螺旋隧道獨頭掘進(jìn)壓入式通風(fēng)參數(shù)研究

高 峰, 張 捷, 連曉飛, 唐宇辰, 齊懷遠(yuǎn), 黃 磊

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

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)公路隧道的線型設(shè)計不再局限于直線，逐漸出現(xiàn)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(xiàn)是我國隧道工程技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志，同時也給傳統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)帶來了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

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

李治強(qiáng)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(shù)難點，對傳統(tǒng)的施工通風(fēng)設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)，提出了干海子施工通風(fēng)設(shè)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(qū)螺旋隧道的施工通風(fēng)方案；方勇等[3]通過建立的通風(fēng)優(yōu)化模型，得到了直線隧道通風(fēng)優(yōu)化參數(shù)；王峰[4]對曲線隧道運營通風(fēng)的部分關(guān)鍵參數(shù)提出了改進(jìn)意見。

對于高寒、高海拔螺旋隧道施工通風(fēng)的問題，目前大多研究是通過進(jìn)行經(jīng)驗公式計算從而得出結(jié)論，而采用有限體積法精確計算螺旋隧道施工通風(fēng)方面的研究文獻(xiàn)較少，有必要對此進(jìn)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(fēng)管出口所處位置工況下的風(fēng)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(qū)首條處于高寒、高海拔地區(qū)的螺旋型隧道。隧道范圍內(nèi)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(jìn)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(jìn)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(shè)置通風(fēng)管，隧道當(dāng)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(fēng)氣流為低速連續(xù)介質(zhì)，將其視為三維黏性不可壓縮氣流[5]；

2)隧道壓入式通風(fēng)過程中無熱交換；

3)通風(fēng)視為非穩(wěn)態(tài)紊流，考慮風(fēng)流隨時間的變化過程，隧道內(nèi)無穩(wěn)定的污染源。

2.1.2 控制方程

采用處理器Fluent軟件進(jìn)行計算，考慮到隧道內(nèi)的空氣流動屬于紊流，確定計算數(shù)學(xué)模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[6]，控制方程為連續(xù)性方程及動量方程。

1)連續(xù)方程

(1)

2)動量方程

(2)

3)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是在數(shù)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(tài)的數(shù)值模擬。標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行數(shù)值模擬。針對出風(fēng)口到掌子面的距離和橫斷面布設(shè)位置這兩個研究對象，以ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分，F(xiàn)luent作為求解器建立三維模型。數(shù)值模型的基本參數(shù)為：隧道橫斷面半徑為5.61 m，圓心距離地面1.5 m，出風(fēng)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(fēng)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(nèi)風(fēng)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(fēng)管管壁及隧道內(nèi)壁邊界類型均為wall，滿足無滑移條件，即Vi=0 m/s。

3 結(jié)果分析

3.1 壓入式通風(fēng)流場特性

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

圖3 隧道內(nèi)氣流流動區(qū)域Fig. 3 Airflow area in tunnel

同時，由于射流過程中氣流與內(nèi)壁摩擦作用、氣流沖撞掌子面、氣流相互作用等導(dǎo)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(fēng)速呈階梯性遞減，經(jīng)附壁射流后在掌子面3 m前的位置以V=5 m/s風(fēng)速沖擊掌子面，形成沖擊射流區(qū)，如圖4。

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

對于隧道通風(fēng)而言，壓入式通風(fēng)效果的優(yōu)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(qū)阻礙有害氣體的排出。筆者主要對比各類工況下的渦流區(qū)大小、射流風(fēng)速梯度，并以此評定通風(fēng)效果。

3.2 出風(fēng)口到掌子面距離的影響分析

在出風(fēng)口速度一定的情況下，出風(fēng)口到掌子面的距離L是影響通風(fēng)效果的重要因素，該距離太遠(yuǎn)，將導(dǎo)致風(fēng)流不能抵達(dá)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(jī)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(jìn)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(qū)域)的平面內(nèi)的流場，如圖6。

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

渦流區(qū)是由于射流與回流的相互作用產(chǎn)生的，因此，渦流區(qū)主要集中于射流區(qū)與回流區(qū)之間，從圖6可以看出，在回流起點(掌子面)和射流起點(風(fēng)管出口)之間形成渦流，在射流沖擊區(qū)附近形成渦核，隨著出風(fēng)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(qū)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(fēng)管不同布設(shè)距離下風(fēng)管至工作面跡線風(fēng)速變化曲線，原點為距掌子面50 m處風(fēng)管出風(fēng)口圓心，橫坐標(biāo)X為距出風(fēng)口處距離。

圖7 不同布設(shè)距離下風(fēng)管至掌子面風(fēng)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(fēng)速變化梯度越大[3]。這說明當(dāng)L取得越大即風(fēng)管口距離掌子面越遠(yuǎn)時，風(fēng)流在運動到掌子面時損失的能量越大，最終氣流達(dá)到掌子面時的能量越小，這將導(dǎo)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(fā)現(xiàn)，在L=45 m及以上時，氣流在接近掌子面處流速已降至相當(dāng)?shù)偷乃?，?yán)重降低氣流了壓入式通風(fēng)的通風(fēng)效果。

在圖7基礎(chǔ)上，取距隧道底部1.7 m處的中心軸線進(jìn)行風(fēng)速監(jiān)測，繪制測點距掌子面距離S-風(fēng)速V曲線，如圖8。

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

由圖8可見，當(dāng)風(fēng)管距離掌子面越遠(yuǎn)時，對掌子面作用力不足時，回流動力不足，導(dǎo)致在距離掌子面50 m的范圍內(nèi)風(fēng)流回流速度太慢。并且發(fā)現(xiàn)，L=45 m及以上時，空氣流速與前幾種工況相比，風(fēng)速的規(guī)律性與大小都有較大差距，說明氣流在從風(fēng)管口至掌子面的過程中已出現(xiàn)較大程度紊散，導(dǎo)致通風(fēng)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(fēng)口至掌子面距離不宜大于40 m。

3.3 出風(fēng)口橫斷面布設(shè)位置的影響分析

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

圖9 3種風(fēng)管布設(shè)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(shè)位置的優(yōu)劣情況，提取風(fēng)管出風(fēng)口到掌子面之間連線(L=35m)上速度分布規(guī)律并繪制成風(fēng)速V-距離S曲線，如圖10。

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

由圖10可知，當(dāng)出風(fēng)口位于隧道頂部時，相較于出風(fēng)口位于隧道左右兩側(cè)射流梯度更小，如在距掌子面3 m處射流風(fēng)速已降低至3.1 m/s。對比相同位置處出風(fēng)口位于橫斷面左右兩側(cè)的風(fēng)速分別為7.2、7.1 m/s，出風(fēng)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(fēng)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(fēng)口位于橫斷面左側(cè)與右側(cè)射流曲線無明顯差異，為比較在螺旋隧道中風(fēng)口位于左側(cè)與右側(cè)通風(fēng)效果，分別截取距掌子面50、75、100 m的3個特征面進(jìn)行對比分析，如圖11。由圖11可見，在以上3種不同截面處，風(fēng)管位于橫斷面左側(cè)時的最大風(fēng)速大于風(fēng)管位于橫斷面右側(cè)時的最大風(fēng)速。

圖11 風(fēng)管位于左、右兩側(cè)不同截面風(fēng)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(jìn)行風(fēng)速監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖12。由圖12可見，出風(fēng)口位于隧道曲線外側(cè)(左側(cè))時，回流區(qū)風(fēng)速明顯大于出風(fēng)口位于隧道曲線內(nèi)側(cè)(右側(cè))的回流風(fēng)速。同時可以發(fā)現(xiàn)，在此35～190 m范圍內(nèi)回流過程中固定線路風(fēng)速仍呈湍流趨勢，于190～200 m處以0.5 m/s的速度穩(wěn)定流出。

圖12 回流區(qū)軸線風(fēng)速Fig. 12 Axis wind velocity of recirculation zone

結(jié)合以上規(guī)律可知，當(dāng)出風(fēng)口位于隧道曲線外側(cè)(左側(cè))時，氣流由出風(fēng)口射出后能持續(xù)受到外側(cè)墻面的束裹作用，較之出風(fēng)口位于隧道曲線內(nèi)側(cè)(右側(cè))的情況，氣流更不易紊散，具有更好的整體性，且此現(xiàn)象在L增加時愈發(fā)明顯。因此，在曲線隧道，尤其是小半徑隧道中，壓入式通風(fēng)出風(fēng)口應(yīng)盡量隧道軸線曲線外側(cè)，同時應(yīng)注意及時跟進(jìn)出風(fēng)管口。

4 結(jié) 論

1)隧道在壓入式施工通風(fēng)時，可將氣流區(qū)域分為射流區(qū)、渦流區(qū)、回流區(qū)。渦流區(qū)阻礙粉塵、有害氣體的排出，減小渦流區(qū)的大小是提高隧道通風(fēng)效率的關(guān)鍵。

2)R=720 m左右的螺旋隧道采用壓入式通風(fēng)時，為取得較佳通風(fēng)效果，風(fēng)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(fēng)時，將風(fēng)管置于隧道曲線外側(cè)，能有效提高通風(fēng)效率。