特長(zhǎng)公路隧道聯(lián)絡(luò)風(fēng)道的通風(fēng)方案優(yōu)化

杜江林，王宇皓，周雄華，高世軍

（1．四川川交路橋有限責(zé)任公司，四川 廣漢 618300；2．西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3．四川巴陜高速公路有限責(zé)任公司，四川 成都 610041；4．四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610041）

0 引 言

隨著高等級(jí)公路的快速發(fā)展，公路隧道的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，但目前仍存在著制約特長(zhǎng)公路隧道發(fā)展的諸多因素，其中特長(zhǎng)隧道的運(yùn)營(yíng)通風(fēng)是一個(gè)迫切需要解決的主要問(wèn)題。

由于正洞與豎井之間的聯(lián)絡(luò)風(fēng)道在較短距離內(nèi)出現(xiàn)變形（彎曲、折曲、突擴(kuò)、突縮等），其通風(fēng)壓力損失非常大，因此有必要對(duì)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道局部通風(fēng)效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，進(jìn)而尋找減少局部通風(fēng)壓力損失的有效措施，以達(dá)到節(jié)約能耗的目的［1－5］。

本文以米倉(cāng)山特長(zhǎng)公路隧道豎井聯(lián)絡(luò)風(fēng)道為研究對(duì)象，通過(guò)建立三維數(shù)值計(jì)算模型對(duì)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道進(jìn)行模擬，計(jì)算風(fēng)道中心面壓力和速度大小隨入洞距離的變化，從通風(fēng)風(fēng)阻的角度分析該通風(fēng)系統(tǒng)取消二襯的可能性。

1 工程背景

1．1 工程概況

米倉(cāng)山隧道位于國(guó)高網(wǎng)G69銀川至百色高速公路四川巴中至陜西漢中段川陜交界位置，穿越米倉(cāng)山國(guó)家森林公園，為左右分離式特長(zhǎng)隧道，長(zhǎng)約13．8km，設(shè)計(jì)行車(chē)速度80km·h－1，單洞雙車(chē)道凈寬10．25m，是目前西南地區(qū)最長(zhǎng)的公路隧道，如圖1所示。

隧道施工不僅存在瓦斯、硫化氫有害氣體的問(wèn)題，還面臨高地應(yīng)力巖爆等不良地質(zhì)問(wèn)題。建設(shè)單位根據(jù)米倉(cāng)山隧道環(huán)保要求、地形地質(zhì)條件并結(jié)合輔助施工的需要，擬定多種可能的營(yíng)運(yùn)通風(fēng)方案，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等綜合比較，確定采用四區(qū)段（兩端無(wú)軌運(yùn)輸斜井、中部豎井）通風(fēng)方案，如表1所示。米倉(cāng)山隧道中部豎井深約435m，地下風(fēng)機(jī)房開(kāi)挖斷面大，聯(lián)絡(luò)通道具有長(zhǎng)度長(zhǎng)、坡度陡、斷面變化復(fù)雜等特點(diǎn)，且大斷面與交叉洞室較多，如圖2所示。

圖1 米倉(cāng)山隧道地形和地質(zhì)

表1 米倉(cāng)山隧道通風(fēng)分段參數(shù)

1．2 取消聯(lián)絡(luò)風(fēng)道二襯方案

施工方在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，按目前的設(shè)計(jì)方案，即風(fēng)道采用喇叭形開(kāi)口，洞身開(kāi)挖、二襯全部采用變截面施作，施工難度大，施工速度緩慢。故施工方根據(jù)目前設(shè)計(jì)情況，并結(jié)合豎井施工揭示圍巖實(shí)際情況，提出了取消聯(lián)絡(luò)風(fēng)道二襯的解決方案。

地下聯(lián)絡(luò)風(fēng)道與地下風(fēng)機(jī)房連接處采用變截面進(jìn)行施工和支護(hù)，單邊變截面區(qū)段長(zhǎng)度為20m，在豎平面內(nèi)，聯(lián)絡(luò)風(fēng)道線型包含多個(gè)小半徑曲線，上下坡度較大。由于采用變截面以及風(fēng)道坡度問(wèn)題，開(kāi)挖施工和二襯施作都比較困難，需要單獨(dú)制作模板臺(tái)車(chē)?，F(xiàn)場(chǎng)施工豎井的開(kāi)挖揭示圍巖實(shí)際情況（Ⅱ級(jí)～Ⅲ級(jí)）好于風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)計(jì)情況（Ⅳ級(jí)），因此提出了聯(lián)絡(luò)風(fēng)道取消二襯并采用噴錨支護(hù)作為永久支護(hù)的方案，以達(dá)到減小施工難度、節(jié)約建設(shè)成本的目的。

2 數(shù)值計(jì)算

本文主要針對(duì)取消聯(lián)絡(luò)風(fēng)道二襯施工方案開(kāi)展計(jì)算分析，從通風(fēng)風(fēng)阻的角度對(duì)取消二襯的可行性進(jìn)行討論［6－8］。

取右線送風(fēng)通道風(fēng)機(jī)與隧道間變截面段為研究對(duì)象，如圖3所示。模型水平跨度為30m，包括變截面段20m以及前后各5m。建立三維模型并劃分網(wǎng)格，如圖4所示。

入口使用速度入口（Velocity－Inlet），按照隧道內(nèi)3m·s－1風(fēng)速及入口速度、入口截面積計(jì)算得到通風(fēng)量為260m3·s－1。出口采用壓力出口（Pressure－Outlet），出口壓力設(shè)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 235Pa。壁面采用固壁邊界（Wall），其中有二次襯砌及沒(méi)有二次襯砌（有初支且平整處理）的情況的粗糙度均設(shè)為0．36mm。

圖2 米倉(cāng)山隧道通風(fēng)方案示意圖

圖3 右線送風(fēng)聯(lián)絡(luò)通道縱斷面

圖4 三維模型及網(wǎng)格劃分

兩種情況下風(fēng)道中心面壓力分布如圖5所示。由壓力云圖可以看出，壓力從入口到出口逐漸減小，氣流在通過(guò)風(fēng)道時(shí)，產(chǎn)生了壓力損失。風(fēng)道風(fēng)阻越小，壓力損失就越??；反之，風(fēng)阻越大，壓力損失也越大。在保證通風(fēng)量的情況下，壓力損失越大就意味著需要更大功率的風(fēng)機(jī)，即更多能耗［9－10］。

圖5 風(fēng)道中心面壓力云圖

圖6為風(fēng)道中心面速度分布云圖，進(jìn)出口速度平均值具體見(jiàn)表2。

圖6 風(fēng)道中心面速度云圖

表2 米倉(cāng)山隧道通風(fēng)分段參數(shù)

在通風(fēng)量相同的情況下，工況1（有二襯）壓力變化明顯，工況2（無(wú)二襯）壓力變化較??；有二次襯砌的情況下，壓力損失較大，為135Pa，主要是因?yàn)榻孛娣e較沒(méi)有二襯的情況小，水力半徑小，因此風(fēng)阻較大。工況1進(jìn)出口速度較大，這是因?yàn)榻孛娣e較小，在相同通風(fēng)量的情況下流速就更大。流速大會(huì)導(dǎo)致風(fēng)道壁面的摩擦阻力增加，這也是壓力損失較大的另一個(gè)原因［11－14］。

根據(jù)本次計(jì)算的結(jié)果，可以對(duì)整條聯(lián)絡(luò)風(fēng)道的風(fēng)阻情況進(jìn)行預(yù)估，結(jié)果如表3所示。估算結(jié)果顯示，在設(shè)置襯砌的情況下（工況1），左線聯(lián)絡(luò)風(fēng)道壓力損失為585Pa，右線聯(lián)絡(luò)風(fēng)道壓力損失為837 Pa。取消二襯并對(duì)風(fēng)道壁面進(jìn)行處理后（工況2），左右線聯(lián)絡(luò)風(fēng)道的壓力損失分別減少208、298Pa，其中風(fēng)道壁面處理能減少約5%的壓力損失。

減少了壓力損失也就減少了通風(fēng)所需功率，既可以降低建設(shè)成本，使用較小功率的風(fēng)機(jī)，也可以節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，減少通風(fēng)的能源消耗［15－18］。

表3 聯(lián)絡(luò)風(fēng)道壓力損失及所需功率估算

3 結(jié) 語(yǔ)

本文討論變截面風(fēng)道取消二襯的施工方案，主要是因?yàn)椋涸谪Q井施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隧址范圍內(nèi)圍巖完整性較好，圍巖級(jí)別達(dá)到Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)，圍巖級(jí)別較高，工程性質(zhì)較好；聯(lián)絡(luò)風(fēng)道截面較小，豎井聯(lián)絡(luò)道截面變化較大，且存在很多上下坡，二襯作業(yè)時(shí)無(wú)相應(yīng)模板臺(tái)車(chē)，施工面臨較大難度。

調(diào)研目前規(guī)范條例以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)隧道工程施工實(shí)例發(fā)現(xiàn)，在圍巖級(jí)別較好的情況下，滿足一定的前提條件，可以考慮取消二襯，用噴錨支護(hù)作為永久支護(hù)。通過(guò)建立三維數(shù)值計(jì)算模型對(duì)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道進(jìn)行模擬，計(jì)算了風(fēng)道中心面壓力和速度大小隨入洞距離的變化，從通風(fēng)風(fēng)阻的角度分析了該通風(fēng)系統(tǒng)取消二襯的可能性，為后一步進(jìn)行工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

（1）取消聯(lián)絡(luò)風(fēng)道二次襯砌，會(huì)增大風(fēng)道橫截面積，減小風(fēng)速，有助于降低通風(fēng)摩擦阻力，減少壓力損失，使通風(fēng)所需功率減少約30%。

（2）風(fēng)道壁面有必要進(jìn)行平整處理，以進(jìn)一步減小摩擦阻力，預(yù)計(jì)可減少壓力損失5%左右。