重庆二十七号线盾构始发井通风数值模拟研究

重庆二十七号线盾构始发井通风数值模拟研究

司洪亮1，呼炜1，段望龙1，王超1，晏宏坤2，张学富2

（1. 中铁一局集团有限公司，西安 710054；2. 重庆交通大学 未来土木科技研究院，重庆 400074）

【摘要】  随着城市化进程的加快，轻轨地铁在中国城市的地位日益重要，已经成为城市公共交通系统中不可或缺的一部分，本文依托重庆二十七号线重庆站至后堡站区间项目工程，采用FLUENT数值模拟软件，分析得到了通风机流速和通风位置变化时空气气体在竖井和盾构始发井内的分布和运移特征，得到以下结论：1）通风机的不同风口速度影响整个隧道内空气流速，成正比关系，通风机位置的改变影响整个速度场在隧道横断面的分布特征。2）盾构隧道拱顶及拱顶两侧的空气流动速度明显大于拱脚及仰拱的空气流动速度。3）竖井右侧盾构隧道的通风会在竖井左侧隧道产生回流，增加了通风系统的负担。

【关键词】  流体力学；盾构隧道；通风；运移规律；数值模拟

【中图分类号】TU753               【文献标志码】  

1 引  言

随着城市化进程的加速和人口密集度的增加，对于高效、快速的城市公共交通需求也越来越迫切，对于需要深入地下进行施工的轻轨项目，竖井可以提供垂直通道，并通过通风系统，引入新鲜空气。

针对地下工程的通风，国内外相关学者利用计算流体动力学（CFD）等方法，对通风系统进行气流模拟与仿真，研究竖井内气流分布、速度场等参数，为通风系统设计和优化提供科学依据。夏长青[1]分析了城市慢行隧道通风的可选方式，提出了送风型半横向通风方式和全横向式通风方式。王砺镝[2]提出了基于数值模拟与实时监测的烟气扩散模拟方法。刘王平[3]针对高海拔地区修筑长大铁路隧道时的通风技术难题，通过实测数据计算隧道施工实际需风量，优化了施工通风方案。何晓东[4]针对新屋基特长隧道左右线需风量不同的情况，考虑取消斜井通风，并提出了互补式网络通风方案。苗荣霞[5]提出了一种基于LSTM交通流预测的模糊PID智能算法，用于改善隧道通风系统中分档控制与模糊控制的各自缺点。邓海峰[6]基于欧洲规范，依托黑山南北高速公路隧道工程，对隧道施工通风方式选取、需风量及风压计算、风机选取等展开研究。李占彪[7]通过研究选择了与超长隧洞TBM施工特点相匹配的施工通风方案和设备，以提供良好的施工环境。蒋鹏[8]选择某地下工程的指挥大厅为研究对象，利用Fluent软件建立物理模型，模拟不同送风方案下的速度场和温度场分布。综合以上内容，不同学者提出的通风方案和算法，在实际工程中得到了一定的应用和验证，能够提高施工环境的舒适性和安全性。

本文以重庆二十七号线重庆站至后堡站区间工程为依托，利用流体计算软件Fluent对该隧道进行数值建模，得出了始发井内气体的分布规律，模拟结果可为盾构始发井的通风系统参数优化提供参考，为隧道安全运营提供指导。

1工程概况

重庆二十七号线重庆站至后堡站区间隧道穿越城市核心区及长江，埋深较大，穿越范围地面建筑物较多。为满足施工工期和施工通风要求，在重庆站~后堡站区间 YCK37+187 处设置区间风井兼做始发井，风井两端各设置76m长前盲洞，区间风井位于石板坡立交东侧，斜坡地形，竖井主要位于泥岩、夹砂岩地层中，竖井深约78m。

2 计算模型建立

2.1数值模型

1）网格划分

由于隧道左线、右线沿中间壁面对称，建立隧道右线模型，对右线模型采用半结构分析如图3所示，根据始发洞左线实际尺寸建立计算模型，竖井深达78m，始发洞的长度达到76m，模型规模较大，在风管处使用局部加密处理，如图1所示。

图 1简化半结构网格模型

2）边界条件设置

始发洞风井设置为出口的压力边界，类型为pressure-outflow，相对气压设置为 0 Pa，即与大气压相同；风管进风口处设置为速度入口边界velocity-inlet，依据竖井中板处风机和隧道内二次风机连接在一起的情况，出口速度设置为5m/s、m/s、12m/s。

2.2工况设置

针对重庆站至后堡站区间始发井的通风系统，进行不同工况下的数值模拟，可以优化通风系统的运行策略，提高系统的适应性和灵活性。在模拟中，共设置9种工况如表1所示：

表 1工况设置表

3不同工况下始发井内气体运移规律

3.1盾构隧道内速度流场分析

图2描述的是不同断面盾构隧道横断面的速度场，在整个隧道断面内，拱顶及拱顶两侧的空气流动速度明显大于拱脚及仰拱的空气流动，这就意味着在断面拱顶两侧的通风效果明显要优于仰拱及拱脚处。通风风机口到竖井的这段区间内，随着通风口位置的变化，速度场的分布特征发生了显著的变化，通风风机位置的改变影响整个速度场在隧道横断面的分布特征，图3描述的是隧道不同工况条件下中轴线处空气流速随着隧道长度的变化，在不同工况下空气流速分布区间发生了改变（分别是-95m~-70m以及-95m~-50m）。

图 2不同断面始发井内速度流场图

图 3不同通风位置下盾构隧道中轴线空气流度随长度变化图

3.2空气流体在竖井及盾构隧道内整体流动特性分析

图4是竖井及盾构隧道整体结构通风的迹线图，空气主要通过底部隧道通风机口进入盾构隧道内，然后经由上部分的通风竖井排出，可以发现，通风机在盾构隧道的右部分进行通风时，随着通风机流速和通风位置的改变，对左侧盾构隧道的通风产生了极大的影响。

如图5所示，当通风机的位置一定时候，随着通风机流速的增大，盾构隧道的左侧形成的空气回流范围也不断增大，空气回流会导致部分空气在盾构隧道内循环往复，影响通风效果，使得通风系统无法有效地排除废气和污染物，增加了通风系统的负担。

图 4不同风速条件下空气流体迹线图（工况7）

图 5不同风速条件下空气流体迹线图（工况6）

4结论

本文依托重庆二十七号线重庆站至后堡站区间工程，借助有限元FLUENT软件，分析了当通风机流速和位置变化时竖井和盾构隧道内空气运移变化规律，得出以下结论：

（1）通风机不同风口速度影响整个隧道内空气流速，并成正比关系，通风风机位置的改变影响整个速度场在隧道横断面的分布特征。

（2）在通风过程中，盾构隧道拱顶及拱顶两侧的空气流动速度明显大于拱脚及仰拱的空气流动速度。

（3）竖井右侧盾构隧道的通风会在竖井左侧隧道产生回流效应，增加左侧盾构隧道空气更新的难度，可能会影响通风系统的效果，使得通风系统无法有效地排除废气和污染物，增加了通风系统的负担。

参 考 文 献

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[4]何晓东, 郑丽华, 李红等. 新屋基特长隧道互补式网络通风方案研究 [J]. 价值工程, 2024, 43 (05): 149-152.

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