公路隧道防洞口窜流治理研究

徐 湃，蒋树屏，邢荣军，陈建忠

(1．重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074；2．招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

近年来，随着公路隧道建设量的增加，受地形影响，近、短距离连续隧道的建设在所难免[1]。这种隧道型式带来的窜流问题[2]亟待解决。窜流现象使下游隧道污染物含量增加，需要采取一定的工程措施降低污染物含量[3]。目前，国内外对于隧道通风窜流问题的研究甚少[4-5]，更无有关工程措施的定量比较分析。笔者在分析窜流现象及窜流比本质的基础上将防止窜流污染的工程措施分为上游隧道送新风、上游隧道排污风、下游隧道送新风和下游隧道排污风等4大类，并进行定量分析，比较其有效程度。通过Fluent数值模拟验证分析的正确性。笔者提出的分析方法为发生窜流时工程措施的选取及评价其有效程度提供了理论基础及参考依据。

1 隧道窜流现象分析

1.1 窜流现象

在近距离或短距离连续隧道中，排风隧道或上游隧道排出的隧道内污染空气通常会带入进风隧道或下游隧道中，形成除隧道本身污染外的二次污染，这种现象称之为“窜流现象”，简称“窜流”[2]。窜流现象通常发生在如图1所示的隧道型式中。

图1 隧道类型Fig.1 Tunnel types

假设排风隧道排出的污染风量为Q总，其中部分窜入进风隧道的污染风量为Q1，则定义Q1/Q总为窜流比，用λ1表示，该式称为窜流比定义式[2]。

1.2 窜流比分析

对于短距离连续隧道，有

(1)

式中：λ1为窜流比，%；D为连续的两隧道间距，m；v进为下游隧道入口进风速度，m/s；v排为上游隧道出口排风速度，m/s。

由式(1)可以看出，当进风速度和排风速度相同时，随隧道间距离的增大，窜流比降低，且随风速变化很小，即风速变化并不直接引起窜流比的变化；当排风速度恒定时，窜流比随进风风速的增大而增大，窜流比在随进风速度增大的同时，增大趋势还随恒定排风速度的提高而减缓；当进风速度恒定时，窜流比随排风风速的增大而减小。

需要说明的是，在理想情况下，当D≥249 m时，下游隧道将不受上游隧道窜流污染的影响。因此，笔者所研究的隧道上下游间距均小于此界限，以前后连续隧道为例，详细分析防止隧道窜流的理论及措施，而对于左右相邻隧道，分析方法相同。

2 防隧道洞口窜流工程措施分析

理论上，增加上游或下游隧道风速即可解决窜流问题，但实际上增大风速必然导致风机增加，耗电量增大，浪费能源，而且洞内污染物始终在隧道内，不能及时排除。更重要的是，洞内风速有一定限制，不能无限增加，因此，加大通风量将导致隧道环境不舒适程度增加[6]。综上所述，需采取工程措施解决窜流问题。

普遍使用的工程措施[6-8]是设置天窗或通风导洞，但未对其进行量化，笔者为了定量分析各种措施的有效性，现将其分为以下4大类：上游隧道送新风、上游隧道排污风、下游隧道送新风、下游隧道排污风，并以设置通风导洞为例详细分析这4种措施对隧道窜流产生的影响。

2.1 措施1——上游隧道送新风

通风导洞设于上游隧道，导洞内设有小型风机，将外部新鲜空气送入隧道中，如图2。导洞上游风速不变，加入新鲜空气后，上游隧道出口排风速度增加，导致窜流比减小。设λ1为未采取措施时下游隧道的窜流比；λ2为采取措施后，下游隧道口处窜流比；λ3为采取措施后，下游隧道的窜流比。

图2 上游隧道送新风示意Fig.2 Fresh air supply in upstream tunnel

由窜流比定义式分析λ3，有

(2)

由式(2)可知，未在下游隧道采取措施时，λ2=λ3，此时：

(3)

(4)

式中：Q1为窜流现象发生后，上游隧道污染物窜入到下游隧道的量，m3/s；Q总为上游隧道排出的总的污染物含量，m3/s；v进为未发生窜流现象时，根据通风设计标准计算的下游隧道风速，m/s；v排为未发生窜流现象时，根据通风设计标准计算的上游隧道风速，m/s；v排后为窜流现象发生后，上游隧道出口排风风速，v排后=(v0A0+v排A)/A，m/s；v0为通风导洞送风风速，m/s；A0为送风导洞风口面积，m2；A为上游隧道面积，m2。

由式(4)可以看出，采取措施后的窜流比与隧道间距、上下游隧道风速、送风口流量等很多因素有关，很难看出其规律也很难与其他措施比较。因此，笔者提出窜流措施有效率的概念，即采取措施后的窜流比比未采取措施的窜流比减少的百分数，用η表示：

(5)

上游隧道送新风的有效率为：

(6)

此时，窜流措施有效率只与上游隧道风量和送新风量有关，使问题得到简化。

2.2 措施2——上游隧道排污风

上游隧道设置通风导洞将上游隧道污染物排出一部分，此时上游隧道风速不变，又排出部分风量，如图3。因此，上游隧道出口处排风速度减小，导致窜流比增加，但污染物量已被排出部分，所以无法直接判断措施的有效情况，需进行理论分析。

图3 上游隧道排污风示意Fig.3 Air exhaust in upstream tunnel

(7)

因此，

(8)

式中：Q0为排风口排出的污染物含量，m3/s。

同理，窜流措施有效率为：

(9)

2.3 措施3——下游隧道送新风

下游隧道设置通风导洞，将新风送入下游隧道，稀释窜到下游隧道的污风，如图4。下游隧道风速不变，加入新鲜空气后下游隧道进口处风速降低，导致窜流比减小。

图4 下游隧道送新风示意Fig.4 Fresh air supply in downstream tunnel

分析如下：

因此，

(10)

同理，窜流措施有效率为：

(11)

2.4 措施4——下游隧道排污风

下游隧道设置通风导洞，将上游隧道窜入下游的污染空气排出，如图5。下游隧道风速不变，则下游隧道进风口处进风风速增加，导致窜流比增加，但污染物量已被部分排出，所以无法直接判断措施的有效情况，需进行定量分析。

图5 下游隧道排污风示意Fig.5 Air exhaust in downstream tunnel

(12)

则：

(13)

(14)

3 工程措施有效性分析

窜流措施有效率的提出，量化了每种措施的有效程度。它与隧道间距无关，当隧道确定，其上下游风速和断面面积恒定时，措施1与措施2只与上游隧道风速和通风导洞风量有关；措施3与措施4只与下游隧道风速和通风导洞风量有关。

隧道间距46 m，下游隧道计算风速3 m/s，上游隧道计算风速5.35 m/s[8]，隧道面积101.3 m2，采取一定措施后，送风量或排风量由10 m3/s变化到300 m3/s(图6)，从这个过程可以看出，措施3的有效程度最高，其次是措施1；措施2和措施4几乎重合，有效率都较低。4种措施均随送排风量的增加而增大。此时，当下游送新风的风量为300 m3/s时，窜流措施有效率几乎达到100%，因此采用措施3最为有利。

图6 窜流措施有效率与通风导洞风量的关系Fig.6 Relationship between crossflow measures efficiency and

当上游隧道风速恒定为7m/s，送排风量恒定为100 m3/s时，措施1和措施2不随下游隧道风速变化，措施3和措施4随下游隧道风速的增大而减小，说明措施1和措施2与下游隧道风速无关，如图7。

图7 上游风速恒定，有效率与下游风速的关系Fig.7 Relationship of measures efficiency and upstream wind speed under constant downstream wind speed

从图8可以看出，当下游隧道风速恒定为4 m/s，送风量或排风量恒定为100 m3/s时，措施3和措施4不随上游隧道风速变化，措施1和措施2随上游隧道风速的增大而减小，说明措施3和措施4与上游隧道风速无关，当上游隧道风速小于3 m/s时，措施1、措施2比措施3有效。

图8 下游风速恒定，有效率与上游风速的关系Fig.8 Relationship of measures efficiency and upstream wind speed under constant upstream wind speed

综上所述，窜流情况发生后，采取哪种类型工程措施，需要根据具体情况进行窜流措施有效率的计算，不是任一种措施都可以达到最佳效果。

4 数值模拟验证

隧道中气流运动十分复杂，为了解决主要问题，笔者在隧道通风模拟时作如下假设：①流体是不可压缩的；②风流类型属于稳定流；③流体按连续介质处理；④遵循能量守恒原理；⑤不考虑自然风影响。

采用Fluent对隧道间窜流场污染进行数值模拟。空气域上、左、右3个面定义为压力出口；空气域前、后两个面为山体面，定义为壁面，粗糙度为0 mm；隧道内壁面定义为壁面边界，粗糙度为7 mm；隧道两端均为速度入口，根据不同计算需求设置速度值。计算环境选取分离稳态求解器，SIMPLE算法，紊流模型为k-模型，压力采用PRESTO离散。

在对4种工程措施进行数学定量分析后，利用Fluent软件验证分析结果。以某两相邻隧道为例，隧道间距为46 m，假设上游隧道排风速度为5.35 m/s，下游隧道排风速度为3 m/s，设置通风横洞面积为40 m2，导洞内风速为6 m/s。分别模拟4种工程措施对污染物窜流的影响程度并验证数学分析结果。

三维模型如图9，左侧为上游隧道，右侧为下游隧道，分叉处为设置的通风横洞。模拟结果如图10，容易看出4种措施对下游隧道空气质量的改善程度。

图9 连续隧道三维模型Fig.9 3D calculation model of continuous tunnels ventilation

图10 模拟结果云图Fig.10 Cloud images of simulation conclusion

根据式(4)、式(8)、式(10)和式(13)分别计算出4种措施的串流比，并与数值模拟值进行对比，其误差如表1。

表1 模拟验证误差分析Table 1 Analysis of simulation verification error

模拟值与理论计算值误差均在±3%以内，说明定量分析方法的有效性。本例中措施2和措施4对窜流基本无影响，措施3最为有效，可使窜流比降低74%。

5 结 论

通过对短距离连续公路隧道防洞口窜流治理措施的分析，得出以下结论：

1)窜流比只与隧道间距和两隧道内风速有关。

2)上游隧道送新风、上游隧道排污风、下游隧道送新风和下游隧道排污风这4种措施窜流比分别为33.77%，46.82%，12.23%和44.32%，表明下游隧道送新风的效果最好。

3)提出以“窜流措施有效率”概念来评价窜流措施有效程度。一般情况下，下游隧道送新风的有效程度高于其他几种措施，上游隧道送新风其次，另外两种措施无明显效果。并通过Fluent进行数值验证，证明了理论计算的准确性。

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