擋風墻設置對高海拔施工隧道出口出流的影響

孫移漢 王文

1 甘肅省建筑設計研究院有限公司2 陜西鐵路工程職業技術學院

0 引言

目前各類隧道施工通風設計多依照規范及相關經驗，對隧道環境風利用考慮不足，易造成能源的浪費，且達不到最佳的通風效果。國內外對隧道通風研究較多[1-5]，研究都主要集中在隧道內部，對于外界環境風對隧道施工通風影響的研究較少。

利用相關設施達到對洞外環境風的合理利用，對通風節能，隧道施工環境改善及施工進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際，采用計算流體力學軟件FLUENT，對不同風擋結構、不同環境風速工況下隧道出口流場進行模擬研究。根據模擬結果，分析風擋對隧道施工通風的影響，確定最佳風擋結構，為高海拔隧道施工通風優化提供參考依據。

1 基本計算理論

隧道內風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；隧道內外溫差產生的熱壓；洞內自然風產生的動壓。

1）超靜壓差計算方程：

式中：P1、P2為隧洞兩端壓力，掌子面壓力P1主要由軸流風機通過風管提供；ρ0為洞內的空氣密度，kg/m3。

2）熱位差計算方程：

式中：ρ1、ρ0分別為洞外和洞內的空氣密度，kg/m3。

3）洞外氣流的動壓計算方程：

式中：ve為洞外自然風速，m/s。

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

式中：λ 為隧道沿程阻力系數；L 為隧道的長度，m；ξ為隧道局部阻力系數；vn為隧道內的污風風速，m/s。

于是式（4）可寫成

式（5）說明隧道施工通風時，要確保一定的掌子面需風量（即排污風速為定值），隧道外環境風速（隧道出口壓力），軸流風機功率及隧道內外溫差為定值。

高海拔隧道大氣壓力，溫度及空氣密度較平原地區有較大的變化，需要對參數進行修正計算。空氣容重根據下式計算：

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 時的飽和水汽壓，mmHg；f 為空氣的相對濕度。

飽和水汽壓根據修正得Tetens 公式計算[6]：

2 模型建立

2.1 物理模型

隧道入口受河谷風的作用，隧道污風流出后經風擋繞流加速后進入山體后方大氣。模擬計算區域40 m×60 m，擋風板距隧道出口距離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 方程的風流模型，選取標準k-ε 湍流模型使方程組封閉。空氣湍流流動用到的控制方程有質量守恒方程，動量守恒方程，能量守恒方程，湍流動能k 方程和湍流動能耗散率ε 方程。

2.3 邊界條件設置

根據現場實測，取隧道氣壓平均值為70 kPa，隧道外氣溫為25 ℃，隧道內氣溫為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：隧道口及自然風入口均采用速度入口邊界，隧道口風速取vout=0.48 m/s，洞外自然風速則取ve。

2）出口邊界：模擬區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為無滑移、絕熱邊界。

表1 為模擬工況設置。

表1 模擬工況設置

3 模擬結果驗證

對無豎井3000 m 長度隧道進行三維數值模擬，模擬計算洞內、外溫差為5 ℃時隧道內流場的分布情況。將隧道出口斷面設置為監測面，監測隧道出口斷面平均速度，結果如圖2 所示。

由圖2 可以看出，速度穩定時，隧道內的自然風速為vn=1.225 m/s。隧道的主要參數如表2 所示。

表2 隧道主要參數

圖2 隧道出口斷面監測速度

由式（4）得出隧道內的自然風速計算公式為：

結合表2 的數據，由式（8）計算出隧道內的自然風速為vn=1.14 m/s。

由表3 可以看出，隧道內外溫差為5 ℃時，計算結果和模擬結果誤差可以控制在7%以內，結果吻合較好。此結論驗證采用數值模擬方法進行隧道通風計算的方法可行。

表3 結果驗證

4 結果分析

以直擋風板為例，隧道出口速度為恒定值v=0.48 m/s 時，不同環境風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，隨著外環境風速的不斷增大，直板風擋迎風面壓力為正壓，且其值不斷增大。直板風擋背風面壓力為負壓，壓力值及作用范圍則不斷的增大。

圖3 直板風擋壓力云圖

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

圖4 直板風擋流線圖

隧道出口前端擋風墻對隧道施工通風污風出流影響較大。以環境風速ve=3 m/s 為例，對不同結構下速度、壓力、流場分布分析，如圖5、圖6 所示。

圖5 環境風速v=3 m/s 壓力云圖

圖6 v=3 m/s 流線圖

由圖5 可以看出，不同風擋結構下，風擋后端負壓區域大小差異較小。風擋前端對來流起到阻礙作用，前端起到增壓作用，使來流繞經風擋頂端流向后側。風擋后側由隧道口出流及平板繞流共同作用形成負壓區域。

由圖6 可以看出，由于擋風板的作用，使來流在隧道擋風板前端繞流，使擋風板后端壓力減小。利用文丘里效應使隧道出口端壓力降低，增大施工通風隧道內外壓差，以增大污染氣體出流速度，有效降低軸流風機通風功率。渦流區域在隧道出口正上方，渦流區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。風擋結構優化的目的在于，如何在有效降低隧道出口壓力的情況下減小渦流區域面積、提升渦流中心對地高度。如圖所示，圖中30°結構渦流區域最大，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、抽出式通風方式時，山體迎風面和背風面隧道口所受環境風速影響不同。軸流、射流風機工作效率與環境風壓關系密切。由圖7可以看出，當隧道口前方無遮擋物，且處于迎風面時，環境風在隧道口產生的壓力會對隧道出流產生擠壓作用，隨著環境風速的不斷增大，隧道出口壓力呈規律性增大。當隧道口位于背風側時，環境風在隧道口產生的壓力會對隧道出流產生抽吸作用，隨著環境風速的不斷增大，隧道出口負壓值呈規律性增大。隧道出口負壓值越大，隧道所需風機排煙功率也相應降低，對隧道施工通風節能起到積極促進作用。

圖7 不同風向工況隧道出口壓力變化

施工隧道出口位于迎風面時，不同風擋結構下隧道出口壓力變化如圖8 所示。由圖8 可以看出，隨著環境風速的不斷增大，隧道出口壓力呈二項式變化，擬合通式：P=a+bx+cx2，相關參數見表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構的遮擋物，其隧道出口壓力為負壓，且負壓值隨風速增大而呈規律性增大。

圖8 不同擋板結構隧道出口壓力變化

表4 擬合參數

隧道口前方分別放置30°、45°、60°風擋結構時，隧道出口壓力為：30°＞45°＞60°，隧道出口負壓值越大，相同出流速度下所需軸流風機功率越小。坡度角30°風擋在結構中效果最差。

隧道出口與洞外壓差要維持定值，洞外自然風速產生的壓力與隧道出口壓力呈正比關系變化。軸流風機功率與隧道出口壓力呈正比例變化。

設掌子面壓力P1，隧道出口壓力P2。忽略熱壓通風影響，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 結論

采用CFD 模擬方法，對不同環境風速、不同型式擋風板設置工況做研究，主要結論有：

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

2）當環境風速低于5.5 m/s 時，直板風擋對通風排污效率最佳。而當環境風速大于5.5 m/s 時，建議采用夾角60°風擋，此時通風效果最佳。

3）隨著環境風速的逐漸增大，各風擋設置工況下，隧道出口壓力呈負壓，且其值呈二項式函數不斷增大。