某高速公路隧道遮光棚對(duì)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(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

0 引言

為保障行車安全，隧道洞口通常設(shè)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(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(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，為過境運(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)營單位反映，正常運(yùn)營時(shí)隧道內(nèi)空氣品質(zhì)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(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）

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為了解隧道實(shí)際運(yùn)營情況，在8 月份對(duì)隧道開展現(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)、僅開啟右線射流風(fēng)機(jī)和左右線隧道射流風(fēng)機(jī)全開。不同工況切換后待30 min 后開始測(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)果來看，在工況1 左右線射流風(fēng)機(jī)均未開啟時(shí)，在汽車活塞風(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)并未開啟，說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)果來看，洞口光過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)來回打轉(zhuǎn)，即使開啟全部射流風(fēng)機(jī)也難以從室外引入新風(fēng)。

3 模擬計(jì)算

3.1 邊界條件

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，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、光過渡段進(jìn)行網(wǎng)格的加密。網(wǎng)格數(shù)量約為100 萬。

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

3.2 模擬結(jié)果

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)稱性，另一側(cè)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(yán)重影響了左線隧道空氣品質(zhì)。

表3 模擬結(jié)果

通過以上分析可以看出，在不改變現(xiàn)有遮光棚結(jié)構(gòu)的情況下，僅通過加強(qiáng)通風(fēng)強(qiáng)度并不能降低竄流的影響。

4 原因分析

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）隧道大型車比例高

本隧道為過境運(yùn)輸通道，通行大貨車和拖掛車等大型車，根據(jù)交通量預(yù)測(cè)，大型車占比約20%，該兩類車輛均采用柴油發(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，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。

5 結(jié)論與建議

1）通過現(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，通常由建筑專業(yè)牽頭完成，不需要通風(fēng)專業(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)專業(yè)在前期應(yīng)做好協(xié)調(diào)溝通工作，通風(fēng)專業(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。