（岩土工程专业论文）近距离公路隧道送排风相互影响机理及其对策研究.pdf

摘要 越来越多的隧道采用了纵向通风方式，在纵向通风方式下近距离双洞隧道 ( 分岔隧道、小间距隧道、连拱隧道等) 洞口部位会形成循环风，使一个隧道 排出的污染风流部分甚至全部混入另一个隧道的新鲜风流，从而形成近距离双 河隧道通风中的洞口混风问题。 论文首先介绍了近距离隧道洞口混风问题的研究现状，并根据沪蓉西高速 公路分岔隧道的设计特点建立了近距离隧道洞口部分混风问题的数学模型，并 运用f l u e n t 软件对洞口部分空气的扩散方式及对相邻隧道通风的影响进行了三 维数值分析研究，对洞口部位循环风扩散的原因和规律获得了深入的认识，并 通过研究隧道通风风速及隧道间的间距对污风混风比例的影响，对不同工况下 相邻隧道洞口部分的混风情况进行了对比分析，建立了近距离隧道洞口部位的 混风规律与隧道进、排风速和间距的关系。 本文的另一部分工作是根据得到的隧道洞口部位的流场特性，提出减小通 风( 进、排风) 相互影响的工程技术措施，并对工程措施进行了相应的数值模 拟和对比分析。本文所提出的在近距离隧道口外相邻隧道间修筑中隔墙，错开 相邻隧道的出口段和修筑通风横洞三种减小通风( 进、排风) 影响的工程技术 措施，都在一定程度上可以减少洞1 2 1 的相互影响，并将上述工程技术措施已经 应用于沪蓉西高速公路八字岭隧道，还将在庙垭隧道和漆树槽的工程实践中得 到运用。 关键词：近距离双洞隧道，污风扩散，相互影响，措施，数值模拟 a b s t r a c t m o r ea n dm o r et u n n e l sa r ee q u i p p e dw i t hl o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o ns y s t e m s u n d e r t h ew a yo f l o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o n ，t h ec i r c u l a t i o nw i n dw i l lb ef o r m e da tt h ee n t r a n c eo f t u n n e l s ，s u c ha sm a n i f o l dt u n n e l s ，s m a l ls p a c et u n n e l sa n dd o u b l e a r c ht u n n e l s u n d e r t h ea c t i o no fc i r c u l a t i o nw i n d ，t h ee x h a u s t e da i rf r o mo n et u n n e lw i l lb ep a r t i a l l ye v e n c o m p l e t e l ym i x e dw i t ht h ef r e s ha i rw h i c hw i l lb es e n t i n t oa d j a c e n tt u n n e l t h e p h e n o m e n ao fm i x i n gw i n db r i n g st h er e s e a r c ht o p i co ne f f e c to ft u n n e lv e n t i l a t i o n c a u s e db yt u n n e ls p a c ea n dw i n ds p e e d t h er e s e a r c hs t a t u so fm i x i n gw i n di nt h ev e n t i l a t i o no fs m a l ls p a c et u n n e l si s i n t r o d u c e df i r s t an u m e r i c a lm o d e li sp r o p o s e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fb a z i l i n g t u n n e li nt h es h a n g h a i - c h e n g d ue x p r e s s w a ya n dt h em e c h a n i s mo ft h ed i f f u s i o no ft h e e x h a u s t e da i rf r o mw a yo u to f t u n n e la n dt h ei n f l u e n c ec a u s e db yt h ec i r c u l a t i o nw i n di n t h ev e n t i l a t i o no fa d j a c e n tt u n n e la l es i m u l a t e db yt h ef l u e n ts o f t w a r e w i t ht h e n u m e r i c a lr e s u l t so ft h er e s e a r c hw o r k , at h o r o u i 曲u n d e r s t a n d i n go ft h em e c h a n i s mo f t h ed i f f u s i o no fc i r c u l a t i o nw i n dh a so b t a i n e d f u r t h e r m o r e ，t h er e l a t i o n s h i po ft u n n e la i r m i x t u r ew i t ht u n n e ls p a c ea n dv e l o c i t ya r es e tu p b a s e do nt h em i x t u r ee f f e c to fs m a l ls p a c et u n n e l s ，e n g i n e e r i n gm e a s u r e st or e d u c e t h ee f f e c ta r es u g g e s t e dt ob u i l di n t e r m e d i a t ew a l l s t a g g e rt h ew a yo u to ft u n n e l sa n d c o n s t r u c tl a t e r a lt u n n e l st od i s c h a r g ee x h a u s ta i r t h ee n g i n e e r i n gm e a s u r e st oi m p r o v e t h em i x t u r eo fe x h a u s ta i ra r ea l s os i m u l a t e di n3 d t h er e s u l t ss h o w st h a ts t a g g e rt h e w a yo u to ft h et u n n e l sh a v eg o o de f f e c to n t h ec o n c l u s i o n sf r o mt h er e s e a r c hw o r kw i l l b e a p p l i e d t o b a z i l i n gt u n n e l ，m i a o y a t u n n e la n d q i s h u c a o t u n n e li nt h e s h a n g h a i c h e n g d ue x p r e s s w a y k e yw o r d s ：s m a l ls p a c et u n n e l ，t h ed i f f u s i o no ft h ee x h a u s t e dg a s ，i n f l u e n c e ，m e a s u r e s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 独创性声明 y 7 8 3 4 3 1 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表的和撰写过的研究成果，也不 包含为获得中国科学院武汉岩土力学研究所或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名日期：矽f 年f 月k m 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉岩土力学研究所关于保留、使用学位论文的 规定，即该所有权保留、送交论文的复印f ， ：，允许论文被查阅和借 阅；可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩影或其他 复制手段保存论文。 作者签名：彩毛 导师签名： 日期：2 厂年6 月日日期：a 州年6 月f 日 彳e 第一章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 第一章绪论 随着国家西部大开发政策的实施，我国公路山岭隧道建设也进入了一个新 的时期。近年来西部山区高速公路建设中长大隧道的比例较高，很多地区山峦 叠蟑，往往桥隧相连，使得分离式隧道的布置难于实现，因此，近年来公路设 计中出现了大量连拱、小间距甚至四车道大拱的设计理念。近距离双洞隧道在 纵向通风方式下，洞口部位会形成循环风，使一个隧道排出的污染风流部分甚 至全部混入另一个隧道的新鲜风流如图1 1 所示，从而形成近距离双洞隧道通 风中的洞口混风问题。混风现象的存在直接降低了隧道的通风效率，加大了隧 道通风运营的经济成本。据统计，公路隧道通风设施的费用一般为工程造价的 2 0 3 0 ，长大隧道甚至可达5 0 。对于已建成隧道，隧道维护费用更是主要来 自通风运营费用。因此，开展对近距离双洞隧道洞口混风问题的研究，揭示洞 口部位循环风的成因和规律，并提出有效的改进措施不仅对分岔隧道，而且对 连拱隧道以及小间距隧道的通风设计及通风运营方案有着重大的指导意义。本 文结合八字岭连拱隧道通风设计的实际对近距离公路隧道送、排风相互影响机 理及其对策进行了研究。 塑 图1 1 近距离隧道洞口混风形成示意图 中国科学院硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 t 隧道通风的历史与现状 所有的公路隧道都必须通风，目的是降低隧道内烟雾浓度和污染物浓度， 以保证汽车行驶的安全性和司乘人员的舒适度。通风的设计应考虑隧道的长度、 线形和交通状况，以及隧道所处地区的地理、气候条件和周围环境的影响，还 要考虑隧道内行驶的车辆和所处地层中排放的有害气体。逶风可由自然风、汽 车活塞效应形成的交通风和机械强迫通风等多种形式组合提供。根据风流在隧 道内的流动形式，公路隧道的通风方式可分为全横向式、半横向式和纵向式j 。 通风问题的研究，最早出现于铁路隧道中。首先是从西欧发展起来的，起 初主要集中在隧道通风方式的研究，早期修建的铁路长隧道，曾考虑单纯用自 然通风，这可以说是最早形成的纵向通风系统，当然是由当时的技术条件和经 济条件所决定。例如，英国1 8 4 1 年建成的b o x 隧道( 2 3 9 5 m ) ，用扩大隧道横断 面积的方法，在隧道上方余留下很大的空间，以暂时集存机车排出的烟气，避 免烟气侵入车厢。但事实证明这一方法收效很小但隧道造价却增加很多，所以 不能作为有效的通风方式。1 8 3 8 年建成的英国k i e s b y 隧道( 2 2 1 8 m ) 和m o r k y 隧道( 2 1 6 6 m ) 采用竖井自然通风方式，但其通风效果很不稳定，有很强的季节 性和区域性。对于行车密度大的隧道要求在较短时间内排除隧道内的烟气，在 这种情况下，竖井自然通风方式也往往不能满足要求。于是就开始研究和利用 机械通风，采用通风机将新鲜风流吹入隧道内或把污染空气吹出隧道外。 公路隧道的出现比铁路隧道为晚，在公路隧道发展的初期，也是依靠自然 风和交通风的。然而，随着汽车时代的到来，交通量日趋增大，仅仅依靠自然 风和交通风是不够的，当隧道超过一定长度或交通量超过一定值后，就满足不 了隧道内运营环境的卫生要求。1 9 2 4 年美国匹兹堡市的自由隧道( 1 8 0 0 m ) 发生交 通堵塞，洞内的汽车废气迭到极高的浓度，进而由于c o 浓度过高使得许多乘客 神志迷乱。此次事故引起了有关方面的高度重视，其后在修建纽约市的荷兰隧 第一章绪论 道( 2 6 1 0 m ) 时就考虑了机械通风。荷兰隧道为盾构法施工，圆形断面，所以把车 道下部作为送风道，上部作为排风道，气流从下往上横向流动。这就是世界上 首次所采用的全横向式通风。由于该通风方式具有更好的可靠性，后来被许多 公路隧道所采用。 当然对于圆形断面的隧道，便于利用管道上下空间作为送、排风道，而对 于其它断面形式的隧道就无此便利。1 9 3 4 年，英国人在修建默而西隧道( 3 2 2 6 m ) 时，对尽量减少管道的方式作了研究，首次采用了半横向通风系统，取得了很 好的效果。其后在许多不太长的隧道中也采用了该通风系统。 全横向和半横向这两种通风方式需要隔离较大的隧道断面空间作为风道， 需要大功率的轴流风机通过斜( 竖) 井排出洞内废气，因而需要花费较大的工程 费用和营运费用。人们又把目光重新转向纵向通风方式。现代的纵向通风方式 自1 9 6 1 年采用以来，得到了大力的推广应用，其形式愈加多样化，适用范围也 愈加广泛。并且大家充分体会到，在保证洞内安全和卫生条件的前提下，采用 纵向通风方式可以减小隧道开挖断面、简化旋工、节约营运电力。因而其较其 它通风方式有着较高的优越性h “。 1 2 2 各国公路隧道通风概况 根据统计资料，全世界至少已有3 0 0 座长度在3 0 0 0 米以上的公路隧道，而 二十世纪八十年代前建成的隧道的通风方式多为半横向式和全横向式。纵向通 风方式自1 9 6 1 采用以来，国外从最初限于1 0 0 0 米左右豹隧道，逐渐应用于2 0 0 0 米以上的长隧道。目前日本至少有4 5 座长度在2 0 0 0 米以上的公路隧道采用了 纵向通风，其中最长的己超过了1 0 0 0 0 米。近年来，日本、德国、西班牙、瑞 士等发达国家的新建公路长大隧道大都采用纵向式通风。 改革开放二十多年来，随着我国经济的发展和公路与城市交通量的迅速增 长，公路隧道的数量和长度也在显著增长，8 0 年代末前我国建成的公路长隧道 均采用横向通风或半横向通风，如上海市打浦路隧道i n - 1 2 l ( 2 7 6 1 m ) 与延安东路隧 中国科学院硕士学位论文 道右洞( 2 2 6 1 m ) 均为过江隧道，采用全横向通风。深圳市梧桐山隧道左线( 2 3 2 8 m ) 也为横向通风，初期按半横向通风使用n 。“j 。1 9 8 9 年通车的甘肃省七道梁隧道 ( 1 5 6 0 m ) 在国内第一次采用了射流风机纵向通风方式，而1 9 9 5 年建成通车的成 渝公路上的中梁山隧道( 左洞长3 1 6 5 m ，右洞长3 1 0 3 m ) 和缙云山隧道( 左洞长 2 5 2 8 m ，右洞长2 4 7 8 m ) ，变原设计的横向通风方式为下坡全射流纵向通风方式、 上坡隧道竖井分段纵向通风方式，首次将纵向通风技术运用于3 0 0 0 米以上的公 路隧道，开创了我国长大公路隧道纵向通风之先河1 , 5 - 2 0 】。随后，铁坪山隧道( 长 2 8 0 0 米) 、延安东路隧道左洞( 2 3 0 0 m ) 、潭峪沟隧道( 3 4 0 0 m ) 、木鱼槽隧道 ( 3 6 1 0 m ) 、梧桐山隧道右洞( 2 2 7 0 m ) 都采用了纵向通风方式。已经建成的秦岭公 路隧道( 1 8 0 2 0 m ) 也拟采用分段纵向通风方式1 2 1 - 2 6 】。总之，纵观各国公路隧道 通风方式的演变，7 0 年代前是以横向和半横向通风方式为主，8 0 年代以后则进 入纵向式通风的全盛时期。可以预测，今后的长大隧道将尽可能采用双洞单向 行驶交通形式，根据具体要求和经济条件，采用射流风机、斜( 竖) 井、电气集 尘等组合通风形式。 目前，国内外中长公路隧道纵向通风设计中必须考虑以下3 个人体安全指 标：1 )c o 允许浓度：隧道长为o 一1 k m 时为2 5 0 xi 0 。4 为设计标准，当超过 3 k m 时为2 0 0 x1 0 _ 4 ，隧道长度为1 3 k 时，按插入法取值而容许人员步行通 过和通过自行车的隧道，当隧道长为o 一1 k m 时为1 5 0 i 0 _ 6 ，当隧道超过2 k m 时为1 0 0 xi 0 “，隧道长度为1 2 k m 时，按插入法取值。当交通阻塞时为 3 0 0 1 0 ，经历时问不超过2 0 m i n 。2 )n o x 允许浓度：推荐纵向通风方式为 1 5 x i 0 。为设计标准，且容许人员步行和通过自行车的隧道中，此标准亦适用。 3 ) 烟尘浓度标准是与安全行车有着直接关系的参数，其允许浓度纵向通风方式 为1 5 m g m 2 为设计标准。若能全面改善隧道内清洁程度，则可解决行车可见度 问题 1 - 3 j 。 公路隧道的通风设计是隧道总体设计的重要环节之一。通风设计需要考虑 的主要问题是：空气中有害物质的容许浓度；新风量的确定方法；判别自然通 第一章绪论 风能力和机械通风方式。隧道在通风过程中的气流，其细部是相当复杂的，但 宏观的可以看作是稳定流。在隧道内流动的空气，其流速一般在2 5 m s 以下， 可以不考虑其压缩作用。但污染过的空气与新鲜空气的组分不同。目前，由于 采用的隧道通风系统有很多种，从全横向通风到纵向式通风，气流的情况可能 会很复杂，其中一个例子就是两座相邻且相互交叉的公路隧道。目前对公路隧 道中的气流物理特性仍不十分了解，与一般的管道气流相比较，隧道中的气流 受行驶车流影响，它改变空气速度分布状况。公路隧道中排出的污染空气量和 排风口位置取决于通风系统组成，污染评价就是针对排风对其邻近区域的环境 影响进行分析。因此，隧道污染对毗邻区域的环境影响结果与隧道通风系统、 隧道口的位置、通风井位置等密切相关。 1 2 。3 国内外隧道通风的研究现状 随着近几十年内公路隧道建设高速发展，针对公路隧道的通风研究也就空 前活跃起来。1 9 7 3 年成立的空气动力学和隧道通风国际研讨会( i n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u mo i lt h ea e r o d y n a m i c sa n dv e n t i l a t i o no fv e h i c l et u n n e l s ) ，每 三年召开一次。会上各国隧道通风专家展示自己的研究成果，大大推进了通风 技术的发展。 隧道通风的研究方法，主要是通过理论计算和模型型实验分析以及结合实 地量测并运用数字计算机编制数值模拟程序，以获得隧道内风速场，压力场和 温度场的分布，从而制定出隧道通风的最佳方式和最佳控制系统。 对于公路隧道纵向通风的一维常规计算，计算理论已趋完善。其理论基础 是空气动力学中的连续方程，动量方程和能量方程。计算思想为：根据稀释隧 道内污染物达到卫生标准的要求，求出需要新风量，从而得到隧道内风速：再依 照水力学中计算流管的沿程，局部阻力的方法算出隧道内气流的能量损失，根 据能量守衡的原则求出需要提供的动力，配置射流风机和轴流风机。目本隧道 界对公路隧道纵向通风作出了重大贡献，并得出了不论交通方式如何，不论隧 中国科学院硕士学位论文 道长短，均可采用分段加静电除尘器的纵向通风的结论。他们编制的( 日本道路 公团设计要领) 已被很多国家借鉴 2 7 - 3 5 j 。 近年来，各国的隧道通风专业人员都致力于纵向通风计算的程序化。最具 代表性的是瑞典的a x e lb r i n g 等 3 6 j 1 3 7j 在i d a ( 输入数据汇编程序) 环境下编制的 一套用模块模拟的程序。该程序输入数据为隧道的几何尺寸、气流摩擦系数和 损失系数、交通流量、污染物排放量、车辆牵引系数、风机效率系数、边界处 的空气压力等。所有数学模型都是按中性模型格式( n m f ) 用公式表示。隧道系 统任一路段中的空气流量是根据整个隧道的空气质量流量与总压力的平衡进行 推导的，稳定流能量方程是计算的基础，能量损失( 或增益) 以类似于一般管流 计算的方式进行模拟。模拟结果包括空气压力、流速和隧道沿线的污染浓度。 与传统的程序相比，该程序的优点是灵活，易于维护，适用性、可延展性好和 执行时间适中。不足之处是模拟计算功能单一，不便于进行方案比选和各种计 算之间的转换，模拟参数中的经验值太多，影响计算结果的精度，且没有一个 良好的界面。 对于公路隧道纵向通风的多维和动态计算，由于其复杂性，多运用c f d 计 算流体力学软件进行模拟分析。欧洲国家从七十年代初试开始对此进行了研究。 m a g a i l l a r d 3 8 1 3 9 j 针对瑞士哥达低线铁路隧道的通风与温度控制问题进行了 数学模拟研究。为了得到该隧道通风及冷却系统的最后设计，他编写了两种计 算程序。这些程序分别考虑了隧道中空气的非恒定的空气动力学和热力学状态， 此外还计及了洞外气象条件、各种速度及车型组成的双向列车交通、风机特性 及以周围岩石热交换状况诸因素带来的重要影响响。程序采用有限差分法求解。 a l a nv a r d y 4 1 4 2 j 就某隧道通风系统计算机模拟计算程序的理论基础、模拟 计算值与实测值的比较、通风系统的优化和通风卫生标准的选用、峰值浓度或 平均浓度的影响因素作了重点讨论和简述。并对法国太思隧道进行了模拟计算。 隧道火灾问题是通风研究中不可缺少的部分。虽然公路隧道的火灾为数很少， 但一旦发生，对人员生命安全和隧道设旌安全的危害是极大的。国外很早就开 展了对火灾的研究。为了确保必要通风且来有效地控制火灾发生时的烟流，在 第一章绪论 纵向通风常规计算中一般用一个l 临界风速作为风速下限值。而对于多维和动态 研究，由于其复杂性，一般通过模型实验和计算流体动力学方法进行模拟分析。 我国的公路隧道建设起步较晚，对隧道通风的研究也落后于欧洲和日本。 对于公路隧道纵向通风一维常规计算，我国大体上是借用( 日本道路公团设计 要领) 的相关方法1 2 7 4 。至于纵向通风设计计算程序化问题，1 9 9 5 年西南交通 大学首次作了探索性的的研究。但编制的程序互相独立，且只是针对单一的通 风系统如全射流纵向通风系统或竖井吸出式纵向通风系统。对于多维和动态情 况，西南交通大学也作了初步研究。他们用空气动力学模型、交通模型、污染 模型以及控制模型对竖井吸出式纵向通风系统进行了动态数值模拟。其基本假 设是隧道内空气为一维不可压缩流，有害气体浓度沿隧道维分布。这个假设 在隧道内发生火灾时不适用。另外，他们采用有限元法求解二维定常不可压缩 n a v i e r s t o k e s 方程，对采用射流通风和具有射流调压的竖井吸出式通风系统的 空气动力学特征进行了数值研究。其中忽略了非轴对称隧道结构对气流特性的 影响，也忽略了隧道壁面粗糙程度对气流的影响。 随着对环保认识的提高，人们已经注意到了隧道洞口的污染问题，并对隧 道洞口的烟气扩散规律进行了一些研究，a w e s t 阳脚】对纵向通风隧道对环境的 影响进行了研究，基于高斯烟缕分布，对隧道和道路的污染物扩散规律得出了 一些认识并进行了一些初步的模拟，认为烟气的侧向扩散主要取决于采样时期 内的风向波动。 但是迄今为止，国内外对采用双洞单向行驶交通形式的隧道的通风问题的 研究中，大多忽视了近距离隧道的洞口混风问题，其对隧道通风效率的影响也 鲜见报导，更无有关这一问题的系统研究成果的报导。 1 3 空气的成份和污染物 使人们健康地生活的洁净空气是由多种气体混合组成。它的主要成分是氧、 氮、二氧化碳、氩及其他惰性气体和含量微少但不固定的水汽，此外还有一些 中国科学院硕士学位论文 悬浮着的固体微粒( 尘土) ，和液体微粒。大气的各成分所占的百分比如表1 1 所示。 为维持人的正常生命活动，大气中氧的含量不得少于2 0 5 ( 按体积计) ，但 也不宜过多。而氮气正好冲淡大气中氧的含量，便氧化作用不致过于激烈。二 氧化碳是碳或有机化合物氧化作用的产物，它在大气中的含量虽然微小，但对 表1 1 大气的成分 气体按体积百分比按凄量百分毪 氮( n ，) 7 8 0 97 5 5 2 氧( 0 2 ) 2 0 9 5 2 3 j 1 5 氩( a r )o 9 3j 2 8 二氧化碳( c 0 2 ) o 0 3o ? 0 5 氖( m ) o 0 0 1 8 氦( h 。) o 0 0 5 承汽( 4 ，o )碰蠡 人类生活却有较大影响。大气中二氧化碳含量约占0 0 3 ，随时间、地点而略有 不同，在大工业城市中二氧化碳的含量可达0 0 5 0 0 7 ，当其含量超过0 6 时，对人类生活有害。大气中的水汽主要来自地表水面的蒸发，其含量随环境 及气候而有显著差异。如果工业、交通运输业的生产废气不经处理而排入大气 中，使大气中增加很多对人类健康有害的气体成分，则称为大气污染。大气污 染的后果是引起人们的呼吸道疾病与生理机能障碍，严重者可发生中毒死亡。 汽车通过隧道所排出的废气中含有各种有害气体，产重污染隧道内的空气。 空气中污染物的浓度一般用每立方米被污染的大气中含有多少毫克污染物 ( m g m 3 ) 表示。有时也用百万分体积浓度( p p m ) 计量。 p p m 是指在常温常压下， 1 立方米被污染的空气中含有1 0 6 立方米有害气体，即按体积计的浓度为百万分 第一章绪论 之一。1 克分子( 摩尔) 气体在常温常压( 2 5 0 c ，7 6 0 毫米水银柱) 下占有2 4 4 5 升的体积，因此p p m 和m g m 3 之间的单位换算关系为 - 删= ( 羔 砷3 式中m 为该气体的分子量 4 5 - 5 0 。 1 4 隧道洞口污染评价 公路隧道中摊出的污染空气量和摊风口位置取决于通风系统组成，污染评 价就是针对排风对其邻近区域的环境影响进行分析。因此说隧道污染对毗邻区 域的环境影响结果与隧道通风系统、通风井位置、隧道洞口的定位以及通风竖 井和风塔的设计有关。为避免隧道污染空气对周围环境产生负效应必须采取保 护措施。1 9 8 2 年国际污染考查团曾提出各种污染因子在大气中容许浓度的上限 值，且不能超越此值，其中c 0 和n o ，的极限值见表1 i 所示。 表1 1 c o 和n 0 2 的极限值 i 小时平均值 8 小时平均值 单位 l g m 3 p p m 1 n g 3 p p m c o2 5 2 1l o9 n 0 2 0 ，2 0 一o 3 5 o 1 0 一0 1 7 隧道口污染空气扩散计算方式是经验性总结，以洞口外各污染物扩散轨迹 的测试和大气扩散模型( 调整到沿地面扩散) 为基础，经整理可按表1 2 中查 出在不同自然风速、射流风速条件下各距离处的c o 浓度值。该表的适用范围为： 隧道横断面积约为4 8 m 2 条件下c o 气体扩散速度，而不适应于自然风u 8 m s 的情况。该表应用于3 种不同自然风速( u - - - - l ，2 ，5 m s ) 和5 种不同的射流风速( v t = 1 ，2 ，3 ，5 ，8 m s ) ，c c t 和洞口距离呈函数关系。 中国科学院硕士学位论文 如果自然风速u 和射流风速v t 尚无确切数值，则选用最接近但又适当抛高的浓 度数值即：选用的u 值应最大，但不能高于合理值；选用v t 值应最小，但不能 低于合理值1 5 1 - 5 4j 。 为描述隧道洞1 ：3 的污染情况，将洞口气流分为两部分：射流段和扩散段。 在射流段洞口的气流速度起主导作用；在扩散段大气状态( 如风速) 起重要作用 ( 由于这种方法是经验性的，选用的参数均来自有代表性的测试结果) 。从射流 到扩散的过渡情况比较复杂，仅能估算，当地地形和洞口形状也对污染物扩散 影响很大。 1 5 本文的主要研究工作 根据国内外的研究现状和工程建设研究的实际需要，本文主要作了以下几 方面的工作： 1 ) 介绍和总结隧道射流运营通风的理论。 2 ) 根据八字岭隧道连拱段的设计数据建立近距离隧道洞口部分混风问题的 数学模型，运用f l u e n t 软件对洞口部分烟气的扩散方式及对相邻隧道通风的影 响进行研究。 3 ) 改变隧道通风风速及相邻隧道间的间距，对不同工况下相邻隧道洞口部 分的混风情况进行对比分析，研究近距离隧道洞口部位的混风规律。 4 ) 根据获得的洞口部位的流场特性提出有效的改进措施，并进行相应的数 值模拟和对比分析。 5 ) 工程应用。 第一章绪论 表1 2 不同自然风速、射流风速和浓度比条件下的c o 浓度 自然风速 射流速 l m s2 r i d s 3 m s c c t l2358l2358l2 358 1 00 o 0 9 51 03 0 72 01 0 0 8 55 2 04 0 = 5 1 52 5 51 5 2 0 0 7 5 71 03 56 072 03 5 l o2 02 5 浓 o 651 01 55 06 5551 5 3 0 4 5 1 02 53 0 度 比 o 5 1 0 1 5 2 0 6 08 05l o2 04 05 0 = 5 1 53 04 0 o 41 52 03 07 09 01 01 52 5 5 0 6 0 p 捧风速度 ( 1 m 8 ) 一捧风速度 ( 3 m s ) “排风速度 ( 5 m l s ) 十捧风速度 ( 7 m s ) * 拌风速度 ( 9 m l s ) 图3 5 隧道间距2 o m ，不同排风速度下迸风口风速与污风吸入程度的关系 8 00 0 g o0 0 4 00 0 2 00 0 0 ，0 0 0 02 04 06 08 01 0 0 1 2 0 进风速度( m s ) _ 捧风速度 ( 1 m s ) - 一捧风速度 s m s ) 女捧风速度 ( 5 m s ) * 排a 度 ( t m s ) i 卜捧风速度 9 m s ) 图3 6 隧道间距4 o m ，不同排风速度下进风口风速与污风吸入程度的关系 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 02 04 0 6 0 _ 捧风速度 ( 1 m s ) - 一排风速度 ( 3 m s ) # 排风速度 ( s m s ) 捧风速度 ( 7 m s ) h 排风速度 ( g m s ) 8 01 0 0 1 2 0 进风速度( m s ) 图3 7 隧道间距6 o m ，不同排风速度下进风口风速与污风吸入程度的关系 - 3 3 0 0 o 0 o 0 2 0 一)舞求岫 一g一茁求忸 中国科学院硕士学位论文 可见污风流的混入比例在随进风速度增大而增大的同时，这种增大的 趋势还随着恒定排风速度的提高而快速减缓，如图3 4 3 7 所示各图中恒 定排风速度高的污风流混入百分比一进风速度曲线全部位于恒定排风速度 低的污风流混入百分比一进风速度曲线下方。 容易看出，以上两种关系均可以在式( 3 4 1 ) 中得到反映，这进一 步说明( 3 4 一1 ) 所假定的函数关系是合理的。 3 4 2 循环风的吸入量与隧道间距的关系 1 迸、排风速度相同时 相邻隧道问的间距的改变是引起循环风吸入量变化的另一个重要的因 素。当进、排风速分别为1 o m s 、3 o m s 、5 o m s 、7 o m s 、9 o m s ， 相邻隧道间距由0 6 m 增大到1 5 o m 时，从计算结果可以看出，对于在相同 的进、排风速度条件下，排风洞的污风流混入进风隧道的比例随着隧道间 距的增大而呈快速减小的趋势。如图3 8 所示，不同风速下的污风流混入 百分比一相邻隧道间距曲线显示了污风流混入进风隧道的比例的变化。 景2 0 0 0 丑 鑫1 6 0 0 1 2 0 0 8 0 0 40 0 0 。0 0 + 进、捧风速 度( 1 l s ) - 一进、捧风速 度( 3 m d s 进、排风速 度( s r s ) 持一迸、并凤远 度( 7 m s ) * 一进、捧风速 度9 m s ) 0 0 204 06 0 8 0l o 01 2 o1 4 01 6 o 相邻隧道间距( m ) 图3 8 进、排风速度相同时，污风吸入程度与隧道间距的关系 第三章近距离双线隧道洞口通风相互影响的数值模拟 由图3 8 同时可以发现，在迸排风速度相同的情况下，风速的改变并 不引起污风流混入百分比一相邻隧道间距曲线的改变，图中各种风速下的 污风流混入百分比一相邻隧道间距曲线是完全重合的，这进一步证实了式 ( 3 4 - - 1 ) 的函数关系的合理性，同时还说明作为影响通风中污风流混入 百分比变化的两个不同因素，二者对循环风混入的作用是相互独立的。 鉴于以上分析，并根据图3 ，8 所显示的污风流混入百分比一相邻隧道 间距曲线形状，我们同样以某种函数关系来表示隧道间距与混风比例间的 关系，并假定此种函数关系中有关隧道间距的函数主体项为以下形式： 式中a ，b 一常数； d 一隧道间距 口一常数。 0 十b e 加广 ( 3 4 2 ) 2 恒定排风速度，不同进风速度时的特点 如果排风风速恒定，改变进风风速，可以看出排风洞的污风流混入迸风 隧道的比例依然是随着隧道间距的增大而呈快速减小的趋势。如图3 9 为 当排风速度为5 0 m s ，进风速度分别为1 0 m s 、3 0 m s 、5 0 m s 、7 0 m s 、 9 0 m s ，时，相邻隧道间距由0 6 m 增大到1 5 0 m ，污风流的混入比例随隧 道间距改变的变化曲线。图中几种情况均表现出排风洞的污风流混入进风 隧道的比例随着隧道间距的增大而呈快速减小的规律，这种规律与图3 8 中各曲线的变化趋势是相似的。 图3 9 进一步显示，进风速度高的污风流混入百分比一相邻隧道间距 拙线位于进风速度低的污风流混入百分比一相邻隧遵间距曲线上方，这应 该是由于式( 3 4 1 ) 的作用引起的，进一步考虑到上一节中相同进、排 风速时各种风速下的污风流混入百分比一相邻隧道间距曲线相互重合。 中国科学院硕士学位论文 童 丑 求 l 血 隧道间距( m ) 图3 9 恒定排风速度5 m s ，污风吸入程度与隧道间距的关系 因此可以认为假定以下形式的函数关系来描述污风流的混入比例与隧 道间距及风速闻的关系是合理的： q = 0 + b e。、| r “ t 瓦j 式中，q 为排风隧道排出污风混入进风隧道的百分比。 3 ，4 3 进、排风速及隧道间距对循环风吸入影响的函数拟合分析 ( 3 4 3 ) 本节中将利用o r i g i n 软件拟合近距离隧道通风相互影响程度与风速及 隧道间距的关系。o r i g i n 是美国o r i g i n l a b 公司( 其前身为m i c r o c a l 公司) 开发的基于w i n d o w s 平台的图形可视化和数据分析软件，它功能强大是科 研人员和工程师常用的高级数据分析和制图工具例。该软件不公包括计算、 统计、直线和曲线拟合等各种完善的数据分析功能，而且提供了几十种二 维和三维绘图模板，它采用直观的、图形化的、面向对象的窗口菜单和工 具栏操作。o r i g i n 的典型应用并不需要用户编写相应的程序代码，因为它 本身就已经提供了足够丰富的内置功能，同时它还为第三方提供了功能扩 展和二次开发的接口，通过它自身的各种定制功能和相关接口，能很方便 的实现各种数据库的连接与调用。它界面友好，多数情况下只需要简单的 第三章近距离双线隧道洞口通风相互影响的数值模拟 输入，就可以对大量的数据进行一系列的统计处理和分析，并得到其它软 件无法得到的更加精确的结果和更多的附加结果。 由前节3 4 1 的分析所假定的函数关系( 3 4 1 ) 我们选取可以下函数 q = w x 8 ( 3 4 4 ) 式中 x = ( 3 4 - - 5 ) 并作出各种间距( o 6 、2 0 、4 o 、6 0 、1 0 0 、1 5 0 m ) 下的q 一茁曲线来 进行拟合，由拟合分析知取口= 2 1 较为合适，然后分别对各种间距下的曲 线拟合得到了的6 组不同的值： w = 1 5 8 1 ，间距0 6 m 7 6 2 间距2 0 m 3 4 6 ，间距4 0 m( 3 4 6 ) 1 2 6 ，间距6 0 m 0 1 8 ，间距1 0 0 m 由式( 3 4 - 2 ) 设= w ( a ，确为以下函数 w0 ，b ) = 0 + b e 一( d 一。 )( 3 4 7 ) 式中：d o ，t 均为常数。 由式( 3 4 - - 6 ) 中w 及d 的取值进行拟合得 a = 0 2 1 6 b = 1 5 5 d o = 0 6 r = 2 ( 3 4 8 ) ( 3 4 8 ) ，【，l n j 一k _：0 勒 以 ” 可 + 系 m 狱卜 函 i l 的 q 后 最如 因 中国科学院硕士学位论文 式中：q 一近距离隧道通风相互影响程度 卜隧道间距 式( 3 4 - 8 ) 对各种隧道间距下理论值与计算值的拟合情况如图3 1 4 3 1 5 所示，在进排风速比小于2 0 时函数( 3 4 8 ) 得出的污风混入比例与 数值计算的结果相差很小，特别地在进排风速比小于1 2 ，间距小于2 o m 时 最大误差不超过5 。 主 一 丑 求 i 进风风速排风风速( v v ) 图3 1 1 污风混入比例与进排风速比曲线图( 间距0 6 m ) g 6 0 墓5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 00 40 8 1 21 622 4 进风风速排风风速( v v ) 图3 1 2 污风混入比例与进排风速比曲线图( 间距2 o m ) 第三章近距离双线隧道洞口通风相互影响的数值模拟 主2 0 = 求1 6 衄 1 2 8 4 o 0 0 4 0 ，8 1 2l62 进风风速排风风速( v v ) 图3 1 3 污风混入比例与进排风速比曲线图( 间距4 o r e ) o 0 40 81 21 62 进风风速排风风速( v v ) 图3 1 4 污风混入比例与进捧风速比曲线图( 间距6 0 l h ) 童 2 蓑1 6 | 1 2 0 8 0 4 0 00 40 81 21 6 2 避风风速捧风风速( v v ) 图3 1 5 污风混入比例与进排风速比曲线图( 间距i 0 o m ) - 3 9 - o 8 6 4 2 o 一_6一丑求妞 中国科学院硕士学位论文 3 4 4 洞口循环风的扩散特点 为了准确地掌握近距离隧道通风中洞1 3 部位空气流动的特点，以及洞 口附近压力、温度及有害物分布的情况，就必须了解气流从排风口流出后 的扩散规律。 当空气从排风口排出后，它将在相当大的一个空间内进行扩散，这种 进入大气后进行扩散的气流是一种自由射流运动，自由射流是一种不受固 体边界限制，并在一个足够广阔的，与组成射流本身的物质相同的物质所 组成的空间内，自由扩散的射流，它也被称为扩散射流。 普通的射流大多是紊乱的，射流中物质的细小质点经常在作无规律的 运动。在射流的过程中，由于射流和边界上静止的气流层相接触，有- 部 分射流就跑出边界外，渗入到周围大气内。同时，边界外的静止气体，也 有一部分被卷入到射流中来。这样在射流和四周静止气体之间，就产生了 物质的交换关系。由于射流和四周静止气体物质交换的结果，就使得射流 的质量增加，射流的广度扩大和边界上射流的速度逐渐降低。在射流的速 度逐渐变慢以及四周静止气体被带走的地方，就形成气流的边界层。如果 进入大气的气流温度和四周静止气体的温度相同，则气流的比重也和四周 静止气体温度相同，则气流的比重也和四周静止气体的比熏相同。这时， 如果没有进风洞气流的影响，射流的轴线就是一根直线，射流束关于此轴 线对称，气流扩散的情况如图3 1 6 所示。迸风洞口处空气流动的情形和排 风洞口处空气流动的情形是完全不同的后者气流只在一个有限的锥形区域 内流动，而前者气流则从进风洞口四周自动地流向进风洞口。 气流只所以能够自动地流向进风洞口，是因进风洞口处在负压力的作 用下，它使进风洞口周围的空气和进风洞口之间产生了一定的压力差。由 于这一压力差的作用距离进风洞口愈近的气流它的流动速度就愈快；距离 进风洞口愈远的气流，它的流动速度就愈慢。 第三章近距离双线隧道洞口通风相互影响的数值模拟 图3 1 6 无进风隧道影响时洞口气流的扩散 当相邻隧道的间距较小时，排风洞口的气流各进风洞的气必将会相遇 而发生相互作用。排风洞口附近存在的高压区和进风洞口附近存着的低压 区是引起这种相互作用的内在原因。排风气流和避风气流的相互作用使排 风气流的流动状态发生了改变，排风射流的轴线向进风洞口的方向发生了 偏转。 对于排风洞口的气流，速度愈高，愈不易发散从而不易受进风洞1 ：3 的 负压区域的作用；相反的进风洞的气流速度愈高，在洞口处形成的低压区 域范围也就趣大，从而更加能够影响排风洞气流的流动。类似的两相邻隧 道闻距的加大也能够使排风气流远离迸风洞口的负压区域的作用而不发生 改变。 由计算结果及式( 3 4 8 ) 可知，固定排风速度，改变进风速度时，风速 对洞口循环风扩散的影响表现为污染风混入比例随进风风速的加大而减 小。这也能从洞口循环风扩散特征上看出。当排风速度为3 o m s ，进风速 度分别为1 0 、3 0 、5 0 、7 0 、9 o m