèi)使得CO2體積分?jǐn)?shù)沿距離的提高速率放緩.

1.2.3 時變分布規(guī)律 為了討論運營隧道CO2體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化，取大金山隧道9 月22 日—9 月28 日的固定式監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，如圖3、4 所示.

圖3 CO2 日監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.3 Daily monitoring data of carbon dioxide

1）隧道中CO2體積分?jǐn)?shù)的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)與距離呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，入口、1/2 處、3/4 處及出口的平均體積分?jǐn)?shù)分別為467×10-6、646×10-6、987×10-6、1 172×10-6，較符合線性關(guān)系，如下所示：

此處（5.5 m 高）的CO2體積分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)水平467×10-6明顯低于移動式監(jiān)測（1.5 m 高）的值550×10-6，略高于空氣中CO2體積分?jǐn)?shù)400×10-6.這可能與CO2的空間斷面分布有關(guān)，洞外路面處的CO2受重力和通風(fēng)的影響，會使得地表一定高度范圍內(nèi)的CO2體積分?jǐn)?shù)高于外界環(huán)境值，拱頂一定范圍內(nèi)的CO2體積分?jǐn)?shù)與外界環(huán)境較一致.

2）如圖3 所示為運營隧道CO2體積分?jǐn)?shù)24 h的變化情況.可知，7 點～20 點CO2體積分?jǐn)?shù)較高，各處極值產(chǎn)生在8 點、12 點、17 點，與居民作息和早晚高峰顯著相關(guān).

3）如圖4 所示為運營隧道CO2體積分?jǐn)?shù)一周的變化情況.可知，體積分?jǐn)?shù)變化具有明顯的周期性，且周末體積分?jǐn)?shù)高于周內(nèi)，這與居民周末更多的出行相關(guān).

圖4 CO2 周監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.4 Week monitoring data of carbon dioxide

2 CO2 空間分布數(shù)值計算

由于現(xiàn)場監(jiān)測的安全問題和實時交通風(fēng)的不穩(wěn)定性，測量時無法準(zhǔn)確測得整個斷面的CO2空間分布情況.為了彌補現(xiàn)場監(jiān)測方式的不足，利用ANSYS 軟件中的CFD 求解器Fluent 進行數(shù)值仿真.考慮到現(xiàn)場實測中各工況斷面不一且交通量、實時交通風(fēng)難以確定，未直接選用現(xiàn)場實測隧道的參數(shù)進行模擬，而是采用控制變量法.在確定同一斷面和同一較不利情況的交通量后，研究長度、線形、加寬帶、橫通道以及交通流特征和通風(fēng)水平對CO2分布的影響規(guī)律.

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

為了減小數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分難度和計算復(fù)雜程度，忽略了檢修道、風(fēng)機、指示牌等細部構(gòu)造，將隧道斷面簡化為三心圓斷面，采用spacecliam 軟件建立公路隧道三維模型.為了模擬汽車尾氣中CO2的排放和擴散，將連續(xù)行駛車輛的排氣過程簡化為與隧道同長、與排氣管同高、與路面同寬的薄板，對該薄板進行源項設(shè)置和質(zhì)量流率的賦值.模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和四面體劃分方法進行網(wǎng)格劃分，隧道采用1 m 的單元尺寸，CO2釋放薄板采用0.2 m 的單元尺寸.模型如圖5所示，尺寸如表3 所示.

圖5 CO2 排放的模型Fig.5 Model of carbon dioxide emission

表3 隧道及釋放源薄板模型的尺寸Tab.3 Size of tunnel and release source thin plate model m

2.2 求解方法與邊界條件

模型采用基于壓力的求解器和Standardk-ε 雙方程湍流模型.速度-壓力耦合采用SIMPLE 算法，動量離散格式采用二階迎風(fēng)，其余量采用一階迎風(fēng)，計算收斂殘差取10-4.

模擬時簡化通風(fēng)壓力為整個斷面均勻加載，隧道出、入口設(shè)置為壓力斷面，入口壓力按照各工況的通風(fēng)壓力計算，出口壓力設(shè)置為0（大氣壓強相對值）.將隧道側(cè)壁、路面和拱頂設(shè)置為壁面，粗糙高度設(shè)置為8 mm.CO2釋放薄板設(shè)置為源項，以交通量和不同車輛的CO2排放因子為依據(jù)，計算整條隧道的CO2排放量[3,27].

2.3 模擬工況

為了探討不同隧道長度L、線形、單雙向以及有、無加寬帶和橫通道等情況下CO2的空間分布情況，設(shè)置如表4 所示的6 個工況.其中，參考影城隧道和史家山隧道的長度，且考慮到1 000 m為長隧道和中短隧道的劃分界限，更典型，因此確定隧道長度為400 m 和1 000 m.曲線隧道的半徑選取為1 000 m.加寬帶與橫通道根據(jù)《公路隧道設(shè)計細則》(JTG T D70-2010)，設(shè)置在隧道的750 m 處，加寬帶長為50 m，橫通道截面的特征參照規(guī)范推薦，選用直邊墻車行橫通道.

表4 隧道CO2 空間分布的數(shù)值模擬工況Tab.4 Numerical simulation working conditions of carbon dioxide spatial distribution in tunnel

2.4 參數(shù)確定

1）結(jié)合現(xiàn)場觀測并參照相關(guān)資料，確定單洞小時交通量為2 970 veh/h.為了方便工況對比，認(rèn)為單、雙向洞內(nèi)交通量均一致，具體的車輛組成如表5 所示.表中，Nm為不同車型的數(shù)量.

表5 交通量及組成Tab.5 Traffic volume and composition

2）隧道的CO2排放體積流量可按下式計算得到：

式中：qVCO2為CO2的排放體積流量；為不同車型CO2排放因子，其取值參照文獻[3]；n為車輛類型數(shù)量.計算得到400 m 和1 000 m 隧道的CO2排放體積流量分別為0.054 73 和0.136 83 m3/s.

3）各工況的通風(fēng)參照規(guī)范單獨計算.400 m隧道無機械通風(fēng)，1 000 m 隧道有機械通風(fēng)，考慮單向交通的交通風(fēng)為助力、自然風(fēng)為阻力，雙向交通的自然風(fēng)為助力、交通風(fēng)為阻力，隧道入口斷面加載值為交通風(fēng)、自然風(fēng)和局部阻力之差，機械通風(fēng)設(shè)置于隧道內(nèi)，400 m 斷面處采用2 臺1120 型風(fēng)機，各工況風(fēng)壓設(shè)置的具體值如表6 所示.表中，工況2 的方向系數(shù)為0.6.

表6 通風(fēng)水平Tab.6 Air level

3 結(jié)果分析

3.1 縱向整體分布規(guī)律

各工況中線縱斷面的CO2體積分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)出沿高度和距離增大的趨勢，此處僅展示工況1 的中線縱斷面云圖，如圖6(a)所示.為了對各工況進行對比分析，計算各工況橫斷面的積分平均值來表征CO2沿隧道縱向的整體變化趨勢，如圖6(b)所示.可見，各工況的CO2體積分?jǐn)?shù)沿縱向均具有穩(wěn)定且顯著的線性特征，這由穩(wěn)定的CO2排放速率和通風(fēng)水平?jīng)Q定.由于數(shù)值模擬中未考慮洞外路面尾氣的進入和大氣環(huán)境中的基準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)，對各工況進行定截距為0 的線性擬合，對增長系數(shù)a進行對比，如圖6(c)所示，得到以下規(guī)律.

圖6 CO2 縱向整體分布規(guī)律Fig.6 Vertical overall distribution law of carbon dioxide

1）同交通量下雙向交通的增長系數(shù)遠大于單向交通，其根本區(qū)別在于通風(fēng)壓力，16.23 Pa 的通風(fēng)壓力差值使得雙向交通的a相對單向交通提高了335%，說明通風(fēng)水平對CO2體積分?jǐn)?shù)分布的影響顯著.

2）同交通量下曲線隧道的增長系數(shù)比直線隧道高5.7%，說明線型對CO2分布的影響較小.

3）同交通量基本通風(fēng)水平下隧道長度對增長系數(shù)的影響較小.

4）加寬帶處的CO2體積分?jǐn)?shù)存在增長速率明顯減緩的現(xiàn)象，說明加寬帶具有一定的緩沖作用，但整體來看，同交通量下加寬帶的存在會增大增長系數(shù)，a提高約21.3%.

5）250 m 橫通道處的CO2體積分?jǐn)?shù)存在明顯的陡增現(xiàn)象，說明左洞出口的高體積分?jǐn)?shù)CO2能夠通過橫通道擴散至右洞，但750 m 橫通道對斷面平均值的作用不明顯，整體來看，同交通量下橫通道的存在會增大增長系數(shù)，a提高約25.3%.

3.2 斷面各測點的分布規(guī)律

為了探究隧道襯砌混凝土周圍的CO2體積分?jǐn)?shù)，反映不同工況下隧道中CO2沿橫斷面的分布特征，沿斷面輪廓線內(nèi)0.5 m 距離由下向上且左、右對稱取7 個測點進行分析.測點A（A'）、B（B'）、C（C'）、D高度分別為1.5、3.5、5.5、7.24 m，其中測點A、B、C分別與移動式監(jiān)測、固定式監(jiān)測基本同高.

3.2.1 直線隧道斷面的分布規(guī)律

1）對比工況1 和工況2 的橫斷面云圖（見圖7(a)、(b)）可知，當(dāng)通風(fēng)流暢時，CO2分布呈現(xiàn)橢圓擴散狀；反之，則呈現(xiàn)微凹型.這是由于重力作用下CO2會在底部積聚，通風(fēng)順暢時風(fēng)壓能夠完全克服沿程阻力，CO2將沿縱向往四周較均勻地擴散，而通風(fēng)不暢時一方面由于風(fēng)壓較小，CO2受重力影響更大，在左、右向的擴散大于向上的擴散，另一方面由于風(fēng)壓無法完全克服墻壁的摩擦，導(dǎo)致CO2在底部和兩邊積聚.

圖7 直線隧道的CO2 斷面分布圖Fig.7 Carbon dioxide section distribution of straight tunnel

2）對比圖7(c)、(d)、(e)可知，測點體積分?jǐn)?shù)沿斷面對稱，且與位置關(guān)系顯著，位置越低，體積分?jǐn)?shù)越大，因此測點分析僅選用一側(cè)的4 個測點.單測點的體積分?jǐn)?shù)變化與距離不呈現(xiàn)嚴(yán)格的線性關(guān)系，而是存在一個拐點，拐點前體積分?jǐn)?shù)較小，基本不變，拐點后呈現(xiàn)線性變化趨勢，該現(xiàn)象與移動式監(jiān)測數(shù)據(jù)（見圖2(d)、(e)）相似.這是由于模擬中未考慮洞外路面尾氣的進入，在重力作用和通風(fēng)條件下CO2的擴散需要一定的距離和時間，而現(xiàn)實中洞外路面尾氣的進入影響程度不一，因此移動式監(jiān)測工況S1、S2 呈現(xiàn)線性關(guān)系，工況S3、S4 與模擬結(jié)果類似.

3）消除工況1、2、4 各測點的拐點影響后進行線性擬合，增長系數(shù)的對比如圖7(f)所示.可知，在基本通風(fēng)水平下，長度對各測點a的影響較小.在同交通量下，通風(fēng)水平對各測點的a影響顯著，較低的通風(fēng)水平會明顯地增大測點A、B、C的a，減小測點D的a.

4）工況4 的模型參數(shù)與史家山隧道較相似，可以進行一定的對比.其中史家山隧道移動式監(jiān)測的增長系數(shù)為0.256×10-6m-1，工況4 中A測點與移動式監(jiān)測測點對應(yīng)，增長系數(shù)為0.43×10-6m-1，略高于實際.這一方面是由于數(shù)值模擬采取了較不利的交通量，另一方面是由于數(shù)值模擬未考慮熱尾氣溫升力、射流風(fēng)機升壓和實時交通風(fēng)局部擾動等作用，對現(xiàn)實情況進行了簡化.從CO2的空間分布規(guī)律以及增長系數(shù)的數(shù)量級和數(shù)值大小來看，采用的CO2排放量計算方法及數(shù)值模擬方式具有一定的合理性.

3.2.2 曲線隧道斷面的分布規(guī)律 與直線隧道較對稱的斷面分布不同，曲線隧道呈現(xiàn)出明顯的外側(cè)少、內(nèi)側(cè)多的特征，如圖8(a)所示.其中，測點A、B的體積分?jǐn)?shù)顯著高于直線工況，但測點C、D、A'、B'、C'呈現(xiàn)出體積分?jǐn)?shù)基本未增加的狀態(tài)，如圖8(b)、(c)所示.這說明曲線特征使得CO2在內(nèi)側(cè)底部產(chǎn)生了局部聚集.測點A、B在曲線后半部分均產(chǎn)生了振蕩，這與移動式監(jiān)測工況S4 吻合.當(dāng)考慮曲線隧道碳化問題時，應(yīng)著重注意曲線內(nèi)側(cè)底部，建議在隧道中后部選取極值作為安全體積分?jǐn)?shù).

圖8 曲線隧道的CO2 斷面分布圖Fig.8 Carbon dioxide section distribution of curved tunnel

3.2.3 加寬帶的影響規(guī)律 加寬帶的存在對斷面分布的影響具有明顯的區(qū)段性.如圖9(a)、(b)所示，加寬帶位置以前的斷面分布與工況4 相同，均為橢圓擴散、對稱分布，但在加寬帶位置后，由于加寬帶的存在，CO2分布產(chǎn)生整體向加寬帶一側(cè)的聚集.從測點體積分?jǐn)?shù)變化來看，750 m 處測點A'、B'產(chǎn)生了陡增現(xiàn)象，40 m 長度的加寬帶后測點C'、D產(chǎn)生了陡增現(xiàn)象，測點A'、B'產(chǎn)生了先陡降，后平穩(wěn)增長直至下降的現(xiàn)象.這主要是由于CO2在加寬帶處受到了緩沖和聚集，在重力作用下隧道底部的體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生了陡增現(xiàn)象，但由于離開加寬帶時斷面面積減小，CO2向出口的流動受到阻擊，從而向拱頂下方左方進行擴散，因此導(dǎo)致測點C'、D的體積分?jǐn)?shù)陡增.整體來看，各測點在出口部位的增長速率均有放緩，但大致符合線性規(guī)律，因此消除各測點的拐點影響后進行線性擬合.對比增長系數(shù)，如圖9(c)所示.可知，相對工況4，加寬帶的存在會增大各測點的增長系數(shù)，加寬帶一側(cè)的測點A'、B'體積分?jǐn)?shù)低于另一側(cè)，測點C'體積分?jǐn)?shù)高于另一側(cè).

圖9 1 000 m 直線（有加寬帶）隧道CO2 斷面分布圖Fig.9 Carbon dioxide section distribution of 1 000 m straight line (with broadband) tunnel

3.2.4 橫通道影響規(guī)律 如圖10(a)、(b)所示，靠近橫通道一側(cè)的測點A'、B'、C'在250 m 處的體積分?jǐn)?shù)顯著提高，然后逐漸降低，再升高，但在750 m處測點A'、B'、C'的體積分?jǐn)?shù)分別呈現(xiàn)陡增、平緩和下降的現(xiàn)象，整體來看，750 m 后各測點體積分?jǐn)?shù)的增長趨勢均放緩.可見，橫通道的存在對CO2斷面分布的影響顯著，具有一定的互補式通風(fēng)效果.整體來看，靠近橫通道一側(cè)測點在出口部位的體積分?jǐn)?shù)略低于另一側(cè)的測點，中間部位的體積分?jǐn)?shù)變化劇烈，但另一側(cè)大致符合線性規(guī)律，因此消除另一側(cè)各測點的拐點影響后進行線性擬合.對比增長系數(shù)，如圖10(c)所示.可知，相對工況4，橫通道的存在會增大斷面各測點的增長系數(shù).

圖10 1 000 m 直線（有橫通道）隧道的CO2 斷面分布圖Fig.10 Carbon dioxide section distribution of 1 000 m straight line (with cross channel) tunnel

4 結(jié)論

（1）公路隧道直線段的運營期CO2體積分?jǐn)?shù)沿縱向具有明顯的線性遞增特征，通常情況下隧道出口處的CO2體積分?jǐn)?shù)最高，可達691×10-6～1 226×10-6，為一般大氣環(huán)境水平的2～4 倍.增長系數(shù)a與通風(fēng)水平、線形、長度以及加寬帶和橫通道等有關(guān)，其中通風(fēng)水平對a的影響最大，加寬帶和橫通道會顯著增大a，長度和線型對a的影響較小.基本水平b與測點位置有關(guān)，5.5 m 高度處大致為450×10-6，1.5 m 高度處大致為550×10-6.

（2）公路隧道運營期CO2體積分?jǐn)?shù)水平沿橫斷面的分布具有明顯的擴散現(xiàn)象和重力效應(yīng)，整體上呈現(xiàn)從下向上體積分?jǐn)?shù)減小的特征.直線隧道的斷面分布對稱，通風(fēng)順暢時分布為橢圓擴散狀，不暢時為微凹狀.曲線隧道呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)底部集中、外側(cè)極小的現(xiàn)象.加寬帶具有緩沖作用，使得斷面整體分布向加寬帶一側(cè)聚集，但加寬帶一側(cè)的測點體積分?jǐn)?shù)總體低于另一側(cè).橫通道具有明顯的互補式通風(fēng)效果.

（3）公路隧道運營期CO2的體積分?jǐn)?shù)分布具有明顯的時變特征，8 點、12 點、17 點出現(xiàn)日體積分?jǐn)?shù)極值，周末出現(xiàn)周體積分?jǐn)?shù)極值，總體具有周期性，體積分?jǐn)?shù)與交通量水平顯著相關(guān).

（4）基于隧道內(nèi)部交通量的特性，給出隧道內(nèi)部CO2體積分?jǐn)?shù)分布的具體模擬方法.利用本研究的CO2排放量計算方法及數(shù)值模擬方式，能夠在一定程度上準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)實情況中CO2的排放與隧道中CO2的分布特性.

（5）公路隧道的交通流情況、通風(fēng)水平、幾何特征與細部構(gòu)造等對運營環(huán)境CO2體積分?jǐn)?shù)的空間分布具有顯著影響，進一步的研究應(yīng)針對不同影響因素進行更準(zhǔn)確的定量分析，為隧道襯砌碳化耐久性的設(shè)計提供指導(dǎo).

（6）運營期隧道CO2體積分?jǐn)?shù)時空分布的數(shù)值模擬應(yīng)同時考慮通風(fēng)壓力、重力作用、熱尾氣浮力作用、射流風(fēng)機升壓擾動作用和交通風(fēng)的局部擾動作用等，提高數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性.

（7）基于公路隧道運營環(huán)境CO2體積分?jǐn)?shù)的時空分布特征，為了保證隧道通行人員的駕駛安全和隧道襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性，應(yīng)對不同隧道部位及區(qū)段進行駕駛安全和碳化風(fēng)險分析.針對性地采取措施，包括混凝土材料優(yōu)化、混凝土表面封堵、CO2主動吸附和定期增強通風(fēng)等.