挡风墙设置对高海拔施工隧道出口出流的影响

孙移汉 王文

1 甘肃省建筑设计研究院有限公司2 陕西铁路工程职业技术学院

0 引言

目前各类隧道施工通风设计多依照规范及相关经验，对隧道环境风利用考虑不足，易造成能源的浪费，且达不到最佳的通风效果。国内外对隧道通风研究较多[1-5]，研究都主要集中在隧道内部，对于外界环境风对隧道施工通风影响的研究较少。

利用相关设施达到对洞外环境风的合理利用，对通风节能，隧道施工环境改善及施工进度的加快有重要的意义。研究依托某高海拔铁路隧道工程实际，采用计算流体力学软件FLUENT，对不同风挡结构、不同环境风速工况下隧道出口流场进行模拟研究。根据模拟结果，分析风挡对隧道施工通风的影响，确定最佳风挡结构，为高海拔隧道施工通风优化提供参考依据。

1 基本计算理论

隧道内风速的影响因素主要有三部分：隧道洞口与掌子面的超静压差；隧道内外温差产生的热压；洞内自然风产生的动压。

1）超静压差计算方程：

式中：P1、P2为隧洞两端压力，掌子面压力P1主要由轴流风机通过风管提供；ρ0为洞内的空气密度，kg/m3。

2）热位差计算方程：

式中：ρ1、ρ0分别为洞外和洞内的空气密度，kg/m3。

3）洞外气流的动压计算方程：

式中：ve为洞外自然风速，m/s。

式（1）、（2）、（3）可理解为形成洞内排污通风的动力，称为等效压差Pn，又等效压差与污风在隧道内流动过程中的阻力（压头损失）相等，即：

式中：λ 为隧道沿程阻力系数；L 为隧道的长度，m；ξ为隧道局部阻力系数；vn为隧道内的污风风速，m/s。

于是式（4）可写成

式（5）说明隧道施工通风时，要确保一定的掌子面需风量（即排污风速为定值），隧道外环境风速（隧道出口压力），轴流风机功率及隧道内外温差为定值。

高海拔隧道大气压力，温度及空气密度较平原地区有较大的变化，需要对参数进行修正计算。空气容重根据下式计算：

式中：ρ 为空气密度，kg/m3；P 为大气压，mmHg；t 为温度，℃；E 为温度t 时的饱和水汽压，mmHg；f 为空气的相对湿度。

饱和水汽压根据修正得Tetens 公式计算[6]：

2 模型建立

2.1 物理模型

隧道入口受河谷风的作用，隧道污风流出后经风挡绕流加速后进入山体后方大气。模拟计算区域40 m×60 m，挡风板距隧道出口距离L=20 m。模型如图1 所示。

图1 模型示意图

2.2 模型方程

采用基于Navier-Stokes 方程的风流模型，选取标准k-ε 湍流模型使方程组封闭。空气湍流流动用到的控制方程有质量守恒方程，动量守恒方程，能量守恒方程，湍流动能k 方程和湍流动能耗散率ε 方程。

2.3 边界条件设置

根据现场实测，取隧道气压平均值为70 kPa，隧道外气温为25 ℃，隧道内气温为15 ℃，洞外平均相对湿度为25%，洞外平均相对湿度为65%。由式（6）可计算出隧道出口空气密度ρ0=0.826 kg/m3，隧道外的空气密度ρ1=0.815 kg/m3。

1）入口边界：隧道口及自然风入口均采用速度入口边界，隧道口风速取vout=0.48 m/s，洞外自然风速则取ve。

2）出口边界：模拟区域出口采用压力出口边界。

3）壁面边界：地面及隧道壁面则设为无滑移、绝热边界。

表1 为模拟工况设置。

表1 模拟工况设置

3 模拟结果验证

对无竖井3000 m 长度隧道进行三维数值模拟，模拟计算洞内、外温差为5 ℃时隧道内流场的分布情况。将隧道出口断面设置为监测面，监测隧道出口断面平均速度，结果如图2 所示。

由图2 可以看出，速度稳定时，隧道内的自然风速为vn=1.225 m/s。隧道的主要参数如表2 所示。

表2 隧道主要参数

图2 隧道出口断面监测速度

由式（4）得出隧道内的自然风速计算公式为：

结合表2 的数据，由式（8）计算出隧道内的自然风速为vn=1.14 m/s。

由表3 可以看出，隧道内外温差为5 ℃时，计算结果和模拟结果误差可以控制在7%以内，结果吻合较好。此结论验证采用数值模拟方法进行隧道通风计算的方法可行。

表3 结果验证

4 结果分析

以直挡风板为例，隧道出口速度为恒定值v=0.48 m/s 时，不同环境风速下隧道出口附近流场分布如图3、图4 所示。

由图3 可以看出，随着外环境风速的不断增大，直板风挡迎风面压力为正压，且其值不断增大。直板风挡背风面压力为负压，压力值及作用范围则不断的增大。

图3 直板风挡压力云图

由图4 可以看出，挡风板后侧隧道污风经涡流区绕流后，至流层混合区域经加速后流入大气。涡流区域边缘对隧道出口出流起到加速作用，同时涡流区域的大小对出流面积的大小起到限制作用。随着自然风速的不断增大，其涡流区域面积逐渐增大，隧道出口出流面积减小，但涡流加速作用增强、流层“夹带”作用增强，使出流压力减小。

图4 直板风挡流线图

隧道出口前端挡风墙对隧道施工通风污风出流影响较大。以环境风速ve=3 m/s 为例，对不同结构下速度、压力、流场分布分析，如图5、图6 所示。

图5 环境风速v=3 m/s 压力云图

图6 v=3 m/s 流线图

由图5 可以看出，不同风挡结构下，风挡后端负压区域大小差异较小。风挡前端对来流起到阻碍作用，前端起到增压作用，使来流绕经风挡顶端流向后侧。风挡后侧由隧道口出流及平板绕流共同作用形成负压区域。

由图6 可以看出，由于挡风板的作用，使来流在隧道挡风板前端绕流，使挡风板后端压力减小。利用文丘里效应使隧道出口端压力降低，增大施工通风隧道内外压差，以增大污染气体出流速度，有效降低轴流风机通风功率。涡流区域在隧道出口正上方，涡流区域的大小及中心对地高度的高低对隧道出口出流面积影响极大。风挡结构优化的目的在于，如何在有效降低隧道出口压力的情况下减小涡流区域面积、提升涡流中心对地高度。如图所示，图中30°结构涡流区域最大，中心对地高度最低，故其降压效果较差。

施工隧道采用压入式、抽出式通风方式时，山体迎风面和背风面隧道口所受环境风速影响不同。轴流、射流风机工作效率与环境风压关系密切。由图7可以看出，当隧道口前方无遮挡物，且处于迎风面时，环境风在隧道口产生的压力会对隧道出流产生挤压作用，随着环境风速的不断增大，隧道出口压力呈规律性增大。当隧道口位于背风侧时，环境风在隧道口产生的压力会对隧道出流产生抽吸作用，随着环境风速的不断增大，隧道出口负压值呈规律性增大。隧道出口负压值越大，隧道所需风机排烟功率也相应降低，对隧道施工通风节能起到积极促进作用。

图7 不同风向工况隧道出口压力变化

施工隧道出口位于迎风面时，不同风挡结构下隧道出口压力变化如图8 所示。由图8 可以看出，随着环境风速的不断增大，隧道出口压力呈二项式变化，拟合通式：P=a+bx+cx2，相关参数见表4。与隧道口前方无遮挡相比，在隧道出口一定距离放置不同结构的遮挡物，其隧道出口压力为负压，且负压值随风速增大而呈规律性增大。

图8 不同挡板结构隧道出口压力变化

表4 拟合参数

隧道口前方分别放置30°、45°、60°风挡结构时，隧道出口压力为：30°＞45°＞60°，隧道出口负压值越大，相同出流速度下所需轴流风机功率越小。坡度角30°风挡在结构中效果最差。

隧道出口与洞外压差要维持定值，洞外自然风速产生的压力与隧道出口压力呈正比关系变化。轴流风机功率与隧道出口压力呈正比例变化。

设掌子面压力P1，隧道出口压力P2。忽略热压通风影响，即有：

由式（9）可以得出，隧道口压力的减小有利于隧道排污出流速度的增大。

5 结论

采用CFD 模拟方法，对不同环境风速、不同型式挡风板设置工况做研究，主要结论有：

1）对于独头掘进式隧道采用压入式通风方式时，自然风对隧道排污起到消极作用。迎风面隧道口前端设置挡风板（如施工宣传栏等）可有效提高隧道施工排污效率。

2）当环境风速低于5.5 m/s 时，直板风挡对通风排污效率最佳。而当环境风速大于5.5 m/s 时，建议采用夹角60°风挡，此时通风效果最佳。

3）随着环境风速的逐渐增大，各风挡设置工况下，隧道出口压力呈负压，且其值呈二项式函数不断增大。