螺旋隧道獨頭掘進壓入式通風參數研究

高 峰, 張 捷, 連曉飛, 唐宇辰, 齊懷遠, 黃 磊

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 中交路橋技術有限公司，北京 100018)

0 引 言

隨著我國經濟技術的發展，國內公路隧道的線型設計不再局限于直線，逐漸出現了曲線隧道、小半徑曲線隧道以及螺旋隧道。螺旋隧道的出現是我國隧道工程技術進步的重要標志，同時也給傳統的通風系統帶來了巨大的技術挑戰。

在小半徑螺旋隧道中，受到連續彎曲上坡線型的影響[1]，采用壓入式通風通入的新鮮空氣的動力面臨更大的阻力，洞內粉塵以及機械尾氣很難被排放出隧道外。采用直線隧道施工，通風參數必定面臨著高能耗、高浪費的情況，因此，對螺旋隧道通風參數的研究成為一個不可忽視的經濟問題。

李治強等[1]依托干海子隧道工程，針對小半徑螺旋隧道的工程特點和技術難點，對傳統的施工通風設計進行了改進，提出了干海子施工通風設計方案；張凱[2]針對臥龍溝隧道的工程實際，提出了高原地區螺旋隧道的施工通風方案；方勇等[3]通過建立的通風優化模型，得到了直線隧道通風優化參數；王峰[4]對曲線隧道運營通風的部分關鍵參數提出了改進意見。

對于高寒、高海拔螺旋隧道施工通風的問題，目前大多研究是通過進行經驗公式計算從而得出結論，而采用有限體積法精確計算螺旋隧道施工通風方面的研究文獻較少，有必要對此進行研究。筆者通過分析實際工程，對臥龍溝1號隧道建立1∶1的模型，研究不同風管出口所處位置工況下的風速、流場特性。

1 工程概況

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，R=1 255 m，接緩和曲線Ls-120 m，再接圓曲線出洞，R=700 m；左線進口平面線形為圓曲線，R=1 288 m，接緩和曲線Ls-140 m，再接圓曲線出洞，R=720 m；縱坡為單向坡，左線為2.55%，右線為2.52%。施工期間，隧道在2 m高度拱腰設置通風管，隧道當量直徑為5.61 m，隧道斷面及線型如圖1。

圖1 臥龍溝1號隧道尺寸示意(單位：m)Fig. 1 Dimensional diagram of Wolonggou No. 1 tunnel

2 計算模型

2.1 計算理論

2.1.1 基本假定

1)施工通風氣流為低速連續介質，將其視為三維黏性不可壓縮氣流[5]；

2)隧道壓入式通風過程中無熱交換；

3)通風視為非穩態紊流，考慮風流隨時間的變化過程，隧道內無穩定的污染源。

2.1.2 控制方程

采用處理器Fluent軟件進行計算，考慮到隧道內的空氣流動屬于紊流，確定計算數學模型為標準k-ε模型[6]，控制方程為連續性方程及動量方程。

1)連續方程

(1)

2)動量方程

(2)

3)標準k-ε模型

標準k-ε模型是在數值運算中最為廣泛的一種模型，它適用于流體處于完全湍流狀態的數值模擬。標準k-ε模型的湍動能k方程如式(3)，耗散率ε方程如式(4)：

(3)

(4)

2.2 幾何模型

參考臥龍溝1號隧道實際尺寸，取臥龍溝隧道曲率最大處進行數值模擬。針對出風口到掌子面的距離和橫斷面布設位置這兩個研究對象，以ICEM CFD進行網格劃分，Fluent作為求解器建立三維模型。數值模型的基本參數為：隧道橫斷面半徑為5.61 m，圓心距離地面1.5 m，出風口半徑0.8 m；隧道螺旋半徑為720 m，坡度為2.55%的螺旋隧道，掌子面距出風口200 m。隧道模型如圖2。

圖2 隧道模型Fig. 2 Model of tunnel

2.3 邊界條件

1)隧道內風管出口為入口邊界，類型為velocity-inlet，V=20 m/s，方向沿入口邊界法線方向；

2)距離掌子面200 m處所在隧道斷面為自由流出邊界，類型為outflow；

3)風管管壁及隧道內壁邊界類型均為wall，滿足無滑移條件，即Vi=0 m/s。

3 結果分析

3.1 壓入式通風流場特性

壓入式隧道通風具有典型的流場特性，可將氣體在隧道內的流動區域分為4類：附壁射流區、沖擊射流區、渦流區、回流區[6]。出風口射出一定速度的氣流，到達掌子面后沖刷掌子面并流向另一側形成回流，回流氣體與射流氣體相互作用形成渦流區，典型流場特性如圖3。

圖3 隧道內氣流流動區域Fig. 3 Airflow area in tunnel

同時，由于射流過程中氣流與內壁摩擦作用、氣流沖撞掌子面、氣流相互作用等導致的能量損失讓氣流流速在此過程中逐漸衰減。氣流由管口射出后風速呈階梯性遞減，經附壁射流后在掌子面3 m前的位置以V=5 m/s風速沖擊掌子面，形成沖擊射流區，如圖4。

圖4 管口至掌子面風速曲線Fig. 4 Curve of wind velocity between air duct outlet andtunnel face

對于隧道通風而言，壓入式通風效果的優劣取決于有害氣體的排出效率及新鮮空氣的輸送效率，而渦流區阻礙有害氣體的排出。筆者主要對比各類工況下的渦流區大小、射流風速梯度，并以此評定通風效果。

3.2 出風口到掌子面距離的影響分析

在出風口速度一定的情況下，出風口到掌子面的距離L是影響通風效果的重要因素，該距離太遠，將導致風流不能抵達掌子面，或者動力不足以將污染空氣排出；距離太近，會影響到工作人員的正常工作及施工機械的布置(圖5)[7]。

圖5 隧道縱斷面(單位：m)Fig. 5 Tunnel longitudinal section

分別取L=20、25、30、35、40、45、50 m進行模擬計算，截取與隧道地面平行且距底部1.7 m[8](工作人員活動區域)的平面內的流場，如圖6。

圖6 不同布設距離下的射流流場Fig. 6 Jet field at different layout distances

渦流區是由于射流與回流的相互作用產生的，因此，渦流區主要集中于射流區與回流區之間，從圖6可以看出，在回流起點(掌子面)和射流起點(風管出口)之間形成渦流，在射流沖擊區附近形成渦核，隨著出風口逐漸逼近掌子面，渦流的跨度由50 m逐漸縮小為20 m。由于渦流區變小，回流的范圍增大，將帶動更多的被污染空氣向出口流動。

圖7是風管不同布設距離下風管至工作面跡線風速變化曲線，原點為距掌子面50 m處風管出風口圓心，橫坐標X為距出風口處距離。

圖7 不同布設距離下風管至掌子面風速曲線Fig. 7 Curves of wind velocity between duct outlet and tunnel faceat different layout distances

由圖7可見，L越小時，風速變化梯度越大[3]。這說明當L取得越大即風管口距離掌子面越遠時，風流在運動到掌子面時損失的能量越大，最終氣流達到掌子面時的能量越小，這將導致對于掌子面的沖擊力不夠，不能有效地帶動掌子面的有害氣體流動。同時發現，在L=45 m及以上時，氣流在接近掌子面處流速已降至相當低的水平，嚴重降低氣流了壓入式通風的通風效果。

在圖7基礎上，取距隧道底部1.7 m處的中心軸線進行風速監測，繪制測點距掌子面距離S-風速V曲線，如圖8。

圖8 1.7 m平面風速曲線Fig. 8 Curves of wind velocity at 1.7 m plane

由圖8可見，當風管距離掌子面越遠時，對掌子面作用力不足時，回流動力不足，導致在距離掌子面50 m的范圍內風流回流速度太慢。并且發現，L=45 m及以上時，空氣流速與前幾種工況相比，風速的規律性與大小都有較大差距，說明氣流在從風管口至掌子面的過程中已出現較大程度紊散，導致通風效果不佳。

綜上所述，受隧道曲線線型的影響，在不影響正常工作需要的情況下，出風口至掌子面距離不宜大于40 m。

3.3 出風口橫斷面布設位置的影響分析

在出風口橫斷面布設位置方面，由于螺旋隧道的不對稱性，出風口位于隧道斷面左側與右側具有不同的通風效果，為取得更好的通風效果，進行了3種橫斷面布設位置的工況比選，如圖9。

圖9 3種風管布設位置(單位：m)Fig. 9 Layout locations of 3 kinds of air ducts

為明確3種橫斷面布設位置的優劣情況，提取風管出風口到掌子面之間連線(L=35m)上速度分布規律并繪制成風速V-距離S曲線，如圖10。

圖10 3種橫斷面布設形式下射流風速曲線Fig. 10 Jet wind velocity curves under 3 kinds of cross-sectionlayout forms

由圖10可知，當出風口位于隧道頂部時，相較于出風口位于隧道左右兩側射流梯度更小，如在距掌子面3 m處射流風速已降低至3.1 m/s。對比相同位置處出風口位于橫斷面左右兩側的風速分別為7.2、7.1 m/s，出風口處于隧道頂部不利于污染物的排出與新鮮空氣的輸送。出風口位于頂部時，射流氣流位于曲率半徑更大的拱頂處，有較開闊的射流空間，致氣流易分散并更直接的與回流氣體相互作用，從而大幅降低射流效果。

L=35 m時，射流沖擊線形近乎于直線，出風口位于橫斷面左側與右側射流曲線無明顯差異，為比較在螺旋隧道中風口位于左側與右側通風效果，分別截取距掌子面50、75、100 m的3個特征面進行對比分析，如圖11。由圖11可見，在以上3種不同截面處，風管位于橫斷面左側時的最大風速大于風管位于橫斷面右側時的最大風速。

圖11 風管位于左、右兩側不同截面風速Fig. 11 Wind velocity nephogram with air duct located at different cross-sections on the left or right side

為排除偶然性，選取隧道橫斷面中央距地面1.7 m處(工作人員吸氧位置附近)隧道軸線、距掌子面35～200 m段進行風速監測，監測結果如圖12。由圖12可見，出風口位于隧道曲線外側(左側)時，回流區風速明顯大于出風口位于隧道曲線內側(右側)的回流風速。同時可以發現，在此35～190 m范圍內回流過程中固定線路風速仍呈湍流趨勢，于190～200 m處以0.5 m/s的速度穩定流出。

圖12 回流區軸線風速Fig. 12 Axis wind velocity of recirculation zone

結合以上規律可知，當出風口位于隧道曲線外側(左側)時，氣流由出風口射出后能持續受到外側墻面的束裹作用，較之出風口位于隧道曲線內側(右側)的情況，氣流更不易紊散，具有更好的整體性，且此現象在L增加時愈發明顯。因此，在曲線隧道，尤其是小半徑隧道中，壓入式通風出風口應盡量隧道軸線曲線外側，同時應注意及時跟進出風管口。

4 結 論

1)隧道在壓入式施工通風時，可將氣流區域分為射流區、渦流區、回流區。渦流區阻礙粉塵、有害氣體的排出，減小渦流區的大小是提高隧道通風效率的關鍵。

2)R=720 m左右的螺旋隧道采用壓入式通風時，為取得較佳通風效果，風管口至掌子面距離不宜大于40 m。

3)在螺旋隧道壓入式施工通風時，將風管置于隧道曲線外側，能有效提高通風效率。