基于大斷面高鐵隧道的施工通風(fēng)時間理論預(yù)測方法研究

王明年， 鄧 濤， 于 麗, *

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

0 引言

隧道施工通風(fēng)時間是指鉆爆法施工中自爆破完畢開始通風(fēng)至掌子面附近有害氣體質(zhì)量濃度降低到安全水平所需要的時間。在固定的風(fēng)管出口風(fēng)量條件下，通風(fēng)時間太短會危及作業(yè)人員安全，太長則增大了通風(fēng)費用和單循環(huán)施工作業(yè)時間。在隧道建造技術(shù)向機械化、快速化發(fā)展的今天，各施工工序作業(yè)時間的合理把控變得尤為重要[1-4]。確定合理的通風(fēng)時間，以更高效、快速施工為目的，在滿足人員安全需要的同時最大程度減少該工序的作業(yè)時間，對機械化配套的隧道快速建造技術(shù)意義明顯。

如今，隧道修建數(shù)量一直保持快速增長趨勢，結(jié)合隧道工程實際的施工通風(fēng)技術(shù)得到了廣泛的研究。賴滌泉等[5]對風(fēng)管獨頭式送風(fēng)和巷道輔助式送風(fēng)方法進行了研究，并取得了良好的應(yīng)用效果；古尊勇等[6]結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值分析方法為雪山梁特長隧道制定了合理的通風(fēng)設(shè)備選型以及通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置方案；李自強等[7]以虹梯關(guān)隧道為依托，利用數(shù)值分析方法在風(fēng)管長度、風(fēng)機選型、風(fēng)機數(shù)量和風(fēng)機位置等方面對聯(lián)合式通風(fēng)方案進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了隧道通風(fēng)的有效節(jié)能。

綜上所述，業(yè)界關(guān)于隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化方面的研究成果豐富，但針對隧道鉆爆法施工中通風(fēng)時間的研究成果相對較少?！惰F路隧道工程施工技術(shù)指南》[8]中也未對通風(fēng)時間進行相關(guān)規(guī)定，現(xiàn)場操作執(zhí)行的彈性很大，這與目前隧道機械化、標準化及信息化施工需求不匹配。鄭萬高速鐵路是國家“十二五”規(guī)劃鄭渝鐵路的重要組成部分，線路起于河南鄭州，終于重慶萬州，沿線共分布 32.5 座隧道，隧線比約為 58.4%。鄭萬全線隧道均為雙線大斷面隧道，平均開挖斷面面積約150 m2，且線上隧道基本實現(xiàn)了機械化配套施工，這對隧道的施工效率及各工序的時間把控提出了很高的要求。基于該工程背景及本課題的業(yè)界研究現(xiàn)狀，本文以鄭萬線向家灣隧道為工程依托，對一種風(fēng)管距離影響下的最少通風(fēng)時間進行研究，目的在于明確風(fēng)管距離對施工通風(fēng)時間的影響規(guī)律，提出一種基于風(fēng)管距離與風(fēng)管出口風(fēng)量的通風(fēng)時間預(yù)測方法。

1 工程概況

1.1 工程簡介

向家灣隧道位于鄭萬高速鐵路線湖北段，為雙線鐵路隧道，設(shè)計運營速度為350 km/h。該隧道采用全斷面工法開挖且施工已經(jīng)實現(xiàn)機械化配套。向家灣隧道橫向跨度達到14.7 m，隧道高度為12.23 m，斷面面積為147 m2。隧道橫斷面如圖1所示。

圖1 隧道橫斷面圖(單位： cm)

1.2 工程通風(fēng)方案

1.2.1 通風(fēng)布置

隧道施工通風(fēng)大致可以分為2個階段。第1階段通風(fēng)方案為獨頭壓入式通風(fēng)，軸流風(fēng)機位于隧道洞口，風(fēng)量通過1.8 m直徑送風(fēng)管引入至隧道掌子面附近；第2階段為巷道輔助式通風(fēng)，該階段軸流風(fēng)機位于平行導(dǎo)洞內(nèi)，風(fēng)量由1.8 m直徑風(fēng)管通過聯(lián)絡(luò)通道引入至掌子面附近，軸流風(fēng)機及聯(lián)絡(luò)通道位置會隨著掌子面的施工持續(xù)推進。2個階段通風(fēng)方案如圖2所示。

(a) 進口段

(b) 洞身段

對比2個階段通風(fēng)方案可知： 不論是進口段還是洞身段通風(fēng)，隧道掌子面附近的通風(fēng)環(huán)境是一致的。掌子面作業(yè)空間如圖3所示。

由圖3可知： 1)施工時掌子面前方45 m內(nèi)為爆破出渣的主要工作區(qū)域，也是爆破完畢后的排煙主要考慮區(qū)域； 2)該區(qū)域主要由拋渣區(qū)、挖機裝渣區(qū)和渣車裝載區(qū)組成，其中爆破拋渣距離為20 m，挖掘機與裝載機裝渣作業(yè)區(qū)域長度為10 m，渣車裝載區(qū)域長度約為15 m。

1.2.2 通風(fēng)量設(shè)計

該隧道內(nèi)最大同時作業(yè)人員數(shù)量為40人，最大同時作業(yè)內(nèi)燃機械功率為1 013 kW。綜合考慮人員新鮮風(fēng)量需求、粉塵稀釋的最小通風(fēng)風(fēng)速要求及內(nèi)燃機廢氣等[9-10]，計算得到的隧道通風(fēng)風(fēng)量設(shè)計標準如表1所示。

表1 通風(fēng)風(fēng)量控制標準

2 施工通風(fēng)時間影響因素分析

掌子面爆破開挖后會產(chǎn)生炮煙，其主要成分為CO、CO2和NOx等有毒有害氣體以及粉塵，其中CO對人體的危害性最大，故爆破后的通風(fēng)主要考慮對CO的稀釋。通風(fēng)時間即是指自爆破完畢開始通風(fēng)至掌子面附近CO質(zhì)量濃度降低到安全水平所需要的時間。通常情況下，CO的控制質(zhì)量濃度為30 mg/m3，當(dāng)必須進入時可以將標準放寬至100 mg/m3，但工作時間不得超過30 min。

根據(jù)通風(fēng)時間的定義可知，在任意通風(fēng)風(fēng)量條件下，只要通風(fēng)時間足夠長，CO質(zhì)量濃度總能被稀釋至安全水平以下。而在國內(nèi)鐵路隧道施工指南中，稀釋炮煙所需要的總通風(fēng)風(fēng)量常被視為定值，該值與炸藥用量、隧道斷面面積以及通風(fēng)長度有關(guān)。計算稀釋煙氣總風(fēng)量的經(jīng)驗公式如式(1)(沃洛寧公式的簡化變形)所示。

(1)

式中：Qb為稀釋炮煙所需要的通風(fēng)風(fēng)量，m3/min；t為通風(fēng)時間，min；G為同時爆破的炸藥量，kg；A為隧道凈空斷面面積，m2；L0為通風(fēng)長度，m，該值代表了爆破完畢后掌子面附近需要進洞作業(yè)的區(qū)域長度(結(jié)合圖3可知，該隧道L0可以取為45 m)。

向家灣隧道單次掘進進尺為3.5 m，炸藥用量為360 kg，結(jié)合隧道斷面面積可求得隧道內(nèi)稀釋CO所需風(fēng)量與通風(fēng)時間之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 理論公式下的通風(fēng)時間與通風(fēng)風(fēng)量關(guān)系曲線

Fig. 4 Curve of relationship between ventilation time and ventilation volume according to theoretical formula

利用上述經(jīng)驗公式來預(yù)測通風(fēng)時間會存在以下2個問題： 1)相關(guān)研究[11-13]表明沃洛寧推導(dǎo)礦井通風(fēng)基本理論公式時其微分方程所選取的邊界條件存在較大問題，利用該公式求解稀釋煙氣總需風(fēng)量的實際指導(dǎo)意義不大；2)即使沃洛寧公式切實可用，公式也僅適用于計算排煙總需風(fēng)量，排煙所需的通風(fēng)時間沒有切實的取值方法。實際通風(fēng)中風(fēng)由風(fēng)管流出后在隧道內(nèi)的流動狀態(tài)應(yīng)該是極為復(fù)雜的，風(fēng)管距離過小時風(fēng)流撞擊掌子面之后會產(chǎn)生回旋，這部分回旋會使部分有害氣體滯留在掌子面附近區(qū)域，且該狀態(tài)持續(xù)時間難以預(yù)測；當(dāng)風(fēng)管距離過大時風(fēng)量回旋效果會明顯降低，但是風(fēng)管風(fēng)流并不能直接作用于掌子面的污染氣體，這導(dǎo)致初期階段通風(fēng)達不到有效稀釋炮煙的目的。綜合來看，爆破煙氣質(zhì)量濃度變化與進入隧道內(nèi)的新鮮風(fēng)量以及風(fēng)管距離有著較為復(fù)雜的作用關(guān)系，采用理論公式求解得到的稀釋炮煙所需總需風(fēng)量與實際可能存在較大差異。為驗證這一點，本文假定通風(fēng)時間是受風(fēng)管距離和風(fēng)管出口風(fēng)量2個自變量影響的因變量進行分析。

3 施工通風(fēng)時間預(yù)測方法

3.1 數(shù)值分析模型

為明確風(fēng)管出口風(fēng)量與風(fēng)管距離對通風(fēng)時間的影響規(guī)律，利用CFD計算軟件FLUENT15.0對不同風(fēng)管出口風(fēng)量與風(fēng)管距離作用下的通風(fēng)效果進行分析。1D風(fēng)管距離數(shù)值計算模型如圖5所示。

計算分析一共包含1D、2D、3D、4D4種風(fēng)管距離工況。每種工況下模型長度均取二次襯砌步距200 m。模型求解采用瞬態(tài)標準k-ε湍流模型[14-15]，并開啟組分運輸方程，模型詳細參數(shù)設(shè)置如下。

1)模型采用自由網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺寸小于0.5 m。

(a) 模型整體圖

(b) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

L表示隧道內(nèi)風(fēng)管距離，m。

圖5 1D風(fēng)管距離數(shù)值計算模型

Fig. 5 Calculation model for CFD simulation of ventilation pipe distance

2)風(fēng)管出口邊界條件為風(fēng)速入口邊界(velocity inlet)；隧道遠離掌子面端為壓力出口邊界(pressure outlet)；隧道側(cè)壁采用wall邊界且各項參數(shù)保持默認。

3)為還原爆破時煙氣的生成過程，掌子面的邊界條件設(shè)置包含2個階段。

①爆破階段。將掌子面的邊界條件定義為速度入口邊界，并設(shè)置CO為單一氣體組分，煙氣釋放時間持續(xù)1 s。該持續(xù)時間內(nèi)CO送入量應(yīng)與炸藥爆破生成量保持一致。工程采用全斷面工法開挖，開挖進尺約3.5 m，單次爆破用藥量為360 kg，考慮每千克炸藥爆破時的CO生成量為40 L時，單次爆破CO總生成量為14.4 m3，對應(yīng)邊界風(fēng)速值為0.097 9 m/s。

②通風(fēng)排煙階段。將掌子面邊界條件更換為wall邊界，煙氣生成停止。

3.2 通風(fēng)時間計算分析

計算分析考慮1D、2D、3D、4D4種風(fēng)管距離，2 000、2 500、3 000、3 500 m3/min 4種風(fēng)管出口風(fēng)量，計算工況為16組。爆破完畢后，出渣機械最早進入隧道作業(yè)，根據(jù)隧道掌子面附近作業(yè)空間分布情況，出渣作業(yè)人員最大距離掌子面45 m，計算選取該斷面為監(jiān)測面。當(dāng)監(jiān)測面CO質(zhì)量濃度等于允許質(zhì)量濃度100 mg/m3時的通風(fēng)時間為最少通風(fēng)時間。

1D風(fēng)管距離，風(fēng)管出口風(fēng)量為3 500 m3/min時，掌子面附近的CO質(zhì)量濃度隨通風(fēng)時間的變化情況如圖6所示。

由圖6可知： 隨著通風(fēng)時間的增加，爆破產(chǎn)生的CO逐漸向掌子面后方移動，且CO高質(zhì)量濃度區(qū)域從拱頂位置逐漸向隧道斷面中下方移動。

圖6 掌子面附近CO質(zhì)量濃度變化情況(單位： kg/m3)

Fig. 6 Concentration variation of CO near tunnel face (unit： kg/m3)

監(jiān)測面上CO質(zhì)量濃度云圖變化情況如圖7所示。

(a) 1 min最大質(zhì)量濃度為5 215 mg/m3

(b) 5 min最大質(zhì)量濃度為775 mg/m3

(c) 10 min最大質(zhì)量濃度為691 mg/m3

(d) 17.8 min最大質(zhì)量濃度為100 mg/m3

(e) 量值對照表 (單位： kg/m3)

Fig. 7 Statistics of concentration variation of CO on monitoring cross-section

由圖7可知： 當(dāng)通風(fēng)時間達到17.8 min時，監(jiān)測面上CO最大質(zhì)量濃度為100 mg/m3，等于允許進場作業(yè)的最低質(zhì)量濃度要求。不同風(fēng)管間距、不同風(fēng)管出口風(fēng)量條件下的最少通風(fēng)時間如表2所示。

表2 通風(fēng)時間統(tǒng)計表

3.3 通風(fēng)時間預(yù)測分析

將不同風(fēng)管出口風(fēng)量下的最少通風(fēng)時間分別繪制成曲線，并對繪制成的曲線進行多項式擬合，結(jié)果如圖8所示。

圖8 通風(fēng)時間與風(fēng)管距離關(guān)系曲線

Fig. 8 Curves of relationship between ventilation time and ventilation pipe distance

由圖8可知，風(fēng)管距離與風(fēng)管出口風(fēng)量對通風(fēng)時間的影響規(guī)律如下。

1)風(fēng)管出口風(fēng)量相同時，不同的風(fēng)管距離下稀釋CO所需要的通風(fēng)時間存在差異，且風(fēng)量越小差別越顯著，這證明了通風(fēng)時間受風(fēng)管距離影響假設(shè)的正確性。

2)風(fēng)管出口風(fēng)量相同時，風(fēng)管距離越大(1D、2D、3D、4D內(nèi))，通風(fēng)時間越少，這表明對于通風(fēng)排煙而言，并不是風(fēng)管距離越小排煙越快。

3)風(fēng)管距離相同時，風(fēng)管出口風(fēng)量越大通風(fēng)時間越少，但通風(fēng)時間與風(fēng)管出口風(fēng)量間并不呈線性關(guān)系。

結(jié)合圖8曲線規(guī)律，對于任意通風(fēng)風(fēng)量，其通風(fēng)時間t與風(fēng)管距離之間關(guān)系如式(2)所示。

ti=aix2+bix+ci。

(2)

式中：ti為第i種通風(fēng)風(fēng)量下的通風(fēng)時間；ai、bi、ci分別表示第i種通風(fēng)風(fēng)量下，通風(fēng)時間與風(fēng)管距離間擬合多項式中的二次項、一次項、常數(shù)項系數(shù)；x代表風(fēng)管距離，取值為1D、2D、3D、4D。

由式(2)可知： 各擬合公式中的ai、bi、ci僅與通風(fēng)風(fēng)量有關(guān)，即ai、bi、ci可表示為如式(3)所示的通風(fēng)風(fēng)量Q的函數(shù)。

(3)

為得到函數(shù)關(guān)系f(Q)、g(Q)、h(Q)，取通風(fēng)風(fēng)量為橫坐標，將各通風(fēng)風(fēng)量對應(yīng)的擬合系數(shù)繪制成散點圖并再次進行多項式擬合，結(jié)果如圖9所示。

圖9 擬合系數(shù)與通風(fēng)風(fēng)量關(guān)系曲線

Fig. 9 Curves of relationship between fitting coefficients and ventilation volume

根據(jù)擬合結(jié)果，函數(shù)f(Q)、g(Q)、h(Q)如式(4)所示。

(4)

結(jié)合式(2)與式(4)，可以得到通風(fēng)時間預(yù)測公式如式(5)所示。

t=f(Q)x2+g(Q)x+h(Q) 。

(5)

式(5)是基于實際風(fēng)口出風(fēng)量與風(fēng)管距離2個因素的通風(fēng)時間預(yù)測方法，考慮了風(fēng)流從風(fēng)管流出后在隧道內(nèi)的實際流動狀態(tài)，認為通風(fēng)時間受風(fēng)管出口風(fēng)量與風(fēng)管距離的共同作用，而不僅取決于風(fēng)管出口風(fēng)量。

4 通風(fēng)時間預(yù)測算例

結(jié)合向家灣隧道工程實際，假定將設(shè)計風(fēng)口出風(fēng)量3 039 m3/min代入前面所推導(dǎo)的通風(fēng)時間預(yù)測式(4)和式(5)，對不同風(fēng)管距離下的通風(fēng)時間進行了預(yù)測，結(jié)果如表3所示。

表3 向家灣隧道通風(fēng)時間預(yù)測

利用數(shù)值模型對4D風(fēng)管距離工況的通風(fēng)效果進行了模擬，通風(fēng)12.2 min時監(jiān)測面的CO質(zhì)量濃度云圖如圖10所示。

圖10 預(yù)測時間下監(jiān)測面CO質(zhì)量濃度云圖(單位： kg/m3)

Fig. 10 Nephogram of concentration variation of CO in prediction time (unit： kg/m3)

由圖10可知： 通風(fēng)時間為12.2 min時監(jiān)測面上最大CO質(zhì)量濃度為96.88 mg/m3，小于允許質(zhì)量濃度值，這在一定程度上驗證了該預(yù)測方法的可行性。

5 結(jié)論與討論

1)鉆爆法施工隧道通風(fēng)時間受風(fēng)管距離與風(fēng)管出口風(fēng)量2個因素的影響。

2)風(fēng)管距離相同時，風(fēng)管出口風(fēng)量越大稀釋掌子面附近有毒氣體至容許質(zhì)量濃度所需要的時間越少，但是通風(fēng)時間與風(fēng)管出口風(fēng)量間并不呈線性關(guān)系。

3)風(fēng)管出口風(fēng)量相同時，風(fēng)管距離越大(1D、2D、3D、4D內(nèi))，通風(fēng)時間越少，這表明對于通風(fēng)排煙而言，并不是風(fēng)管距離越小排煙越快。

4)通過多項式擬合發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)時間t與風(fēng)管距離x之間關(guān)系可以表示為ti=aix2+bix+ci。

5)擬合公式中的ai、bi、ci是僅與風(fēng)管出口風(fēng)量有關(guān)的系數(shù)，通過擬合可以將各擬合系數(shù)表示為風(fēng)管出口風(fēng)量的函數(shù)，故可以將通風(fēng)時間t表達為風(fēng)管距離與風(fēng)管出口風(fēng)量的函數(shù)關(guān)系式t=f(Q)x2+g(Q)x+h(Q)。

本文研究成果結(jié)論對類似大斷面隧道工程施工通風(fēng)時間的確定具有一定的參考意義和推廣應(yīng)用價值。不過，目前的研究仍存在方法較為單一的問題，豐富研究方法、提高研究成果的準確性將是今后研究的重點方向。