0 引言

　　随着“一带一路”交通基础设施建设的发展和国家“十三五”交通运输发展规划要求，公路隧道向特长、特高和特深迅速发展。特长公路隧道为了缩短工期，多采用斜井增加工作面实现长隧短打，由于多作业面同时施工，使洞内投入的机械设备和人员增多，产生了大量有毒有害气体(CO,NO₂等)和粉尘，洞内环境污染严重，成为目前隧道施工通风中最大的难题之一。目前国内针对特长隧道的施工通风主要以压入式通风、巷道式通风和巷道式加射流风机混合通风方式居多，而针对风仓式通风方式研究较少。

　　以往铁路隧道针对特长隧道风仓式通风开展了相关研究。豆小天等^[1]对大风室接力通风在罗家理斜井的成功应用进行了详细说明;陈海锋等^[2]就长洪岭隧道现有斜井通风方案进行优化分析，提出了风仓式通风方式;辛国平^[3]从风机选型、斜井分隔高度等方面对长大隧道分隔巷道与风管联合通风技术进行了介绍;李秀春等^[4]通过数值模拟分析得出轴流风机效率最大时的风仓尺寸和风机布置形式;周水强^[5]对压入式通风和风仓接力式通风的CO浓度分布进行了数值分析，提出风仓接力式通风可有效提高通风效率;刘国平^[6]引入小风室接力通风方式，并通过工序优化和辅助通风措施的应用提高了通风效果;张恒等^[7]对特长隧道风仓接力式通风关键参数及其效果进行了研究;赵东波等^[8]对隧道隔板风道的通风原理、布置方式、适用条件和操作要点进行了详细说明;罗占夫等^[9]、黎爱清等^[10]对青藏铁路关角隧道斜井分隔的通风技术作了研究;由于采用风仓接力式通风方式的工程实例较少，可供借鉴的工程经验有限，因此有必要对特长公路隧道风仓式通风效果进行研究。

　　公路隧道不同于铁路隧道，公路隧道多以单斜井辅助双正洞施工(4个工作面)，受斜井尺寸限制，风管直径较小，各掌子面通风效率很低，风仓接力通风能解决此问题。以延崇高速公路松山隧道为工程依托，对风仓的参数进行了优化研究，采用Gambit软件建立有限元模型，导入Fluent流体力学软件进行计算，最终得出风机通风效率最佳时的风仓结构参数，为松山隧道施工通风提供指导，也可为其他特长公路隧道施工通风提供参考。

　　1 工程概况

　　延崇高速公路为2022年冬奥会的赛场联络通道，其中松山隧道是延崇高速公路控制性工程，设计全长6.829km，双向4车道。设计1号斜井全长1 099m，负责正洞3 285m施工任务，前期采用压入式通风(见图1a)，随着正洞掌子面的推进，洞内通风效果很差，二阶段计划采用风仓式通风方式(见图1b)。风仓布置形式有2种，如图2所示，通风所需轴流风机参数为:出口面积0.949 85m²，转速970r/min，流量22.2m³/s，风速23.4m/s，功率75k W。

　　2 数值计算方法

　　2.1 数值计算模型

　　采用Gambit建立风仓有限元模型并设置边界条件，所用的网格类型为Hybrid，体网格元素为六面体网格，在风仓进口周围区域网格尺寸为0.3m，靠近轴流风机1m处的区域网格尺寸局部加密至0.1m，风仓模型如图3所示(其中L为风仓长度，H为风仓高度，a为风仓隔板长度，S为风机间距，截面1为风仓内部流场云图提取截面)。

　　

　　图1 隧道两阶段通风方案 

　　 

　　

　　图2 两种风仓结构形式 

　　 

　　

　　图3 风仓模型 

　　 

　　2.2 边界条件及参数设置

　　运用流体力学计算软件Fluent计算，采用标准的k-ε双方程湍流数学模型。根据隧道实际情况，设置边界条件如下:(1)风仓内壁设置为壁面(wall)边界条件，壁面摩擦系数设置为0.015;(2)风仓进口设置为压力进口(pressure-inlet)，入口压力设置为0;(3)轴流风机壁面设置为固体边界;(4)轴流风机出口设置为速度进口边界条件(velocity-inlet)，速度值设为-23.4m/s。

　　气流进出口风向均为轴向，气流为稳定流，气体不可压缩，计算中忽略重力对气体的影响。

　　2.3 计算工况

　　主要计算分析风仓内部流场，讨论风仓尺寸、隔板长度、风机间距等参数对风机效率的影响。主要研究工况为:(1)风仓高度H对普通风仓和隔板风仓的影响;(2)风仓长度L对普通风仓和隔板风仓的影响;(3)风仓内隔板长度a;(4)风仓内风机间距S。

　　  

　　表1 风机效率分布 

　　 

　　 

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　　表1 风机效率分布

　　3 计算结果及分析

　　风机效率是轴流风机运行性能的重要参数，效率表征了能量利用和转换程度，对风机的评价和设计具有重要意义。对于不同隧道通风方式，评价其优劣性的关键指标是风机的通风效率。在风仓接力式通风中，轴流风机通风效率主要与风速、风压和风仓的几何特征有关。轴流风机的通风效率计算公式如下:

　　

　　 

　　式中:η为轴流风机的通风效率;H为风机的有效风压(Pa)，文中取总压计算;Q为风机的有效输出风量(m³/s);W为风机输入轴功率(k W);V为风机进口平均轴向风速(m/s);A为风机断面面积(m²)。

　　3.1 风仓高度对普通风仓和隔板风仓的影响

　　在研究风仓高度对风机效率的影响时，考虑到隧道施工机械所需建筑高度及风机的壁面效应，对于普通风仓而言，主要研究2,2.5m 2种高度下的轴流风机的通风效率;对于隔板风仓而言，主要研究2.5,3,4m 3种高度下的轴流风机的通风效率，风仓的长度取为20m，风机效率分布如表1所示。

　　由表1可知，对比普通风仓高度为2m和2.5m时，分析风机1和风机3的效率，前者比后者分别高3.4%和6.3%，而风机2的效率，后者比前者高1.8%，整体上看，高度为2m时，普通风仓通风效果更佳。对于隔板风仓，在风仓高度为2.5m时，轴流风机的通风效率最佳。对比两种风仓形式可看出，隔板风仓最佳高度的风机的通风效率较高，截面1处风速云图与压力云图如图4所示。

　　3.2 风仓长度对普通风仓和隔板风仓的影响

　　在探讨风仓长度对风机效率的影响时，普通风仓高度值取最佳高度2m，讨论风仓长度L分别为10,20,25,30,35,40,50,60m的最佳风机效率;隔板风仓高度取最佳高度2.5m，讨论风仓长度L分别为10,20,30,40,50,60m的最佳风机效率。风机效率如图5所示。

　　由以上风机通风效率图可看出:对于普通风仓，风机1效率总体趋势先上升后下降，并趋于平稳，长度为30m时达到最大;风机2效率先下降后上升，趋势平缓，长度为40m时达到最大;风机3效率逐渐缓慢增加，整体数值较小。综上所述，30m时风仓内风机的综合效率最佳。对于隔板风仓，风机1效率逐渐减少，趋势明显;风机2效率先增后减，风仓长度50m时为最大值;风机3效率先增后减，风仓长度20m时为最大值．综上分析，20m时隔板风仓内风机的综合效率最佳。此时截面1处速度云图和压力云图如图6所示。经过以上计算分析，普通风仓的最佳尺寸为风仓高度2m、长度30m，隔板风仓的最佳尺寸为风仓高度2.5m、长度20m。2种风仓的风机通风效率对比如表2所示。

　　

　　图4 最佳风仓高度内部流场  

　　 

　　

　　图5 风仓长度对风机效率影响  

　　 

　　  

　　表2 2种风仓的风机通风效率对比 

　　 

　　 

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　　表2 2种风仓的风机通风效率对比

　　由表2可看出，高度2.5m、长度20m的隔板风仓其风机通风效率最佳，进一步说明隔板风仓的通风效率优于普通风仓。

　　

　　图6 最佳长度的风仓内部流场 

　　 

　　3.3 隔板长度对风机通风效率的影响

　　在讨论隔板长度对风机效率的影响时，选择风机的通风效率最佳时的隔板风仓，风仓高度为2.5m、长度为20m，隔板放置于风机1和风机2之间(见图3)，讨论隔板长度为0,2,4,6,8m时的最佳风机效率，风机效率分布如图7所示。

　　

　　图7 不同隔板长度下风机效率  

　　 

　　由通风效率分布图可看出，在右侧风机间不设横隔板时，风机的通风效率最佳，设置横隔板反而会降低风机的通风效率，隔板越长对效率的减低越明显。隔板长2m时的风仓内部截面1处压力云图和速度云图如图8所示。

　　

　　图8 风仓内部流场  

　　 

　　3.4 风机间距对风机通风效率的影响

　　在讨论风机间距对风机通风效率的影响时，选择通风效率最佳的隔板风仓，风仓长度为20m、高度为2.5m，计算工况有2,3,4m，风机的通风效率分布如表3所示。

　　  

　　表3 不同风机间距下的通风效率对比 

　　 

　　 

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　　表3 不同风机间距下的通风效率对比

　　由表3可得出，当风机间距为2m时，各风机的通风效率最佳，风机间距为3,4m时，风机的通风效率略有减小，变化趋势不大，风仓内部截面1处流场云图如图9所示。

　　

　　图9 最佳风机间距下风仓内部流场 

　　 

　　4 结语

　　1)随着风仓高度的增加，2种风仓形式的风机通风效率都在减小，因此，风仓越高，风仓内风机的通风效率越小。对于普通风仓，最佳高度为2m;对于隔板风仓，最佳高度为2.5m。

　　2)对于普通风仓，风仓长度为30m时，风仓内的风机通风效率达到最佳;对于隔板风仓，风仓长度为20m时，风仓内的风机通风效率达到最佳。

　　3)隔板风仓的风机通风效率较普通风仓高，因此，隔板风仓作为最佳风仓形式。

　　4)隔板越长，风机的通风效率越低，不设隔板时的风机通风效率最高。

　　5)风机间距为2m时，风机的通风效率最佳。