孫移漢 王文

1 甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司2 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

0 引言

目前各類隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)多依照規(guī)范及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對隧道環(huán)境風(fēng)利用考慮不足，易造成能源的浪費(fèi)，且達(dá)不到最佳的通風(fēng)效果。國內(nèi)外對隧道通風(fēng)研究較多[1-5]，研究都主要集中在隧道內(nèi)部，對于外界環(huán)境風(fēng)對隧道施工通風(fēng)影響的研究較少。

利用相關(guān)設(shè)施達(dá)到對洞外環(huán)境風(fēng)的合理利用，對通風(fēng)節(jié)能，隧道施工環(huán)境改善及施工進(jìn)度的加快有重要的意義。研究依托某高海拔鐵路隧道工程實(shí)際，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，對不同風(fēng)擋結(jié)構(gòu)、不同環(huán)境風(fēng)速工況下隧道出口流場進(jìn)行模擬研究。根據(jù)模擬結(jié)果，分析風(fēng)擋對隧道施工通風(fēng)的影響，確定最佳風(fēng)擋結(jié)構(gòu)，為高海拔隧道施工通風(fēng)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 基本計(jì)算理論

隧道內(nèi)風(fēng)速的影響因素主要有三部分：隧道洞口與掌子面的超靜壓差；隧道內(nèi)外溫差產(chǎn)生的熱壓；洞內(nèi)自然風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)壓。

1）超靜壓差計(jì)算方程：

式中：P1、P2為隧洞兩端壓力，掌子面壓力P1主要由軸流風(fēng)機(jī)通過風(fēng)管提供；ρ0為洞內(nèi)的空氣密度，kg/m3。

2）熱位差計(jì)算方程：

式中：ρ1、ρ0分別為洞外和洞內(nèi)的空氣密度，kg/m3。

3）洞外氣流的動(dòng)壓計(jì)算方程：

式中：ve為洞外自然風(fēng)速，m/s。

式（1）、（2）、（3）可理解為形成洞內(nèi)排污通風(fēng)的動(dòng)力，稱為等效壓差Pn，又等效壓差與污風(fēng)在隧道內(nèi)流動(dòng)過程中的阻力（壓頭損失）相等，即：

式中：λ 為隧道沿程阻力系數(shù)；L 為隧道的長度，m；ξ為隧道局部阻力系數(shù)；vn為隧道內(nèi)的污風(fēng)風(fēng)速，m/s。

于是式（4）可寫成

式（5）說明隧道施工通風(fēng)時(shí)，要確保一定的掌子面需風(fēng)量（即排污風(fēng)速為定值），隧道外環(huán)境風(fēng)速（隧道出口壓力），軸流風(fēng)機(jī)功率及隧道內(nèi)外溫差為定值。

高海拔隧道大氣壓力，溫度及空氣密度較平原地區(qū)有較大的變化，需要對參數(shù)進(jìn)行修正計(jì)算?？諝馊葜馗鶕?jù)下式計(jì)算：

式中：ρ 為空氣密度，kg/m3；P 為大氣壓，mmHg；t 為溫度，℃；E 為溫度t 時(shí)的飽和水汽壓，mmHg；f 為空氣的相對濕度。

飽和水汽壓根據(jù)修正得Tetens 公式計(jì)算[6]：

2 模型建立

2.1 物理模型

隧道入口受河谷風(fēng)的作用，隧道污風(fēng)流出后經(jīng)風(fēng)擋繞流加速后進(jìn)入山體后方大氣。模擬計(jì)算區(qū)域40 m×60 m，擋風(fēng)板距隧道出口距離L=20 m。模型如圖1 所示。

圖1 模型示意圖

2.2 模型方程

采用基于Navier-Stokes 方程的風(fēng)流模型，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型使方程組封閉?？諝馔牧髁鲃?dòng)用到的控制方程有質(zhì)量守恒方程，動(dòng)量守恒方程，能量守恒方程，湍流動(dòng)能k 方程和湍流動(dòng)能耗散率ε 方程。

2.3 邊界條件設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，取隧道氣壓平均值為70 kPa，隧道外氣溫為25 ℃，隧道內(nèi)氣溫為15 ℃，洞外平均相對濕度為25%，洞外平均相對濕度為65%。由式（6）可計(jì)算出隧道出口空氣密度ρ0=0.826 kg/m3，隧道外的空氣密度ρ1=0.815 kg/m3。

1）入口邊界：隧道口及自然風(fēng)入口均采用速度入口邊界，隧道口風(fēng)速取vout=0.48 m/s，洞外自然風(fēng)速則取ve。

2）出口邊界：模擬區(qū)域出口采用壓力出口邊界。

3）壁面邊界：地面及隧道壁面則設(shè)為無滑移、絕熱邊界。

表1 為模擬工況設(shè)置。

表1 模擬工況設(shè)置

3 模擬結(jié)果驗(yàn)證

對無豎井3000 m 長度隧道進(jìn)行三維數(shù)值模擬，模擬計(jì)算洞內(nèi)、外溫差為5 ℃時(shí)隧道內(nèi)流場的分布情況。將隧道出口斷面設(shè)置為監(jiān)測面，監(jiān)測隧道出口斷面平均速度，結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 可以看出，速度穩(wěn)定時(shí)，隧道內(nèi)的自然風(fēng)速為vn=1.225 m/s。隧道的主要參數(shù)如表2 所示。

表2 隧道主要參數(shù)

圖2 隧道出口斷面監(jiān)測速度

由式（4）得出隧道內(nèi)的自然風(fēng)速計(jì)算公式為：

結(jié)合表2 的數(shù)據(jù)，由式（8）計(jì)算出隧道內(nèi)的自然風(fēng)速為vn=1.14 m/s。

由表3 可以看出，隧道內(nèi)外溫差為5 ℃時(shí)，計(jì)算結(jié)果和模擬結(jié)果誤差可以控制在7%以內(nèi)，結(jié)果吻合較好。此結(jié)論驗(yàn)證采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行隧道通風(fēng)計(jì)算的方法可行。

表3 結(jié)果驗(yàn)證

4 結(jié)果分析

以直擋風(fēng)板為例，隧道出口速度為恒定值v=0.48 m/s 時(shí)，不同環(huán)境風(fēng)速下隧道出口附近流場分布如圖3、圖4 所示。

由圖3 可以看出，隨著外環(huán)境風(fēng)速的不斷增大，直板風(fēng)擋迎風(fēng)面壓力為正壓，且其值不斷增大。直板風(fēng)擋背風(fēng)面壓力為負(fù)壓，壓力值及作用范圍則不斷的增大。

圖3 直板風(fēng)擋壓力云圖

由圖4 可以看出，擋風(fēng)板后側(cè)隧道污風(fēng)經(jīng)渦流區(qū)繞流后，至流層混合區(qū)域經(jīng)加速后流入大氣。渦流區(qū)域邊緣對隧道出口出流起到加速作用，同時(shí)渦流區(qū)域的大小對出流面積的大小起到限制作用。隨著自然風(fēng)速的不斷增大，其渦流區(qū)域面積逐漸增大，隧道出口出流面積減小，但渦流加速作用增強(qiáng)、流層“夾帶”作用增強(qiáng)，使出流壓力減小。

圖4 直板風(fēng)擋流線圖

隧道出口前端擋風(fēng)墻對隧道施工通風(fēng)污風(fēng)出流影響較大。以環(huán)境風(fēng)速ve=3 m/s 為例，對不同結(jié)構(gòu)下速度、壓力、流場分布分析，如圖5、圖6 所示。

圖5 環(huán)境風(fēng)速v=3 m/s 壓力云圖

圖6 v=3 m/s 流線圖

由圖5 可以看出，不同風(fēng)擋結(jié)構(gòu)下，風(fēng)擋后端負(fù)壓區(qū)域大小差異較小。風(fēng)擋前端對來流起到阻礙作用，前端起到增壓作用，使來流繞經(jīng)風(fēng)擋頂端流向后側(cè)。風(fēng)擋后側(cè)由隧道口出流及平板繞流共同作用形成負(fù)壓區(qū)域。

由圖6 可以看出，由于擋風(fēng)板的作用，使來流在隧道擋風(fēng)板前端繞流，使擋風(fēng)板后端壓力減小。利用文丘里效應(yīng)使隧道出口端壓力降低，增大施工通風(fēng)隧道內(nèi)外壓差，以增大污染氣體出流速度，有效降低軸流風(fēng)機(jī)通風(fēng)功率。渦流區(qū)域在隧道出口正上方，渦流區(qū)域的大小及中心對地高度的高低對隧道出口出流面積影響極大。風(fēng)擋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的在于，如何在有效降低隧道出口壓力的情況下減小渦流區(qū)域面積、提升渦流中心對地高度。如圖所示，圖中30°結(jié)構(gòu)渦流區(qū)域最大，中心對地高度最低，故其降壓效果較差。

施工隧道采用壓入式、抽出式通風(fēng)方式時(shí)，山體迎風(fēng)面和背風(fēng)面隧道口所受環(huán)境風(fēng)速影響不同。軸流、射流風(fēng)機(jī)工作效率與環(huán)境風(fēng)壓關(guān)系密切。由圖7可以看出，當(dāng)隧道口前方無遮擋物，且處于迎風(fēng)面時(shí)，環(huán)境風(fēng)在隧道口產(chǎn)生的壓力會(huì)對隧道出流產(chǎn)生擠壓作用，隨著環(huán)境風(fēng)速的不斷增大，隧道出口壓力呈規(guī)律性增大。當(dāng)隧道口位于背風(fēng)側(cè)時(shí)，環(huán)境風(fēng)在隧道口產(chǎn)生的壓力會(huì)對隧道出流產(chǎn)生抽吸作用，隨著環(huán)境風(fēng)速的不斷增大，隧道出口負(fù)壓值呈規(guī)律性增大。隧道出口負(fù)壓值越大，隧道所需風(fēng)機(jī)排煙功率也相應(yīng)降低，對隧道施工通風(fēng)節(jié)能起到積極促進(jìn)作用。

圖7 不同風(fēng)向工況隧道出口壓力變化

施工隧道出口位于迎風(fēng)面時(shí)，不同風(fēng)擋結(jié)構(gòu)下隧道出口壓力變化如圖8 所示。由圖8 可以看出，隨著環(huán)境風(fēng)速的不斷增大，隧道出口壓力呈二項(xiàng)式變化，擬合通式：P=a+bx+cx2，相關(guān)參數(shù)見表4。與隧道口前方無遮擋相比，在隧道出口一定距離放置不同結(jié)構(gòu)的遮擋物，其隧道出口壓力為負(fù)壓，且負(fù)壓值隨風(fēng)速增大而呈規(guī)律性增大。

圖8 不同擋板結(jié)構(gòu)隧道出口壓力變化

表4 擬合參數(shù)

隧道口前方分別放置30°、45°、60°風(fēng)擋結(jié)構(gòu)時(shí)，隧道出口壓力為：30°＞45°＞60°，隧道出口負(fù)壓值越大，相同出流速度下所需軸流風(fēng)機(jī)功率越小。坡度角30°風(fēng)擋在結(jié)構(gòu)中效果最差。

隧道出口與洞外壓差要維持定值，洞外自然風(fēng)速產(chǎn)生的壓力與隧道出口壓力呈正比關(guān)系變化。軸流風(fēng)機(jī)功率與隧道出口壓力呈正比例變化。

設(shè)掌子面壓力P1，隧道出口壓力P2。忽略熱壓通風(fēng)影響，即有：

由式（9）可以得出，隧道口壓力的減小有利于隧道排污出流速度的增大。

5 結(jié)論

采用CFD 模擬方法，對不同環(huán)境風(fēng)速、不同型式擋風(fēng)板設(shè)置工況做研究，主要結(jié)論有：

1）對于獨(dú)頭掘進(jìn)式隧道采用壓入式通風(fēng)方式時(shí)，自然風(fēng)對隧道排污起到消極作用。迎風(fēng)面隧道口前端設(shè)置擋風(fēng)板（如施工宣傳欄等）可有效提高隧道施工排污效率。

2）當(dāng)環(huán)境風(fēng)速低于5.5 m/s 時(shí)，直板風(fēng)擋對通風(fēng)排污效率最佳。而當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于5.5 m/s 時(shí)，建議采用夾角60°風(fēng)擋，此時(shí)通風(fēng)效果最佳。

3）隨著環(huán)境風(fēng)速的逐漸增大，各風(fēng)擋設(shè)置工況下，隧道出口壓力呈負(fù)壓，且其值呈二項(xiàng)式函數(shù)不斷增大。