特长公路隧道互补与竖井送排组合通风污染物分布规律

张双茁

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

0 引 言

在修建特长双洞单向隧道的过程中，由于线路规划、排水等工程要求，须设计一定的坡度。因坡度的存在，当隧道上、下行车辆类别、负载量及交通量相同时，上、下行隧道内车辆污染物排放量将存在显著差异。通常表现为上坡隧道内污染物累积速率大于下坡隧道污染物累计速率[1]。

针对双洞隧道污染物浓度分布规律和特点，瑞士学者Berner和Day于1991年提出了一种双向换气的新型隧道通风方法，借助横通道引入下行隧道中较新鲜的空气稀释上坡隧道中的污染空气，可遏制上坡隧道中污染物快速累积。目前国内已有多条隧道采用互补式通风[2-5]，近年来学者们对该互补式通风开展了大量的研究。夏丰勇等[6]依托大别山隧道通风实际工程，建立了互补式网络通风的计算模型，编制了相关的计算程序，研究了交通量不同的情况下隧道运营通风的3种模式。张京龙等[7]研究了互补横通道角度对隧道通风效果的影响，发现双洞隧道通风效果的主要影响因素为横通道位置系数。楼慧元[8]基于非对称风量互补式通风系统，通过数值模拟验证了中长隧道中互补式通风方法的可行性。陈洁等[9]依托实际工程，采用ANSYS有限元软件分析了横通道的数量及位置对隧道风速的影响。王亚琼等[10]依托实际工程和模型试验对双洞互补式通风隧道进行分析，发现在纵坡较大的长隧道中互补式通风有很大的应用价值。夏丰勇等[11]以国内某隧道互补式通风实际工程为依托，详细推导了该通风方式下换气系统位置以及换气风量大小，验证了该通风方式的经济性。

互补式通风方法在特长隧道中应用的研究较少，其单独在特长隧道中使用往往无法满足通风要求，需要与竖井送排等其他通风方法结合应用[12-13]，如互补式与竖井送排式组合通风。本文依托云南省昆明至宜良高速公路阳宗隧道通风工程，推导互补式与竖井送排式组合通风隧道洞内污染物分布规律，并用数值分析软件Fluent进行三维仿真，可为类似单坡双洞特长隧道工程通风系统设计提供技术参考。

1 工程概况

阳宗隧道长约8 000 m，是一条双洞大断面三车道隧道，位于云南省东南部，昆明至宜良高速公路中的1个特长隧道。隧道采用分离式结构，近期下行隧道的设计需风量最大值为663.83 m3·s-1，上行隧道为881.6 m3·s-1；远期下行隧道的设计需风量最大值为1 005.9 m3·s-1，上行隧道为1 750.49 m3·s-1。

2 组合式通风方法基本理论

2.1 组合式通风方法简介

考虑排放污染空气的过程，普通竖井送排式隧道上行的最后一个区段污染物空气与下行前半段的较新鲜空气差距相当大，满足双洞互补理念的应用条件，因此可以在采用互补式通风方法优化竖井送排式通风的工作效果。即应用双洞互补理念，与单竖井送排式纵向通风隧道中某位置设置互补通道，调节上下行污染物浓度分布，从而构建的新型通风方案称为“互补式与竖井送排式组合通风方案”或简称为“组合式通风方案”， 双洞互补式与竖井送排式组合纵向通风方案工作原理如图1所示。

图1 双洞互补式与竖井送排式组合纵向通风方案工作原理

其风流组织原理为：上行隧道中设立于竖井之后的互补通道污染空气分流并稀释，一部分高污染空气流入下行隧道中与较新鲜空气混合、逆向流动，在此过程中污染物再次积累到接近浓度上限，然后借助中央竖井送排风稀释，流向下行隧道出口；上行隧道中的另一部分高污染空气则被从下行隧道引入的较新鲜空气稀释，继续沿隧道向上行隧道的出口流动。借由下行隧道空气稀释上行隧道空气的这一过程，采用中央竖井送排通风的上行隧道中呈现“双峰”式分布的污染物浓度曲线变为纵向均匀化的“三峰”式分布(类似双竖井送排式通风隧道)，如图2所示。

图2 互补式与竖井送排式组合式通风方案的理想污染物浓度曲线

2.2 计算模型与基本假设

在组合式通风隧道中，上下行隧道于互补通道处相互连接。通风系统的各个工作部分将隧道分为10个通风区段，包括隧道出入口、竖井送排风区域、互补式换气区域三者之间的6个主要通风区段，和竖井送风排风口之间与互补式互补通道之间的4个次要通风区段。对于如此复杂的流体力学问题，直接进行理论推导分析其一般规律较为困难，所以一定程度的简化是十分必要的。考虑到隧道工程的一些基本特性，除去CFD软件一般采用的基本假定外，为简化计算做以下假设：

(1)污染物沿隧道长度方向线性积累。

(2)隧道纵向风速相等，竖井送排风量相等。

(3)忽略短道中的污染物积累速率增加。

(4)上下行隧道出入口断面共面。

简化后的风流网络模型如图3所示。

图3 组合式通风系统风流网络数学模型

2.3 通风系统设计参数估算

设隧道长度为L，竖井的纵向位置为Lsh(Shaft)，互补通道的纵向位置为Lex(Exchange Passage)。右线上行隧道需风量为Qreq-R，左线下行隧道需风量为Qreq-L，上下行隧道的通风负荷比为γ。互补通道的换气风量大小为Qex，竖井送风、排风的风量大小为Qsh，隧道通风量为Q。设上下行隧道在设计风速下污染物的积累速率(浓度分布曲线的斜率)分别为KR、KL。记竖井送排新鲜空气流量与隧道内空气流量的比为α，流经互补通道的空气流量与隧道内空气流量的比为β。基于2.2小节中的基本假设的数学模型与图2中的污染物分布规律，分析通风系统最优工况的设计参数。

当上行隧道中竖井与互补通道的参数搭配效果较好时，上行隧道中污染物经2次降低得到的3个峰值浓度接近相等，通风系统在上行隧道中的效果最优。计算3处峰值的表达式，令其两两相等，则有：

LshkL=(Lex-αLsh)kL

(1)

LshkL=[(L-αLsh)-β(Lex-αLsh)]kL+

β(L-Lex)kR

(2)

为避免换入下行隧道过多的污染空气使其浓度反超上行，取上行隧道排入下行中的污染风量小于继续流向上行隧道出口的风量，且污染空气在下行隧道中继续流经的距离不超过上行，即：

显然，当以上两式取等号时，互补通道的调节效果较好，即：β= 0.5、Lex= 0.5(L-Lsh)。此时互补通道位于竖井与隧道出口的中间，且正好将一半污染空气分流，可以保证上行隧道出口处的浓度高于下行隧道竖井前的污染物浓度。

则式(1)、(2)可化简为：

整理得到互补与竖井送排组合通风隧道中，竖井送排风量Qsh、换气风量Qex、竖井位置Lsh、互补通道位置Lex的估算公式：

(9)

式中：L为隧道长度(m)；V为隧道设计风速(m·s-1)；S为隧道净空面积大小(m2)；γ为上下行隧道通风负荷的比。

将依托工程的具体工况：隧道长度8 000 m，上下行需风量分别为1 750.49 m3·s-1、1 005.9 m3·s-1(γ= 1.740 2)；设计净空面积为100.13 m2，风速为7.8 m·s-1(即隧道风量为781.014 m3·s-1时)代入上述公式中求解，计算得：

经上述理论推导得到，对于阳宗隧道，当隧道设计风速为7.8 m·s-1时，组合式通风系统在一定的参数组合下可使上行隧道污染物浓度峰值相等，且高于下行隧道中的污染物浓度峰值，通风系统的工作效果能够达到理想化。

3 组合式通风方法数值分析

为分析组合式通风方法的效果，采用计算流体力学软件Fluent建立隧道空气流体模型，利用UDS模拟隧道中污染物的积累与排放过程。计算湍流模型，输出特征断面的污染物浓度值，并据其验证前文中的计算分析结果。

3.1 模型概况

如图4所示，数值分析采用的缩尺模型全长为900 m，设置有竖井送排风口、互补式互补通道送排风口。其中设置包含阻力格栅的缩尺区段以模拟原长度为8 km的隧道。

图4 Fluent模型几何参数

3.2 边界条件设置

Fluent模型中，主要使用的边界条件包括：壁面边界、压力入口边界、压力出口边界、流速入口边界、压力阶跃内部边界、多孔介质区域内部边界(多孔格栅)和内部连接面边界等。各种边界条件于隧道模型中的主要设置位置如图5所示，图中虚线标识了不同类型的边界条件。

图5 Fluent模型边界条件设置

考虑工程纵断面高程限制以及火灾工况排风等因素的影响，将竖井的位置固定设置于隧道的正中央4 000 m处。为了分析通风风量、风速相同而互补通道位置不同对污染物浓度分布特性的影响，将其设置于1 000 m、2 000 m、3 000 m 、5 000 m、5 500 m、6 000 m、6 500 m、7 000 m等8个不同位置组合，隧道工况的6个缩尺区段的长度见表1。

表1 Fluent模型缩尺区段长度

如图5所示，采用阻力格栅面替代主要隧道区段中的沿程阻力损失，来模拟不同长度的隧道区段。阻力格栅的参数由试算获得，对应表1中的不同隧道长度，采用试算法得到的格栅参数见2。

表2 阻力格栅边界条件阻力参数

4 计算结果分析

依据理论分析的估算结果，采用试算的方式确定通风系统的风流参数。经试算，互补换气风量Qsh=Qex= 400 m3·s-1、射流风机纵向增压量为375 Pa时的隧道风速分布规律如图6所示。此时的模型中隧道内的纵向风速为7.81 m·s-1，接近设计风速。因此，后续计算中取竖井送排风量为400 m3·s-1、换气风量为400 m3·s-1、射流风机纵向增压为375 Pa。

图6 隧道z向速度分布云图

为确定污染物浓度分布曲线与互补通道位置之间的关系，建立互补通道位置不同，而其余参数相同的数值分析模型，分析互补通道位置与污染物浓度分布特性之间的关系。当竖井位置为4 000 m、竖井风量为400 m3·s-1、换气风量为400 m3·s-1、射流风机纵向增压为375 Pa(每个压力阶跃面增压为125 Pa)时，互补通道分别在1 000、2 000、3 000、5 000、5 500、6 000、6 500、7 000 m处时的组合式通风系统污染物分布模型，计算并提取结果，其污染物浓度曲线见图7～9。

显然，前3种工况中，互补通道未起到均衡两洞污染物浓度的效果。即互补通道设置于竖井之后的通风效果更好，且当互补通道设置于6 000 m、6 500 m时，隧道污染物浓度接近规范要求，上下行浓度峰值接近相等，与前文中理论分析结果具有很好的一致性。

提取互补通道位置为6 000 m处模型近壁单元的污染物浓度云图，并放大其竖井和互补通道部分如图10所示，上下行隧道各个内部连接面处的污染物浓度如图11所示。

由图11可见，该工况下互补通道处对上行隧道中高污染空气的分流、稀释效果明显。隧道两侧入口和竖井送风口处送入的是污染物浓度为0的新鲜风；污染物浓度沿隧道长度方向逐渐积累增加，最终成为高污染空气，高污染空气出现在下行隧道的出口和上行隧道3个通风区段的最后这4处位置。隧道中的最大浓度值为0.006 3 m-1，出现在上行隧道出口处，满足规范要求(不超过0.006 5 m-1)。

图7 互补通道位于竖井前工况污染物浓度曲线

图8 互补通道位于竖井后工况污染物浓度曲线

图9 上下行隧道污染物浓度极值与互补通道位置关系

图10 隧道污染物浓度分布云图

图11 上下行隧道污染物浓度分布曲线对比

5 结 语

(1)组合式通风方案具有良好的通风效果，能显著降低以往控制着整条隧道通风设计的上行出口污染物峰值，且能够优化2条隧道的污染物分布，上行隧道中的污染物浓度值呈“三峰”形分布，下行隧道则大约呈“几”字形分布。

(2)组合式通风方案具有良好的经济效果，改善了以往单竖井通风方案上下行隧道之间污染物积累相互独立、一侧不足而另一侧冗余的状况，最大限度地发挥利用了下行隧道通风能力，相比双竖井通风方案将显著降低初期建设投资和后期运营成本。

(3)组合式通风系统的设计参数中，互补通道位置对隧道污染物浓度极值影响极大；对于阳宗隧道，组合式通风系统竖井风量为400 m3·s-1、换气风量大于400 m3·s-1、射流风机增压为375 Pa时，互补通道位置在6 000 ～6 500 m之间的通风效果较为理想。