大断面分岔隧道通风特性研究_杜会光.pdf

第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb2023道桥技术大断面分岔隧道通风特性研究Study on Ventilation Characteristics of Large Section Bifurcation Tunnel杜会光(新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)摘要:城市隧道在日常运营中应协同发挥匝道和竖井的分汇流作用，提高隧道通风和排污的效率，减少运营能耗。基于变质量流理论和牛顿第二定律，建立带竖井和匝道的分岔隧道的通风计算模型和污染物分布模型，并通过分岔隧道的分岔局部损失系数的试验，以研究分岔隧道通风计算模型中的关键参数取值建议。结果显示:基于分岔隧道内通风压降相等原则，提出了射流增压力、交通风力、通风阻抗力、自然风力的简易计算方法;采用 CFD 方法获得模型隧道断面的风速分布，进而建立起最大风速与平均风速间的对应关系;当隧道壁面材料一定时，当雷诺数足够大，隧道的断面当量直径越小，沿程损失系数越大;对于马蹄形断面，风速在横截面上呈抛物线/锥形分布。以某隧道为依托，将大断面分岔隧道的通风计算模型与隧道通风现场实测结果进行对比，验证了模型的可靠性。可为此类项目积累理论成果和工程经验，实现工程指导的目的。关键词:大断面;分岔;隧道;通风中图分类号:U453.5文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01011709DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301021DU Huiguang(Xinjiang ailway Survey and Design Institute Co，Ltd，Urumqi 830000，China)Abstract:In the daily operation of urban tunnels，the role of ramps and shafts should be brought into full play，so as to improve theefficiency of tunnel ventilation and sewage discharge and reduce the operation energy consumption.Based on a tunnel，based on thevariable mass flow theory and Newtons second law，this paper establishes the ventilation calculation model and pollutant distributionmodel of bifurcation tunnel with shaft and ramp，and calibrates the key parameters in the ventilation calculation model of bifurcationtunnel through the experimental study of bifurcation local loss coefficient of bifurcation tunnel.Based on the principle of equal ventilationpressure drop in bifurcated tunnel，a simple calculation method of jet pressure increase，traffic wind force，ventilation impedance forceand natural wind force is proposed;the CFD method is used to obtain the wind speed distribution of the model tunnel section，and thenthe corresponding relationship between the maximum wind speed and the average wind speed is established;when the tunnel wall materialis constant and the eynolds number is large enough，the smaller the section equivalent diameter of the tunnel is，the greater the losscoefficient along the tunnel is;for the horseshoe section，the wind speed has a parabolic/conical distribution on the cross section.Basedon a tunnel，the ventilation calculation model of large section bifurcation tunnel is compared with the field measured results of tunnelventilation，and the reliability of the model is verified.It can accumulate theoretical achievements and engineering experience for suchprojects and realize the purpose of engineering guidance.Keywords:large section;bifurcation;tunnel;ventilation作者简介:杜会光(1987)，男，硕士，工程师，主要从事结构设计工作。收稿日期:20220208118粉煤灰综合利用37 卷道桥技术0引言城市空间的立体开挖和利用是解决当前城市环境拥挤和城市污染的重要举措，其能够大大缓解城市交通存在的各类问题，近年来越来越多的被纳入规划并付诸工程实际。在隧道通风系统中，匝道和竖井都具有调节主线隧道流量的作用，但两者的作用机理和调节效率并不相同。因此，在隧道日常运营中，应根据匝道和竖井的调节特点，协同发挥两者的分汇流作用，提高通风和排污的效率，减低运营能耗。近年来，城市隧道普遍带有分岔结构1。分岔结构的存在使得隧道空间结构变得更加复杂，引起了众多学者的关注。陈玉远2 以 SES 软件为基础，计算得出了不同交通流状态下匝道排污比的变化范围;Li 等3 则关注带匝道隧道的环境影响问题，通过对长沙营盘山公路隧道的实地测量得出分流匝道可分走主线隧道 16.7%的 NOX 污染物。但是，城市隧道周围环境复杂，人密车多，建筑物种类繁多且修筑繁密，面临更为严苛的环境制约。其通风不仅需将隧道内的废气、烟雾等控制在容许的浓度限值以内45，还需兼顾隧道外环境的空气质量要求。应当指出，分岔隧道结构参数、交通风力、射流风机升压力等因素均可能对隧道内的风量及其分配产生影响，通风特性较为复杂。然而，已有研究多为单段直线隧道特性67、曲线隧道特性89 和双洞并行隧道特性10 等，需要针对大断面分岔隧道的通风特性做进一步的研究以获得分岔隧道通风计算的合理参数。以某隧道为依托，基于变质量流理论和牛顿第二定律，建立带竖井和匝道的分岔隧道的通风计算模型和污染物分布模型，通过分岔隧道的分岔局部损失系数的试验研究，对分岔隧道通风计算模型中的关键参数进行标定。研究成果可为此类项目积累理论成果和工程经验，实现工程指导的目的。1大断面分岔隧道的通风计算模型隧道内空气流动特性可以认为是泊肃叶流动，即压力驱动流。因此，在分岔隧道内，各通风段的流量分配应使整个隧道处于一种压力平衡状态，即匝道段的通风压降应与分流后(或汇流前)主线隧道段的通风压降相等。因此，假设任意分岔隧道，如图 1 所示。图 1带匝道隧道通风示意图Fig.1Ventilation diagram of tunnel with ramp分岔隧道可视为一个带有支路的通风管道。首先，将其分割成、三个简单的通风区段，对这三个通风区段内的气体分别应用伯努利方程可得:pti+pjipripni=p(1)式中:i=1，2，3，分别代表、通风区段，i=1 时为+，i=2，3 时为;pji、pti、pri、pni分别为、区段的射流风机升压力、交通通风力、通风阻抗力和自然通风力，Nm2。交通风力 pti采用文献 10 中新的计算 公 式，pji、pri和pni则 根 据 规 范JTG/T D70/20211 进行计算。1.1射流增压力纵向通风隧道流场是具有相同流动特点的通风单元有组织的集合而成，典型结构示意图如图 2所示。以诱导段 123 为分析流段，研究风机射流所产生的增压。射流起始断面面积和平均速度分别为 Aj和 vj。按不可压缩流动考虑，假定为理想流体。根据连续性条件、能量守恒原则，增压值表述的是单台机器所能提供给隧道的最大气流量，为:pj，i=kj(1)2(3)(1)212v2j(2)1 期杜会光:大断面分岔隧道通风特性研究119道桥技术图 2纵向通风隧道流场图Fig.2Flow field diagram of longitudinal ventilation tunnel式中:pj，i为单机增压值;kj为增压系数，该系数受设备参数、隧道设计和施工的几何参数影响;为扩张比，=Aj/At;为流速比，=v/vj。一般情况下，0.02 且 0.2，此时单台机器增压值如下:pj，i=kj(1)v2j=kjAj/At(1 v/vj)v2j(3)N 台压力则为:pj，i=NjkjAj/At(1 v/vj)v2j(4)则图 2 中各通风段的射流风机升压力为:pj，i=NjikjAj/Ati(1 vi/vj)v2ji=1，2，3(5)式中:vj、vi分别为射流风机的出口风速和该通风段的风速，ms1;Aj、Ati分别为射流风机的出口面积和该通风段的隧道净空断面积，m2;Nji为该通风段的射流风机数，kj为增压系数。1.2交通风力指车辆运行在隧道内时产生的综合携带推动力。为了简化计算，将车辆按大小进行等效阻抗面积换算，从而计算交通风力。在单向车流情况下，隧道内交通风力为:pt=2KLAvm/At(vv v)|vv v|(6)式中:K 为车流密度平均值，K=N/(3600vv)，vv为平均车速，N 为隧道交通量(pcuh1);Avm为汽车等效阻抗面积，Avm=(1 r)cdlAvl+rcdhAvh，r为隧道内大型车运行比例，Avl为小型车迎风面积，Avh为大型车迎风面积，cdl及 cdh分别为小型车和大型车的拖曳系数。则图 2 中各通风段的交通通风力为:pti=2KiLiAvm/Ati(vvi vi)|vvi vi|i=1，2，3(7)式中:Avm中的 Avl、Avh、cdl及 cdh根据规范 JTG/TD70/202 11 取值为 2.13 m2、5.37 m2、0.5 和 1。1.3通风阻抗力通风阻抗力由局部和沿程 2 部分阻力损失组成:pr=pf+pl=+Lde()2v2(8)式中:为局部系数;为壁面沿程阻力系数;de为隧道水力直径，m。则图 2 中各通风段的通风阻抗力分别为:pr1=ain+1L1de1()2(v1)2(9)pri=aex+iLidei()2(vi)2+i2(v1)2i=2，3(10)式中:aex和 ain为出(入)口损失系数，按规范取值，出口值为 1，入口值为 0.6;i为分(汇)流处主线隧道的分(汇)流损失系数。1.4自然风力选最为不利的通风工况纳入计算，但考虑到实际 自 然 风 情 况，在 自 然 风 速 vn下，自 然 风力为:pn=2At+Lde()vnvn(11)因为自然风的风力最弱，则建立压力平衡方程时忽