某高速公路隧道遮光棚对气流组织的影响分析

刘健 刘凯凯 刘俊 车轮飞

中铁第四勘察设计院集团有限公司

0 引言

为保障行车安全，隧道洞口通常设置一段遮光棚，形成光过渡段，缓和明暗差异[1-2]。遮光棚的结构形式往往较为封闭，不利于隧道内污染物的扩散，影响隧道通风效果[3-4]。本文以某城市高速公路隧道为研究对象，采用现场实测和数值模拟的方法，就遮光棚对平行隧道气流组织的影响展开分析。

1 工程概况及问题描述

某城市高速公路隧道为双向四车道，单向行车，设计时速100 km/h，为过境运输通道，以货、客运为主。隧道断面采用整体框架结构，主洞净宽11.05 m，净高5.8 m，隧道暗埋段长度为3170 m。隧道采用全射流纵向通风方式，左右线各设置10 组双向射流风机，每组2 台，单台射流风机直径1000 mm，功率30 kW，隧道横断面如图1 所示，通风设备布置如图2 所示，隧道洞口设置遮光棚作为光过渡段，遮光棚采用钢结构+玻璃的封闭结构，纵向长度约40 m，遮光棚下方左右线隧道不设置隔墙。南端路面至遮光棚高度为10.7～ 13.2 m，北端路面至遮光棚高度为9.8～12.4 m，遮光棚的纵断面及横断面如图3～4 所示。据运营单位反映，正常运营时隧道内空气品质不佳，能见度较低，行车舒适性差。

图1 隧道横断面（单位：mm）

图2 通风设备布置图（单位：m）

图3 遮光棚纵断面（单位：mm）

图4 遮光棚横断面（单位：mm）

2 现场测试

为了解隧道实际运营情况，在8 月份对隧道开展现场测试。左右线各设置4 处测点，2 处位于隧道内，2 处位于光过渡段，测点位置如图5 所示。共测试了3 种工况：左右线隧道射流风机全关、仅开启右线射流风机和左右线隧道射流风机全开。不同工况切换后待30 min 后开始测试。

图5 测点布置图（单位：m）

测试期间，隧道南侧室外温度为34.0℃，北侧室外温度为33.4℃。风速和温度测试结果如表1 所示。2#与3# 测点温度的平均值定义为隧道的平均温度，2#与3#测点速度的平均值定义为隧道的平均速度。

表1 风速测试结果

从风速测试结果来看，在工况1 左右线射流风机均未开启时，在汽车活塞风的作用下，左右线隧道平均风速为2.8 m/s 和3.2 m/s。对比工况2 和工况1 可以看出，当右线射流风机开启时，右线隧道平均风速提升至5.8 m/s，左线隧道平均风速提升至4.4 m/s，但此时左线隧道射流风机并未开启，说明左线气流受到右线射流风机的影响。在工况3 下，左右线射流风机均开启，活塞风叠加射流风机的作用下，左右线隧道平均风速达到6.5 m/s 和6.3 m/s。

综上，从测试结果来看，洞口光过渡段封闭遮光棚削弱了隧道与室外的通风换气能力，两条隧道的气流相互影响，气流在两条隧道内来回打转，即使开启全部射流风机也难以从室外引入新风。

3 模拟计算

3.1 边界条件

采用 FULENT 17.0 软件[5]对本隧道进行数值模拟。隧道两端基本对称，重点模拟了北端洞口的通风情况。为简化模型，曲面的遮光棚简化成长方体，宽度为22.8 m，顶部距离隧道地面12 m，纵向长40 m。模型如图6 所示。

图6 模型示意图（单位：mm）

数值模拟采用有限容积法进行方程离散，压力与速度的耦合采用 SIMPLEC 算法，采用六面体网格进行网格化处理，并在隧道入口、隧道出口、光过渡段进行网格的加密。网格数量约为100 万。

进口和出口均设定义为速度入口，以现场测试所得的风速作为边界条件分别建模计算，分析左右线隧道间的窜流规律。边界条件的设置如表2 所示，另外还将入口速度和出口速度分别设置为6 m/s 和4 m/s，与测试工况2 进行比较。本文以CO 为污染物，将右线隧道截面设置为均匀的 CO 散发面源，质量分数为0.2%。左线隧道和室外大气不设置CO 散发源，初始情况下CO 质量分数均为0。定义左线隧道CO 质量分数与右线隧道CO 质量分数的比值为回流率，以此表征隧道洞口污染物窜流情况。

表2 入口边界条件的设置

3.2 模拟结果

隧道洞口3 m 高度处的速度场分布如图7 所示，图中 X 轴3150～3170 m 为隧道内，3170～3210 m 为光过渡段。Y 轴0～11.05 m 为右线隧道，11.75～22.8 m 为左线隧道。

图7 速度场分布图（单位：m/s）

可以看出，在隧道洞口附近光过渡段范围内（3170～3190 m 处），气流均存在明显的回流现象。这是由于在洞口光过渡段处左右线连通，且封闭的遮光棚结构削弱了隧道与室外的通风换气能力，右线隧道排出的气流受左线隧道进口处负压的影响发生了偏转，来自右线隧道的废气未能直接排放至隧道外即被吸入左线。部分新鲜空气从外界进入光过渡段，与右线隧道的废气混合后进入左线隧道。对比7a 和7d 可以看出，当左右线的隧道风机全部开启时，洞口处的负压更大，右线隧道的排风均在3170～3185 m 范围内发生偏转并全部被吸入左线隧道，且较大的横向风会对行车安全构成了威胁。对比7b 和7c 可以看出，当右线出口风速大于左线入口风速时，排风部分直接排出室外，部分被吸入左线隧道。当左线入口风速大于右线出口风速时，受到左线负压的作用，右线隧道的全部排风被吸入左线。

4 种工况下的回流率如表3 所示。工况3 由于左线入口风速大于右线出口风速，左线隧道洞口处的负压作用更大，更多的室外新风被吸入左线隧道，因此回流率相对较低，为66.7%，但是由于隧道两端呈现对称性，另一侧洞口的气流情况与工况2 类似。其余工况回流率相差不大，均在85%左右，严重影响了左线隧道空气品质。

表3 模拟结果

通过以上分析可以看出，在不改变现有遮光棚结构的情况下，仅通过加强通风强度并不能降低窜流的影响。

4 原因分析

综合工程实际情况、现场测试和模拟计算，分析可知，导致空气品质不佳，能见度较低的原因归结为以下2 个方面：

1）封闭遮光棚导致隧道左右线相互影响，废气回流率大

根据模拟计算可知，由于左右线隧道洞口距离近，且在光过渡段处左右线之间完全连通，同时受封闭遮光棚影响，废气未经与外界新鲜空气充分混合稀释便被相邻隧道吸入，导致隧道废气难以有效排出，废气回流率大，影响正常运营时隧道的有效通风换气效果。大量废气在左右线隧道内部循环打转，严重影响隧道内空气品质，带来通风不良、污浊空气堆积现象，此为主要原因。

2）隧道大型车比例高

本隧道为过境运输通道，通行大货车和拖挂车等大型车，根据交通量预测，大型车占比约20%，该两类车辆均采用柴油发动机，产生的烟尘量高于城市隧道。且隧道为高速公路隧道，全天不间断运营，因此隧道路面及墙面清洗频率远低于城市隧道，造成隧道内环境较差，此为次要原因。

5 结论与建议

1）通过现场实测和模型试验可以看出，隧道洞口处光过渡段封闭遮光棚强化了左右线之间的相互作用，削弱了隧道与室外通风换气效果，气流在两条隧道内来回打转，影响了隧道洞口的气流组织，导致废气回流，即使加强通风强度也不能降低回流率，是造成隧道通风换气不良的直接原因。

2）在工程实践中，对遮光棚的关注往往聚焦在遮光效果及造型美观上，通常由建筑专业牵头完成，不需要通风专业会签。由此案例可以看出，不良的遮光棚设计会影响隧道通风效果，各相关专业在前期应做好协调沟通工作，通风专业应结合自身需要提出相关要求，以便确定合理的遮光棚形式。