高海拔螺旋隧道双洞互补式通风系统研究

黄永杰，安斌

高海拔螺旋隧道双洞互补式通风系统研究

黄永杰，安斌

（中交基础设施养护集团有限公司，北京 100011）

在左右洞需风量差异较大的长大隧道中应用双洞互补式通风方式时，可以较好地降低左右洞隧道内的污染物浓度峰值。依托西北首条螺旋隧道——卧龙沟1号隧道，通过理论设计、数值模拟等方法研究了在螺旋隧道中采用双洞互补式通风系统的可行性。初步设计了卧龙沟1号隧道双洞互补式通风系统，发现双洞互补式通风系统可以减弱螺旋隧道内污染物浓度局部聚集效应，防止隧道内局部空气污染物浓度超标；螺旋隧道中采用双洞互补式通风系统时，在两条隧道中，最靠近螺旋曲线外侧的那一条隧道的湍动强度大于螺旋曲线内侧隧道。

螺旋隧道；双洞互补；高海拔隧道；数值模拟

近年来，随着“一带一路”战略实施，交通建设的重心将逐渐向中国西部地区转移，因此，陆续地将会有更多隧道在青藏地区建成。此类隧道将以高海拔、低气温、多螺旋为特点，为隧道的安全通风运营带来了挑战。

国内外学者已经对双洞互补式通风系统的理论与应用进行了系统研究，夏丰勇等[1]通过理论推导，得出了双洞互补式通风系统的理论计算设计方式；王一丁[2]通过数值模拟对采用双洞互补式通风系统的隧道进行了污染物分布、火灾工况等研究；王亚琼等[3]通过模型试验，研究了2条横通道内换气风量变化对隧道内各区段风速和风压的影响规律。目前大部分研究是针对直线长大隧道，对于螺旋隧道尤其是高海拔螺旋隧道的研究较少，常规的通风技术将无法满足高海拔螺旋隧道的通风要求，需要进行高海拔螺旋隧道通风技术的专项研究。

1 工程概况

青海卧龙沟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，=1 255 m，接缓和曲线，-120 m，再接圆曲线出洞，= 700 m；左线进口平面线形为圆曲线，=1 288 m，接缓和曲线，-140 m，再接圆曲线出洞，=720 m；纵坡为单向坡，左线为2.55%，右线为2.52%。

隧道沙盘如图1所示。

2 双洞互补式通风系统设计

2.1 双洞互补式通风系统设计参数

卧龙沟1号隧道远期设计需风量如表1所示，可以看出，左右洞需风量有一定差距，此情况使用双洞互补式通风系统较为适宜。卧龙沟1号隧道相关设计参数如表2所示。

图1 卧龙沟1号隧道

表1 设计需风量

最大需风量/（m3·s-1） 左线qx右线qs 234.64575.15

表2 卧龙沟1号隧道主要设计参数

类别设计参数 长度/m右线（上坡）2 554 左线（下坡）2 626 断面积/m2右线（上坡）64.49 左线（下坡）64.49 车行横通道26.75 周长/m右线（上坡）31.2 左线（下坡）31.2 车行横通道19.88 当量直径/m右线（上坡）8.46 左线（下坡）8.46 车行横通道5.38 纵坡坡度右线（上坡）2.6% 左线（下坡）-2.55% 隧址平均海拔/m右线（上坡）3 000 左线（下坡）3 000

2.2 互补式通风系统风量设计

2.3 互补式通风系统位置的确定

根据双洞互补式通风系统设计原理，互补式通风系统应设置于某一限制范围m～n之间。互补式通风系统安装范围如图2所示。

图2 互补式通风系统安装范围

若将横通道设置于m前方，左线污染物浓度高于右线，进行换气无意义；若将横通道设置于n后方，则右线隧道此时污染物浓度已经超过规范限制。本次设计将横通道间距取为100 m。

m、n计算方法如下：

n=s·（1－s/s） （1）

式（1）（2）中：n、m为双洞互补式通风系统安装范围定点长度，m；s为上坡隧道长度，m；x为下坡隧道长度，m。

计算得到m、n分别为756 m、1 824 m。互补式通风系统应设置于右线入口756～1 824 m范围内。

可采用试算法在m～n范围内不同位置布设互补式通风系统取值进行试算，取最小换气需风量为设计换气需风量h，试算结果如表3所示。

换气风量大小计算方法如下：

式（3）中：s3为上坡隧道进口离横通道的距离，m；x1为下坡隧道进口离横通道的距离，m。

换气需风量随s3的变化规律如图3所示，可见换气需风量与换气横通道的位置密切相关。因此，为达到节能目的，卧龙沟1号隧道的横通道安装位置选定为：第一条换气横通道距离右线入口1 660 m，第二条换气横通道距离右线入口1 760 m，二者相距100 m，此时换气需风量为244.2 m3/s，考虑安全因素，将横通道换气风量设计值选为270 m3/s。校核全线，隧道内污染物浓度均满足规范要求。

表3 换气需风量计算结果

序号Ls3/mLx1/mQh/（m3·s-1） 17601 7665 428.8 28601 6661 616.0 39601 566949.3 41 0601 466672.0 51 1601 366520.1 61 2601 266424.2 71 3601 166358.2 81 4601 066309.9 91 560966273.1 101 660866244.2

图3 换气需风量

3 互补式通风系统仿真模拟

3.1 几何模型

为探究双洞互补式通风系统在螺旋隧道中的适用性，基于前述相关计算，对卧龙沟1号隧道进行整体通风系统仿真模拟。采用压力跃阶模型代替沿程阻力，将卧龙沟1号隧道的整体沿程阻力压缩在压力跃阶面。即可以长度为300 m，螺旋半径为720 m的螺旋隧道模型代替整体。

用ICEM-CFD进行前处理，完成几何模型及网格的建立，模型采用非结构化网格，在边界处均使用3层边界层网格。换气通道位置按照计算结果设置。几何模型如图4所示，网格如图5所示。

图4 模型示意图

图5 网格示意图

3.2 边界条件

本次研究中的模型主要是为了得到卧龙沟1号隧道在采用双洞互补式通风系统情况下，隧道内的速度场及压力场，主要涉及到的边界条件有进口边界、出口边界、壁面边界和内部边界。其中边界条件设置情况如表4所示。其中隧道入口根据设计左右洞风量计算得到入口风速；横通道中部设置风机，将计算所得换气需风量换算为风机出入口风量；壁面粗糙高度取为2.5 mm；压力跃阶面则是将计算的隧道总沿程阻力在压力跃阶面上以局部阻力损失代替。

表4 边界条件

几何位置边界条件 隧道入口速度入口 隧道出口压力出口 横通道风机入口质量流量入口 横通道风机出口速度出口 隧道及横通道壁面无滑移壁面 内部面压力跃阶面

3.3 结果分析

在对卧龙沟1号隧道进行双洞互补式通风系统模拟时，主要考察隧道内尤其是横洞附近的空气流动状态，本次模拟将横通道内轴流风机进行了仿真，均设置于横通道中间。轴流风机的作用是使横通道内达到设计要求的换气风量，即完成互补式通风系统的气流运移。左右线入口按照双洞互补式通风系统设计风量设置为速度入口，其中风速为6.4 m/s。隧道出口设置为压力出口边界，相对压强为0。互补式通风系统风速如图6所示，隧道内气体由隧道入口进入后的流线如图7所示。

图6 互补式通风系统风速

图7 隧道入口后方流体流线图

由图7可知，隧道内空气由隧道入口进入后，在横洞处被横洞内轴流风机所吸取并转移到另一侧隧道内，转移以后的空气被另一侧隧道的气流惯性带动，于50 m内调整气流方向并同另一侧气体一起运动，在这整个循环过程中，两条隧道起到了互相输送相对新鲜空气的作用，共同抑制了互相的污染物浓度线性增长。

为探明局部气体流场情况，提取隧道平面上的流体矢量图，如图8所示，可见，横洞内气体在转移到另一侧的过程中，气体一旦跨出横洞，即受原隧道内气流影响，向运行方向偏移。偏移后的初始阶段，射流气体沿侧壁流动约50 m距离后，将与原隧道内气体一同均匀流动，不再在横截面上出现风速不均匀的现象。

图8 转移后空气流态

截取隧道侧面，将风速云图印刻在其上，如图9所示，由图9可看出，在横洞射出的气流附近，气流产生了一定的紊动，尤其在横洞的风机高度范围内，气流风速矢量在该高度范围内略低于其他高度，局部地方甚至出现回流现象，但这些现象随着气流推进均趋于平稳。螺旋隧道内的污染空气的污染物存在沿着隧道螺旋外侧聚集且稳定流动的现象，采用双洞互补式通风系统，将隧道内空气在横向方向上进行了一定的干扰，使聚集于隧道螺旋外侧的污染空气紊散，并均匀地排出隧道，这也防止了运营隧道内局部气体污染物浓度超标的情况发生。

图9 隧道侧面局部风速

为量化地探究隧道内流态及其规律，分别提取隧道左线、右线隧道中轴线上总压、湍动能，如图10所示。从图10可以看出，湍动能在通风横洞附近呈现上涨—下降趋势，该湍动范围约为100 m。同时可以发现，隧道左线的最大湍动能大于隧道右线最大湍动能，这是由于在螺旋隧道，隧道螺旋外侧风速大于螺旋内侧风速，在右线隧道中，横洞射流气体更早地与隧道内原气体交汇，且具有更大的交汇空间，因此呈现出湍动能低于左线隧道的现象。

图10 隧道内湍动强度

4 结论

本文依托卧龙沟1号隧道，应用理论设计与数值模拟的方法对双洞互补式通风系统在螺旋隧道中的应用进行了探究，得到结论如下：①对于螺旋隧道，其双洞互补式通风理论设计计算方法与直线隧道相同，均采用了污染物浓度控制的计算方法进行设计，计算结果在卧龙沟1号隧道中也可以较好地应用。②卧龙沟1号隧道双洞互补式通风设计方案为第一条横通道距离隧道右线进口距离为1 660 m，第二条横通道距离隧道右线进口距离为1 760 m，即横通道间距为 100 m，其中左右线主隧道内设计风量为425.15 m3/s，换气风量设计为270 m3/s。③经数值模拟验证计算后发现，在=720 m的螺旋隧道中采用双洞互补式通风系统的可行性，且采用双洞互补式通风系统时，该系统可以减弱隧道内污染物浓度局部聚集的效应，防止隧道内局部空气污染物浓度超标的发生。④螺旋隧道中采用双洞互补式通风系统时，在两条隧道中，更靠近螺旋曲线外侧隧道的最大湍动强度大于螺旋曲线内侧隧道。

［1］夏丰勇，宋神友，谢永利，等.双洞互补式通风在公路隧道中的应用［J］.现代隧道技术，2017，54（4）：160-166.

［2］王一丁.横通道对公路隧道互补式通风的影响数值模拟及试验研究［D］.兰州：兰州交通大学，2017.

［3］王亚琼，夏丰勇，谢永利，等.特长公路隧道双洞互补式通风物理模型试验［J］.中国公路学报，2014，27（6）：84-90.

U453.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.006

2095－6835（2021）01－0017－03

黄永杰（1974—），大学本科，高级工程师，中交基础设施养护集团有限公司项目经理，主要从事公路工程方向的研究。

〔编辑：严丽琴〕