一种隧道通风壁面粗糙度评定方法
【专利摘要】本发明公开了一种隧道通风壁面粗糙度评定方法，包括测定隧道的轴向方向实际开挖轮廓线和横断面实际开挖轮廓线；计算隧道通风壁面平均粗糙高度；计算轴向方向实际开挖轮廓线的粗糙常数值；根据隧道通风壁面平均粗糙高度和轴向方向粗糙常数信息，计算隧道通风壁面粗糙度。本发明根据隧道通风壁面平均粗糙高度Rh和隧道粗糙常数Rc这两个数值进而可以确定隧道通风中的壁面粗糙度，更加准确地得到隧道内部风流的风速、风量及污染物浓度分布规律，对隧道及地下工程的施工通风设计提供了指导作用，具有重要的理论意义和实用价值。
【专利说明】
一种隧道通风壁面粗糙度评定方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种隧道通风壁面粗糙度评定方法。
【背景技术】
[0002] 目前，长大隧道施工通常以钻爆法并结合无轨运输为主，施工期间通风问题成为 首要面临的一个难题，如何将污风顺利排出成为隧道快速施工的关键所在;但是在我国隧 道通风设计及施工过程中，几乎没有考虑隧道洞壁粗糙度对实际通风效果的影响，《公路隧 道通风照明设计规范》(JTJ026.1-1999)中主要以隧道内平均壁面粗糙度及隧道断面当量 直径作为通风设计主要考虑因素，并以此计算通道内沿程阻力系数;隧道壁面粗糙度是反 映隧道通风情况的重要参数，从而直接影响着长大隧道通风系统设计，因此，隧道壁面粗糙 度的评定是长大隧道通风系统设计的重中之重;但是目前对于评定隧道壁面粗糙并没有简 便有效的方法，这给隧道系统通风设计带来了很大的困难，使得隧道通风经济性与安全性 难以得到保障。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种隧道通风壁面粗糙度的评定方 法，以解决现有的隧道壁面粗糙度评定方法复杂且准确率不高的问题。
[0004] 为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
[0005] 提供一种隧道通风壁面粗糙度评定方法，包括：
[0006] 沿隧道轴向方向取η米隧道为评定段，在评定段内分别测定得到位于隧道不同位 置处的至少5条轴向方向实际开挖轮廓线和至少3个横断面实际开挖轮廓线;其中，10;
[0007] 根据轴向方向实际开挖轮廓线和横断面实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线的信 息，计算得到隧道通风壁面平均粗糙高度；
[0008] 将轴向方向实际开挖轮廓线划分为m段，分别采用正弦曲线形单元粗糙模型、方形 单元粗糙模型和三角形单元粗糙模型对每一段进行模型简化，并选取每一段的最优简化模 型；
[0009] 根据每一段的最优简化模型类型，计算得到每一段轴向方向实际开挖轮廓线对应 的粗糙常数，并根据每一段的粗糙常数信息，计算得到轴向方向实际开挖轮廓线的粗糙常 数值；
[0010] 对位于隧道不同位置处的轴向方向实际开挖轮廓线的粗糙常数值进行求和平均， 得到隧道轴向方向粗糙常数；
[0011] 根据隧道通风壁面平均粗糙高度和轴向方向粗糙常数信息，评定得到隧道通风壁 面粗糙度。
[0012] 所述沿隧道轴向方向取η米隧道为评定段，在评定段内分别测定得到位于隧道不 同位置处的轴向方向实际开挖轮廓线和横断面实际开挖轮廓线的步骤具体包括：
[0013] 沿隧道轴向方向取10米隧道为评定段，在评定段内取5条分别位于隧道拱顶、左拱 肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰位置处的轴向方向基准线，并沿上述轴向方向基准线进行测 定，得到5条轴向方向实际开挖轮廓线；
[0014] 在评定段内沿隧道横断面方向，每隔5米的距离，取一个隧道横断面进行测定，得 到3个横断面实际开挖轮廓线。
[0015] 所述根据轴向方向实际开挖轮廓线和横断面实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线 的信息，计算得到隧道通风壁面平均粗糙高度的步骤具体包括：
[0016] 根据轴向方向实际开挖轮廓线和设计开挖轮廓线包络的面积以及设计开挖轮廓 线的长度，采用如下公式计算得到位于隧道不同位置处的轴向方向平均粗糙高度以及横断 面平均粗糙高度；
[0017]
[0018] 其中，Rh为平均粗糙高度，S为实际开挖轮廓线和设计开挖轮廓线包络的面积;1为 设计开挖轮廓线的长度；
[0019] 对位于隧道不同位置处的轴向方向平均粗糙高度以及横断面平均粗糙高度进行 求和平均，得到隧道轴向方向平均粗糙高度和横断面平均粗糙高度；
[0020] 对隧道轴向方向平均粗糙高度和横断面平均粗糙高度进行求和平均，得到隧道通 风壁面平均粗糙高度。
[0021] 所述将轴向方向实际开挖轮廓线划分为m段，分别采用正弦曲线形单元粗糙模型、 方形单元粗糙模型和三角形单元粗糙模型对每一段进行模型简化，并选取每一段的最优简 化模型的步骤具体包括：
[0022] 以实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线的交点为节点，将轴向方向实际开挖轮廓线 划分为m段，每段长度为Xi，（i = l，. . .m);
[0023] 分别采用正弦曲线形单元粗糙模型、方形单元粗糙模型和三角形单元粗糙模型对 每一段进行模型简化，得到3种简化模型，采用如下公式计算筛选得到每一段的最优简化模 型；
[0024]
[0025]其中，S原为实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线的包络面积，为简化得到的三 角形单元粗糙模型与设计开挖轮廓线的包络面积，为简化得到的方形单元粗糙模型与 设计开挖轮廓线的包络面积，S??为简化得到的正弦曲线形单元粗糙模型与设计开挖轮 廓线的包络面积。
[0026]根据每一段的最优简化模型类型，计算得到每一段轴向方向实际开挖轮廓线对应 的粗糙常数，并根据每一段的粗糙常数信息，计算得到轴向方向实际开挖轮廓线的粗糙常 数值的步骤具体包括：
[0027]分别采用如下公式计算得到正弦曲线形单元粗糙模型、三角形单元粗糙模型和方 形单元粗糙模型的粗糙常数Rc;
[0028] Rcl =0 · 264+0 · 328e-(2L)/1.183
[0029] Rc2 = 0 · 327+0.341e-(2L)/2·753
[0030] Rc3 = 0 · 439+0 · 401e-(2L)/2.376
[0031] 其中，Rcl为正弦曲线形单元粗糙模型的粗糙常数，Rc2为方形单元粗糙模型的粗 糙常数，Rc3为三角形单元粗糙模型的粗糙常数;2L为粗糙间距，粗糙间距2L在数值上等于 2X i;
[0032] 根据每一段的最优简化模型类型，采用上述公式计算得到每一段轴向方向实际开 挖轮廓线对应的粗糙常数；
[0033] 根据每一段的粗糙常数信息，采用如下公式计算得到轴向方向实际开挖轮廓线的 粗糙常数值；
[0034]
[0035] 其中，η为评定段长度。
[0036]本发明的有益效果为：
[0037]通过本发明的方法得到了评定隧道通风壁面粗糙度的两个最重要的参数平均粗 糙高度Rh和粗糙常数Rc，该两个参数能够最真实、准确地反映隧道壁面的粗糙程度，并且， 评定方法简单，方便，有效地解决了目前对于隧道壁面粗糙度的评定复杂且难以确定的问 题，具有巨大的应用前景。
[0038]本发明根据隧道通风壁面平均粗糙高度Rh和隧道粗糙常数Rc这两个数值进而可 以确定隧道通风中的壁面粗糙度，更加准确地得到隧道内部风流的风速、风量及污染物浓 度分布规律，对隧道及地下工程的施工通风设计提供了指导作用，具有重要的理论意义和 实用价值。
[0039] 本发明的方法不仅弥补了目前隧道壁面粗糙度评定方法的不足，而且为隧道通风 设计提供了重要的科学依据，保证了隧道通风的经济性和安全性，具有重要的工程意义。
【附图说明】
[0040] 图1为本发明实施例的拱顶位置隧道实际开挖轮廓线图；
[0041 ]图2为本发明实施例的左拱肩位置隧道实际开挖轮廓线图；
[0042] 图3为本发明实施例的右拱肩位置隧道实际开挖轮廓线图；
[0043] 图4为本发明实施例的左拱腰位置隧道实际开挖轮廓线图；
[0044] 图5为本发明实施例的右拱腰位置隧道实际开挖轮廓线图；
[0045] 图6为本发明实施例的1号引水洞里程2+000处隧道横断面实际开挖轮廓线图； [0046]图7为本发明实施例的1号引水洞里程2+010处隧道横断面实际开挖轮廓线图； [0047]图8为本发明实施例的1号引水洞里程2+015处隧道横断面实际开挖轮廓线图； [0048]图9为正弦型单元粗糙模型示意图；
[0049] 图10为方形单元粗糙模型示意图；
[0050] 图11为三角形单元粗糙模型示意图；
[0051] 图12为隧道模型简化示意图；
[0052] 图13为本发明实施例的拱顶位置隧道实际开挖轮廓线简化后模型示意图；
[0053]图14为本发明实施例的左拱肩位置隧道实际开挖轮廓线简化后模型示意图；
[0054] 图15为本发明实施例的右拱肩位置隧道实际开挖轮廓线简化后模型示意图；
[0055] 图16为本发明实施例的左拱腰位置隧道实际开挖轮廓线简化后模型示意图；
[0056] 图17为本发明实施例的右拱腰位置隧道实际开挖轮廓线简化后模型示意图。
【具体实施方式】
[0057] 下面对本发明的【具体实施方式】进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发 明，但应该清楚，本发明不限于【具体实施方式】的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲， 只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易 见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0058]根据本发明的一个实施例，隧道通风壁面粗糙度评定方法，具体步骤如下：
[0059] (1)测量数据:在围岩条件相同的隧道段内沿隧道轴向方向取10米隧道为评定段， 在评定段内取5条分别位于拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰和右拱腰的沿轴向方向的基准线， 用全站仪测出5条沿轴向基准线方向的隧道实际开挖轮廓线，即轴向方向实际开挖轮廓线； 在评定段内从端面开始，每隔5米测出隧道横断面实际开挖轮廓线，得到3个横断面实际开 挖轮廓线；
[0060] (2)计算隧道通风壁面平均粗糙高度Rh
[0061] 根据隧道实际开挖轮廓线和设计开挖轮廓线包络的面积S以及设计开挖轮廓线的 长度1，由公式（1)分别计算得到隧道的5条轴向方向实际开挖轮廓线的平均粗糙高度和3个 横断面实际开挖轮廓线的平均粗糙高度；
[0062] 对隧道的3个横断面实际开挖轮廓线的平均粗糙高度进行求和平均得到该评定段 的隧道横断面平均粗糙高度;对5条轴向方向实际开挖轮廓线的平均粗糙高度进行求和平 均得到该评定段的隧道轴向方向平均粗糙高度；
[0063] 对隧道横断面平均粗糙高度和隧道轴向方向平均粗糙高度进行求和平均，得到该 评定段的隧道通风壁面平均粗糙高度。
[0064]
[0065] (3)隧道壁面简化
[0066] 以隧道轴向方向实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线的交点为节点，将轴向方向实 际开挖轮廓线划分为m段，每段长度为11，（1 = 1，...111)31作为粗糙模型的半波长1^，粗糙模 型最大粗糙高度h的取值小于或等于该段实际开挖轮廓线的最大粗糙高度^,(1 = 1，...， m)；
[0067]分别采用正弦曲线形单元粗糙模型、方形单元粗糙模型和三角形单元粗糙模型对 每一段进行模型简化，每段得到3种简化模型，利用公式(2)进行计算，从3种简化模型中筛 选得到每一段的最优简化模型：
[0068] (2)
[0069]其中，S原为实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线的包络面积，为简化得到的三 角形单元粗糙模型与设计开挖轮廓线的包络面积，为简化得到的方形单元粗糙模型与 设计开挖轮廓线的包络面积，S??为简化得到的正弦曲线形单元粗糙模型与设计开挖轮 廓线的包络面积。
[0070] (4)计算粗糙常数Rc
[0071]利用计算流体动力学软件Fluent和一阶指数衰减拟合相结合的方法得到正弦曲 线形单元粗糙模型、粗糙间距2L与粗糙常数值Rcl之间的计算公式(3)，方形单元粗糙模型、 粗糙间距2L与粗糙常数值Rc2之间的计算公式(4 )，三角形单元粗糙模型、粗糙间距2L与粗 糙常数值Rc3之间的计算公式(5)。
[0072] Rcl =0· 264+0.328e-(2L)/1.183 (3)
[0073] Rc2 = 0 · 327+0.341e-(2L)/2.753 (4)
[0074] Rc3 = 0.439+0.401e-(2L)/2.376 (5)
[0075] 其中，粗糙间距2L在数值上等于2Xi。
[0076] 根据每一段的最优简化模型类型，利用(3)、（4)或(5)计算得到每一段轴向方向实 际开挖轮廓线对应的粗糙常数RciQ = I，...，m);
[0077] 根据每一段的粗糙常数信息，利用公式(6)分别计算得到5条轴向方向实际开挖轮 廓线的粗糙常数值；
[0078]
[0079] 然后对5条轴向方向实际开挖轮廓线的粗糙常数值进行求和平均得到该评定段的 轴向方向粗糙常数；由于隧道通风只与轴向粗糙常数有关，故在此只计算轴向粗糙常数。
[0080] (5)评定隧道通风壁面粗糙度
[0081] 根据隧道通风壁面平均粗糙高度Rh和隧道粗糙常数Rc，采用流体动力学软件进行 隧道施工通风计算，通过输入上述两个参数，进而可以确定隧道通风模拟中的壁面粗糙度， 更加准确地得到隧道内部风流的风速、风量及污染物浓度分布规律，对隧道及地下工程的 施工通风设计提供了指导作用，具有重要的理论意义和实用价值。
[0082] 实验例
[0083]以锦屏引水隧洞1号引水洞里程2+005~2+015作为评定段，采用本发明的方法对 隧道通风壁面粗糙度进行评定的方法，包括如下步骤：
[0084] 1)数据测量:隧道评定段使用测角精度为2〃的中炜ZTS600型全站仪测定隧道实际 开挖轮廓线；对1号引水洞里程2+005~2+015中5条分别位于隧道拱顶、左拱肩、右拱肩、左 拱腰和右拱腰的沿轴向方向基准线测量其实际开挖轮廓线，得到5组测量结果如图1~图5 所示;然后从隧道的〇〇〇、〇1〇和015端面处分别测试横断面的实际开挖轮廓线，得到3组量测 结果如图6~图8所示。
[0085] 2)计算隧道通风壁面的平均粗糙高度Rh:在计算机辅助设计软件CAD中计算出隧 道实际开挖轮廓线和设计开挖轮廓线两者包络的面积S，以及设计开挖轮廓线的长度1，由 公式（1)分别计算得到隧道的5条轴向方向实际开挖轮廓线的平均粗糙高度和3个横断面实 际开挖轮廓线的平均粗糙高度；
[0086]再对隧道的3个横断面平均粗糙高度进行求和平均得到该评定段的隧道横断面平 均粗糙高度〇.222m，对5条轴向方向实际开挖轮廓线的平均粗糙高度进行求和平均得到该 评定段的隧道轴向方向平均粗糙高度〇.232m，最后对隧道横断面平均粗糙高度和隧道轴向 方向平均粗糙高度求和平均，得到该评定段的隧道通风壁面平均粗糙高度0.227m。 则
⑴
[0088] 3)隧道壁面简化:利用实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线的交点，将轴向方向实 际开挖轮廓线划分为m段，选取正弦型单元粗糙模型、方形单元粗糙模型、三角形单元粗糙 模型，分别对每一段进行简化，取每段长度 Xl(i = l，...，m)作为粗糙模型的半波长L，粗糙 模型最大粗糙高度h的取值小于或等于该段实际开挖轮廓线的最大粗糙高度= 1，...，m)，每段得到3种简化模型，利用公式(2)从3种简化模型中选取该段的最优简化模 型。
[0089]
[0090]其中，S原为实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线的包络面积，为简化得到的三 角形单元粗糙模型与设计开挖轮廓线的包络面积，为简化得到的方形单元粗糙模型与 设计开挖轮廓线的包络面积，S??为简化得到的正弦曲线形单元粗糙模型与设计开挖轮 廓线的包络面积。
[0091]图9~图11分别为正弦型单元粗糙模型、方形单元粗糙模型和三角形单元粗糙模 型示意图；图12为隧道整体模型简化示意图；图13~图17分别为拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱 腰、右拱腰的沿轴向方向基准线测量实际开挖轮廓线简化后的模型；
[0092] 4)计算粗糙常数:利用计算流体动力学软件Fluent和一阶指数衰减拟合相结合的 方法得到正弦曲线形单元粗糙模型、粗糙间距2L与粗糙常数值Rcl之间的计算公式(3)，方 形单元粗糙模型、粗糙间距2L与粗糙常数值Rc2之间的计算公式(4)，三角形单元粗糙模型、 粗糙间距2L与粗糙常数值Rc3之间的计算公式(5)。
[0093] Rcl =0· 264+0.328e-(2L)/1.183 (3)
[0094] Rc2 = 0 · 327+0.341e-(2L)/2.753 (4)
[0095] Rc3 = 0.439+0.401e-(2L)/2.376 (5)
[0096] 其中，粗糙间距2L在数值上等于2Xi。
[0097] 根据每一段的最优简化模型类型，利用公式(3)、（4)或(5)计算得到每一段对应的 粗糙常数RCl(i = l，...，m)，然后使用公式(6)分别计算得到5条轴向方向实际开挖轮廓线 的粗糙常数值;最后对5条轴向方向实际开挖轮廓线的粗糙常数值进行求和平均得到该评 定段的轴向方向粗糙常数〇. 214。
[0098] (6)
[0099] 5)评定隧道通风壁面粗糙度
[0100]根据隧道通风壁面平均粗糙高度Rh和隧道粗糙常数Rc，采用流体动力学软件进行 隧道施工通风计算，通过输入上述两个参数，进而可以确定隧道通风模拟中的壁面粗糙度， 更加准确地得到隧道内部风流的风速、风量及污染物浓度分布规律，对隧道及地下工程的 施工通风设计提供了指导作用，具有重要的理论意义和实用价值。
【主权项】
1. 一种隧道通风壁面粗糙度评定方法，其特征是，包括： 沿隧道轴向方向取n米隧道为评定段，在评定段内分别测定得到位于隧道不同位置处 的至少5条轴向方向实际开挖轮廓线和至少3个横断面实际开挖轮廓线;其中，10; 根据轴向方向实际开挖轮廓线和横断面实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线的信息，计 算得到隧道通风壁面平均粗糙高度； 将轴向方向实际开挖轮廓线划分为m段，分别采用正弦曲线形单元粗糙模型、方形单元 粗糙模型和三角形单元粗糙模型对每一段进行模型简化，并选取每一段的最优简化模型； 根据每一段的最优简化模型类型，计算得到每一段轴向方向实际开挖轮廓线对应的粗 糙常数，并根据每一段的粗糙常数信息，计算得到轴向方向实际开挖轮廓线的粗糙常数值； 对位于隧道不同位置处的轴向方向实际开挖轮廓线的粗糙常数值进行求和平均，得到 隧道轴向方向粗糙常数； 根据隧道通风壁面平均粗糙高度和轴向方向粗糙常数信息，评定得到隧道通风壁面粗 糙度。2. 根据权利要求1所述的隧道通风壁面粗糙度评定方法，其特征是，所述沿隧道轴向方 向取n米隧道为评定段，在评定段内分别测定得到位于隧道不同位置处的轴向方向实际开 挖轮廓线和横断面实际开挖轮廓线的步骤具体包括： 沿隧道轴向方向取10米隧道为评定段，在评定段内取5条分别位于隧道拱顶、左拱肩、 右拱肩、左拱腰和右拱腰位置处的轴向方向基准线，并沿上述轴向方向基准线进行测定，得 到5条轴向方向实际开挖轮廓线； 在评定段内沿隧道横断面方向，每隔5米的距离，取一个隧道横断面进行测定，得到3个 横断面实际开挖轮廓线。3. 根据权利要求1或2所述的隧道通风壁面粗糙度评定方法，其特征是，所述根据轴向 方向实际开挖轮廓线和横断面实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线的信息，计算得到隧道通 风壁面平均粗糙高度的步骤具体包括： 根据轴向方向实际开挖轮廓线和设计开挖轮廓线包络的面积以及设计开挖轮廓线的 长度，采用如下公式计算得到位于隧道不同位置处的轴向方向平均粗糙高度以及横断面平 均粗糙高度；其中，Rh为平均粗糙高度，S为实际开挖轮廓线和设计开挖轮廓线包络的面积；1为设计 开挖轮廓线的长度； 对位于隧道不同位置处的轴向方向平均粗糙高度以及横断面平均粗糙高度进行求和 平均，得到隧道轴向方向平均粗糙高度和横断面平均粗糙高度； 对隧道轴向方向平均粗糙高度和横断面平均粗糙高度进行求和平均，得到隧道通风壁 面平均粗糙高度。4. 根据权利要求1或2所述的隧道通风壁面粗糙度评定方法，其特征是，所述将轴向方 向实际开挖轮廓线划分为m段，分别采用正弦曲线形单元粗糙模型、方形单元粗糙模型和三 角形单元粗糙模型对每一段进行模型简化，并选取每一段的最优简化模型的步骤具体包 括： 以实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线的交点为节点，将轴向方向实际开挖轮廓线划分 为m段，每段长度为= 分别采用正弦曲线形单元粗糙模型、方形单元粗糙模型和三角形单元粗糙模型对每一 段进行模型简化，得到3种简化模型，采用如下公式计算筛选得到每一段的最优简化模型；其中，S原为实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线的包络面积，Ss为简化得到的三角形 单元粗糙模型与设计开挖轮廓线的包络面积，为简化得到的方形单元粗糙模型与设计 开挖轮廓线的包络面积，简化得到的正弦曲线形单元粗糙模型与设计开挖轮廓线 的包络面积。5.根据权利要求1或2所述的隧道通风壁面粗糙度评定方法，其特征是，根据每一段的 最优简化模型类型，计算得到每一段轴向方向实际开挖轮廓线对应的粗糙常数，并根据每 一段的粗糙常数信息，计算得到轴向方向实际开挖轮廓线的粗糙常数值的步骤具体包括： 根据每一段的最优简化模型类型，采用如下公式计算得到每一段轴向方向实际开挖轮 廓线对应的粗糙常数； Rcl = 0 ? 264+0 ? 328e-(2L)/1'183， Rc2 = 0 ? 327+0 ? 341e-(2L)/2.753 或 Rc3 = 0 ? 439+0 ? 401 e-(2U/2 ?376 ; 其中，Rc 1为正弦曲线形单元粗糙模型的粗糙常数，Rc2为方形单元粗糙模型的粗糙常 数，Rc3为三角形单元粗糙模型的粗糙常数;2L为粗糙间距，粗糙间距2L在数值上等于; 根据每一段的粗糙常数信息，采用如下公式计算得到轴向方向实际开挖轮廓线的粗糙 常数值；;其中，n为评定段长度。
【文档编号】G06F17/50GK106055795SQ201610380329
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】张恒, 吴瑾, 涂鹏, 林放, 王路, 孙建春, 张超, 刘效成, 陈寿根, 周泽林
【申请人】西南交通大学