中鐵第四勘察設計院集團有限公司 水下隧道技術國家與地方聯(lián)合工程研究中心

王成哲☆ 蔣仕強 惠豫川 田利偉 郭 輝 郭旭暉

0 引言

隨著我國鐵路的快速發(fā)展，鐵路長大隧道、隧道群急劇增加。近年來國內學者對隧道通風展開了一系列研究：周衛(wèi)兵借助Fluent，采用標準K-ε湍流模型對高速列車鐵路雙線隧道豎井展開研究，通過分析得到了豎井對隧道空氣動力效應的影響規(guī)律[1]。杜云超總結分析了三維數(shù)值模擬仿真計算在求解隧道壓力波和空氣阻力方面的控制方程、湍流模型、網格設計計算方法等方面的特點，對三維數(shù)值模擬仿真計算和一維流動模型求解進行了對比分析[2]。倪天曉建立了高速鐵路隧道縮尺試驗模型，系統(tǒng)地研究了高速鐵路隧道火災煙氣蔓延及控制的關鍵技術參數(shù)、救援站分散防煙模式防排煙機理與煙氣控制技術[3]。趙紅莉等人以我國某鐵路水下盾構隧道為例,利用縮尺模型對不同縱向通風風速、火災規(guī)模等因素進行了火災模型試驗,對火災時隧道內煙氣溫度場的縱向變化規(guī)律、高溫煙氣的蔓延規(guī)律進行研究,獲得了不同工況下拱頂下方煙氣溫度縱向分布規(guī)律[4]。TB 10020—2017《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規(guī)范》對于明線段小于250 m的隧道口緊急救援站，建議兩端隧道洞口段宜采用機械加壓防煙方式[5]。近年來隨著高鐵速度的不斷提升，對隧道內安全運營提出了新的要求，隧道洞口風道式通風避免了將風機直接暴露在隧道內，降低了由于風機運行給隧道運營帶來的風險。然而，當前對長大隧道洞口風道式通風的相關研究較少，特別是能夠用于指導隧道通風設計的資料較為缺乏。本文以某長大隧道為例，采用CFD數(shù)值模擬的方法，對洞口風道式通風展開研究，包括單側送風與雙側送風對比分析、單側風道間距對洞口風速的影響2個方面，對隧道洞口風道式通風提出合理的設計方案。

1 隧道通風設計方法簡介

該隧道為雙線隧道，長4 415.73 m，與其相連的明線段長度153.07 m，隧道內設有疏散通道兩處。考慮到列車安全運行，在隧道洞口設置風道式機械加壓防煙通風方式。根據TB 10068—2010《鐵路隧道運營通風設計規(guī)范》規(guī)定，雙線隧道內自然風速按2.0 m/s計算[6]，在計算中考慮安全性，自然風按阻力計算。同時TB 10020—2017《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規(guī)范》中規(guī)定人員疏散路徑上的風速不宜大于8 m/s。如圖1所示，雙線隧道內列車著火后，事故列車繼續(xù)行進至著火點于明線段后停車，隨后隧道洞口風道風機開啟，對隧道正洞機械加壓送風，防止煙氣蔓延到正洞。

圖1 隧道平面示意圖

隧道模型在風道接口處曲面連接較為復雜，為了獲得較好的網格質量，本次模擬采用四面體網格。同時為了獲得更準確的流場，對隧道洞口及風道進行局部加密，網格質量0.35，網格數(shù)量101萬，如圖2所示。計算時湍流模型采用隧道通風常用的標準K-ε模型。

圖2 隧道模型與網格劃分示意圖

通過CFD數(shù)值模擬，將2 m/s的自然風風速代入到隧道模型內進行計算，得到進口壓力為8.79 Pa，在下文數(shù)值模擬中作為阻力考慮，代入到邊界條件中。

2 隧道單、雙側風道送風對比分析

2.1 單側風道送風

送風風道位于隧道的同側，風道間距60 m，第一個風道距洞口100 m，如圖3所示。對面積8 m2和6 m2的風道，分別選用80、90、100 m3/s的送風量(非風機風量)進行加壓送風，每個風道設置1臺加壓風機，詳細工況見表1?？紤]到不利工況，模擬時列車與風道位于同側。

圖3 隧道單側風道平面示意圖

表1 隧道單側送風量工況

通過模擬計算，對不同工況下洞口平均風速進行統(tǒng)計，由圖4可知，在相同風道面積下，洞口平均風速隨風量的增大呈遞增趨勢，且不同風道面積下平均風速變化趨勢相同。送風量相同時，風道面積較小，在洞口形成的平均風速大，說明風道風速增大使得往洞口方向的流量增大。

圖4 單側送風洞口平均風速對比

由圖5可知，當風道面積不變時，隨著送風量的增大，洞口風速增大，由于氣流受到擠壓作用，在列車?？總龋俣仍黾语@著。當送風量相同時，隨風道面積減小，在列車?？總蕊L速增大，非列車?？總蕊L速減小，這是由于風道面積減小，風道出風速度變大，進入隧道正洞后仍然保持較高的速度。從圖5可清晰看到，送風在洞口形成的均勻度較差，工況M4、M5列車側與非列車側風速差值接近5 m/s，在非列車?？總茸钚★L速接近0；工況M1、M2、M3列車側與非列車側風速差值3～5 m/s，其中M1在非列車?？總茸钚★L速接近0。分析可知，單側送風，無法滿足規(guī)范的1.5～2.0 m/s送風風速要求，存在列車發(fā)生火災時煙氣回流的風險。此外，隨著送風量的增大，在列車?？總热藛T疏散路徑上的局部風速大于8 m/s，對人員疏散造成不利影響，不能滿足使用要求。

圖5 單側送風洞口速度云圖

2.2 雙側風道送風

為了避免非列車?？總蕊L速不滿足要求的情況，對隧道洞口雙側送風展開研究。如圖6所示，送風風道位于隧道的兩側，風道間距20 m，第一個風道距洞口100 m。選用單個風道送風量80 m3/s、風道面積6 m2進行數(shù)值模擬計算，結果見圖7。

圖6 隧道雙側風道平面示意圖

圖7 雙側送風洞口速度云圖

由表2可知，隨著送風量的增大，洞口平均風速逐漸增大，且平均風速均大于2 m/s。如圖7所示，當送風量為80 m3/s時，隧道洞口速度分布相對于單側送風更加均勻，洞口最小風速保持在1.8～2.0 m/s，大于1.5 m/s，同時人員疏散路徑上風速降低顯著；隨著送風量的增大，洞口最大風速面積由中心向四周擴散。分析可知，相對于單側送風，雙側送風通過將送風量分到兩側，降低了人員疏散路徑上的風速，洞口平均風速在滿足設計規(guī)范要求下的速度不均勻系數(shù)更小，具備較好的送風效果。

表2 隧道雙側送風洞口平均風速變化

3 雙側風道間距對洞口風速的影響

進一步對雙側送風風道間距展開研究，分析風道間距L對洞口風速的影響。隧道正洞當量直徑R=10 m，分別選取L=0 m(0R)、10 m(1R)、20 m(2R)、30 m(3R)進行數(shù)值計算。對單個風道送風量80 m3/s、風道面積6 m2進行模擬計算，結果見圖8、9。

圖8 不同送風間距下速度云圖

由圖8可知，隨風道間距變化，洞口速度場不斷變化。風道間距為0 m時，速度場最大值出現(xiàn)在列車上部，主要原因是兩股氣流在此相遇；間距為10 m與20 m時，速度場最大值集中在列車側部；間距為30 m時，速度場最大值再次出現(xiàn)在列車上部。在人員疏散路徑上，風道間距為20 m時速度平均值較大。

分析圖9可知，在風道間距0～20 m時，洞口平均風速呈增大趨勢，速度不均勻系數(shù)呈減小趨勢，當風道間距為20 m時，平均風速達到峰值2.66 m/s，不均勻系數(shù)減小到最小值0.592，之后隨風道間距增大，洞口平均風速呈降低趨勢，速度不均勻系數(shù)增大。在風道間距為0 m時，由于兩股氣流在出風道后相互擠壓，動能損失較大，導致洞口平均風速較?。辉陲L道間距大于20 m后，由于其中一個風道遠離洞口，速度得到充分發(fā)展，洞口平均風速也相對較??；隨著風道間距進一步增大，速度損失隨之增大，洞口平均風速逐漸減小。由此可知，風道間距為20 m，即當風道間距為2倍隧道正洞當量直徑時，洞口平均風速較大，速度不均勻系數(shù)較小，因此送風效果較好。

圖9 不同送風間距洞口的速度不均勻系數(shù)與平均速度

4 結論

長大隧道洞口風道式通風能夠有效降低列車運營風險，本文以某長大隧道為研究對象，利用CFD數(shù)值計算，對隧道洞口單、雙側風道式通風進行了對比分析，對雙側風道間距進行了研究，主要結論如下：

1) 對于單側風道送風，當風道面積不變時，隨著送風量的增大，洞口平均風速增大，但是由于列車阻擋，洞口速度場的均勻性較差，人員疏散路徑上局部風速大于8 m/s，不利于人員疏散，且在部分區(qū)域存在煙氣回流的風險。

2) 通過對比分析發(fā)現(xiàn)，相對于單側送風，雙側送風在洞口能夠形成較均勻的速度場，能夠對煙氣形成有效的阻擋。因此，對于隧道洞口風道式通風，在設計時應優(yōu)先考慮雙側送風。

3) 對雙側送風研究表明，當風道間距為2倍隧道正洞當量直徑時，洞口平均風速較大，速度不均勻系數(shù)較小，能夠較好地滿足設計要求。