敞開式TBM施工隧道粉塵擴散及除塵系統(tǒng)研究

徐 海

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400707)

0 引言

TBM機械開挖隧道，刀盤切削掘進面土體產(chǎn)生大量粉塵，嚴重威脅到TBM機內(nèi)施工人員的身體健康。尤其在長隧道施工過程中，獨頭通風距離過長會使送到TBM前端的風量較小，送風條件不佳，容易導致施工人員長期暴露在粉塵濃度高的作業(yè)環(huán)境中引發(fā)塵肺病等職業(yè)病。伴隨著國內(nèi)水利工程的發(fā)展，由TBM修建的超長引水隧洞越來越多，因此針對該類長隧道的敞開式TBM施工，掌握除塵通風條件下粉塵分布擴散規(guī)律是保證工程人員身體健康的基本條件。

國內(nèi)外已有學者對TBM施工隧洞粉塵分布擴散規(guī)律進行了研究。1955 年，F(xiàn)uchs[1]開創(chuàng)性地利用氣溶膠力學研究了粉塵顆粒在空氣中的受力運動，即直線、曲線、擴散等性質；2002年，劉榮華等[2]研究了壓入式通風掘進面風流流場結構，首次為正確評價掘進面作業(yè)環(huán)境提供了新的理論依據(jù)；郭春等[3]對中天山TBM隧道施工環(huán)境中的粉塵含量進行了數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試，得出施工環(huán)境中粉塵的分布規(guī)律；姚大偉[4]對TBM通風除塵和其他配套設備在隧道掘進機施工中的應用進行了詳細的介紹；胡宜[5]采用CFD軟件建立了通風除塵系統(tǒng)數(shù)值模型，研究了通風除塵管道壓風口位置、吸風口位置、壓吸比等不同參數(shù)條件下隧道內(nèi)粉塵與溫度場分布規(guī)律；曹正卯等[6]利用流體計算軟件FLUENT對敞開式TBM掘進面附近的流場進行模擬，得到敞開式TBM內(nèi)粉塵濃度分布規(guī)律，與現(xiàn)場實測結果進行了比較。此外，國內(nèi)其他科研人員針對礦井綜采掘進面的粉塵分布擴散規(guī)律進行了大量研究[7-15]。這些研究成果對研究超長TBM 施工隧道粉塵分布擴散均有重要的意義，但針對除塵系統(tǒng)對粉塵分布擴散影響的研究還較少。

因此，本文以引漢濟渭秦嶺隧洞敞開式TBM施工為例，采用三維數(shù)值計算軟件FLUENT，對不同圍巖產(chǎn)塵量、不同除塵風速和不同除塵管位置下隧洞內(nèi)粉塵分布擴散規(guī)律進行計算和分析，以期得到敞開式TBM施工隧洞粉塵分布擴散規(guī)律，用以指導施工現(xiàn)場除塵系統(tǒng)布置，優(yōu)化施工環(huán)境，并為此類工程提供科學依據(jù)和安全保障。

1 計算模型

1.1 數(shù)學模型

TBM掘進產(chǎn)生的粉塵在空氣中的運動屬于氣固兩相流問題，處理該類問題有2種方法，歐拉-拉格朗日法和歐拉-歐拉法。本文利用大型數(shù)值計算軟件FLUENT模擬粉塵擴散。采用離散相模型(DPM) 描述顆粒的運動，離散相模型遵循歐拉-拉格朗日法。離散相模型要求顆粒構成的第二相分布在連續(xù)相中。直接對流體相求解N-S方程，離散相是通過計算流場中粒子運動得到的。離散相和流體相之間可以有動量、質量和能量的交換。在FLUENT中采用SIMPLEC算法計算連續(xù)相流場，采用Reynolds中的標準k-ε模型模擬三維湍流，創(chuàng)建離散相噴射源求解耦合流動，利用Display圖形界面來跟蹤離散相，從而得出超長TBM施工隧洞中的粉塵濃度分布。

1.2 幾何模型及網(wǎng)絡劃分

根據(jù)引漢濟渭秦嶺隧洞工程所用TBM機參數(shù)，設定隧道模型幾何尺寸：隧道斷面直徑為8 m；除塵風管直徑為0.9 m，與送風管對稱布置于隧道兩側位置，通風管道出口位于隧道出口；與此同時模擬建立TBM機主體結構，用以模擬粉塵在TBM掘進機中的擴散效果。幾何模型俯視圖，如圖1所示。

圖1 幾何模型俯視圖Fig.1 Top view of geometric model

采用適應性較強的四面體網(wǎng)格，對已建好的三維數(shù)值計算模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊長取0.5 m，風管采用邊長為0.1 m的網(wǎng)格加密劃分，局部網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 部分網(wǎng)絡劃分示意Fig.2 Schematic diagram of partial network division

1.3 邊界條件

基本計算邊界條件如下：除塵風管口為速度入口(velocity-inlet)；隧道出口為出流邊界(outflow)；粉塵噴射源為面噴射(surface)，噴射面為掘進面；粉塵材料組成為二氧化硅，密度2 320 kg/m3，粉塵粒徑采用R-R分布函數(shù)，平均粒徑為2 μm；隧道底部的DPM邊界設置為trap，除塵風管與隧道出口DPM邊界為escape，其余壁面均為reflect。

2 模型驗證

2.1 工程實例概況

引漢濟渭秦嶺隧洞采用敞開式TBM(Herrenknecht s-795)進行施工，隧道直徑為8 m。圍巖級別為Ⅲ級，巖性為變質砂巖。地下水水量較豐富，并主要為裂隙水。依據(jù)工程現(xiàn)場實際，除塵風管與送風管布置在距離掘進面約 25 m位置處，除塵風管排風風速為15 m/s，送風風管送風風速為15 m/s，2根風管分別分布于隧道左右兩側，直徑均為0.9 m。

2.2 現(xiàn)場測試

為研究敞開式TBM內(nèi)粉塵擴散規(guī)律，對掘進機段各處粉塵濃度進行了實測。

粉塵測點豎向位于TBM操作平臺上方1.5 m縱向測線上，縱向沿TBM機身布置，基本間隔50 m，并在主控室位置處增設測點，如圖3所示。

圖3 測點布置Fig.3 Layout of measuring points

現(xiàn)場測試設備為CCZ-1000型直讀式粉塵測量儀，測試設備的量程和精度均滿足本次測試要求，測試粉塵為全塵濃度。

2.3 對比分析

參照行業(yè)衛(wèi)生標準，依據(jù)TB10204—2002《鐵路隧道施工規(guī)范》，粉塵允許濃度為空氣中含有10%以上的游離二氧化硅粉塵不得大于2 mg/m3。

將秦嶺隧洞TBM施工通風參數(shù)代入模型進行數(shù)值計算。得出結果后，取TBM機身段內(nèi)與實測對應的2條觀測線上的粉塵濃度計算值，將其與實測值比較，如圖4所示。

圖4 粉塵濃度計算值與實測值對比Fig.4 Comparison between calculated and measured dust concentration

由圖4可知，模型計算結果符合實測數(shù)據(jù)規(guī)律。由敞開式TBM的拱架作業(yè)區(qū)開始粉塵質量濃度逐漸增大，離掘進面35 m處主控室附近粉塵質量濃度達到最大值約8 mg/m3，隨著距離掘進面長度繼續(xù)增加，粉塵濃度開始降低，在約90 m后粉塵濃度在規(guī)范值以下。模擬機身尾部粉塵濃度較低，約為0 mg/m3，該段實測值較計算值稍高，為1.2 mg/m3，主要由于數(shù)值模型計算中并未考慮機身后方皮帶運渣揚塵。

3 粉塵濃度分布計算結果及分析

3.1 不同除塵風管位置下粉塵濃度分布

布置在TBM掘進機一側的除塵風管，可以根據(jù)人員及施工環(huán)境需求自由調(diào)整風管位置。根據(jù)TBM機身的結構構造，除塵風管最遠能伸入距離掘進面10 m處。依據(jù)引漢濟渭秦嶺隧洞敞開式TBM工程實際，排風口排風速度20 m/s，掘進面產(chǎn)塵量為0.000 75 kg/s，為研究洞內(nèi)粉塵質量濃度分布隨除塵風管縱向位置變化的規(guī)律，取除塵風管口距掘進面10，15，20，25和30 m位置，模擬計算不同除塵風管布置下粉塵擴散分布情況。計算得出沿隧道縱斷面取洞內(nèi)橫斷面粉塵平均質量濃度分布規(guī)律，如圖5所示。

圖5 不同風管位置下隧道縱向橫斷面粉塵平均質量濃度Fig.5 Average mass concentration of dust in longitudinal cross section of tunnel under different positions of air duct

從圖5可以看出：1)掘進面到除塵風管之間的隧道區(qū)域粉塵濃度較高，靠近掘進面附近粉塵濃度最大為122 mg/m3；隨著到掘進面距離的增加，粉塵質量濃度不斷下降，距離風管口5 m位置處粉塵質量濃度下降尤為明顯，粉塵質量濃度在除塵風管后方降低到規(guī)范限值以下，風管位置距掘進面10，15，20，25和30 m時，粉塵濃度危險區(qū)域擴散范圍分別為10，15，20，25和30 m； 2)除塵風管布置在掘進面前方30 m位置處時，洞內(nèi)粉塵含量較大，洞內(nèi)環(huán)境相對最差；風管布置在20 m位置處時，洞內(nèi)粉塵含量相對較小，洞內(nèi)環(huán)境相對最好。

與此同時，圖5中反映風管距離掘進面10 m位置處時，掘進面附近粉塵濃度較高，為分析其原因，取隧道中間縱斷面，分別提取除塵風管布置在距掘進面10 m和30 m位置處時隧道內(nèi)粉塵顆粒運動矢量，如圖6所示。

圖6 掘進面附近渦流區(qū)域Fig.6 Eddy current area around heading face

由圖6可知，風管位置距掘進面較近時，隧道內(nèi)粉塵運動由于風流作用，塵源附近形成了渦流區(qū)，粉塵難以向外擴散，所以模擬計算得出該段空氣中粉塵濃度相對較高；風管距掘進面較遠時，由掘進面產(chǎn)生的粉塵受到除塵風的影響較小，除塵效果不明顯，隧道內(nèi)空氣中的粉塵含量較大。

為保障現(xiàn)場人員身體健康，確保施工順利進行，針對TBM機身內(nèi)人員相對集中區(qū)域，分析粉塵隨時間變化規(guī)律。距掘進面8 m處的TBM支護區(qū)域，在除塵風管位置變化的情況下，斷面粉塵濃度隨時間變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7 不同風管位置下TBM支護區(qū)域平均粉塵濃度隨時間變化規(guī)律Fig.7 Variation laws of average dust concentration with time in TBM supporting area under different positions of air duct

由圖7可知：1)在TBM機開始掘進后，由刀盤切削產(chǎn)生的粉塵持續(xù)增加，在施工進行的前20 min內(nèi)，距掘進面10 m的支護區(qū)域粉塵濃度較高，不同風管布置情況下，支護區(qū)域粉塵濃度最大值均為100 mg/m3左右；2)在施工20 min后，由于除塵風機持續(xù)工作的原因，該區(qū)域的粉塵濃度有所降低且趨于穩(wěn)定，其中除塵風管布置在距掘進面20 m時，粉塵濃度穩(wěn)定在15 mg/m3左右，相比其他風管布置位置時粉塵穩(wěn)定濃度減小了近70%；3)支護區(qū)域粉塵濃度變化隨風管距離掘進面距離變化而變化的規(guī)律不強，主要由于該區(qū)域較為靠近掘進面。風管距離掘進面較近時，該區(qū)域容易形成渦流，聚集粉塵；距離掘進面較遠時，排風對掘進面附近的粉塵影響強度變?nèi)?；風管距離掘進面20 m時，該區(qū)域粉塵濃度較小。

由于隧道斷面較大，粉塵在橫斷面上分布不均。TBM掘進隧道分為上下2個工作平臺，人員在隧道橫斷面方向上活動范圍較大。因此，分別提取風管距離掘進面20 m時，不同豎向高度上的粉塵濃度觀測線，以此分析橫斷面不同區(qū)域粉塵濃度分布規(guī)律。2條測線分別為TBM上工作平臺上方1.5 m的呼吸區(qū)域以及TBM下工作平臺上方1.5 m的呼吸區(qū)域，粉塵濃度監(jiān)測結果如圖8所示。由圖8可知，TBM掘進隧道中，下層呼吸區(qū)域粉塵濃度較上層高。距離掘進面1 m處時，TBM下層1.5 m呼吸區(qū)域粉塵濃度為65 mg/m3，高于上層約25 mg/m3。下平臺呼吸區(qū)域在距離掘進面約18 m的位置處降到規(guī)范濃度以下，上平臺呼吸區(qū)域在約21 m處降到規(guī)范濃度以下。

圖8 風管距離掘進面20 m時不同觀測線上的粉塵質量濃度Fig.8 Mass concentration of dust on different observation lines when air duct was 20 m away from heading face

3.2 不同排風風速下粉塵濃度分布

排風風速主要靠除塵風機控制，針對不同的掘進機類型和粉塵環(huán)境，可以選擇不同的除塵風機以變換排風風速。依據(jù)引漢濟渭秦嶺隧洞敞開式TBM工程實際，除塵風管口布置在距掘進面25 m處，掘進面產(chǎn)塵量為0.000 75 kg/s。為研究洞內(nèi)粉塵質量濃度分布規(guī)律隨排風風速變化的情況，分別取排風口排風速度為10，15，20，25和30 m/s，模擬計算不同排風速度，洞內(nèi)橫斷面粉塵平均質量濃度分布規(guī)律，計算結果如圖9所示。

圖9 不同排風風速下隧道縱向橫斷面粉塵平均質量濃度Fig.9 Average mass concentration of dust in longitudinal cross section of tunnel under different exhaust wind speeds

由圖9可知：1)距離掘進面越近，洞內(nèi)粉塵質量濃度越高，最大濃度達到88 mg/m3；2)除塵風機對風管口10 m范圍內(nèi)的粉塵作用明顯，該區(qū)域粉塵質量濃度下降明顯，排風風速越大，粉塵濃度下降速率越快；3)不同風速條件下，粉塵濃度均在距離掘進面約25 m處下降到了規(guī)范限制以下；4)排風風速為15 m/s時，隧道沿程粉塵濃度最小，風速最大為30 m/s時，粉塵質量濃度相對較大，分析其原因應為排風風速增大使得粉塵獲得較大動能，隧道中的粉塵漂浮在空氣中的時間較長。

針對TBM機身內(nèi)人員相對集中區(qū)域，即TBM機身內(nèi)距掘進面8 m處的支護區(qū)間，分析不同排風風速下粉塵濃度空間分布規(guī)律，監(jiān)測該斷面中軸線上的粉塵濃度如圖10所示。

圖10 支護區(qū)橫斷面粉塵濃度分布變化規(guī)律Fig.10 Variation laws of dust concentration distribution in cross section of supporting area

由圖10可知：1)粉塵主要集中在隧道中下部，隨著距離隧道底部高度的提高，粉塵濃度快速逐漸降低，至隧道中上部分粉塵濃度基本達到穩(wěn)定狀態(tài)；2)排風風速為15 m/s時，支護區(qū)間斷面粉塵濃度相對較低，工程人員在TBM機內(nèi)能夠得到較好的施工環(huán)境。

3.3 不同掘進面產(chǎn)塵量下粉塵濃度分布

TBM掘進過程中，粉塵的產(chǎn)生與圍巖的種類、刀盤載荷、地質參數(shù)、隧道斷面面積等參數(shù)有關。產(chǎn)塵量主要是指單位時間內(nèi)由掘進面產(chǎn)生的粉塵總質量，以G表示，可用公式(1)進行估算：

G=c·v·A

(1)

式中：G—單位時間產(chǎn)塵量，即質量流率，kg/s；c—TBM掘進面處粉塵濃度，kg/m3；v—TBM掘進面處風速，m/s；A—TBM掘進面面積，m2。

依據(jù)引漢濟渭秦嶺隧洞工程實際，除塵風管口布置在距掘進面25 m處，排風風速為20 m/s，根據(jù)引漢濟渭秦嶺隧洞敞開式TBM工程實際，分析研究產(chǎn)塵量分別為0.000 37，0.000 75，0.001 3和0.001 5 kg/s，模擬計算產(chǎn)塵量對洞內(nèi)粉塵質量濃度的影響。取不同產(chǎn)塵量下洞內(nèi)橫斷面粉塵平均質量濃度沿程分布，如圖11所示。

圖11 不同產(chǎn)塵量下隧道縱向橫斷面粉塵平均質量濃度Fig.11 Average mass concentration of dust in longitudinal cross section of tunnel under different amounts of dust generation

由圖11可知：1)掘進面產(chǎn)塵量越大，洞內(nèi)高質量濃度粉塵分布范圍越廣；2)掘進面附近，隧洞內(nèi)掘進面產(chǎn)塵量與粉塵質量濃度對應成比例關系。產(chǎn)塵量越大，洞內(nèi)沿程粉塵濃度越大；3)不同掘進面產(chǎn)塵量下，TBM掘進面周圍粉塵質量濃度均較高。隨著到掘進面的距離增大，靠近除塵風管越近，粉塵質量濃度下降較快。不同產(chǎn)塵量下的洞內(nèi)粉塵質量均在除塵風管后方達到規(guī)范限值以下。

針對TBM機身內(nèi)人員相對集中區(qū)域，對粉塵隨時間變化規(guī)律進行分析。選擇TBM機身內(nèi)距掘進面8 m處的支護區(qū)域，在產(chǎn)塵量變化的情況下，分析該斷面粉塵濃度隨時間變化規(guī)律，如圖12所示。

圖12 不同產(chǎn)塵量下TBM支護區(qū)域粉塵濃度隨時間變化規(guī)律Fig.12 Variation laws of dust concentration in TBM supporting area with time under different amounts of dust generation

由圖12可知，不同產(chǎn)塵量下，人員集中區(qū)域的粉塵濃度隨時間的變化規(guī)律較為一致，即先增大再降低，最后保持平穩(wěn)，掘進面產(chǎn)塵量越大，40 min內(nèi)粉塵濃度越大。隧道產(chǎn)塵量大小對該區(qū)域的粉塵質量濃度影響較大，在較易產(chǎn)生粉塵的圍巖區(qū)域進行TBM施工時，需加大施工現(xiàn)場除塵力度。

4 結論

1)敞開式TBM隧道施工過程中，掘進面至除塵風管區(qū)域質量粉塵濃度較高，超過規(guī)范限值，最高可達到122 mg/m3。隨著到掘進面的距離增加，粉塵質量濃度下降，在除塵風管口后方區(qū)域，粉塵質量濃度下降到2 mg/m3以下。

2)除塵風管布置在距掘進面30 m位置處時，洞內(nèi)沿程粉塵含量相對較大；20 m位置處時洞內(nèi)沿程粉塵含量相對較?。磺页ㄩ_式TBM支護區(qū)域粉塵濃度相比其他風管布置位置時減小了近70%。

3)排風風速越大，除塵風管附近粉塵質量濃度下降速率越快。排風風速為15 m/s時，敞開式TBM支護區(qū)域粉塵質量濃度最小，30 m/s時，該區(qū)域粉塵質量濃度最大。

4)掘進面產(chǎn)塵量越大，洞內(nèi)沿程粉塵濃度越大, 敞開式TBM支護區(qū)域粉塵質量濃度越大，不同產(chǎn)塵量下洞內(nèi)粉塵濃度均在除塵風管后方達到規(guī)范限值以下。