螺旋隧道独头掘进压入式通风参数研究

高 峰, 张 捷, 连晓飞, 唐宇辰, 齐怀远, 黄 磊

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2. 中交路桥技术有限公司，北京 100018)

0 引 言

随着我国经济技术的发展，国内公路隧道的线型设计不再局限于直线，逐渐出现了曲线隧道、小半径曲线隧道以及螺旋隧道。螺旋隧道的出现是我国隧道工程技术进步的重要标志，同时也给传统的通风系统带来了巨大的技术挑战。

在小半径螺旋隧道中，受到连续弯曲上坡线型的影响[1]，采用压入式通风通入的新鲜空气的动力面临更大的阻力，洞内粉尘以及机械尾气很难被排放出隧道外。采用直线隧道施工，通风参数必定面临着高能耗、高浪费的情况，因此，对螺旋隧道通风参数的研究成为一个不可忽视的经济问题。

李治强等[1]依托干海子隧道工程，针对小半径螺旋隧道的工程特点和技术难点，对传统的施工通风设计进行了改进，提出了干海子施工通风设计方案；张凯[2]针对卧龙沟隧道的工程实际，提出了高原地区螺旋隧道的施工通风方案；方勇等[3]通过建立的通风优化模型，得到了直线隧道通风优化参数；王峰[4]对曲线隧道运营通风的部分关键参数提出了改进意见。

对于高寒、高海拔螺旋隧道施工通风的问题，目前大多研究是通过进行经验公式计算从而得出结论，而采用有限体积法精确计算螺旋隧道施工通风方面的研究文献较少，有必要对此进行研究。笔者通过分析实际工程，对卧龙沟1号隧道建立1∶1的模型，研究不同风管出口所处位置工况下的风速、流场特性。

1 工程概况

卧龙沟1号隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路长隧道。隧道右线全长2 554.63 m，左线全长2 626 m，是西北地区首条处于高寒、高海拔地区的螺旋型隧道。隧道范围内中线高程2 958～3 025 m，最大高差约67 m。

卧龙沟1号隧道右线进口平面线形为圆曲线，R=1 255 m，接缓和曲线Ls-120 m，再接圆曲线出洞，R=700 m；左线进口平面线形为圆曲线，R=1 288 m，接缓和曲线Ls-140 m，再接圆曲线出洞，R=720 m；纵坡为单向坡，左线为2.55%，右线为2.52%。施工期间，隧道在2 m高度拱腰设置通风管，隧道当量直径为5.61 m，隧道断面及线型如图1。

图1 卧龙沟1号隧道尺寸示意(单位：m)Fig. 1 Dimensional diagram of Wolonggou No. 1 tunnel

2 计算模型

2.1 计算理论

2.1.1 基本假定

1)施工通风气流为低速连续介质，将其视为三维黏性不可压缩气流[5]；

2)隧道压入式通风过程中无热交换；

3)通风视为非稳态紊流，考虑风流随时间的变化过程，隧道内无稳定的污染源。

2.1.2 控制方程

采用处理器Fluent软件进行计算，考虑到隧道内的空气流动属于紊流，确定计算数学模型为标准k-ε模型[6]，控制方程为连续性方程及动量方程。

1)连续方程

(1)

2)动量方程

(2)

3)标准k-ε模型

标准k-ε模型是在数值运算中最为广泛的一种模型，它适用于流体处于完全湍流状态的数值模拟。标准k-ε模型的湍动能k方程如式(3)，耗散率ε方程如式(4)：

(3)

(4)

2.2 几何模型

参考卧龙沟1号隧道实际尺寸，取卧龙沟隧道曲率最大处进行数值模拟。针对出风口到掌子面的距离和横断面布设位置这两个研究对象，以ICEM CFD进行网格划分，Fluent作为求解器建立三维模型。数值模型的基本参数为：隧道横断面半径为5.61 m，圆心距离地面1.5 m，出风口半径0.8 m；隧道螺旋半径为720 m，坡度为2.55%的螺旋隧道，掌子面距出风口200 m。隧道模型如图2。

图2 隧道模型Fig. 2 Model of tunnel

2.3 边界条件

1)隧道内风管出口为入口边界，类型为velocity-inlet，V=20 m/s，方向沿入口边界法线方向；

2)距离掌子面200 m处所在隧道断面为自由流出边界，类型为outflow；

3)风管管壁及隧道内壁边界类型均为wall，满足无滑移条件，即Vi=0 m/s。

3 结果分析

3.1 压入式通风流场特性

压入式隧道通风具有典型的流场特性，可将气体在隧道内的流动区域分为4类：附壁射流区、冲击射流区、涡流区、回流区[6]。出风口射出一定速度的气流，到达掌子面后冲刷掌子面并流向另一侧形成回流，回流气体与射流气体相互作用形成涡流区，典型流场特性如图3。

图3 隧道内气流流动区域Fig. 3 Airflow area in tunnel

同时，由于射流过程中气流与内壁摩擦作用、气流冲撞掌子面、气流相互作用等导致的能量损失让气流流速在此过程中逐渐衰减。气流由管口射出后风速呈阶梯性递减，经附壁射流后在掌子面3 m前的位置以V=5 m/s风速冲击掌子面，形成冲击射流区，如图4。

图4 管口至掌子面风速曲线Fig. 4 Curve of wind velocity between air duct outlet andtunnel face

对于隧道通风而言，压入式通风效果的优劣取决于有害气体的排出效率及新鲜空气的输送效率，而涡流区阻碍有害气体的排出。笔者主要对比各类工况下的涡流区大小、射流风速梯度，并以此评定通风效果。

3.2 出风口到掌子面距离的影响分析

在出风口速度一定的情况下，出风口到掌子面的距离L是影响通风效果的重要因素，该距离太远，将导致风流不能抵达掌子面，或者动力不足以将污染空气排出；距离太近，会影响到工作人员的正常工作及施工机械的布置(图5)[7]。

图5 隧道纵断面(单位：m)Fig. 5 Tunnel longitudinal section

分别取L=20、25、30、35、40、45、50 m进行模拟计算，截取与隧道地面平行且距底部1.7 m[8](工作人员活动区域)的平面内的流场，如图6。

图6 不同布设距离下的射流流场Fig. 6 Jet field at different layout distances

涡流区是由于射流与回流的相互作用产生的，因此，涡流区主要集中于射流区与回流区之间，从图6可以看出，在回流起点(掌子面)和射流起点(风管出口)之间形成涡流，在射流冲击区附近形成涡核，随着出风口逐渐逼近掌子面，涡流的跨度由50 m逐渐缩小为20 m。由于涡流区变小，回流的范围增大，将带动更多的被污染空气向出口流动。

图7是风管不同布设距离下风管至工作面迹线风速变化曲线，原点为距掌子面50 m处风管出风口圆心，横坐标X为距出风口处距离。

图7 不同布设距离下风管至掌子面风速曲线Fig. 7 Curves of wind velocity between duct outlet and tunnel faceat different layout distances

由图7可见，L越小时，风速变化梯度越大[3]。这说明当L取得越大即风管口距离掌子面越远时，风流在运动到掌子面时损失的能量越大，最终气流达到掌子面时的能量越小，这将导致对于掌子面的冲击力不够，不能有效地带动掌子面的有害气体流动。同时发现，在L=45 m及以上时，气流在接近掌子面处流速已降至相当低的水平，严重降低气流了压入式通风的通风效果。

在图7基础上，取距隧道底部1.7 m处的中心轴线进行风速监测，绘制测点距掌子面距离S-风速V曲线，如图8。

图8 1.7 m平面风速曲线Fig. 8 Curves of wind velocity at 1.7 m plane

由图8可见，当风管距离掌子面越远时，对掌子面作用力不足时，回流动力不足，导致在距离掌子面50 m的范围内风流回流速度太慢。并且发现，L=45 m及以上时，空气流速与前几种工况相比，风速的规律性与大小都有较大差距，说明气流在从风管口至掌子面的过程中已出现较大程度紊散，导致通风效果不佳。

综上所述，受隧道曲线线型的影响，在不影响正常工作需要的情况下，出风口至掌子面距离不宜大于40 m。

3.3 出风口横断面布设位置的影响分析

在出风口横断面布设位置方面，由于螺旋隧道的不对称性，出风口位于隧道断面左侧与右侧具有不同的通风效果，为取得更好的通风效果，进行了3种横断面布设位置的工况比选，如图9。

图9 3种风管布设位置(单位：m)Fig. 9 Layout locations of 3 kinds of air ducts

为明确3种横断面布设位置的优劣情况，提取风管出风口到掌子面之间连线(L=35m)上速度分布规律并绘制成风速V-距离S曲线，如图10。

图10 3种横断面布设形式下射流风速曲线Fig. 10 Jet wind velocity curves under 3 kinds of cross-sectionlayout forms

由图10可知，当出风口位于隧道顶部时，相较于出风口位于隧道左右两侧射流梯度更小，如在距掌子面3 m处射流风速已降低至3.1 m/s。对比相同位置处出风口位于横断面左右两侧的风速分别为7.2、7.1 m/s，出风口处于隧道顶部不利于污染物的排出与新鲜空气的输送。出风口位于顶部时，射流气流位于曲率半径更大的拱顶处，有较开阔的射流空间，致气流易分散并更直接的与回流气体相互作用，从而大幅降低射流效果。

L=35 m时，射流冲击线形近乎于直线，出风口位于横断面左侧与右侧射流曲线无明显差异，为比较在螺旋隧道中风口位于左侧与右侧通风效果，分别截取距掌子面50、75、100 m的3个特征面进行对比分析，如图11。由图11可见，在以上3种不同截面处，风管位于横断面左侧时的最大风速大于风管位于横断面右侧时的最大风速。

图11 风管位于左、右两侧不同截面风速Fig. 11 Wind velocity nephogram with air duct located at different cross-sections on the left or right side

为排除偶然性，选取隧道横断面中央距地面1.7 m处(工作人员吸氧位置附近)隧道轴线、距掌子面35～200 m段进行风速监测，监测结果如图12。由图12可见，出风口位于隧道曲线外侧(左侧)时，回流区风速明显大于出风口位于隧道曲线内侧(右侧)的回流风速。同时可以发现，在此35～190 m范围内回流过程中固定线路风速仍呈湍流趋势，于190～200 m处以0.5 m/s的速度稳定流出。

图12 回流区轴线风速Fig. 12 Axis wind velocity of recirculation zone

结合以上规律可知，当出风口位于隧道曲线外侧(左侧)时，气流由出风口射出后能持续受到外侧墙面的束裹作用，较之出风口位于隧道曲线内侧(右侧)的情况，气流更不易紊散，具有更好的整体性，且此现象在L增加时愈发明显。因此，在曲线隧道，尤其是小半径隧道中，压入式通风出风口应尽量隧道轴线曲线外侧，同时应注意及时跟进出风管口。

4 结 论

1)隧道在压入式施工通风时，可将气流区域分为射流区、涡流区、回流区。涡流区阻碍粉尘、有害气体的排出，减小涡流区的大小是提高隧道通风效率的关键。

2)R=720 m左右的螺旋隧道采用压入式通风时，为取得较佳通风效果，风管口至掌子面距离不宜大于40 m。

3)在螺旋隧道压入式施工通风时，将风管置于隧道曲线外侧，能有效提高通风效率。