某高速公路隧道遮光棚對氣流組織的影響分析

劉健 劉凱凱 劉俊 車輪飛

中鐵第四勘察設計院集團有限公司

0 引言

為保障行車安全，隧道洞口通常設置一段遮光棚，形成光過渡段，緩和明暗差異[1-2]。遮光棚的結構形式往往較為封閉，不利于隧道內污染物的擴散，影響隧道通風效果[3-4]。本文以某城市高速公路隧道為研究對象，采用現場實測和數值模擬的方法，就遮光棚對平行隧道氣流組織的影響展開分析。

1 工程概況及問題描述

某城市高速公路隧道為雙向四車道，單向行車，設計時速100 km/h，為過境運輸通道，以貨、客運為主。隧道斷面采用整體框架結構，主洞凈寬11.05 m，凈高5.8 m，隧道暗埋段長度為3170 m。隧道采用全射流縱向通風方式，左右線各設置10 組雙向射流風機，每組2 臺，單臺射流風機直徑1000 mm，功率30 kW，隧道橫斷面如圖1 所示，通風設備布置如圖2 所示，隧道洞口設置遮光棚作為光過渡段，遮光棚采用鋼結構+玻璃的封閉結構，縱向長度約40 m，遮光棚下方左右線隧道不設置隔墻。南端路面至遮光棚高度為10.7～ 13.2 m，北端路面至遮光棚高度為9.8～12.4 m，遮光棚的縱斷面及橫斷面如圖3～4 所示。據運營單位反映，正常運營時隧道內空氣品質不佳，能見度較低，行車舒適性差。

圖1 隧道橫斷面（單位：mm）

圖2 通風設備布置圖（單位：m）

圖3 遮光棚縱斷面（單位：mm）

圖4 遮光棚橫斷面（單位：mm）

2 現場測試

為了解隧道實際運營情況，在8 月份對隧道開展現場測試。左右線各設置4 處測點，2 處位于隧道內，2 處位于光過渡段，測點位置如圖5 所示。共測試了3 種工況：左右線隧道射流風機全關、僅開啟右線射流風機和左右線隧道射流風機全開。不同工況切換后待30 min 后開始測試。

圖5 測點布置圖（單位：m）

測試期間，隧道南側室外溫度為34.0℃，北側室外溫度為33.4℃。風速和溫度測試結果如表1 所示。2#與3# 測點溫度的平均值定義為隧道的平均溫度，2#與3#測點速度的平均值定義為隧道的平均速度。

表1 風速測試結果

從風速測試結果來看，在工況1 左右線射流風機均未開啟時，在汽車活塞風的作用下，左右線隧道平均風速為2.8 m/s 和3.2 m/s。對比工況2 和工況1 可以看出，當右線射流風機開啟時，右線隧道平均風速提升至5.8 m/s，左線隧道平均風速提升至4.4 m/s，但此時左線隧道射流風機并未開啟，說明左線氣流受到右線射流風機的影響。在工況3 下，左右線射流風機均開啟，活塞風疊加射流風機的作用下，左右線隧道平均風速達到6.5 m/s 和6.3 m/s。

綜上，從測試結果來看，洞口光過渡段封閉遮光棚削弱了隧道與室外的通風換氣能力，兩條隧道的氣流相互影響，氣流在兩條隧道內來回打轉，即使開啟全部射流風機也難以從室外引入新風。

3 模擬計算

3.1 邊界條件

采用 FULENT 17.0 軟件[5]對本隧道進行數值模擬。隧道兩端基本對稱，重點模擬了北端洞口的通風情況。為簡化模型，曲面的遮光棚簡化成長方體，寬度為22.8 m，頂部距離隧道地面12 m，縱向長40 m。模型如圖6 所示。

圖6 模型示意圖（單位：mm）

數值模擬采用有限容積法進行方程離散，壓力與速度的耦合采用 SIMPLEC 算法，采用六面體網格進行網格化處理，并在隧道入口、隧道出口、光過渡段進行網格的加密。網格數量約為100 萬。

進口和出口均設定義為速度入口，以現場測試所得的風速作為邊界條件分別建模計算，分析左右線隧道間的竄流規律。邊界條件的設置如表2 所示，另外還將入口速度和出口速度分別設置為6 m/s 和4 m/s，與測試工況2 進行比較。本文以CO 為污染物，將右線隧道截面設置為均勻的 CO 散發面源，質量分數為0.2%。左線隧道和室外大氣不設置CO 散發源，初始情況下CO 質量分數均為0。定義左線隧道CO 質量分數與右線隧道CO 質量分數的比值為回流率，以此表征隧道洞口污染物竄流情況。

表2 入口邊界條件的設置

3.2 模擬結果

隧道洞口3 m 高度處的速度場分布如圖7 所示，圖中 X 軸3150～3170 m 為隧道內，3170～3210 m 為光過渡段。Y 軸0～11.05 m 為右線隧道，11.75～22.8 m 為左線隧道。

圖7 速度場分布圖（單位：m/s）

可以看出，在隧道洞口附近光過渡段范圍內（3170～3190 m 處），氣流均存在明顯的回流現象。這是由于在洞口光過渡段處左右線連通，且封閉的遮光棚結構削弱了隧道與室外的通風換氣能力，右線隧道排出的氣流受左線隧道進口處負壓的影響發生了偏轉，來自右線隧道的廢氣未能直接排放至隧道外即被吸入左線。部分新鮮空氣從外界進入光過渡段，與右線隧道的廢氣混合后進入左線隧道。對比7a 和7d 可以看出，當左右線的隧道風機全部開啟時，洞口處的負壓更大，右線隧道的排風均在3170～3185 m 范圍內發生偏轉并全部被吸入左線隧道，且較大的橫向風會對行車安全構成了威脅。對比7b 和7c 可以看出，當右線出口風速大于左線入口風速時，排風部分直接排出室外，部分被吸入左線隧道。當左線入口風速大于右線出口風速時，受到左線負壓的作用，右線隧道的全部排風被吸入左線。

4 種工況下的回流率如表3 所示。工況3 由于左線入口風速大于右線出口風速，左線隧道洞口處的負壓作用更大，更多的室外新風被吸入左線隧道，因此回流率相對較低，為66.7%，但是由于隧道兩端呈現對稱性，另一側洞口的氣流情況與工況2 類似。其余工況回流率相差不大，均在85%左右，嚴重影響了左線隧道空氣品質。

表3 模擬結果

通過以上分析可以看出，在不改變現有遮光棚結構的情況下，僅通過加強通風強度并不能降低竄流的影響。

4 原因分析

綜合工程實際情況、現場測試和模擬計算，分析可知，導致空氣品質不佳，能見度較低的原因歸結為以下2 個方面：

1）封閉遮光棚導致隧道左右線相互影響，廢氣回流率大

根據模擬計算可知，由于左右線隧道洞口距離近，且在光過渡段處左右線之間完全連通，同時受封閉遮光棚影響，廢氣未經與外界新鮮空氣充分混合稀釋便被相鄰隧道吸入，導致隧道廢氣難以有效排出，廢氣回流率大，影響正常運營時隧道的有效通風換氣效果。大量廢氣在左右線隧道內部循環打轉，嚴重影響隧道內空氣品質，帶來通風不良、污濁空氣堆積現象，此為主要原因。

2）隧道大型車比例高

本隧道為過境運輸通道，通行大貨車和拖掛車等大型車，根據交通量預測，大型車占比約20%，該兩類車輛均采用柴油發動機，產生的煙塵量高于城市隧道。且隧道為高速公路隧道，全天不間斷運營，因此隧道路面及墻面清洗頻率遠低于城市隧道，造成隧道內環境較差，此為次要原因。

5 結論與建議

1）通過現場實測和模型試驗可以看出，隧道洞口處光過渡段封閉遮光棚強化了左右線之間的相互作用，削弱了隧道與室外通風換氣效果，氣流在兩條隧道內來回打轉，影響了隧道洞口的氣流組織，導致廢氣回流，即使加強通風強度也不能降低回流率，是造成隧道通風換氣不良的直接原因。

2）在工程實踐中，對遮光棚的關注往往聚焦在遮光效果及造型美觀上，通常由建筑專業牽頭完成，不需要通風專業會簽。由此案例可以看出，不良的遮光棚設計會影響隧道通風效果，各相關專業在前期應做好協調溝通工作，通風專業應結合自身需要提出相關要求，以便確定合理的遮光棚形式。