高海拔螺旋隧道雙洞互補式通風系統研究

黃永杰，安斌

高海拔螺旋隧道雙洞互補式通風系統研究

黃永杰，安斌

（中交基礎設施養護集團有限公司，北京 100011）

在左右洞需風量差異較大的長大隧道中應用雙洞互補式通風方式時，可以較好地降低左右洞隧道內的污染物濃度峰值。依托西北首條螺旋隧道——臥龍溝1號隧道，通過理論設計、數值模擬等方法研究了在螺旋隧道中采用雙洞互補式通風系統的可行性。初步設計了臥龍溝1號隧道雙洞互補式通風系統，發現雙洞互補式通風系統可以減弱螺旋隧道內污染物濃度局部聚集效應，防止隧道內局部空氣污染物濃度超標；螺旋隧道中采用雙洞互補式通風系統時，在兩條隧道中，最靠近螺旋曲線外側的那一條隧道的湍動強度大于螺旋曲線內側隧道。

螺旋隧道；雙洞互補；高海拔隧道；數值模擬

近年來，隨著“一帶一路”戰略實施，交通建設的重心將逐漸向中國西部地區轉移，因此，陸續地將會有更多隧道在青藏地區建成。此類隧道將以高海拔、低氣溫、多螺旋為特點，為隧道的安全通風運營帶來了挑戰。

國內外學者已經對雙洞互補式通風系統的理論與應用進行了系統研究，夏豐勇等[1]通過理論推導，得出了雙洞互補式通風系統的理論計算設計方式；王一丁[2]通過數值模擬對采用雙洞互補式通風系統的隧道進行了污染物分布、火災工況等研究；王亞瓊等[3]通過模型試驗，研究了2條橫通道內換氣風量變化對隧道內各區段風速和風壓的影響規律。目前大部分研究是針對直線長大隧道，對于螺旋隧道尤其是高海拔螺旋隧道的研究較少，常規的通風技術將無法滿足高海拔螺旋隧道的通風要求，需要進行高海拔螺旋隧道通風技術的專項研究。

1 工程概況

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

臥龍溝1號隧道右線進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 雙洞互補式通風系統設計

2.1 雙洞互補式通風系統設計參數

臥龍溝1號隧道遠期設計需風量如表1所示，可以看出，左右洞需風量有一定差距，此情況使用雙洞互補式通風系統較為適宜。臥龍溝1號隧道相關設計參數如表2所示。

圖1 臥龍溝1號隧道

表1 設計需風量

最大需風量/（m3·s-1） 左線qx右線qs 234.64575.15

表2 臥龍溝1號隧道主要設計參數

類別設計參數 長度/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/m右線（上坡）31.2 左線（下坡）31.2 車行橫通道19.88 當量直徑/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 互補式通風系統風量設計

2.3 互補式通風系統位置的確定

根據雙洞互補式通風系統設計原理，互補式通風系統應設置于某一限制范圍m～n之間。互補式通風系統安裝范圍如圖2所示。

圖2 互補式通風系統安裝范圍

若將橫通道設置于m前方，左線污染物濃度高于右線，進行換氣無意義；若將橫通道設置于n后方，則右線隧道此時污染物濃度已經超過規范限制。本次設計將橫通道間距取為100 m。

m、n計算方法如下：

n=s·（1－s/s） （1）

式（1）（2）中：n、m為雙洞互補式通風系統安裝范圍定點長度，m；s為上坡隧道長度，m；x為下坡隧道長度，m。

計算得到m、n分別為756 m、1 824 m。互補式通風系統應設置于右線入口756～1 824 m范圍內。

可采用試算法在m～n范圍內不同位置布設互補式通風系統取值進行試算，取最小換氣需風量為設計換氣需風量h，試算結果如表3所示。

換氣風量大小計算方法如下：

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

換氣需風量隨s3的變化規律如圖3所示，可見換氣需風量與換氣橫通道的位置密切相關。因此，為達到節能目的，臥龍溝1號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，此時換氣需風量為244.2 m3/s，考慮安全因素，將橫通道換氣風量設計值選為270 m3/s。校核全線，隧道內污染物濃度均滿足規范要求。

表3 換氣需風量計算結果

序號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 換氣需風量

3 互補式通風系統仿真模擬

3.1 幾何模型

為探究雙洞互補式通風系統在螺旋隧道中的適用性，基于前述相關計算，對臥龍溝1號隧道進行整體通風系統仿真模擬。采用壓力躍階模型代替沿程阻力，將臥龍溝1號隧道的整體沿程阻力壓縮在壓力躍階面。即可以長度為300 m，螺旋半徑為720 m的螺旋隧道模型代替整體。

用ICEM-CFD進行前處理，完成幾何模型及網格的建立，模型采用非結構化網格，在邊界處均使用3層邊界層網格。換氣通道位置按照計算結果設置。幾何模型如圖4所示，網格如圖5所示。

圖4 模型示意圖

圖5 網格示意圖

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號隧道在采用雙洞互補式通風系統情況下，隧道內的速度場及壓力場，主要涉及到的邊界條件有進口邊界、出口邊界、壁面邊界和內部邊界。其中邊界條件設置情況如表4所示。其中隧道入口根據設計左右洞風量計算得到入口風速；橫通道中部設置風機，將計算所得換氣需風量換算為風機出入口風量；壁面粗糙高度取為2.5 mm；壓力躍階面則是將計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 橫通道風機入口質量流量入口 橫通道風機出口速度出口 隧道及橫通道壁面無滑移壁面 內部面壓力躍階面

3.3 結果分析

在對臥龍溝1號隧道進行雙洞互補式通風系統模擬時，主要考察隧道內尤其是橫洞附近的空氣流動狀態，本次模擬將橫通道內軸流風機進行了仿真，均設置于橫通道中間。軸流風機的作用是使橫通道內達到設計要求的換氣風量，即完成互補式通風系統的氣流運移。左右線入口按照雙洞互補式通風系統設計風量設置為速度入口，其中風速為6.4 m/s。隧道出口設置為壓力出口邊界，相對壓強為0。互補式通風系統風速如圖6所示，隧道內氣體由隧道入口進入后的流線如圖7所示。

圖6 互補式通風系統風速

圖7 隧道入口后方流體流線圖

由圖7可知，隧道內空氣由隧道入口進入后，在橫洞處被橫洞內軸流風機所吸取并轉移到另一側隧道內，轉移以后的空氣被另一側隧道的氣流慣性帶動，于50 m內調整氣流方向并同另一側氣體一起運動，在這整個循環過程中，兩條隧道起到了互相輸送相對新鮮空氣的作用，共同抑制了互相的污染物濃度線性增長。

為探明局部氣體流場情況，提取隧道平面上的流體矢量圖，如圖8所示，可見，橫洞內氣體在轉移到另一側的過程中，氣體一旦跨出橫洞，即受原隧道內氣流影響，向運行方向偏移。偏移后的初始階段，射流氣體沿側壁流動約50 m距離后，將與原隧道內氣體一同均勻流動，不再在橫截面上出現風速不均勻的現象。

圖8 轉移后空氣流態

截取隧道側面，將風速云圖印刻在其上，如圖9所示，由圖9可看出，在橫洞射出的氣流附近，氣流產生了一定的紊動，尤其在橫洞的風機高度范圍內，氣流風速矢量在該高度范圍內略低于其他高度，局部地方甚至出現回流現象，但這些現象隨著氣流推進均趨于平穩。螺旋隧道內的污染空氣的污染物存在沿著隧道螺旋外側聚集且穩定流動的現象，采用雙洞互補式通風系統，將隧道內空氣在橫向方向上進行了一定的干擾，使聚集于隧道螺旋外側的污染空氣紊散，并均勻地排出隧道，這也防止了運營隧道內局部氣體污染物濃度超標的情況發生。

圖9 隧道側面局部風速

為量化地探究隧道內流態及其規律，分別提取隧道左線、右線隧道中軸線上總壓、湍動能，如圖10所示。從圖10可以看出，湍動能在通風橫洞附近呈現上漲—下降趨勢，該湍動范圍約為100 m。同時可以發現，隧道左線的最大湍動能大于隧道右線最大湍動能，這是由于在螺旋隧道，隧道螺旋外側風速大于螺旋內側風速，在右線隧道中，橫洞射流氣體更早地與隧道內原氣體交匯，且具有更大的交匯空間，因此呈現出湍動能低于左線隧道的現象。

圖10 隧道內湍動強度

4 結論

本文依托臥龍溝1號隧道，應用理論設計與數值模擬的方法對雙洞互補式通風系統在螺旋隧道中的應用進行了探究，得到結論如下：①對于螺旋隧道，其雙洞互補式通風理論設計計算方法與直線隧道相同，均采用了污染物濃度控制的計算方法進行設計，計算結果在臥龍溝1號隧道中也可以較好地應用。②臥龍溝1號隧道雙洞互補式通風設計方案為第一條橫通道距離隧道右線進口距離為1 660 m，第二條橫通道距離隧道右線進口距離為1 760 m，即橫通道間距為 100 m，其中左右線主隧道內設計風量為425.15 m3/s，換氣風量設計為270 m3/s。③經數值模擬驗證計算后發現，在=720 m的螺旋隧道中采用雙洞互補式通風系統的可行性，且采用雙洞互補式通風系統時，該系統可以減弱隧道內污染物濃度局部聚集的效應，防止隧道內局部空氣污染物濃度超標的發生。④螺旋隧道中采用雙洞互補式通風系統時，在兩條隧道中，更靠近螺旋曲線外側隧道的最大湍動強度大于螺旋曲線內側隧道。

［1］夏豐勇，宋神友，謝永利，等.雙洞互補式通風在公路隧道中的應用［J］.現代隧道技術，2017，54（4）：160-166.

［2］王一丁.橫通道對公路隧道互補式通風的影響數值模擬及試驗研究［D］.蘭州：蘭州交通大學，2017.

［3］王亞瓊，夏豐勇，謝永利，等.特長公路隧道雙洞互補式通風物理模型試驗［J］.中國公路學報，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—），大學本科，高級工程師，中交基礎設施養護集團有限公司項目經理，主要從事公路工程方向的研究。

〔編輯：嚴麗琴〕