公路隧道运营环境的二氧化碳分布特性.pdf

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2024.01.012公路隧道运营环境的二氧化碳分布特性温小宝1，韩兴博1，叶飞1，邓念兵2，杨海挺2，张兴冰1,3，王培源1(1.长安大学公路学院，陕西西安710064；2.宁波市交通工程管理中心，浙江宁波315000；3.四川成乐高速公路有限责任公司，四川成都610000)摘要：为了探究公路隧道运营环境中 CO2的分布特性，基于宁波市 5 处公路隧道的现场实测，研究公路隧道运营环境的 CO2体积分数基本水平以及 CO2体积分数与隧道交通流状态、平面线形、断面几何特性等的关系.基于4G 远程智能化连续监测，分析公路隧道运营环境 CO2体积分数随时间的变化.通过数值模拟探讨隧道长度、线形、交通流状态及断面几何特性等对 CO2分布的具体影响规律.研究发现，CO2体积分数沿隧道纵向具有明显的线性递增特征，通常情况下隧道出口处的 CO2体积分数最高，可达 6911061226106，为一般大气环境水平的 24 倍，同交通量情况下通风水平、横通道、加宽带、线形、长度等会提高线性增长的斜率且影响程度依次递减.CO2的断面分布具有明显的扩散现象和重力效应，同一断面的壁面高度越大，体积分数越小，直线隧道两侧的 CO2呈对称分布，曲线隧道内侧的体积分数显著高于外侧，加宽带具有一定的缓冲效应且加宽带一侧体积分数略低于另一侧，横通道具有一定的互补式通风效果.CO2体积分数具有明显的时变特征和周期性，8 点、12 点、17 点出现日体积分数极值，周末出现周体积分数极值，体积分数变化与交通量情况显著相关.关键词：公路隧道；衬砌碳化；二氧化碳分布；现场监测中图分类号：U451文献标志码：A文章编号：1008973X（2024）01010912Carbon dioxide distribution characteristics ofhighway tunnel operating environmentWENXiaobao1,HANXingbo1,YEFei1,DENGNianbing2,YANGHaiting2,ZHANGXingbing1,3,WANGPeiyuan1(1.School of Highway,Changan University,Xian 710064,China;2.Ningbo Traffic Engineering Management Center,Ningbo 315000,China;3.Sichuan Chengle Expressway Limited Company,Chengdu 610000,China)Abstract:Thebasiclevelofcarbondioxidevolumefractionintheoperatingenvironmentofhighwaytunnelsandtherelationshipbetweencarbondioxidevolumefractionandtunneltrafficflowstate,planealignmentandcross-sectiongeometriccharacteristicswereanalyzedbasedonthefieldmeasurementoffivehighwaytunnelsinNingboinordertoexplorethedistributioncharacteristicsofcarbondioxideintheoperatingenvironmentofhighwaytunnels.Thechangeofcarbondioxidevolumefractioninhighwaytunneloperationenvironmentwithtimewasanalyzedbasedon4Gremoteintelligentcontinuousmonitoring.Thespecificinfluenceoftunnellength,alignment,trafficflowstateandsectiongeometriccharacteristicsonthedistributionofcarbondioxidewasdiscussedbynumericalsimulation.Resultsshowedthatthevolumefractionofcarbondioxidehadobviouslinearincreasingcharacteristicsalongthelongitudinaldirectionofthetunnel.Generally,thevolumefractionofcarbondioxideattheexitofthetunnel was the highest,up to 6911061226106,which was 24 times that of the general atmosphericenvironmentlevel.Ventilationlevel,crosschannel,broadband,lineshapeandlengthwillincreasetheslopeoflineargrowthandthedegreeofinfluencewilldecreaseinturnunderthesametrafficvolume.Thecross-sectiondistribution收稿日期：20230222.网址： words:highwaytunnel;liningcarbonation;carbondioxidedistribution;on-sitemonitoring随着我国隧道基础设施从“建设为主”向“建养并重”过渡，大量运营隧道的养护维修与长寿命化技术受到重视，碳化耐久性作为隧道钢筋混凝土衬砌结构面临的重要挑战，受到了众多学者的关注1-4.与厂房、住宅、桥梁等地表建筑物不同，公路隧道由于半封闭的空间特征及汽车行驶过程中大量尾气的排放，隧道内部 CO2的体积分数远高于大气环境5-6，甚至能够达到正常大气中CO2体积分数的 5 倍以上7.CO2体积分数作为影响混凝土碳化进程的控制因素之一8-9，对混凝土碳化速度的影响显著5,10-11.与地表建筑物相比，公路隧道衬砌的碳化耐久性保障面临更加严峻的挑战12-13.考虑到公路隧道内的 CO2体积分数高于大气环境，曾石发等14-16通过建立相应的计算模型，实现隧道 CO2体积分数的理论计算.韩兴博等3通过实测数据建立隧道内 CO2体积分数的计算公式，视整个隧道中的 CO2体积分数为一常量，给出公路隧道衬砌混凝土碳化寿命的计算方法.王蕾15基于分子扩散机理，提出隧道内 CO2体积分数的计算方法，为隧道碳化模型中参数的确定提供了支持.上述计算主要考虑了交通量对 CO2整体分布的影响，计算方法较理想.隧道长度、隧道断面内的位置、隧道不同的结构部位等均会对CO2体积分数产生影响，因此应在碳化耐久性设计中区别考虑.关于隧道内 CO2体积分数的现场实测，目前已有部分报道.Moreno 等17对巴塞罗那地铁隧道的空气质量进行监测，其中 CO2体积分数为 371106569106.Kappelt 等18对哥本哈根地铁的污染物进行类似的监测，CO2体积分数极值约为600106.李兵成等19对西康铁路秦岭隧道的环境卫生进行研究，发现该隧道 CO2质量浓度为1.022.13g/m3(体积分数为 5261061099106).尽管地铁和铁路隧道中不涉及汽车行驶带来的CO2排放，受封闭环境的影响，CO2体积分数仍然高于大气环境的 40010620.关于公路隧道的CO2体积分数实测，刘洋21对西安市内 4 条公路隧道的环境污染物进行监测，发现 CO2的体积分数基本为 600106900106.Cong 等22对青岛仰口隧道的污染物进行监测，其中 CO2的体积分数为 7001061600106.Khan 等23对巴基斯坦的Lowari 隧道建设及运营阶段的污染物体积分数进行长期观测发现，运营期间 CO2的体积分数极值超过 2000106.总体而言，目前关于隧道尤其是公路隧道的环境 CO2体积分数实测数据较少.现有现场监测的 CO2体积分数差异较大，导致差异的原因不明确.此外，现有的 CO2体积分数监测基本从隧道洞内环境卫生保障的角度出发，监测位 置 选 择 较 随 意，不 能 反 映 隧 道 衬 砌 表 面 的CO2体积分数，直接用于碳化耐久性评估的准确性不能保障.为了更加准确地确定公路隧道内部环境的 CO2体积分数，得到隧道空间内部 CO2的分布规律，本文通过现场监测结合数值模拟，考虑公路隧道的内部空间特性，分析公路隧道内部 CO2的分布特性，为不同交通组织类型的隧道以及隧道的不同位置、不同结构（主洞、加宽带、横通道）等的衬砌碳化耐久性设计提供更加科学的依据.1公路隧道 CO2分布的现场监测1.1 监测方案1.1.1移 动 式 快 速 监 测为了获取公路隧道CO2分布的基本水平与整体规律，对宁波市域的5 处隧道进行 CO2体积分数移动式快速监测.仪器采用 BLATN 空气质量检测仪，CO2体积分数的测量范围为 05103，分辨率为 106，精度为110浙江大学学报（工学版）第58卷4.5105.为了保证安全和数据的有效性，监测人员手持仪器，在隧道检修道上行进，监测高度为1.5m，水平距离为边墙向内 0.5m，纵向以 50m为间隔，对隧道壁附近的 CO2体积分数进行监测.每个点位待仪器采集数据稳定后进行记录，采集3 次，以平均值作为该点位的最终监测值.移动式快速监测的隧道工况如表 1 所示.表中，隧道均为双车道，截面面积的差异不明显；监测时通风设备均未在工作状态；断续流由洞口前方交叉路口的信号灯控制.表 1 CO2监测工况Tab.1Carbondioxidemonitoringconditions工况隧道风机数隧道长度/m隧道断面/m线形交通流特征净高净宽单向或双向连续性测量时间S1高架岭隧道8138511.255直线单向连续流下午S2史家山隧道690010.465直线单向断续流下午S3影城隧道410135直线双向断续流下午S4大金山隧道上行线101950117.05曲线单向连续流夜晚9点S5大金山隧道下行线10195012.67.35曲线单向连续流凌晨1点1.1.2固定式长期监测为了更加详细地监测隧道内 CO2的时变特征，以大金山隧道为代表，在隧道内安装 4 组具有 4G 通信模块的 CO2监测仪，分别布置在隧道的入口、2/4、3/4 和出口位置的灯具(高度为 5.5m)或侧墙指示牌(高度为 3.5m)上方.监测方案中移动式快速监测和固定式长期监测的方案规划及仪器布置如图 1 所示.4G 二氧化碳监测仪 布点监测：侧墙指示牌处布点监测：灯具处手持式监测BLATN 空气质量检测仪1.5 m3.5 m5.5 m图 1 CO2现场监测过程Fig.1Carbondioxideon-sitemonitoringprocess1.2 测试数据及规律分析1.2.1测试结果公路隧道运营环境中 CO2体积分数的基本水平和分布规律是碳化模型中应重点关注的参数，文献 15,2123 描述的大都是所依托工程的点监测值.将 5 处隧道的移动式快速监测数据汇总（见图 2）后可知，隧道内 CO2体积分数在不同时空的分布有显著区别，点监测值无法描述整个隧道的 CO2体积分数，因此有必要对其时空分布规律进行探讨.图 2 中，y 为 CO2体积分数，x 为距离隧道入口的位置.1.2.2沿长分布规律1）单向直线隧道分布的规律.5 个工况的隧道入口及洞外 100mCO2体积分数均约为 550106，故宁波市象山县的城市隧道在距离地面1.52.0m 位置的 CO2体积分数基准水平约为 550106.对工况 S1、S2 的异常值进行筛除后，可以拟合得到显著的线性关系（见图 2(a)、(b)），而工况S3 的上升段、S4 的直线段呈现出一定线性增长的规律.为了对空间分布规律进行简化，可以将运营隧道直线段中的 CO2体积分数纵向分布大致归纳为y=ax+b.(1)式中：y 为 CO2体积分数，x 为距离；a 为增长系数，该值与交通流状态（CO2排放水平）、通风水第1期温小宝,等：公路隧道运营环境的二氧化碳分布特性 J.浙江大学学报：工学版,2024,58(1):109120.111平和隧道线形尺寸等有关；b 为 CO2体积分数基准水平.受线形、断面变化、横通道等的影响，需要关注不同测点区间性的局部特征.对已有文献中测量所得的隧道 CO2体积分数、本文所测数据进行对比，如表 2 所示.对比工况 S1 和 S2，可知隧道内 CO2体积分数与交通流连续特性的关系，与 CO2体积分数随距离平稳增长的高架岭隧道不同，史家山隧道由于在洞口前方 300m 左右处设置有一红绿灯，因此交通流呈断续流状态，CO2体积分数曲线具有显著的锯齿特征.2）双向直线隧道分布的规律.对比工况 S1 和S3，可知隧道内 CO2体积分数与交通流单双向的关系，虽然影城隧道的长度小于高架岭隧道，但是最大 CO2体积分数均约为 700106.这主要是因为影城隧道为双向隧道且无机械通风，通风阻力较大，CO2排出较慢，因此在隧道中滞留.影城隧道在 250m 处 CO2体积分数出现了陡降，呈现出中间体积分数大、两边体积分数小的现象.原因是监测人员的移动式监测需要步行时间，在这期间由于双向车流量在变化，导致交通风风向处于来回变化的状态，致使隧道中部 CO2积聚，无法排出.实际中双向直线隧道的体积分数峰值不一定在出口处，这与其不稳定的通风水平具有较大的关系.3）单向曲线隧道分布的规律.对比工况 S1 和S4，可知隧道内 CO2体积分数与隧道线形的关系，和直线隧道内 CO2体积分数与位置近似呈线性正相关的规律不同，大金山隧道内 CO2体积分数与位置呈现先升后降的特征.这与秦岭铁路隧道的监测数据相似19，隧道中部体积分数最高，表 2 不同隧道 CO2体积分数测量值Tab.2Measurements of carbon dioxide volume fraction indifferenttunnels名称y/106名称y/106巴塞罗那地铁隧道17371569某地铁隧道24390哥本哈根地铁隧道6000秦岭铁路隧道195261099某隧道125979某隧道2262000巴基斯坦Lowari隧道232000仰口隧道227001600文昌门-和平门隧道21558762金花隧道21529738尚新路隧道21463480南门隧道21463508高架岭隧道540691史家山隧道536766影城隧道536691大金山隧道379122602004006008001 0001 2001 400500550600650700750 CO2 体积分数均值 CO2 体积分数误差带线性拟合 CO2 体积分数均值 CO2 体积分数误差带 CO2 体积分数均值 CO2 体积分数误差带x/mx/mx/mx/m入口出口出口外人行横通道(a)工况 S11000100 200 300 400 500 600 700 800 900500550600650700750800线性拟合洞外入口出口(b)工况 S204008001 2001 6002 0005006007008009001 0001 1001 2001 3001 400 S4 工况 CO2 体积分数均值 S5 工况 CO2 体积分数均值y/106y/106y/106y/106洞外入口出口洞外曲线段车行横通道加宽带人行横通道车行横通道(d)工况 S4、S510050050 100 150 200 250 300 350 400 450500550600650700750入口外入口出口出口外(c)工况 S3 S4 工况 CO2 体积分数误差带 S5 工况 CO2 体积分数误差带图 2 移动式监测不同工况的 CO2分布图Fig.2Carbondioxidedistributionofmobilemonitoringunderdif-ferentworkingconditions112浙江大学学报（工学版）第58卷两端体积分数较低.原因是大金山隧道中后部为曲线，曲线会使得断面分布出现内浓外疏的分布特征，而移动式监测仅沿曲线外侧进行了巡检，因此 CO2体积分数分布在隧道直线段为增长趋势，曲线段为下降趋势.4）不同监测时间的影响.对比工况 S4 与 S5，可知隧道内 CO2体积分数与测量时间的关系，晚9 点时体积分数显著高于外界环境，而凌晨 1 点时体积分数趋于平稳，整体略低于外界环境，这主要是由不同时段的交通量水平决定的.5）横通道和加宽带的影响.如图 2(a)、(d)所示，横通道的存在具有一定的互补式通风作用，靠近入口的横通道会使得断面体积分数升高，靠近出口的横通道会使得断面体积分数降低，但影响范围不大.加宽带会产生一定的缓冲作用，在一定范围内使得 CO2体积分数沿距离的提高速率放缓.1.2.3时变分布规律为了讨论运营隧道 CO2体积分数随时间的变化，取大金山隧道 9 月 22 日9 月28 日的固定式监测数据进行分析，如图 3、4 所示.1）隧道中 CO2体积分数的长期监测数据与距离呈现出明显的正相关关系，入口、1/2 处、3/4 处及出口的平均体积分数分别为 467106、646106、987106、1172106，较符合线性关系，如下所示：y=0.370 2x+411.97;R2=0.929 2.(2)此处（5.5m 高）的 CO2体积分数基准水平467106明显低于移动式监测（1.5m 高）的值550106，略高于空气中 CO2体积分数 400106.这可能与 CO2的空间断面分布有关，洞外路面处的 CO2受重力和通风的影响，会使得地表一定高度范围内的 CO2体积分数高于外界环境值，拱顶一定范围内的 CO2体积分数与外界环境较一致.2）如图 3 所示为运营隧道 CO2体积分数 24h的变化情况.可知，7 点20 点 CO2体积分数较高，各处极值产生在 8 点、12 点、17 点，与居民作息和早晚高峰显著相关.3）如图 4 所示为运营隧道 CO2体积分数一周的变化情况.可知，体积分数变化具有明显的周期性，且周末体积分数高于周内，这与居民周末更多的出行相关.2CO2空间分布数值计算由于现场监测的安全问题和实时交通风的不稳定性，测量时无法准确测得整个断面的 CO2空间分布情况.为了弥补现场监测方式的不足，利用 ANSYS 软件中的 CFD 求解器 Fluent 进行数值仿真.考虑到现场实测中各工况断面不一且交通量、实时交通风难以确定，未直接选用现场实测隧道的参数进行模拟，而是采用控制变量法.在确定同一断面和同一较不利情况的交通量后，研究长度、线形、加宽带、横通道以及交通流特征和通风水平对 CO2分布的影响规律.2.1 模型建立与网格划分为了减小数值模拟的网格划分难度和计算复杂程度，忽略了检修道、风机、指示牌等细部构造，将隧道断面简化为三心圆断面，采用 space-cliam 软件建立公路隧道三维模型.为了模拟汽车尾气中 CO2的排放和扩散，将连续行驶车辆的排气过程简化为与隧道同长、与排气管同高、与路面同宽的薄板，对该薄板进行源项设置和质量流率的赋值.模型采用非结构化网格和四面体划分0 点3 点6 点9 点 12 点时刻15 点 18 点 21 点 24 点4006008001 0001 2001 400入口体积分数2/4 处体积分数3/4 处体积分数出口体积分数高度3.5 m高度5.5 m高度5.5 m高度3.5 m早高峰晚高峰午高峰y/106图 3 CO2日监测数据Fig.3Dailymonitoringdataofcarbondioxide28 号 23 时28 号 11 时27 号 23 时27 号 11 时26 号 23 时26 号 11 时25 号 23 时25 号 11 时24 号 23 时24 号 11 时23 号 23 时23 号 11 时22 号 23 时22 号 11 时3004005006007008009001 0001 1001 2001 3001 4001 500周一周二周三周四周五周六周日y/106时刻入口体积分数2/4 处体积分数3/4 处体积分数出口体积分数图 4 CO2周监测数据Fig.4Weekmonitoringdataofcarbondioxide第1期温小宝,等：公路隧道运营环境的二氧化碳分布特性 J.浙江大学学报：工学版,2024,58(1):109120.113方法进行网格划分，隧道采用 1m 的单元尺寸，CO2释放薄板采用 0.2m 的单元尺寸.模型如图 5所示，尺寸如表 3 所示.隧道空间释放源图 5 CO2排放的模型Fig.5Modelofcarbondioxideemission表 3 隧道及释放源薄板模型的尺寸Tab.3Sizeoftunnelandreleasesourcethinplatemodelm隧道断面薄板净高净宽当量直径高度厚度宽度8.0714.629.660.30.17.82.2 求解方法与边界条件模型采用基于压力的求解器和 Standardk-双方程湍流模型.速度-压力耦合采用 SIMPLE 算法，动量离散格式采用二阶迎风，其余量采用一阶迎风，计算收敛残差取 104.模拟时简化通风压力为整个断面均匀加载，隧道出、入口设置为压力断面，入口压力按照各工况的通风压力计算，出口压力设置为 0（大气压强相对值）.将隧道侧壁、路面和拱顶设置为壁面，粗糙高度设置为 8mm.CO2释放薄板设置为源项，以交通量和不同车辆的 CO2排放因子为依据，计算整条隧道的 CO2排放量3,27.2.3 模拟工况为了探讨不同隧道长度 L、线形、单双向以及有、无加宽带和横通道等情况下 CO2的空间分布情况，设置如表 4 所示的 6 个工况.其中，参考影城隧道和史家山隧道的长度，且考虑到 1000m为长隧道和中短隧道的划分界限，更典型，因此确定隧道长度为 400m 和 1000m.曲线隧道的半径选取为 1000m.加宽带与横通道根据公路隧道设计细则(JTGTD70-2010)，设置在隧道的750m 处，加宽带长为 50m，横通道截面的特征参照规范推荐，选用直边墙车行横通道.2.4 参数确定1）结合现场观测并参照相关资料，确定单洞小时交通量为 2970veh/h.为了方便工况对比，认为单、双向洞内交通量均一致，具体的车辆组成如表 5 所示.表中，Nm为不同车型的数量.2）隧道的 CO2排放体积流量可按下式计算得到：qVCO2=13.6106Lnm=1qCO2mNm.(3)qVCO2qCO2式中：为 CO2的排放体积流量；m为不同车型 CO2排放因子，其取值参照文献 3；n 为车辆类型数量.计算得到 400m 和1000m 隧道的 CO2排放体积流量分别为 0.05473 和 0.13683m3/s.3）各工况的通风参照规范单独计算.400m隧道无机械通风，1000m 隧道有机械通风，考虑单向交通的交通风为助力、自然风为阻力，双向交通的自然风为助力、交通风为阻力，隧道入口断面加载值为交通风、自然风和局部阻力之差，机械通风设置于隧道内，400m 断面处采用 2 台1120 型风机，各工况风压设置的具体值如表 6 所示.表中，工况 2 的方向系数为 0.6.表 4 隧道 CO2空间分布的数值模拟工况Tab.4Numericalsimulationworkingconditionsofcarbondi-oxidespatialdistributionintunnel工况L/m线形单或双向有无开放横通道1400直线单向无2400直线双向无3400曲线单向无41000直线（无加宽带）单向无51000直线（有加宽带）单向无61000直线（无加宽带）单向有表 5 交通量及组成Tab.5Trafficvolumeandcomposition车辆类型mNm汽油小汽车12287柴油小汽车20客车3359小货车4267中货车548大货车69总计2970114浙江大学学报（工学版）第58卷3结果分析3.1 纵向整体分布规律各工况中线纵断面的 CO2体积分数均呈现出沿高度和距离增大的趋势，此处仅展示工况 1 的中线纵断面云图，如图 6(a)所示.为了对各工况进行对比分析，计算各工况横断面的积分平均值来表征 CO2沿隧道纵向的整体变化趋势，如图 6(b)所示.可见，各工况的 CO2体积分数沿纵向均具有稳定且显著的线性特征，这由稳定的 CO2排放速率和通风水平决定.由于数值模拟中未考虑洞外路面尾气的进入和大气环境中的基准体积分数，对各工况进行定截距为 0 的线性拟合，对增长系数 a 进行对比，如图 6(c)所示，得到以下规律.(a)中线纵断面 CO2 体积分数云图0100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 0000100200300400500600 x/m工况 1工况 2工况 3工况 4工况 5工况 6横通道横通道加宽带工况 1 工况 2 工况 3 工况 4 工况 5 工况 600.30.60.91.21.51.8a/(106 m1)(b)断面积分平均体积分数的纵向变化图(c)各工况增长系数的对比图y/10600.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0y/106图 6 CO2纵向整体分布规律Fig.6Verticaloveralldistributionlawofcarbondioxide1）同交通量下双向交通的增长系数远大于单向交通，其根本区别在于通风压力，16.23Pa 的通风压力差值使得双向交通的 a 相对单向交通提高了 335%，说明通风水平对 CO2体积分数分布的影响显著.2）同交通量下曲线隧道的增长系数比直线隧道高 5.7%，说明线型对 CO2分布的影响较小.3）同交通量基本通风水平下隧道长度对增长系数的影响较小.4）加宽带处的 CO2体积分数存在增长速率明显减缓的现象，说明加宽带具有一定的缓冲作用，但整体来看，同交通量下加宽带的存在会增大增长系数，a 提高约 21.3%.5）250m 横通道处的 CO2体积分数存在明显的陡增现象，说明左洞出口的高体积分数 CO2能够通过横通道扩散至右洞，但 750m 横通道对断面平均值的作用不明显，整体来看，同交通量下横通道的存在会增大增长系数，a 提高约 25.3%.3.2 断面各测点的分布规律为了探究隧道衬砌混凝土周围的 CO2体积分数，反映不同工况下隧道中 CO2沿横断面的分布特征，沿断面轮廓线内 0.5m 距离由下向上且左、右对称取 7 个测点进行分析.测点 A（A）、B（B）、C（C）、D 高度分别为 1.5、3.5、5.5、7.24m，其中测点 A、B、C 分别与移动式监测、固定式监测基本同高.3.2.1直线隧道断面的分布规律1）对比工况 1 和工况 2 的横断面云图（见图 7(a)、(b)）可知，当通风流畅时，CO2分布呈现椭圆扩散状；反之，则呈现微凹型.这是由于重力作用下 CO2会在底部积聚，通风顺畅时风压能够完全克服沿程阻力，CO2将沿纵向往四周较均匀地扩散，而通风不畅时一方面由于风压较小，CO2受重力影响更大，在左、右向的扩散大于向上的扩散，另一方面由于风压无法完全克服墙壁的摩擦，导致 CO2在底部和两边积聚.表 6 通风水平Tab.6Airlevel工况风压设置1、3入口18.38Pa2入口2.15Pa4、5、6入口13.12Pa，400m处16.62Pa第1期温小宝,等：公路隧道运营环境的二氧化碳分布特性 J.浙江大学学报：工学版,2024,58(1):109120.1152）对比图 7(c)、(d)、(e)可知，测点体积分数沿断面对称，且与位置关系显著，位置越低，体积分数越大，因此测点分析仅选用一侧的 4 个测点.单测点的体积分数变化与距离不呈现严格的线性关系，而是存在一个拐点，拐点前体积分数较小，基本不变，拐点后呈现线性变化趋势，该现象与移动式监测数据（见图 2(d)、(e)）相似.这是由于模拟中未考虑洞外路面尾气的进入，在重力作用和通风条件下 CO2的扩散需要一定的距离和时间，而现实中洞外路面尾气的进入影响程度不一，因此移动式监测工况 S1、S2 呈现线性关系，工况 S3、S4 与模拟结果类似.3）消除工况 1、2、4 各测点的拐点影响后进行线性拟合，增长系数的对比如图 7(f)所示.可知，在基本通风水平下，长度对各测点 a 的影响较小.在同交通量下，通风水平对各测点的 a 影响显著，较低的通风水平会明显地增大测点 A、B、C 的 a，减小测点 D 的 a.4）工况 4 的模型参数与史家山隧道较相似，可以进行一定的对比.其中史家山隧道移动式监测的增长系数为 0.256106m1，工况 4 中 A 测点与移动式监测测点对应，增长系数为 0.43106m1，略高于实际.这一方面是由于数值模拟采取了较不利的交通量，另一方面是由于数值模拟未考虑热尾气温升力、射流风机升压和实时交通风局部扰动等作用，对现实情况进行了简化.从CBADCBA(a)工况 1 各断面的 CO2 体积分数云图入口断面1/4 断面2/4 断面3/4 断面出口断面入口断面1/4 断面2/4 断面3/4 断面出口断面(b)工况 2 各断面的 CO2 体积分数云图01002003004000204060801003.13.83.853.97测点 A测点 B测点 C测点 D测点 A测点 B测点 C测点 D测点 A测点 B测点 C测点 D(c)工况 1 各测点体积分数的纵向变化图010020030040002004006008001 0001 2001 4002.93.22.73.9(d)工况 2 各测点体积分数的纵向变化图0.350.260.180.130.430.380.320.274.91.10.19A 测点B 测点C 测点D 测点012345工况 1工况 4工况 2(f)直线工况各测点的 a 对比图0100 200 300 400 500 600 700 800 900100001002003004003.84.1 4.33.8(e)工况 4 各测点体积分数的纵向变化图y/106y/106y/106a/(106 m1)x/mx/mx/m00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0y/10600.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0y/106CBADCBACBADCBACBADCBA图 7 直线隧道的 CO2断面分布图Fig.7Carbondioxidesectiondistributionofstraighttunnel116浙江大学学报（工学版）第58卷CO2的空间分布规律以及增长系数的数量级和数值大小来看，采用的 CO2排放量计算方法及数值模拟方式具有一定的合理性.3.2.2曲线隧道断面的分布规律与直线隧道较对称的断面分布不同，曲线隧道呈现出明显的外侧少、内侧多的特征，如图 8(a)所示.其中，测点A、B 的体积分数显著高于直线工况，但测点 C、D、A、B、C呈现出体积分数基本未增加的状态，如图 8(b)、(c)所示.这说明曲线特征使得 CO2在内侧底部产生了局部聚集.测点 A、B 在曲线后半部分均产生了振荡，这与移动式监测工况 S4 吻合.当考虑曲线隧道碳化问题时，应着重注意曲线内侧底部，建议在隧道中后部选取极值作为安全体积分数.3.2.3加宽带的影响规律加宽带的存在对断面分布的影响具有明显的区段性.如图 9(a)、(b)所示，加宽带位置以前的断面分布与工况 4 相同，均为椭圆扩散、对称分布，但在加宽带位置后，由于加宽带的存在，CO2分布产生整体向加宽带一侧的聚集.从测点体积分数变化来看，750m 处测点A、B产生了陡增现象，40m 长度的加宽带后测点C、D 产生了陡增现象，测点 A、B产生了先陡降，后平稳增长直至下降的现象.这主要是由于 CO2在加宽带处受到了缓冲和聚集，在重力作用下隧(a)工况 3 各断面的 CO2 体积分数云图01002003004000200400600800测点 A测点 B测点 C测点 D测点 D测点 A测点 B测点 C(b)工况 3 各内侧测点体积分数纵向变化图01002003004000123(c)工况 3 各外侧测点体积分数纵向变化图y/106y/106x/mx/m入口断面1/4 断面2/4 断面3/4 断面出口断面00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0CBADCBACBADCBAy/106图 8 曲线隧道的 CO2断面分布图Fig.8Carbondioxidesectiondistributionofcurvedtunnel入口断面1/5 断面2/5 断面3/5 断面加宽带断面4/5 断面出口断面(a)工况 6 各断面的 CO2 体积分数云图02004006008001 0000100200300400500测点 A测点 B测点 C测点 D测点 A测点 B测点 CCBADCBA加宽带(b)工况 6 各测点的体积分数纵向变化图测点A测点B测点C测点D测点A测点B测点C00.20.40.6(c)工况 6 各测点的 a 对比图y/106x/ma/(106 m1)0y/10612345678910图 9 1 000 m 直线（有加宽带）隧道 CO2断面分布图Fig.9Carbondioxidesectiondistributionof1000mstraightline(withbroadband)tunnel第1期温小宝,等：公路隧道运营环境的二氧化碳分布特性 J.浙江大学学报：工学版,2024,58(1):109120.117道底部的体积分数产生了陡增现象，但由于离开加宽带时断面面积减小，CO2向出口的流动受到阻击，从而向拱顶下方左方进行扩散，因此导致测点 C、D 的体积分数陡增.整体来看，各测点在出口部位的增长速率均有放缓，但大致符合线性规律，因此消除各测点的拐点影响后进行线性拟合.对比增长系数，如图 9(c)所示.可知，相对工况 4，加宽带的存在会增大各测点的增长系数，加宽带一侧的测点 A、B体积分数低于另一侧，测点 C体积分数高于另一侧.3.2.4横通道影响规律如图 10(a)、(b)所示，靠近横通道一侧的测点 A、B、C在 250m 处的体积分数显著提高，然后逐渐降低，再升高，但在 750m处测点 A、B、C的体积分数分别呈现陡增、平缓和下降的现象，整体来看，750m 后各测点体积分数的增长趋势均放缓.可见，横通道的存在对CO2断面分布的影响显著，具有一定的互补式通风效果.整体来看，靠近横通道一侧测点在出口部位的体积分数略低于另一侧的测点，中间部位的体积分数变化剧烈，但另一侧大致符合线性规律，因此消除另一侧各测点的拐点影响后进行线性拟合.对比增长系数，如图 10(c)所示.可知，相对工况 4，横通道的存在会增大断面各测点的增长系数.入口断面1/5 断面2/5 断面3/5 断面4/5 断面出口断面250 m 处的横通道断面750 m 处的横通道断面(a)工况 5 各断面的 CO2 体积分数云图02004006008001 0000100200300400500测点 A测点 B测点 C测点 D测点 A测点 B测点 C横通道横通道(b)工况 5 各测点体积分数的纵向变化图测点 A测点 B测点 C测点 D00.20.40.6(c)工况 5 各测点的 a 对比图y/106a/(106 m1)x/m0y/10612345678910CBADCBA图 10 1 000 m 直线（有横通道）隧道的 CO2断面分布图Fig.10Carbondioxidesectiondistributionof1000mstraightline(withcrosschannel)tunnel4结论（1）公路隧道直线段的运营期 CO2体积分数沿纵向具有明显的线性递增特征，通常情况下隧道出口处的 CO2体积分数最高，可