黃永杰，安斌

高海拔螺旋隧道雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)研究

黃永杰，安斌

（中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，北京 100011）

在左右洞需風(fēng)量差異較大的長(zhǎng)大隧道中應(yīng)用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方式時(shí)，可以較好地降低左右洞隧道內(nèi)的污染物濃度峰值。依托西北首條螺旋隧道——臥龍溝1號(hào)隧道，通過(guò)理論設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬等方法研究了在螺旋隧道中采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)的可行性。初步設(shè)計(jì)了臥龍溝1號(hào)隧道雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)可以減弱螺旋隧道內(nèi)污染物濃度局部聚集效應(yīng)，防止隧道內(nèi)局部空氣污染物濃度超標(biāo)；螺旋隧道中采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，在兩條隧道中，最靠近螺旋曲線外側(cè)的那一條隧道的湍動(dòng)強(qiáng)度大于螺旋曲線內(nèi)側(cè)隧道。

螺旋隧道；雙洞互補(bǔ)；高海拔隧道；數(shù)值模擬

近年來(lái)，隨著“一帶一路”戰(zhàn)略實(shí)施，交通建設(shè)的重心將逐漸向中國(guó)西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，因此，陸續(xù)地將會(huì)有更多隧道在青藏地區(qū)建成。此類隧道將以高海拔、低氣溫、多螺旋為特點(diǎn)，為隧道的安全通風(fēng)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)的理論與應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研究，夏豐勇等[1]通過(guò)理論推導(dǎo)，得出了雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)的理論計(jì)算設(shè)計(jì)方式；王一丁[2]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)的隧道進(jìn)行了污染物分布、火災(zāi)工況等研究；王亞瓊等[3]通過(guò)模型試驗(yàn)，研究了2條橫通道內(nèi)換氣風(fēng)量變化對(duì)隧道內(nèi)各區(qū)段風(fēng)速和風(fēng)壓的影響規(guī)律。目前大部分研究是針對(duì)直線長(zhǎng)大隧道，對(duì)于螺旋隧道尤其是高海拔螺旋隧道的研究較少，常規(guī)的通風(fēng)技術(shù)將無(wú)法滿足高海拔螺旋隧道的通風(fēng)要求，需要進(jìn)行高海拔螺旋隧道通風(fēng)技術(shù)的專項(xiàng)研究。

1 工程概況

青海臥龍溝1號(hào)隧道為一座上下行分離的四車道高速公路長(zhǎng)隧道。隧道右線全長(zhǎng)2 554.63 m，左線全長(zhǎng)2 626 m，是西北地區(qū)首條處于高寒高海拔地區(qū)的螺旋型隧道。隧道范圍內(nèi)中線高程2 958～3 025 m，最大高差約67 m。

臥龍溝1號(hào)隧道右線進(jìn)口平面線形為圓曲線，=1 255 m，接緩和曲線，-120 m，再接圓曲線出洞，= 700 m；左線進(jìn)口平面線形為圓曲線，=1 288 m，接緩和曲線，-140 m，再接圓曲線出洞，=720 m；縱坡為單向坡，左線為2.55%，右線為2.52%。

隧道沙盤如圖1所示。

2 雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

臥龍溝1號(hào)隧道遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)需風(fēng)量如表1所示，可以看出，左右洞需風(fēng)量有一定差距，此情況使用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)較為適宜。臥龍溝1號(hào)隧道相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

圖1 臥龍溝1號(hào)隧道

表1 設(shè)計(jì)需風(fēng)量

最大需風(fēng)量/（m3·s-1） 左線qx右線qs 234.64575.15

表2 臥龍溝1號(hào)隧道主要設(shè)計(jì)參數(shù)

類別設(shè)計(jì)參數(shù) 長(zhǎng)度/m右線（上坡）2 554 左線（下坡）2 626 斷面積/m2右線（上坡）64.49 左線（下坡）64.49 車行橫通道26.75 周長(zhǎng)/m右線（上坡）31.2 左線（下坡）31.2 車行橫通道19.88 當(dāng)量直徑/m右線（上坡）8.46 左線（下坡）8.46 車行橫通道5.38 縱坡坡度右線（上坡）2.6% 左線（下坡）-2.55% 隧址平均海拔/m右線（上坡）3 000 左線（下坡）3 000

2.2 互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量設(shè)計(jì)

2.3 互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)位置的確定

根據(jù)雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置于某一限制范圍m～n之間?；パa(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)安裝范圍如圖2所示。

圖2 互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)安裝范圍

若將橫通道設(shè)置于m前方，左線污染物濃度高于右線，進(jìn)行換氣無(wú)意義；若將橫通道設(shè)置于n后方，則右線隧道此時(shí)污染物濃度已經(jīng)超過(guò)規(guī)范限制。本次設(shè)計(jì)將橫通道間距取為100 m。

m、n計(jì)算方法如下：

n=s·（1－s/s） （1）

式（1）（2）中：n、m為雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)安裝范圍定點(diǎn)長(zhǎng)度，m；s為上坡隧道長(zhǎng)度，m；x為下坡隧道長(zhǎng)度，m。

計(jì)算得到m、n分別為756 m、1 824 m?；パa(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置于右線入口756～1 824 m范圍內(nèi)。

可采用試算法在m～n范圍內(nèi)不同位置布設(shè)互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)取值進(jìn)行試算，取最小換氣需風(fēng)量為設(shè)計(jì)換氣需風(fēng)量h，試算結(jié)果如表3所示。

換氣風(fēng)量大小計(jì)算方法如下：

式（3）中：s3為上坡隧道進(jìn)口離橫通道的距離，m；x1為下坡隧道進(jìn)口離橫通道的距離，m。

換氣需風(fēng)量隨s3的變化規(guī)律如圖3所示，可見(jiàn)換氣需風(fēng)量與換氣橫通道的位置密切相關(guān)。因此，為達(dá)到節(jié)能目的，臥龍溝1號(hào)隧道的橫通道安裝位置選定為：第一條換氣橫通道距離右線入口1 660 m，第二條換氣橫通道距離右線入口1 760 m，二者相距100 m，此時(shí)換氣需風(fēng)量為244.2 m3/s，考慮安全因素，將橫通道換氣風(fēng)量設(shè)計(jì)值選為270 m3/s。校核全線，隧道內(nèi)污染物濃度均滿足規(guī)范要求。

表3 換氣需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果

序號(hào)Ls3/mLx1/mQh/（m3·s-1） 17601 7665 428.8 28601 6661 616.0 39601 566949.3 41 0601 466672.0 51 1601 366520.1 61 2601 266424.2 71 3601 166358.2 81 4601 066309.9 91 560966273.1 101 660866244.2

圖3 換氣需風(fēng)量

3 互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)仿真模擬

3.1 幾何模型

為探究雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)在螺旋隧道中的適用性，基于前述相關(guān)計(jì)算，對(duì)臥龍溝1號(hào)隧道進(jìn)行整體通風(fēng)系統(tǒng)仿真模擬。采用壓力躍階模型代替沿程阻力，將臥龍溝1號(hào)隧道的整體沿程阻力壓縮在壓力躍階面。即可以長(zhǎng)度為300 m，螺旋半徑為720 m的螺旋隧道模型代替整體。

用ICEM-CFD進(jìn)行前處理，完成幾何模型及網(wǎng)格的建立，模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在邊界處均使用3層邊界層網(wǎng)格。換氣通道位置按照計(jì)算結(jié)果設(shè)置。幾何模型如圖4所示，網(wǎng)格如圖5所示。

圖4 模型示意圖

圖5 網(wǎng)格示意圖

3.2 邊界條件

本次研究中的模型主要是為了得到臥龍溝1號(hào)隧道在采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)情況下，隧道內(nèi)的速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)，主要涉及到的邊界條件有進(jìn)口邊界、出口邊界、壁面邊界和內(nèi)部邊界。其中邊界條件設(shè)置情況如表4所示。其中隧道入口根據(jù)設(shè)計(jì)左右洞風(fēng)量計(jì)算得到入口風(fēng)速；橫通道中部設(shè)置風(fēng)機(jī)，將計(jì)算所得換氣需風(fēng)量換算為風(fēng)機(jī)出入口風(fēng)量；壁面粗糙高度取為2.5 mm；壓力躍階面則是將計(jì)算的隧道總沿程阻力在壓力躍階面上以局部阻力損失代替。

表4 邊界條件

幾何位置邊界條件 隧道入口速度入口 隧道出口壓力出口 橫通道風(fēng)機(jī)入口質(zhì)量流量入口 橫通道風(fēng)機(jī)出口速度出口 隧道及橫通道壁面無(wú)滑移壁面 內(nèi)部面壓力躍階面

3.3 結(jié)果分析

在對(duì)臥龍溝1號(hào)隧道進(jìn)行雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)模擬時(shí)，主要考察隧道內(nèi)尤其是橫洞附近的空氣流動(dòng)狀態(tài)，本次模擬將橫通道內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了仿真，均設(shè)置于橫通道中間。軸流風(fēng)機(jī)的作用是使橫通道內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的換氣風(fēng)量，即完成互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)的氣流運(yùn)移。左右線入口按照雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)量設(shè)置為速度入口，其中風(fēng)速為6.4 m/s。隧道出口設(shè)置為壓力出口邊界，相對(duì)壓強(qiáng)為0?；パa(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速如圖6所示，隧道內(nèi)氣體由隧道入口進(jìn)入后的流線如圖7所示。

圖6 互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速

圖7 隧道入口后方流體流線圖

由圖7可知，隧道內(nèi)空氣由隧道入口進(jìn)入后，在橫洞處被橫洞內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)所吸取并轉(zhuǎn)移到另一側(cè)隧道內(nèi)，轉(zhuǎn)移以后的空氣被另一側(cè)隧道的氣流慣性帶動(dòng)，于50 m內(nèi)調(diào)整氣流方向并同另一側(cè)氣體一起運(yùn)動(dòng)，在這整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，兩條隧道起到了互相輸送相對(duì)新鮮空氣的作用，共同抑制了互相的污染物濃度線性增長(zhǎng)。

為探明局部氣體流場(chǎng)情況，提取隧道平面上的流體矢量圖，如圖8所示，可見(jiàn)，橫洞內(nèi)氣體在轉(zhuǎn)移到另一側(cè)的過(guò)程中，氣體一旦跨出橫洞，即受原隧道內(nèi)氣流影響，向運(yùn)行方向偏移。偏移后的初始階段，射流氣體沿側(cè)壁流動(dòng)約50 m距離后，將與原隧道內(nèi)氣體一同均勻流動(dòng)，不再在橫截面上出現(xiàn)風(fēng)速不均勻的現(xiàn)象。

圖8 轉(zhuǎn)移后空氣流態(tài)

截取隧道側(cè)面，將風(fēng)速云圖印刻在其上，如圖9所示，由圖9可看出，在橫洞射出的氣流附近，氣流產(chǎn)生了一定的紊動(dòng)，尤其在橫洞的風(fēng)機(jī)高度范圍內(nèi)，氣流風(fēng)速矢量在該高度范圍內(nèi)略低于其他高度，局部地方甚至出現(xiàn)回流現(xiàn)象，但這些現(xiàn)象隨著氣流推進(jìn)均趨于平穩(wěn)。螺旋隧道內(nèi)的污染空氣的污染物存在沿著隧道螺旋外側(cè)聚集且穩(wěn)定流動(dòng)的現(xiàn)象，采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)，將隧道內(nèi)空氣在橫向方向上進(jìn)行了一定的干擾，使聚集于隧道螺旋外側(cè)的污染空氣紊散，并均勻地排出隧道，這也防止了運(yùn)營(yíng)隧道內(nèi)局部氣體污染物濃度超標(biāo)的情況發(fā)生。

圖9 隧道側(cè)面局部風(fēng)速

為量化地探究隧道內(nèi)流態(tài)及其規(guī)律，分別提取隧道左線、右線隧道中軸線上總壓、湍動(dòng)能，如圖10所示。從圖10可以看出，湍動(dòng)能在通風(fēng)橫洞附近呈現(xiàn)上漲—下降趨勢(shì)，該湍動(dòng)范圍約為100 m。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隧道左線的最大湍動(dòng)能大于隧道右線最大湍動(dòng)能，這是由于在螺旋隧道，隧道螺旋外側(cè)風(fēng)速大于螺旋內(nèi)側(cè)風(fēng)速，在右線隧道中，橫洞射流氣體更早地與隧道內(nèi)原氣體交匯，且具有更大的交匯空間，因此呈現(xiàn)出湍動(dòng)能低于左線隧道的現(xiàn)象。

圖10 隧道內(nèi)湍動(dòng)強(qiáng)度

4 結(jié)論

本文依托臥龍溝1號(hào)隧道，應(yīng)用理論設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬的方法對(duì)雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)在螺旋隧道中的應(yīng)用進(jìn)行了探究，得到結(jié)論如下：①對(duì)于螺旋隧道，其雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)理論設(shè)計(jì)計(jì)算方法與直線隧道相同，均采用了污染物濃度控制的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果在臥龍溝1號(hào)隧道中也可以較好地應(yīng)用。②臥龍溝1號(hào)隧道雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)設(shè)計(jì)方案為第一條橫通道距離隧道右線進(jìn)口距離為1 660 m，第二條橫通道距離隧道右線進(jìn)口距離為1 760 m，即橫通道間距為 100 m，其中左右線主隧道內(nèi)設(shè)計(jì)風(fēng)量為425.15 m3/s，換氣風(fēng)量設(shè)計(jì)為270 m3/s。③經(jīng)數(shù)值模擬驗(yàn)證計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，在=720 m的螺旋隧道中采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)的可行性，且采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，該系統(tǒng)可以減弱隧道內(nèi)污染物濃度局部聚集的效應(yīng)，防止隧道內(nèi)局部空氣污染物濃度超標(biāo)的發(fā)生。④螺旋隧道中采用雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，在兩條隧道中，更靠近螺旋曲線外側(cè)隧道的最大湍動(dòng)強(qiáng)度大于螺旋曲線內(nèi)側(cè)隧道。

［1］夏豐勇，宋神友，謝永利，等.雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)在公路隧道中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2017，54（4）：160-166.

［2］王一丁.橫通道對(duì)公路隧道互補(bǔ)式通風(fēng)的影響數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究［D］.蘭州：蘭州交通大學(xué)，2017.

［3］王亞瓊，夏豐勇，謝永利，等.特長(zhǎng)公路隧道雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)物理模型試驗(yàn)［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2014，27（6）：84-90.

U453.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.006

2095－6835（2021）01－0017－03

黃永杰（1974—），大學(xué)本科，高級(jí)工程師，中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司項(xiàng)目經(jīng)理，主要從事公路工程方向的研究。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕