鐵路隧道防災(zāi)通風(fēng)射流風(fēng)機(jī)安裝位置對(duì)通風(fēng)效果的影響

趙東平，溫斯遜，楊柏洪

（1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

隨著我國(guó)鐵路隧道逐漸向長(zhǎng)大、深埋方向發(fā)展，隧道的防災(zāi)救援問(wèn)題日益突出。防災(zāi)通風(fēng)系統(tǒng)是隧道防災(zāi)救援體系中的重要組成之一，在隧道防災(zāi)救援工作中發(fā)揮著重要作用，是事故工況下人員安全疏散的重要保障。根據(jù)現(xiàn)行《鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］要求，在鐵路隧道緊急出口及隧道口救援站內(nèi)均應(yīng)設(shè)計(jì)防災(zāi)通風(fēng)系統(tǒng)，一旦長(zhǎng)大隧道或隧道群內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或其他事故，列車駛往緊急出口或隧道口救援站進(jìn)行疏散時(shí)，應(yīng)開啟救援疏散設(shè)施內(nèi)的防災(zāi)通風(fēng)系統(tǒng)，維持輔助坑道向隧道正洞的風(fēng)壓。

目前，我國(guó)鐵路隧道相關(guān)救援設(shè)施內(nèi)安裝的防災(zāi)風(fēng)機(jī)以射流風(fēng)機(jī)為主，根據(jù)其工作原理可知，射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門之間的距離會(huì)直接影響射流通風(fēng)效果。為了改進(jìn)射流風(fēng)機(jī)的通風(fēng)效果，我國(guó)學(xué)者已經(jīng)開展了大量相關(guān)研究，趙黎等［2］對(duì)2 車道公路隧道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)空間安裝布局進(jìn)行了研究，分析了風(fēng)機(jī)的縱、橫向間距以及布置高度等參數(shù)對(duì)通風(fēng)效果的影響。張恒等［3］對(duì)隧道施工通風(fēng)中風(fēng)機(jī)布置位置對(duì)通風(fēng)效果的影響進(jìn)行了分析研究，提出了通風(fēng)管在隧道橫斷面上的布置方式，以及風(fēng)管出風(fēng)口與隧道掌子面的距離建議值。王松等［4］利用Fluent程序?qū)匪淼纼?nèi)射流通風(fēng)速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，得出了風(fēng)機(jī)主射流范圍。曹正卯等［5］通過(guò)CFD 模擬與理論分析相結(jié)合的方法，以關(guān)角隧道為工程依托，研究了鐵路隧道運(yùn)營(yíng)期間，多種射流風(fēng)機(jī)組合布置形式對(duì)通風(fēng)效果的影響。趙東平等［6］以某鐵路隧道緊急救援站為工程依托，研究了風(fēng)機(jī)布置于正洞、橫通道及同時(shí)布置于正洞及橫通道內(nèi)3種方案對(duì)于通風(fēng)效果的影響。王駿橫等［7］對(duì)隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)布置方式對(duì)隧道橫斷面風(fēng)速的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明當(dāng)風(fēng)機(jī)均勻分布于橫斷面時(shí)，能夠在更短距離內(nèi)產(chǎn)生均勻程度較高的斷面風(fēng)速。范建國(guó)等［8］利用CFD 軟件對(duì)雙車道公路隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)組合效果進(jìn)行了模擬，得出了2 臺(tái)風(fēng)機(jī)組合時(shí)橫向以及縱向的最佳距離。方勇等［9］利用Flu?ent 軟件建立隧道三維模型，研究了風(fēng)管出口位置對(duì)公路隧道施工通風(fēng)效果的影響，認(rèn)為風(fēng)管距離工作面越近，射流速度變化梯度越大，通風(fēng)效果越明顯，并且造成的局部壓力損失也越大。喻映華等［10］對(duì)射流風(fēng)機(jī)安裝在隧道緊急停車帶擴(kuò)大斷面的流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了隧道氣流速度和壓力的分布規(guī)律。姜學(xué)鵬等［11］通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了隧道內(nèi)自然風(fēng)對(duì)射流風(fēng)機(jī)臨界風(fēng)速的影響。王峰等［12］通過(guò)三維數(shù)值模擬，分析了小半徑曲線隧道射流風(fēng)機(jī)布置方式對(duì)風(fēng)機(jī)升壓折減效率的影響。溫玉輝等［13］采用CFD程序?qū)ι淞黠L(fēng)機(jī)的升壓效率影響因素進(jìn)行了三維數(shù)值分析，確定了影響射流風(fēng)機(jī)升壓效率的主要因素并提出提高射流風(fēng)機(jī)升壓效率的措施。

從既有文獻(xiàn)來(lái)看，現(xiàn)階段關(guān)于隧道射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)領(lǐng)域的研究主要集中于3個(gè)方面：一是，針對(duì)公路隧道運(yùn)營(yíng)階段的射流通風(fēng)效率及風(fēng)機(jī)布置優(yōu)化等問(wèn)題的研究；二是，針對(duì)隧道施工過(guò)程中，射流通風(fēng)效率、風(fēng)機(jī)布置方式及風(fēng)管與掌面的距離等問(wèn)題的研究；三是，針對(duì)長(zhǎng)大鐵路隧道防災(zāi)工況下射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)效果的研究。相比前2 個(gè)方面，在第3 個(gè)方面的研究成果明顯偏少，尤其是對(duì)鐵路隧道防災(zāi)通風(fēng)中射流風(fēng)機(jī)安裝位置與通風(fēng)效率相關(guān)性的研究，更是未見諸報(bào)道。

本文以湘渝高速鐵路某隧道口救援站為依托工程，對(duì)隧道口救援站及橫洞式緊急出口射流通風(fēng)開展研究，分析隧道口救援站內(nèi)風(fēng)機(jī)安裝位置對(duì)通風(fēng)效果的影響，以及單車道、雙車道輔助坑道斷面條件下，橫洞式緊急出口內(nèi)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門之間距離對(duì)通風(fēng)效果的影響，進(jìn)而確定防災(zāi)通風(fēng)射流風(fēng)機(jī)最佳安裝位置，以期為鐵路隧道防災(zāi)通風(fēng)射流風(fēng)機(jī)的安裝提供參考。

1 依托工程概況

湘渝高速鐵路某隧道群全長(zhǎng)約21.0 km，由2座隧道組成，其中隧道A 全長(zhǎng)13.4 km，隧道B 全長(zhǎng)7.4 km，隧道之間由1 座全長(zhǎng)218 m 的大橋相連。為解決隧道群防災(zāi)救援問(wèn)題，在2 座隧道進(jìn)出口之間設(shè)有隧道口救援站1座，救援站全長(zhǎng)726 m，其中明線段218 m，伸入隧道A 段254 m，伸入隧道B 段254 m。隧道口救援站的平面布置如圖1 所示，深入隧道B的部分及輔助坑道的平面布置如圖2 所示，圖中的數(shù)字編號(hào)表示不同位置的防護(hù)門編號(hào)。

圖1 某隧道口救援站平面示意圖（單位：m）

圖2 隧道B救援站及輔助坑道布置示意圖

2 射流通風(fēng)理論基礎(chǔ)

隧道射流通風(fēng)，本質(zhì)上是流體流動(dòng)的過(guò)程，遵循著物理學(xué)三大定律：質(zhì)量守恒定律（連續(xù)性方程）、動(dòng)量守恒定律（Navier-Stokes 方程）、能量守恒定律（能量方程）［14］。

1）連續(xù)性方程

隧道內(nèi)的空氣應(yīng)遵循質(zhì)量守恒定律，可用質(zhì)量守恒方程表示為

式中：ρ為流體密度；t為時(shí)間；u，v，w分別為流體沿x，y，z方向的速度矢量。

2）Navier-Stokes方程

隧道內(nèi)射流通風(fēng)過(guò)程中，x，y，z這3 個(gè)方向都應(yīng)滿足動(dòng)量守恒方程，3 個(gè)方向的動(dòng)量守恒方程分別如下。

x方向?yàn)?/p>

y方向?yàn)?/p>

z方向?yàn)?/p>

式中：μ為動(dòng)力黏度；p為壓力；u，v，w分別表示氣體沿x，y，z方向的流動(dòng)速度；Fu，F(xiàn)v，F(xiàn)w分別為x，y，z方向單位體積流體受的外力。

3）能量方程

射流風(fēng)機(jī)出口氣流與伴隨流發(fā)生熱交換必須遵守能量守恒定律，可用式（5）求得空間任一點(diǎn)的溫度［14］。

式中：cp為流體比熱容；sT為能量源項(xiàng)；T為溫度；為速度矢量。

3 隧道防災(zāi)通風(fēng)射流風(fēng)機(jī)配置計(jì)算

為滿足長(zhǎng)大鐵路隧道在防災(zāi)工況下的通風(fēng)要求，需要在隧道緊急出口處及隧道口救援站內(nèi)配置相應(yīng)的風(fēng)機(jī)?？紤]到射流風(fēng)機(jī)安裝方便、便于維護(hù)等特點(diǎn)，本文采用目前業(yè)內(nèi)普遍采用的射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)方案。

確定射流風(fēng)機(jī)的具體配置時(shí)，不但需要隧道正洞及輔助坑道的長(zhǎng)度、平面布置及斷面面積等參數(shù)，還需根據(jù)隧道平面布置建立網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)模型，代入擬定風(fēng)機(jī)參數(shù)并迭代計(jì)算，最終求解得到滿足防護(hù)門處風(fēng)速要求的射流風(fēng)機(jī)最佳配置方案及其具體型號(hào)。

3.1 隧道緊急出口處的射流風(fēng)機(jī)配置

1）網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)模型和計(jì)算參數(shù)

針對(duì)湘渝高速鐵路某隧道群隧道B的緊急出口部分，先將隧道正洞、輔助坑道及橫向聯(lián)絡(luò)通道抽象成由邊及節(jié)點(diǎn)組成的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，再利用SES 軟件建立網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)模型，具體如圖3所示。圖中分支1、分支2表示隧道正洞的2段；分支3表示輔助坑道，箭頭表示初始假定的風(fēng)流運(yùn)動(dòng)方向。

圖3 緊急出口通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

模型計(jì)算參數(shù)見表1，其中分支3-1 和分支3-2 分別對(duì)應(yīng)輔助坑道為單車道和雙車道2 種斷面工況。表中長(zhǎng)度、斷面積、斷面周長(zhǎng)等參數(shù)均可根據(jù)隧道設(shè)計(jì)資料獲取，沿程阻力系數(shù)及分支兩端的局部阻力系數(shù)（表中正向?qū)?yīng)于假定的風(fēng)流方向，負(fù)向?qū)?yīng)于與假定風(fēng)流相反的方向）可根據(jù)《鐵路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B 選取［15］，局部阻力系數(shù)的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)［6］。

表1 緊急出口網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)模型計(jì)算參數(shù)

2）射流風(fēng)機(jī)性能參數(shù)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，擬選取SDS63T-2P-5.5 型射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計(jì)算迭代。風(fēng)機(jī)放置于緊急出口的橫洞內(nèi)，具體性能參數(shù)整理見表2。

表2 緊急出口射流風(fēng)機(jī)性能參數(shù)

3）射流風(fēng)機(jī)配置計(jì)算結(jié)果

《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：防災(zāi)通風(fēng)工況下，緊急出口內(nèi)防護(hù)門處的風(fēng)速不得小于1.5 m·s-1。采用網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)算法，經(jīng)SES程序計(jì)算可知，在單車道、雙車道的輔助坑道內(nèi)各安裝1 臺(tái)SDS63T-2P-5.5 型射流風(fēng)機(jī)，便可滿足規(guī)范對(duì)風(fēng)速的規(guī)定。此時(shí)，各分支的風(fēng)速計(jì)算結(jié)果見表3。表中風(fēng)速的負(fù)值表示計(jì)算的風(fēng)速方向與初始假定相反。

表3 緊急出口輔助坑道、隧道正洞及防護(hù)門處風(fēng)速計(jì)算結(jié)果 m·s-1

3.2 隧道口救援站的射流風(fēng)機(jī)配置

1）網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)模型和計(jì)算參數(shù)

考慮本線路為設(shè)計(jì)速度350 km·h-1的高速鐵路，根據(jù)《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，取隧道火災(zāi)規(guī)模為15 MW。利用SES軟件建立的隧道口救援站網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)模型如圖4 所示。圖中，分支1—分支7表示隧道正洞區(qū)段；分支8—分支11 表示隧道口救援站輔助坑道區(qū)段；分支12—分支15 表示隧道正洞與輔助坑道之間用于人員疏散的橫向聯(lián)絡(luò)通道；箭頭表示模型初始假定的風(fēng)流運(yùn)動(dòng)方向。

圖4 隧道口救援站通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖

該網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)模型計(jì)算參數(shù)見表4，具體獲取與計(jì)算方法同緊急出口網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計(jì)算參數(shù)。

表4 隧道口救援站通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算參數(shù)

2）射流風(fēng)機(jī)性能參數(shù)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，擬選取2 種類型的射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計(jì)算迭代。分別是：SDS125T-4P-90型風(fēng)機(jī)，在隧道口救援站伸入隧道正洞的區(qū)域內(nèi)配置2 臺(tái)；SDS63T-2P-15 型風(fēng)機(jī)，在隧道口救援站平導(dǎo)內(nèi)配置1 臺(tái)。2 種射流風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)整理見表5。

表5 救援站射流風(fēng)機(jī)性能參數(shù)

3）射流風(fēng)機(jī)配置計(jì)算結(jié)果

《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：防災(zāi)通風(fēng)工況下，隧道口救援站內(nèi)防護(hù)門處的風(fēng)速不得小于2.0 m·s-1；隧道口救援站內(nèi)隧道出口處風(fēng)速不應(yīng)小于1.5～2.0 m·s-1，風(fēng)向由洞內(nèi)吹向明線段?！惰F路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，通風(fēng)計(jì)算尚應(yīng)考慮自然風(fēng)影響［15］。因此此處考慮的計(jì)算工況為：隧道正洞自然風(fēng)風(fēng)速為2.0 m·s-1（風(fēng)向吹向隧道進(jìn)口），火源分別位于分支4—分支7及洞外。

采用網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)算法，經(jīng)SES 程序計(jì)算得到隧道口救援站的射流風(fēng)機(jī)配置型號(hào)，在救援站伸入隧道正洞的區(qū)域內(nèi)配置2臺(tái)SDS125T-4P-90型風(fēng)機(jī)，在隧道口救援站平導(dǎo)內(nèi)配置1臺(tái)SDS63T-2P-15型風(fēng)機(jī)，便可滿足規(guī)范對(duì)風(fēng)速的規(guī)定。此時(shí)，救援站隧道出口區(qū)段正洞內(nèi)風(fēng)速及各防護(hù)門處風(fēng)速的計(jì)算結(jié)果，整理見表6。

表6 救援站出口正洞及防護(hù)門處風(fēng)速計(jì)算結(jié)果m·s-1

由表6 可知：在擬定的風(fēng)機(jī)配置情況下，當(dāng)火源位于不同分支時(shí)，各個(gè)防護(hù)門處最小風(fēng)速為2.71 m·s-1，隧道口救援站范圍的隧道正洞內(nèi)最小風(fēng)速為4.48 m·s-1，均滿足防災(zāi)工況下最低通風(fēng)風(fēng)速的要求。

4 射流風(fēng)機(jī)安裝位置

網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)算法雖然能夠求解得到滿足防護(hù)門處風(fēng)速要求的風(fēng)機(jī)配置，但其也存在將風(fēng)機(jī)位置簡(jiǎn)化處理的局限性。在網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)算法建立起的一維模型中，不管風(fēng)機(jī)在隧道某分支上的位置如何變化，整個(gè)模型網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算結(jié)果都是相同的，這樣一來(lái)，就無(wú)法判斷出射流風(fēng)機(jī)位置細(xì)微變化對(duì)通風(fēng)效果的影響。為此，有必要采用三維數(shù)值算法，針對(duì)射流風(fēng)機(jī)的安裝位置開展進(jìn)一步的研究。

4.1 數(shù)值模型

1）隧道緊急出口處的數(shù)值模型

依托湘渝高速鐵路某隧道群，利用有限元軟件STAR-CCM+建立隧道緊急出口處的數(shù)值模型，如圖5 所示。參數(shù)取值：隧道正洞長(zhǎng)度500 m，隧道中部輔助坑道長(zhǎng)度200 m；正洞采用時(shí)速350 km·h-1雙線隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面，輔助坑道分別采用單車道和雙車道2 種斷面；根據(jù)設(shè)計(jì)資料，輔助坑道內(nèi)防護(hù)門距離正洞交叉點(diǎn)10 m；模型有限元網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格，網(wǎng)格最小尺寸為0.5 m，計(jì)算區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元總數(shù)為703 389個(gè)。

圖5 隧道緊急出口數(shù)值模型

按前述風(fēng)機(jī)配置計(jì)算結(jié)果，采用的風(fēng)機(jī)布置為：在緊急出口輔助坑道內(nèi)設(shè)置SDS63T-2P-5.5型射流風(fēng)機(jī)1 臺(tái)。該型風(fēng)機(jī)長(zhǎng)3.07 m，直徑0.80 m，風(fēng)機(jī)圓心與隧道頂部距離為1.10 m，其他具體性能參數(shù)見表2。在單車道、雙車道2 種斷面下，風(fēng)機(jī)的具體安裝位置如圖6所示。

圖6 輔助坑道內(nèi)風(fēng)機(jī)安裝位置示意圖（單位：m）

為研究射流風(fēng)機(jī)安裝位置對(duì)隧道緊急出口防護(hù)門處風(fēng)速的影響，以風(fēng)機(jī)與防護(hù)門之間的距離為變量，通過(guò)改變射流風(fēng)機(jī)的安裝位置，考察風(fēng)機(jī)位置對(duì)防災(zāi)通風(fēng)效果的影響。

2）隧道口救援站的數(shù)值模型

考慮到事故列車?？吭诰仍緯r(shí)，僅開啟1 側(cè)防護(hù)門，因此，根據(jù)前述依托工程相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，以右側(cè)平導(dǎo)開啟防護(hù)門為條件，建立隧道口救援站三維數(shù)值模型如圖7所示。參數(shù)取值：救援站模型中隧道正洞長(zhǎng)度為655 m，救援平導(dǎo)長(zhǎng)度為259 m，平導(dǎo)與正洞之間由長(zhǎng)度為30 m，間隔為60 m 的4座橫向聯(lián)絡(luò)通道連接。模型有限元網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格，網(wǎng)格最小尺寸為0.8 m，計(jì)算區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格單元總數(shù)為355 401個(gè)。

圖7 隧道口救援站數(shù)值模型

按前述風(fēng)機(jī)配置計(jì)算結(jié)果，采用的風(fēng)機(jī)布置為：在隧道正洞內(nèi)距離最后一處聯(lián)絡(luò)通道100 m處，安裝SDS125T-4P-90 型射流風(fēng)機(jī)2 臺(tái)；在救援站平導(dǎo)內(nèi)，安裝SDS63T-2P-15 型射流風(fēng)機(jī)1臺(tái)。2 個(gè)型號(hào)風(fēng)機(jī)的其他具體性能參數(shù)見表5，射流風(fēng)機(jī)在橫斷面上的安裝位置如圖8所示。

圖8 救援站內(nèi)風(fēng)機(jī)安裝位置示意圖（單位：m）

為研究射流風(fēng)機(jī)安裝位置對(duì)隧道口救援站防護(hù)門處風(fēng)速的影響，以射流風(fēng)機(jī)與第1個(gè)橫向聯(lián)絡(luò)通道的距離為變量，通過(guò)改變射流風(fēng)機(jī)的安裝位置，考察救援站內(nèi)各個(gè)防護(hù)門處風(fēng)速變化情況。

3）邊界條件

數(shù)值模型中主要設(shè)置3 種邊界條件，分別是速度入口（velocity-inlet）、壓力出口（pressure-outlet）及壁面邊界（wall）條件。

（1）速度入口。射流風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口和射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口均設(shè)置為速度入口邊界條件，根據(jù)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，緊急出口模型中設(shè)定風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口速度為-26.0 m·s-1，設(shè)定出風(fēng)口速度為26.0 m·s-1；救援站模型中設(shè)定正洞內(nèi)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口速度為-43.0 m·s-1，出風(fēng)口速度為43.0 m·s-1，平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口速度為-39.5 m·s-1，出風(fēng)口速度設(shè)置為39.5 m·s-1。

（2）壓力出口。隧道出口、隧道入口、橫洞出口及平導(dǎo)出口均設(shè)置為壓力出口邊界條件，相對(duì)壓力設(shè)置為0 Pa，溫度設(shè)置為20 ℃。

（3）壁面邊界。隧道壁面以及風(fēng)機(jī)壁面均設(shè)置為壁面邊界條件，溫度設(shè)為20 ℃。

4.2 計(jì)算工況

為了研究射流風(fēng)機(jī)安裝位置對(duì)其通風(fēng)效率的影響，以射流風(fēng)機(jī)安裝位置與防護(hù)門之間的距離為變量，設(shè)計(jì)系列計(jì)算工況?？紤]到火風(fēng)壓僅對(duì)臨界風(fēng)速產(chǎn)生影響，而對(duì)射流風(fēng)機(jī)的通風(fēng)效率影響有限，因此，在分析設(shè)射流風(fēng)機(jī)安裝位置時(shí)未考慮火災(zāi)。

在隧道緊急出口處的數(shù)值模型中，通過(guò)改變射流風(fēng)機(jī)在輔助坑道內(nèi)安裝位置，建立不同工況，分析在各工況下開啟射流風(fēng)機(jī)時(shí)，輔助坑道內(nèi)防護(hù)門處斷面平均風(fēng)速值，進(jìn)而得出風(fēng)機(jī)安裝位置的建議值。

在隧道口救援站的數(shù)值模型中，通過(guò)改變射流風(fēng)機(jī)與主隧道出口側(cè)最近的橫向聯(lián)絡(luò)通道距離，建立不同工況，分析各個(gè)工況下風(fēng)機(jī)移動(dòng)時(shí)，各個(gè)防護(hù)門處風(fēng)速的變化規(guī)律，進(jìn)而得出風(fēng)機(jī)安裝位置的建議值。

各工況下射流風(fēng)機(jī)的安裝位置計(jì)算結(jié)果，整理見表7。表中：D1為單車道輔助坑道斷面當(dāng)量直徑，D1=5.49 m；D2為雙車道輔助坑道斷面當(dāng)量直徑，D2=6.78 m；D3為救援站平行導(dǎo)洞斷面當(dāng)量直徑，D3=4.79 m。距離的負(fù)值和正值分別表示風(fēng)機(jī)安裝在第1個(gè)橫向聯(lián)絡(luò)通道左側(cè)和右側(cè)。

表7 不同工況時(shí)的射流風(fēng)機(jī)安裝位置

4.3 計(jì)算結(jié)果

4.3.1 單車道輔助坑道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)安裝位置

射流風(fēng)機(jī)安裝于單車道輔助坑道斷面內(nèi)，當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門之間的距離不同時(shí)，以輔助坑道中線截面風(fēng)流速度分布為研究對(duì)象，分析風(fēng)流速度場(chǎng)，研究斷面在緊急出口數(shù)值模型中的具體位置，如圖9所示。繪制各工況下輔助坑道內(nèi)的風(fēng)速云圖如圖10所示。

圖9 輔助坑道風(fēng)速研究截面位置

由圖10 可知：射流風(fēng)機(jī)工作時(shí)，其出風(fēng)口端與防護(hù)門之間會(huì)產(chǎn)生1段風(fēng)速加速段，由于加速段內(nèi)風(fēng)壓不平衡，會(huì)在加速段形成回旋，隨后斷面內(nèi)風(fēng)速開始下降至隧道平均風(fēng)速，該計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［16］得出的結(jié)論一致；當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離在1.8D1～9.1D1之間時(shí)，風(fēng)機(jī)噴射出的高速射流未發(fā)展完全，風(fēng)流處在回旋段時(shí)即撞向防護(hù)門處端墻，此時(shí)射流損失較大；當(dāng)風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離為10.9D1時(shí)，射流發(fā)展段剛好充分發(fā)展，回旋段未與防護(hù)門截面相遇，風(fēng)流穿過(guò)防護(hù)門截面時(shí)造成的局部損失達(dá)到最小值；當(dāng)風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離大于10.9D1時(shí)，風(fēng)流加速段均得到充分發(fā)展。

當(dāng)風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離大于10.9D1時(shí)，輔助坑道及正洞內(nèi)風(fēng)速流線如圖11 所示。由圖可知：在這一距離下，單車道輔助坑道內(nèi)風(fēng)速分布較為均勻，說(shuō)明射流風(fēng)機(jī)安裝位置較為合理。

為了便于分析，將各工況下，防護(hù)門處平均風(fēng)速計(jì)算結(jié)果與風(fēng)機(jī)安裝位置間的關(guān)系繪制成曲線，如圖12 所示。由圖可知：在單車道輔助坑道內(nèi)，當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離小于10.9D1時(shí)，隨著距離的增大，防護(hù)門處平均風(fēng)速逐漸增大；當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離大于10.9D1以后，防護(hù)門處平均風(fēng)速基本穩(wěn)定。

當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離發(fā)生變化時(shí)，計(jì)算單車道輔助坑道內(nèi)斷面平均風(fēng)速隨風(fēng)機(jī)安裝位置的變化規(guī)律，結(jié)果如圖13 所示。由圖可知：當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離小于10.9D1時(shí)，隨著距離的增大，單車道輔助坑道內(nèi)斷面平均風(fēng)速逐漸增大；當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離大于10.9D1以后，輔助坑道內(nèi)斷面平均風(fēng)速基本穩(wěn)定在1.1 m·s-1。

圖10 單車道輔助坑道內(nèi)不同工況下的風(fēng)速場(chǎng)云圖

圖11 射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離10.9D1時(shí)單車道輔助坑道及正洞內(nèi)風(fēng)速流線圖

圖12 單車道輔助坑道內(nèi)防護(hù)門處風(fēng)速隨射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門之間距離變化曲線

圖13 單車道輔助坑道內(nèi)風(fēng)速隨射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門之間距離變化曲線

綜上，單車道輔助坑道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)安裝位置與防護(hù)門之間距離宜大于10.9 倍輔助坑道斷面當(dāng)量直徑。

4.3.2 雙車道輔助坑道射流風(fēng)機(jī)安裝位置

當(dāng)射流風(fēng)機(jī)安裝在雙車道輔助坑道斷面時(shí)，同樣需要確定射流風(fēng)機(jī)的最佳安裝位置。同樣繪制各工況下的輔助坑道內(nèi)風(fēng)速云圖，如圖14 所示。由圖可知：當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離在1.5D2～4.4D2之間時(shí)，射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門之間的空間內(nèi)存在明顯回流風(fēng)場(chǎng)，說(shuō)明射流損失較大；當(dāng)風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離大于7.4D2時(shí)，射流段充分發(fā)展，回旋段消失，風(fēng)流穿過(guò)防護(hù)門截面時(shí)造成的局部損失達(dá)到最小值。

圖14 雙車道輔助坑道內(nèi)不同工況下的風(fēng)速場(chǎng)云圖

當(dāng)風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離大于7.4D2時(shí)，輔助坑道及正洞內(nèi)風(fēng)速流線如圖15 所示。由圖可知：在這一距離下，雙車道輔助坑道內(nèi)風(fēng)速分布較為均勻，說(shuō)明射流風(fēng)機(jī)安裝位置較為合理。

圖15 射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離7.4D2時(shí)雙車道輔助坑道及正洞內(nèi)風(fēng)速流線

為了便于分析，將各工況下，防護(hù)門處平均風(fēng)速計(jì)算結(jié)果與風(fēng)機(jī)安裝位置的關(guān)系繪制成曲線圖，如圖16 所示。由圖可知：在雙車道輔助坑道內(nèi)，當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離為1.5D2時(shí)，防護(hù)門處風(fēng)速為-1.82 m·s-1，即防護(hù)門處風(fēng)流由正洞吹向橫洞，此時(shí)風(fēng)向不滿足規(guī)范要求；當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門的距離由3.0D2增加到13.3D2的過(guò)程中，風(fēng)速由橫洞吹向正洞，且隨著距離的逐漸增大，防護(hù)門處風(fēng)速逐漸增加；當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離增大至7.4D2時(shí)，防護(hù)門處風(fēng)速基本穩(wěn)定于3.28 m·s-1，之后防護(hù)門處風(fēng)速基本不再隨風(fēng)機(jī)與防護(hù)門之間距離變化。

圖16 雙車道輔助坑道防護(hù)門處風(fēng)速隨射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門之間距離變化曲線

圖17 雙車道輔助坑道內(nèi)風(fēng)速隨射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門之間距離變化曲線

當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離變化時(shí)，計(jì)算雙車道輔助坑道內(nèi)斷面平均風(fēng)速隨風(fēng)機(jī)安裝位置的變化規(guī)律，結(jié)果如圖17 所示。由圖可知：當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離小于7.4D2時(shí)，隨著距離的增大，雙車道輔助坑道內(nèi)斷面平均風(fēng)速逐漸增大；當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離大于7.4D2以后，輔助坑道內(nèi)斷面平均風(fēng)速基本穩(wěn)定在0.47 m·s-1。

4.3.3 隧道口救援站平導(dǎo)內(nèi)射流風(fēng)機(jī)安裝位置

為便于分析隧道口救援站范圍內(nèi)整體風(fēng)速分布情況，取距離隧道軌面以上1.765 m（即模型中Z=1.765 m）平面作為研究斷面，該斷面在隧道口救援站數(shù)值模型中的具體位置如圖18 所示。當(dāng)風(fēng)機(jī)位于不同位置時(shí)，繪制各工況下該斷面處的風(fēng)速云圖，如圖19所示。

圖18 隧道口救援站模型風(fēng)速研究截面位置

圖19 隧道口救援站內(nèi)射流風(fēng)機(jī)與1#橫通道之間距離不同時(shí)風(fēng)速云圖

由圖19 可知：當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與1#橫通道距離由-12.5D3變化至0 時(shí)，1#防護(hù)門處風(fēng)速逐漸減小，其余防護(hù)門處風(fēng)速逐漸增大；當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與1#橫通道距離由0 變化至31.3D3時(shí)，位于射流風(fēng)機(jī)后側(cè)的防護(hù)門處風(fēng)速大幅降低，進(jìn)而導(dǎo)致防災(zāi)通風(fēng)效果明顯變差。

選取射流風(fēng)機(jī)與1#橫通道距離為-8.3D3時(shí)的情況進(jìn)一步分析，此時(shí)隧道內(nèi)風(fēng)速流線如圖20 所示。由圖可知：各防護(hù)門處的風(fēng)速存在一定差異，靠近平導(dǎo)內(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)的防護(hù)門處風(fēng)速較大，而遠(yuǎn)離平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)機(jī)側(cè)防護(hù)門風(fēng)速較小。因此這種通風(fēng)模式下，最里側(cè)的防護(hù)門處風(fēng)速可作為選擇風(fēng)機(jī)配置的參考標(biāo)準(zhǔn)。

圖20 射流風(fēng)機(jī)距離1#橫通道-8.3D3時(shí)隧道內(nèi)風(fēng)速流線圖

當(dāng)射流風(fēng)機(jī)安裝位置與1#橫通道之間的距離發(fā)生變化時(shí)，整理各防護(hù)門處的風(fēng)速數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖21 所示。由圖可知：在隧道口救援站平導(dǎo)內(nèi)，當(dāng)射流風(fēng)機(jī)安裝于救援站1#橫通道左側(cè)時(shí)，2#、3#、4#防護(hù)門處風(fēng)速基本不受射流風(fēng)機(jī)位置影響，1#防護(hù)門處風(fēng)速隨射流風(fēng)機(jī)與1#橫通道之間距離的減小而減小，即射流風(fēng)機(jī)與1#橫通道之間距離越小，通風(fēng)效果越差；當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與1#橫通道距離由-12.5D3變化至-8.3D3時(shí)，1#防護(hù)門處風(fēng)速由4.2 m·s-1下降至4.05 m·s-1，下降幅度為3.6%，該區(qū)段內(nèi)風(fēng)速下降并不明顯，1#防護(hù)門處風(fēng)速受射流風(fēng)機(jī)與1#橫通道之間距離影響輕微，因此風(fēng)機(jī)安裝于該區(qū)段較為合理；當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與1#橫通道距離由-8.3D3變化至0 時(shí)，1#防護(hù)門處風(fēng)速下降幅度逐漸增加，風(fēng)速由4.05 m·s-1下降至1.43 m·s-1，下降幅度為64.7%，因此該區(qū)段為風(fēng)機(jī)安裝不合理區(qū)段；在射流風(fēng)機(jī)與1#橫通道距離由0 增加至31.3D3的過(guò)程中，1#防護(hù)門處風(fēng)速持續(xù)降低，距離為31.3D3時(shí)1#防護(hù)門處風(fēng)速為0.98 m·s-1，因此射流風(fēng)機(jī)不能安裝于1#橫通道右側(cè)。

圖21 防護(hù)門處風(fēng)速隨風(fēng)機(jī)與1#橫通道之間距離變化曲線

綜上所述，隧道口救援站平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)機(jī)應(yīng)安裝于靠近平導(dǎo)出口1側(cè)，當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與最近橫通道之間距離大于8.3D3時(shí)，各防護(hù)門處風(fēng)速基本穩(wěn)定，且通風(fēng)效率較高。

5 結(jié) 論

（1）當(dāng)長(zhǎng)大鐵路隧道采用射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行防災(zāi)通風(fēng)時(shí)，由于輔助坑道與隧道正洞之間存在防護(hù)門，射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門之間的距離會(huì)直接影響其通風(fēng)效率。

（2）射流風(fēng)機(jī)安裝于單車道輔助坑道斷面條件下，當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離大于10.9 倍輔助坑道斷面當(dāng)量直徑時(shí)，防護(hù)門處平均風(fēng)速及輔助坑道內(nèi)的風(fēng)速基本穩(wěn)定，建議射流風(fēng)機(jī)安裝位置與防護(hù)門之間距離宜大于10.9倍輔助坑道斷面當(dāng)量直徑。

（3）射流風(fēng)機(jī)安裝于雙車道輔助坑道斷面條件下，當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與防護(hù)門距離大于7.4 倍輔助坑道斷面當(dāng)量直徑時(shí)，防護(hù)門處平均風(fēng)速及輔助坑道內(nèi)的風(fēng)速基本穩(wěn)定，建議射流風(fēng)機(jī)安裝位置與防護(hù)門之間距離宜大于7.4倍輔助坑道斷面當(dāng)量直徑。

（4）當(dāng)射流風(fēng)機(jī)安裝于隧道口救援站平導(dǎo)時(shí)，射流風(fēng)機(jī)應(yīng)安裝于靠近平導(dǎo)出口1側(cè)，并且與最近橫通道之間距離宜大于8.3 倍平行導(dǎo)洞斷面當(dāng)量直徑。