劉健 劉凱凱 劉俊 車(chē)輪飛
中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司
為保障行車(chē)安全,隧道洞口通常設(shè)置一段遮光棚,形成光過(guò)渡段,緩和明暗差異[1-2]。遮光棚的結(jié)構(gòu)形式往往較為封閉,不利于隧道內(nèi)污染物的擴(kuò)散,影響隧道通風(fēng)效果[3-4]。本文以某城市高速公路隧道為研究對(duì)象,采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬的方法,就遮光棚對(duì)平行隧道氣流組織的影響展開(kāi)分析。
某城市高速公路隧道為雙向四車(chē)道,單向行車(chē),設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h,為過(guò)境運(yùn)輸通道,以貨、客運(yùn)為主。隧道斷面采用整體框架結(jié)構(gòu),主洞凈寬11.05 m,凈高5.8 m,隧道暗埋段長(zhǎng)度為3170 m。隧道采用全射流縱向通風(fēng)方式,左右線各設(shè)置10 組雙向射流風(fēng)機(jī),每組2 臺(tái),單臺(tái)射流風(fēng)機(jī)直徑1000 mm,功率30 kW,隧道橫斷面如圖1 所示,通風(fēng)設(shè)備布置如圖2 所示,隧道洞口設(shè)置遮光棚作為光過(guò)渡段,遮光棚采用鋼結(jié)構(gòu)+玻璃的封閉結(jié)構(gòu),縱向長(zhǎng)度約40 m,遮光棚下方左右線隧道不設(shè)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(jù)運(yùn)營(yíng)單位反映,正常運(yùn)營(yíng)時(shí)隧道內(nèi)空氣品質(zhì)不佳,能見(jiàn)度較低,行車(chē)舒適性差。
圖1 隧道橫斷面(單位:mm)
圖2 通風(fēng)設(shè)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)
為了解隧道實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況,在8 月份對(duì)隧道開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。左右線各設(shè)置4 處測(cè)點(diǎn),2 處位于隧道內(nèi),2 處位于光過(guò)渡段,測(cè)點(diǎn)位置如圖5 所示。共測(cè)試了3 種工況:左右線隧道射流風(fēng)機(jī)全關(guān)、僅開(kāi)啟右線射流風(fēng)機(jī)和左右線隧道射流風(fēng)機(jī)全開(kāi)。不同工況切換后待30 min 后開(kāi)始測(cè)試。
圖5 測(cè)點(diǎn)布置圖(單位:m)
測(cè)試期間,隧道南側(cè)室外溫度為34.0℃,北側(cè)室外溫度為33.4℃。風(fēng)速和溫度測(cè)試結(jié)果如表1 所示。2#與3# 測(cè)點(diǎn)溫度的平均值定義為隧道的平均溫度,2#與3#測(cè)點(diǎn)速度的平均值定義為隧道的平均速度。
表1 風(fēng)速測(cè)試結(jié)果
從風(fēng)速測(cè)試結(jié)果來(lái)看,在工況1 左右線射流風(fēng)機(jī)均未開(kāi)啟時(shí),在汽車(chē)活塞風(fēng)的作用下,左右線隧道平均風(fēng)速為2.8 m/s 和3.2 m/s。對(duì)比工況2 和工況1 可以看出,當(dāng)右線射流風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí),右線隧道平均風(fēng)速提升至5.8 m/s,左線隧道平均風(fēng)速提升至4.4 m/s,但此時(shí)左線隧道射流風(fēng)機(jī)并未開(kāi)啟,說(shuō)明左線氣流受到右線射流風(fēng)機(jī)的影響。在工況3 下,左右線射流風(fēng)機(jī)均開(kāi)啟,活塞風(fēng)疊加射流風(fēng)機(jī)的作用下,左右線隧道平均風(fēng)速達(dá)到6.5 m/s 和6.3 m/s。
綜上,從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,洞口光過(guò)渡段封閉遮光棚削弱了隧道與室外的通風(fēng)換氣能力,兩條隧道的氣流相互影響,氣流在兩條隧道內(nèi)來(lái)回打轉(zhuǎn),即使開(kāi)啟全部射流風(fēng)機(jī)也難以從室外引入新風(fēng)。
采用 FULENT 17.0 軟件[5]對(duì)本隧道進(jìn)行數(shù)值模擬。隧道兩端基本對(duì)稱(chēng),重點(diǎn)模擬了北端洞口的通風(fēng)情況。為簡(jiǎn)化模型,曲面的遮光棚簡(jiǎn)化成長(zhǎng)方體,寬度為22.8 m,頂部距離隧道地面12 m,縱向長(zhǎng)40 m。模型如圖6 所示。
圖6 模型示意圖(單位:mm)
數(shù)值模擬采用有限容積法進(jìn)行方程離散,壓力與速度的耦合采用 SIMPLEC 算法,采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格化處理,并在隧道入口、隧道出口、光過(guò)渡段進(jìn)行網(wǎng)格的加密。網(wǎng)格數(shù)量約為100 萬(wàn)。
進(jìn)口和出口均設(shè)定義為速度入口,以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得的風(fēng)速作為邊界條件分別建模計(jì)算,分析左右線隧道間的竄流規(guī)律。邊界條件的設(shè)置如表2 所示,另外還將入口速度和出口速度分別設(shè)置為6 m/s 和4 m/s,與測(cè)試工況2 進(jìn)行比較。本文以CO 為污染物,將右線隧道截面設(shè)置為均勻的 CO 散發(fā)面源,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%。左線隧道和室外大氣不設(shè)置CO 散發(fā)源,初始情況下CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0。定義左線隧道CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與右線隧道CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shè)置
隧道洞口3 m 高度處的速度場(chǎng)分布如圖7 所示,圖中 X 軸3150~3170 m 為隧道內(nèi),3170~3210 m 為光過(guò)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(chǎng)分布圖(單位:m/s)
可以看出,在隧道洞口附近光過(guò)渡段范圍內(nèi)(3170~3190 m 處),氣流均存在明顯的回流現(xiàn)象。這是由于在洞口光過(guò)渡段處左右線連通,且封閉的遮光棚結(jié)構(gòu)削弱了隧道與室外的通風(fēng)換氣能力,右線隧道排出的氣流受左線隧道進(jìn)口處負(fù)壓的影響發(fā)生了偏轉(zhuǎn),來(lái)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(jìn)入光過(guò)渡段,與右線隧道的廢氣混合后進(jìn)入左線隧道。對(duì)比7a 和7d 可以看出,當(dāng)左右線的隧道風(fēng)機(jī)全部開(kāi)啟時(shí),洞口處的負(fù)壓更大,右線隧道的排風(fēng)均在3170~3185 m 范圍內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)并全部被吸入左線隧道,且較大的橫向風(fēng)會(huì)對(duì)行車(chē)安全構(gòu)成了威脅。對(duì)比7b 和7c 可以看出,當(dāng)右線出口風(fēng)速大于左線入口風(fēng)速時(shí),排風(fēng)部分直接排出室外,部分被吸入左線隧道。當(dāng)左線入口風(fēng)速大于右線出口風(fēng)速時(shí),受到左線負(fù)壓的作用,右線隧道的全部排風(fēng)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(fēng)速大于右線出口風(fēng)速,左線隧道洞口處的負(fù)壓作用更大,更多的室外新風(fēng)被吸入左線隧道,因此回流率相對(duì)較低,為66.7%,但是由于隧道兩端呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性,另一側(cè)洞口的氣流情況與工況2 類(lèi)似。其余工況回流率相差不大,均在85%左右,嚴(yán)重影響了左線隧道空氣品質(zhì)。
表3 模擬結(jié)果
通過(guò)以上分析可以看出,在不改變現(xiàn)有遮光棚結(jié)構(gòu)的情況下,僅通過(guò)加強(qiáng)通風(fēng)強(qiáng)度并不能降低竄流的影響。
綜合工程實(shí)際情況、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和模擬計(jì)算,分析可知,導(dǎo)致空氣品質(zhì)不佳,能見(jiàn)度較低的原因歸結(jié)為以下2 個(gè)方面:
1)封閉遮光棚導(dǎo)致隧道左右線相互影響,廢氣回流率大
根據(jù)模擬計(jì)算可知,由于左右線隧道洞口距離近,且在光過(guò)渡段處左右線之間完全連通,同時(shí)受封閉遮光棚影響,廢氣未經(jīng)與外界新鮮空氣充分混合稀釋便被相鄰隧道吸入,導(dǎo)致隧道廢氣難以有效排出,廢氣回流率大,影響正常運(yùn)營(yíng)時(shí)隧道的有效通風(fēng)換氣效果。大量廢氣在左右線隧道內(nèi)部循環(huán)打轉(zhuǎn),嚴(yán)重影響隧道內(nèi)空氣品質(zhì),帶來(lái)通風(fēng)不良、污濁空氣堆積現(xiàn)象,此為主要原因。
2)隧道大型車(chē)比例高
本隧道為過(guò)境運(yùn)輸通道,通行大貨車(chē)和拖掛車(chē)等大型車(chē),根據(jù)交通量預(yù)測(cè),大型車(chē)占比約20%,該兩類(lèi)車(chē)輛均采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī),產(chǎn)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(yùn)營(yíng),因此隧道路面及墻面清洗頻率遠(yuǎn)低于城市隧道,造成隧道內(nèi)環(huán)境較差,此為次要原因。
1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和模型試驗(yàn)可以看出,隧道洞口處光過(guò)渡段封閉遮光棚強(qiáng)化了左右線之間的相互作用,削弱了隧道與室外通風(fēng)換氣效果,氣流在兩條隧道內(nèi)來(lái)回打轉(zhuǎn),影響了隧道洞口的氣流組織,導(dǎo)致廢氣回流,即使加強(qiáng)通風(fēng)強(qiáng)度也不能降低回流率,是造成隧道通風(fēng)換氣不良的直接原因。
2)在工程實(shí)踐中,對(duì)遮光棚的關(guān)注往往聚焦在遮光效果及造型美觀上,通常由建筑專(zhuān)業(yè)牽頭完成,不需要通風(fēng)專(zhuān)業(yè)會(huì)簽。由此案例可以看出,不良的遮光棚設(shè)計(jì)會(huì)影響隧道通風(fēng)效果,各相關(guān)專(zhuān)業(yè)在前期應(yīng)做好協(xié)調(diào)溝通工作,通風(fēng)專(zhuān)業(yè)應(yīng)結(jié)合自身需要提出相關(guān)要求,以便確定合理的遮光棚形式。