虹梯關特長公路隧道施工通風節(jié)能技術(shù)

李自強，謝文強，王明年，于麗

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

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虹梯關特長公路隧道施工通風節(jié)能技術(shù)

李自強1,2，謝文強1,2，王明年1,2，于麗1,2

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

摘要:為研究長大隧道施工通風節(jié)能技術(shù)，以虹梯關特長公路隧道為工程依托，通過CFD商業(yè)軟件FLUENT建立三維模型進行有限元分析。通過調(diào)研方式計算確定特長公路隧道中施工通風控制標準及需風量，制定特長公路隧道聯(lián)合式通風方式并在風管長度、風機選型數(shù)量和風機位置等方面對通風方案進行優(yōu)化。對比分析不同工況下的有無排風機的通風效果。研究結(jié)果表明：在特長公路隧道的施工通風中，獨頭式通風不能達到良好的效果，需要采用滿足污風回流要求的聯(lián)合式通風方式。該方式能夠快速將隧道掌子面及附近區(qū)域的CO濃度稀釋至規(guī)范要求，改善洞內(nèi)通風條件，保證施工進度，節(jié)約大量人力和財力。

關鍵詞：公路隧道；施工通風；聯(lián)合式通風；數(shù)值模擬

隧道施工過程中，炸藥爆破和機械運轉(zhuǎn)等會對隧道內(nèi)的空氣產(chǎn)生污染，引起作業(yè)環(huán)境惡劣、影響施工人員健康、降低施工效率等一系列問題[1～2]。在長大隧道中這種現(xiàn)象尤為明顯，因此在特長公路隧道施工過程中選取適當?shù)耐L措施達到安全節(jié)能的目的尤為重要[3]。目前，特長公路隧道施工通風設計多依靠經(jīng)驗及規(guī)范，與工程實際結(jié)合性較差，容易造成資源浪費，達不到最佳通風效果。若能結(jié)合工程實際情況選擇適宜的通風方案并進行優(yōu)化，對通風節(jié)能、提高通風效果、加快施工進度具有重大意義。工程實踐表明，隧道施工通風問題是目前隧道施工中影響施工進度、質(zhì)量及安全的重要問題之一，目前，國內(nèi)外對隧道的施工通風已有諸多研究。劉敦文等[4]結(jié)合現(xiàn)場提出了隧道出碴過程中合理的CO濃度限值和安全連續(xù)作業(yè)時間；朔黃線雙線鐵路隧道采用單風機通風管的壓入式通風，獨頭通風長度達到2 175 m[5]；張中厚等[6]以向莆隧道為工程依托提出了綜合考慮多個因素的表格選配法，在山嶺隧道施工通風設計中具有一定針對性；李孜軍等[7]利用有限元模擬雙洞隧道獨頭掘進時CO擴散效應并提出更為合理的通風管理措施。以上研究在隧道施工通風中的污染物擴散規(guī)律、方案設計均取得了一定成果，但對如何優(yōu)化長大隧道通風設計使其快速降低污染物濃度至規(guī)范要求，實現(xiàn)通風節(jié)能技術(shù)卻研究較少。本文以虹梯關特長公路隧道為工程依托，首先通過調(diào)研確定施工通風控制標準并計算得出掌子面理論需風量，在原獨頭通風方案不能滿足通風需求的基礎上進行聯(lián)合式通風設計，再利用通用的CFD商業(yè)軟件FLUENT進行模擬，根據(jù)炮煙分布規(guī)律及特性分析以對聯(lián)合式施工通風方案進行優(yōu)化，最終在實際工程中取得了良好的應用效果，對類似長大隧道中通風節(jié)能技術(shù)的研究具有一定指導意義。

1工程背景

虹梯關隧道左線起止里程K11+088～K24+210，全長13 122 m，右線起止里程YK11+088～YK24+186，全長13 098 m。在隧道線路右側(cè)設置左右通風1和2號斜井及1號地下風機房，與正洞平面交角24°40’15”，傾角22°30’，1號斜井長745.99 m；2號斜井長745.91 m。

虹梯關隧道原通風設計中選擇比較常見的壓入式獨頭通風即雙洞同時采用壓入式通風進行施工通風。通過獨頭施工通風漏風率測試和風壓計算確定了獨頭式通風風機選用功率為220 kW的軸流風機，在最長獨頭通風時需要3臺軸流風機串聯(lián)布置。其布置形式為(圖1)：

第1階段，在0～1 km的通風工區(qū)采用1臺風機進行送風，風機布置在洞口；

第2階段，在1～2 km的通風工區(qū)采用2臺風機進行送風，風機布置在洞口；

第3階段，在3～4.5 km的通風工區(qū)由2臺風機同時送風。兩臺風機串聯(lián)布置于洞口處，1臺布置于3 km處。

圖1　虹梯關隧道獨頭式通風示意圖Fig.1 Hongtiguan tunnel single head ventilation diagram

根據(jù)現(xiàn)場施工測試調(diào)研，隧道施工至2 000 m時，隧道內(nèi)空氣質(zhì)量污濁，能見度低，在原來的通風排煙時間后不能進行測量放樣，大大制約了隧道施工進度及工程質(zhì)量。解決虹梯關長大隧道的施工通風問題成為目前施工的一大難題，因此需要結(jié)合實際重新設計施工通風方案。

2施工通風控制標準及需風量研究

2.1施工通風衛(wèi)生控制標準

通過對鐵路隧道、公路隧道、地鐵、煤礦、人民防空、工民建筑等相關行業(yè)國家現(xiàn)行規(guī)范、標準調(diào)研，并分類歸納總結(jié)各規(guī)范及標準中對有害氣體(如一氧化碳、硫化氫、一氧化氮、二氧化碳等)、溫度、濕度、粉塵等的控制標準，得到虹梯關隧道施工通風控制標準，如表1所示。

2.2施工需風量

基于虹梯關隧道鉆爆發(fā)施工的特點，在通風設計優(yōu)化時，考慮因素有炸藥爆破產(chǎn)生的有毒煙氣和粉塵等，主要分有以下幾條：1)隧道內(nèi)工作人員對新鮮空氣的需求；2)隧道內(nèi)部機車燃燒柴油所需空氣及對其尾氣的稀釋與排放；3)稀釋排除工作面內(nèi)粉塵的需求；4)稀釋排出爆破產(chǎn)生的有毒氣體，主要是CO[8～10]。詳細的施工通風設計參數(shù)見表2。

表1虹梯關隧道施工通風控制標準

Table 1 Hongtiguan tunnel construction ventilation control standard

控制對象控制標準有害氣體CO<30mg/m3CO2<0.5%氮氧化物(換算為NO2)<5mg/m3粉塵濃度每立方游離二氧化硅小于2mg溫度<28℃氧氣含量>20%新鮮空氣量>3m3/min風速主洞全斷面>0.15m/s坑道>0.25m/s

表2　通風設計參數(shù)表

分別計算以上4項考慮因素下的需風量和風管出風量，理論計算結(jié)果見表3。

綜合上述計算情況，稀釋內(nèi)燃廢氣需風量最大，取其作為隧道需風量的標準，則要求掌子面供風量至少為：2 244 m3/min；掌子面所需風管理論出風量為14.7 m/s。

3聯(lián)合式通風方案的制定

根據(jù)虹梯關隧道實際情況，制定聯(lián)合式通風方案，具體將聯(lián)合式施工通風分為兩階段。

第1階段，前2 000 m采用獨頭壓入通風技術(shù)，在橫洞口設置2臺SDF-N012.5風機，分別引入到左右洞，將新鮮空氣送至工作面，污濁空氣沿洞身排出洞外。

第2階段，從2 000 m處開始到斜井處，采用巷道式聯(lián)合通風，利用右線隧道已襯砌段作為新鮮風進口，將左、右兩線布置在洞口的風機移入到相應橫通道所在位置處；右線直接利用軸流風機，通過風管將風送至掌子面附近；左線通過布設在右線的軸流風機，將新鮮風通過風管送至掌子面。右線隧道的污風通過橫通道進入左線隧道，與左線掌子面過來的污風一同排出洞外。具體實施如圖2所示。

3.1風管長度

選擇聯(lián)合式通風方案后，需確定軸流風機的風管長度，根據(jù)不同長度下對應的主洞風機應輸出的最小有效功率并結(jié)合經(jīng)濟性與施工難易程度確定合理的風管長度，如表4所示。

表4　各風管長度下主洞風機功率

通過表4可以看出，當采用500 m風管進行供風時，施工簡單通風效果好，設備使用功率小，但是更換設備位置的頻率較高；當采用1 000 m風管進行供風時，施工簡單通風效果較好，設備使用功率稍大，更換設備的頻率較為適中；當采用1 500 m風管通風時，為了保證通風效果，導致通風機械太大，同時風管距離的增加導致漏風率增大。結(jié)合施工現(xiàn)場現(xiàn)有設備，采用1 000 m風管進行供風。

3.2風機數(shù)量及選型

結(jié)合聯(lián)合式通風特點及風管長度選擇合適的射流風機及軸流風機，射流風機選用SSFNO.14單向通風型射流式風機，具體參數(shù)如表5所示。

表5SSFNO.14型單向通風型射流式風機性能參數(shù)

Table 5 SSFNO.14 type one-way ventilation jet fan performance parameters

直徑/mm流量/(m3·s-1)軸向推力/N出口風速/(m·s-1)功率/kW升壓力/Pa120016170131.44316.6

軸流風機選用SDF(C)-No12.5型(高效風量為2 385 m3/min，全壓為5 355 Pa，電機功率為110×2 kw)可以滿足虹梯關隧道通風要求。

鑒于通風設計中單臺射流風機提升壓力為16.6 Pa，1臺就完全滿足4.5 km通風階段時所需的升壓力，同時所選用軸流風機在滿足風量的情況下，軸流風機的風壓足夠的大，能滿足升壓要求，故在實際工程中決定只采用軸流風機。

4聯(lián)合式通風方案優(yōu)化分析

通過上節(jié)分析，初步制定了聯(lián)合式施工通風方案。為了保證風機的開啟效率，保證在節(jié)約資源的前提下達到最理想的通風效果，利用FLUENT先對炮煙擴散規(guī)律的特性進行研究，同時提出了污風回流控制策略。

4.1炮煙分布規(guī)律及特性研究

4.1.1模型尺寸

有限元模型以虹梯關隧道實際尺寸為依據(jù)。具體幾何尺寸為：橫斷面面積87.02 m2，長度為4.5 km；風管直徑1.8 m。所建模型如圖3所示。

圖3　有限元模型示意圖Fig.3 Finite element model diagram

4.1.2邊界條件

采用k—ε不可壓縮紊流模型及Species Transport組分運輸模型。設置軟管進風口為速度進口，風速為17.1 m/s，進口空氣的溫度和洞外氣溫相同為280 K。隧道洞門設置為壓強出口，相對壓強為0。隧道壁面設為粗糙壁面，粗糙度常熟CK為0.6，粗糙度的厚度值Ks為0.03，壁面初始溫度290 K。

隧道內(nèi)CO初始濃度為和煙氣段CO的生成量可由公式算出，也可以經(jīng)由實測得出。本次計算采用實測值，洞內(nèi)CO排放量為2.1×10-3m3/s，質(zhì)量流速為1.0×10-4kg/m3s。

4.1.3計算結(jié)果

將模型進行CFD非穩(wěn)態(tài)計算分析，得到施工通風10，20，30和40 s 時CO濃度在開挖工作面的分布情況，如圖4所示。

(a)10 s；(b)20 s；(c)30 s；(d)40 s圖4　不同通風時間后掌子面炮煙濃度Fig.4 Blasting fume concentration in the tunnel face after different ventilation time

由圖4可知，施工通風10 s時炮煙在風流作用下沿風流方向快速遷移，進風口位置及頂部射流區(qū)內(nèi)CO濃度最低，中心渦流區(qū)內(nèi)濃度偏大，這是因為射流區(qū)風速較大，新鮮空氣的大量涌入使得上部CO濃度較低，上部CO隨風流從隧洞頂部快速稀釋。同時，掌子面回風風流攜帶CO快速排向洞外，渦流區(qū)內(nèi)CO由于受到風流回旋的作用稀釋較慢，濃度稍大。

圖4整體表現(xiàn)出隨著通風時間的增長，工作面附近CO濃度因新鮮風注入稀釋而逐漸下降。在理論需風量下，洞內(nèi)炮煙(CO)隨風流快速向洞外移動，施工通風初期，掌子面附近炮煙(CO)濃度下降相對最快，CO質(zhì)量分數(shù)在10 s內(nèi)由初始的2.193×10-3下降到1.68×10-3以下；在爆破完成后40 s時掌子面各處炮煙已經(jīng)被有效稀釋到規(guī)范標準之內(nèi)。

鑒于以上規(guī)律提取通風10 min時洞內(nèi)CO濃度分布情況如圖5所示。

圖5　通風10 min時洞內(nèi)CO濃度分布情況Fig.5 CO concentration distribution after ventilation 10 min

由圖5可以看出，隨著施工通風的不斷進行， CO濃度影響區(qū)域逐漸往洞外移動，同時洞內(nèi)排煙(CO)濃度稀釋速度開始變的緩慢，10 min左右掌子面及附近區(qū)域CO已被稀釋到衛(wèi)生規(guī)范規(guī)定50 ppm以下，為保證CO影響區(qū)進一步遠離掌子面，建議通風10 min以上可進洞施工。

4.2污風回流形式研究

聯(lián)合式施工通風中容易出現(xiàn)污風回流造成二次污染。為避免虹梯關隧道施工通風因污風回流導致通風效果下降、資源浪費，結(jié)合現(xiàn)場施工實際情況，考慮了在排風口設置排風機和不設置排風機2種情況，同時每種情況大致存在右線供風左線供風(工況1)、右線供風左線停風(工況2)、右線停風左線供風(工況3)3個工況。

4.2.1模型的建立

模型具體尺寸仍根據(jù)虹梯關隧道實際情況，如圖6建立雙洞模型進行研究。

圖6　污風回流有限元模型示意圖Fig.6 Polluted air recirculation finite element model diagram

4.2.2邊界條件及設定參數(shù)

有無排風機時隧道洞門設均置為壓強出口，相對壓強為0。隧道壁面設為粗糙壁面，粗糙度常熟CK為0.5，粗糙度的厚度值Ks為0.01，壁面初始溫度290 K。

根據(jù)實際情況中風機進風量與出風量，得到各工況下設定參數(shù)具體如表6所示。考慮增加排風機時不同處就是在左線排風道加入了軸流風機1臺，主要起排出污風的作用。風機進出口邊界條件均設置為速度邊界條件，速度為17.6 m/s，位置距污風出口為100 m。其余邊界條件不做改變。

表6　工況參數(shù)表

4.2.3計算結(jié)果

1)無排風機計算結(jié)果

將無排風機情況的模型進行CFD計算分析。采用基于壓力的壓力—速度修正算法(SIMPLE算法)。迭代計算800次后，計算收斂，結(jié)果如圖7。

(a)工況1；(b)工況2；(c)工況3圖7　無排風機時橫通道附近壓力云圖Fig.7 Stress nephogram near cross channel without fan

由圖7可知，除風管進出口附近壓力變化較為明顯外，其余并無太大變化，同時左右線無明顯的壓差，也就不能在橫通形成明顯的空氣流動，對于排出右線污風和限制污風回流是極度不利的。

在對壓力云圖分析的基礎上，提取無排風機情況下速度云圖和速度矢量圖可以得出，3種工況下都是在進出風口處的速度較為明顯，風管出口影響下掌子面處的風速較大；掌子面污風速度在距離掌子面300 m附近速度將趨于隧道內(nèi)的平均流速，有利于污風進入橫通，排出洞外；有限元計算結(jié)果顯示將風管出口布置在左線，可以有利于右線污風沿右洞左側(cè)進入橫通道排入左線，同時左線污風沿左線左側(cè)排出洞外，減小左線污風進入右線的可能性。但是右線污風不能進入左線，左線污風部分由左線排出，部分進入右線重新被風機吸入造成二次污染。

2)有排風機計算結(jié)果

同樣采用基于壓力的壓力—速度修正算法(SIMPLE算法)對有排風機情況的模型進行CFD計算分析，迭代計算900次后計算收斂。計算結(jié)果如圖8。

(a)工況1；(b)工況2；(c)工況3圖8　有排風機時橫通道附近壓力云圖Fig.8 Stress nephogram near cross channel with fan

由圖8可以看出，與無排風機情況對比，左線壓力明顯小于右線，這種壓力差滿足了右線污風進入左線的壓力分布；壓力突變區(qū)域與無排風機情況相同，均出現(xiàn)在風機布置處；排風機附近洞口處壓力大于風機后方壓力，主要是由于大功率軸流風機的排風工作方式，出風口壓力增大，進風口壓力減小，不違背風流高壓流向低壓的定理。

通過分析有風機情況下隧道內(nèi)3種不同風機開啟情況下的速度云圖，可以得出在掌子面、風機口以及橫通道的速度流動都較為明顯；橫通道附近速度云圖顯示在橫通道附近，右線污風通過橫通道進入左線，符合控制污風回流的策略。

通過分析隧道內(nèi)隧道矢量圖，特別是橫通道附近速度矢量圖可以得到，在工況1條件下，左線污風經(jīng)左洞直接排除洞外右線污風經(jīng)過橫通道進入左線排出；工況2下，右線污風經(jīng)過橫通道進入左線排出；工況3下，左線污風直接由左洞排出；滿足了控制污風回流的要求。

對比分析后決定在虹梯關隧道聯(lián)合式通風中設置排風機進行污風回流控制。

4.3風機布置位置優(yōu)化

以上分析了隧道內(nèi)施工通風時的污風回流形式，但是2個軸流風機的布置位置同樣也影響掌子面供風效率和污風排除效果，因此本節(jié)通過數(shù)值模擬分析風機布置位置與橫通道之間距離的關系。

有限元模型與上節(jié)相同，采用有排風機的方案進行模擬，分別模擬分機布置在距離橫通道的不同距離，因為考慮到現(xiàn)場施工，風機距離橫通道太近可能導致施工不方便，故結(jié)合現(xiàn)場建議風機距離橫通道不小于30 m，本次模擬主要研究距離風機在30，50，80和100 m情況下污風回流是否滿足標準，其余邊界條件不做改變。

利用CFD計算分析不同風機位置的影響。迭代計算576次后，計算收斂。數(shù)值分析結(jié)果顯示風機安裝在距離橫通道30，50，80和100 m時風流均可隨著橫通道進入了左線，4種情況都能滿足污風回流要求。通常情況下為了節(jié)約風管，應盡量滿足風管使用越短越好，但結(jié)合虹梯關隧道實際情況，如果風機距離橫通道太近影響施工機械進出，故選擇將風機布置在距離橫通道50 m左右。

5結(jié)論

1)制定了特長公路隧道施工通風控制標準，包括有害氣體最高允許濃度值、粉塵允許濃度、氧含量、溫度，并由此計算出了掌子面最小需風量2 244 m3/min。

2)隧道爆破后進風口位置及頂部射流區(qū)內(nèi)CO濃度最低，中心渦流區(qū)內(nèi)濃度偏大。同時隨著通風時間的增長，工作面附近CO濃度逐漸下降。

3)聯(lián)合式通風中在無排風機情況下，隧道內(nèi)部除風管進出口附近，隧道其余部分壓力相差不大。左右線污風會經(jīng)過橫通道混合新鮮空氣被風機再次吸入導致掌子面均被污風污染，不能達到要求，必須在左線采用排風機或者右線采用送風機。

4)聯(lián)合式通風在有排風機情況下，左線壓力明顯小于右線，右線氣流可以進入左線并排除。若只有左線供風時，左線污風與橫通道污風交匯，產(chǎn)生渦流，影響左線污風排出，不過影響不大，可以在橫通道附近再增設一臺小型增壓風機。同時，控制好污風回流對于空壓機進洞提供了設備條件。

5)風機布置在距離橫通道50 m左右，在隧道進風道與排風道形成壓力差，右線氣流可以進入左線并排除。這樣保證了移動式空壓機組設置于左右線通風機組前并跟隨壓入式通風機組前移而前移。移動空壓機處于通風機的進風段，良好的空氣質(zhì)量及流動的空氣，為移動空壓機組的正常工作提供了必備條件。

6)基于有限元計算結(jié)果，虹梯關特長公路隧道施工通風設計對聯(lián)合式通風方案進行優(yōu)化。具體參數(shù)為：采用移動式變壓器高壓進洞供電，每個工作面配置1臺軸流風機，風機位于出口端，距最近橫通道不超過50 m，風機至出口段采用聯(lián)合通風，掌子面至風機段采用管道壓入式通風，風管長度不超過1 000 m。該設計方案在實際工程取得了很好的效果，10 min內(nèi)(規(guī)范規(guī)定為30 min)將隧道掌子面及附近區(qū)域的CO濃度稀釋至規(guī)范要求，為快速掘進提供了良好的條件。

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Ventilation energy saving technology for Hongtiguanextra-long highway tunnel constructionLI Ziqiang1,2, XIE Wenqiang1,2, WANG Mingnian1,2, YU Li1,2

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract:In order to study the ventilation energy saving technology for extra-long tunnel construction, this paper took the Hongtiguan extra-long highway tunnel as the project background and uses the CFD commercial software FLUENT to establish three-dimensional model for finite element analysis. The extra-long highway tunnel construction ventilation control standards and air airflow were calculated and determined through the investigation and research. The extra-long highway tunnel combined ventilation mode and optimize the duct length, number and type selection of fan, fan position and other aspects of ventilation scheme were set as well. Contrast analysis of the effects of different conditions with or without ventilation exhaust fan were conducted. Research results show that: head ventilation alone cannot achieve good effect in the extra-long highway tunnel construction ventilation, it needs to adopt combined ventilation mode which meet with the requirement of polluted air reflux. This way can not only quickly make the CO concentration in the tunnel face and the adjacent region diluting to the specification requirements and improve the conditions of ventilation, but also ensure the construction progress, save much manpower and financial resources.

Key words:highway tunnel; construction ventilation; combined ventilation; numerical simulation

中圖分類號：U455.1

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)04-0760-07

通訊作者：李自強(1987-)，男，重慶人，博士，從事橋梁、地下工程等領域的科研工作；E-mail：lzq1102dd@163.com

收稿日期：2015-09-24