高海拔隧道出渣過(guò)程CO分布分析及需風(fēng)量研究

張國(guó)梁 蔣仲安 王睿

摘 ? 要：為解決高海拔施工隧道出渣過(guò)程的排氣排放物污染，改善通風(fēng)排污效果，基于海拔環(huán)境參數(shù)變化和紊流擴(kuò)散理論，構(gòu)建了高海拔隧道氣體擴(kuò)散模型. 以海拔3 200 m的川藏鐵路某隧道為研究背景，對(duì)洞內(nèi)的環(huán)境參數(shù)和CO分布進(jìn)行測(cè)定，利用SolidWorks和ANSYS建立施工隧道掌子面出渣模型，采用Fluent中的組分輸運(yùn)方程，對(duì)不同海拔高度的有害氣體運(yùn)移規(guī)律和質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬. 結(jié)果表明，隧道中內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時(shí)，在靠近工作面迎頭位置，CO分布不均勻，極差值較大. 在靠近隧道出口方向，CO分布逐漸趨于平穩(wěn). CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨海拔的升高而增加，而CO質(zhì)量濃度卻呈相反的變化趨勢(shì). 從0 m到6 km，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升了96%;由于環(huán)境參數(shù)變化對(duì)CO質(zhì)量濃度影響的權(quán)重大于CO排放量，導(dǎo)致CO質(zhì)量濃度下降了18%. 在保證隧道內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變的條件下，需風(fēng)量隨海拔高度呈非線(xiàn)性增加. 根據(jù)得到的需風(fēng)量計(jì)算模型，在海拔3 200 m時(shí)，需風(fēng)量約為4.95 m3/（kW·min）.

關(guān)鍵詞：高海拔隧道;需風(fēng)量;氣體擴(kuò)散;內(nèi)燃機(jī)械;流體模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：U25 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Analysis of CO Distribution and Air Demand during

Slagging in High Altitude Tunnel

ZHANG Guoliang1，JIANG Zhong’an1?，WANG Rui2

（1. School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;

2. Sichuan-Tibet Railway Co，Ltd，Chengdu 610047，China）

Abstract：To solve the air pollution in the process of slagging in the high-altitude construction tunnel and improve the effect of ventilation， a high-altitude tunnel gas diffusion model was constructed based on the changes in environmental parameters at altitude and the theory of turbulence diffusion. Taking a tunnel of Sichuan-Tibet Railway at an altitude of 3 200 m as the research background， the environmental parameters and carbon monoxide （CO）concentration in the tunnel were measured. A construction tunnel slagging model was established by SolidWorks and ANSYS softwares. The component transport equation in Fluent was used to dynamically simulate the law of harmful gas migration and mass concentration distribution at different altitudes. The results show that when the internal combustion engine is operated in the tunnel， the CO distribution is uneven and the range is large near the tunnel working face head-on. Near the exit of the tunnel， the CO distribution gradually stabilized. The CO mass fraction in the tunnel increases with the increase of altitude， but the CO mass concentration shows an opposite trend. From 0 m to 6 000 m， the CO mass fraction increased by 96%， but the influence of environmental parameter changes on the CO mass concentration is more important than the CO emissions， resulting in a decrease of 18% in the CO mass concentration. As a result， the air demand increases non-linearly with altitude while keeping the CO mass fraction constant in the tunnel. According to the obtained air demand calculation model， when the altitude is 3 200 m， the air demand is about 4.95 m3/（kW·min）.

Key words：high altitude tunnel;air demand;diffusion in gases;internal combustion engines;flow simulation

隨著西部地區(qū)的快速發(fā)展，對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)的需求日益增加，川藏和青藏等高海拔地區(qū)的盤(pán)山公路已不能滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求，建設(shè)穿越大山的高海拔隧道尤為重要. 近年來(lái)，海拔超過(guò)3 km的隧道在快速增多，僅川藏鐵路全線(xiàn)設(shè)計(jì)隧道就多達(dá)198座，隧線(xiàn)比高達(dá)70.2%. 海拔升高，低壓低氧、寒冷干燥的氣候特點(diǎn)會(huì)給隧道建設(shè)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，其中施工過(guò)程中有害氣體濃度上升就是重要問(wèn)題之一.

由于地下空間工程的有限性和相對(duì)密閉性，產(chǎn)生的污染物會(huì)嚴(yán)重影響作業(yè)人員的健康安全，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下空間的空氣流動(dòng)和污染物擴(kuò)散進(jìn)行了大量研究. 國(guó)外研究較早，且主要集中于對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道和礦井的研究[1-3]. Kanaoka等[4]對(duì)施工隧道內(nèi)的風(fēng)流流動(dòng)、粉塵濃度分布和顆粒運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行模擬計(jì)算，研究了氣流速度、風(fēng)管結(jié)構(gòu)和顆粒尺寸對(duì)通風(fēng)效果的影響;Hargreaves等[5]模擬了掘進(jìn)面切割和支護(hù)作業(yè)過(guò)程對(duì)流場(chǎng)的影響. 由于近幾十年我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，對(duì)地下空間安全性的研究逐漸增多[6-8]，其中對(duì)礦井和隧道內(nèi)污染物的排放、濃度限值以及控制措施進(jìn)行了相應(yīng)的研究[9-12]. 隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法被逐漸推廣到各種工程作業(yè)的流體研究領(lǐng)域中[13-15]. 劉釗春等[16]對(duì)施工隧道內(nèi)CO隨時(shí)間的擴(kuò)散進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析. 同時(shí)，隨著大量高海拔隧道的修建，國(guó)內(nèi)對(duì)高原環(huán)境下的隧道通風(fēng)展開(kāi)了一定的研究;受限于地理環(huán)境的原因，國(guó)外對(duì)高原環(huán)境影響下的隧道通風(fēng)和污染物擴(kuò)散研究較少. 孫三祥等[17]針對(duì)不同的排氣排放位置，研究了自卸車(chē)出渣過(guò)程中CO對(duì)隧道施工環(huán)境的影響;曹正卯等[18]對(duì)不同海拔隧道內(nèi)有害氣體和粉塵的運(yùn)移特性及濃度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬分析;王峰等[19]、嚴(yán)濤等[20]對(duì)高海拔隧道施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中CO濃度變化的海拔系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析. 目前的研究主要是關(guān)于CO質(zhì)量濃度隨海拔的變化以及海拔系數(shù)的計(jì)算，對(duì)于出渣過(guò)程中CO各種濃度之間的定量分析和隨海拔變化的原因研究較少，且目前規(guī)程規(guī)定的隧道內(nèi)燃機(jī)械需風(fēng)量并沒(méi)有考慮海拔上升的影響.

本文依托川藏鐵路某在建隧道，根據(jù)海拔上升后黏性流體運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散特性變化，對(duì)不同海拔高度隧道出渣過(guò)程CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)（W

mf（CO））和質(zhì)量濃度（W

mc（CO））變化的影響因素和需風(fēng)量進(jìn)行研究，為高海拔隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1 ? 高海拔隧道內(nèi)氣體擴(kuò)散模型構(gòu)建及CO分

布測(cè)定

在高海拔地區(qū)，環(huán)境的氣壓、氣體密度、溫度和氧含量等物理參數(shù)會(huì)發(fā)生顯著變化，從而影響人員工作和設(shè)備運(yùn)行. 在高海拔地區(qū)作業(yè)，特別是隧道掘進(jìn)、礦山開(kāi)采等勞動(dòng)強(qiáng)度較大的作業(yè)種類(lèi)，必須考慮環(huán)境參數(shù)變化的影響. 考慮到溫度的變化，在大氣對(duì)流層，氣溫下降幅度約每1 000 m下降6.5 ℃，根據(jù)氣體多狀態(tài)方程，大氣壓隨海拔下降的計(jì)算公式如式（1）所示. 在常溫低壓條件下，空氣可近似看作理想氣體，符合Clapeyron方程. 隨著海拔上升，氣壓和溫度下降，氣體密度相應(yīng)降低.

p = p01 -

（1）

式中：p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，101 325 Pa;μ為空氣的摩爾質(zhì)量，29 g/mol;g為重力加速度，9.8 m/s2;R0為通用氣體常數(shù)，8.314 kJ/（kmol·K）;T為空氣的絕對(duì)溫度，K;H為海拔高度，km;根據(jù)地學(xué)基本數(shù)據(jù)手冊(cè)取n =1.234 962.

在開(kāi)闊環(huán)境中氧氣的體積分?jǐn)?shù)始終為20.9%，不隨海拔高度變化，氧分壓為0.209p. 當(dāng)大氣壓隨海拔升高而降低后，氧分壓和氧含量會(huì)相應(yīng)降低，出現(xiàn)缺氧癥狀. 同時(shí)，在有限空間內(nèi)，由于氧含量下降，內(nèi)燃機(jī)械燃燒不充分，機(jī)動(dòng)車(chē)產(chǎn)生的有害氣體增多，特別是CO和氮氧化物，會(huì)嚴(yán)重影響作業(yè)安全.

1.1 ? 高海拔隧道內(nèi)氣體擴(kuò)散模型構(gòu)建

在隨流擴(kuò)散條件下，施工隧道掌子面有害氣體的運(yùn)動(dòng)，除了分子擴(kuò)散，還存在紊流擴(kuò)散和沿隧道走向的縱向彌散，導(dǎo)致氣體會(huì)沿橫向、縱向和豎向進(jìn)行摻混，并隨風(fēng)流充滿(mǎn)整個(gè)隧道. 由于紊流擴(kuò)散系數(shù)和彌散系數(shù)要遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散系數(shù)，所以分子擴(kuò)散系數(shù)可忽略. 其中，縱向彌散系數(shù)為Ex，紊流擴(kuò)散系數(shù)為Dx、Dy、Dz，但Ex >>Dx，結(jié)合文獻(xiàn)[21]，得到掌子面氣體擴(kuò)散微分方程為：

+vx=Ex+Dy+Dz ? ? （2）

對(duì)于隧道作業(yè)，若設(shè)定污染源為坐標(biāo)原點(diǎn)，則可求得瞬時(shí)點(diǎn)源有害氣體隨時(shí)空變化微分方程的一般解：

式中：c為空間某點(diǎn)的氣體質(zhì)量濃度，mg/m3;M為單位時(shí)間氣體的產(chǎn)生量，mg/s;v為掌子面平均風(fēng)速，m/s;t為時(shí)間，s.

根據(jù)高斯擴(kuò)散定律，研究隧道內(nèi)氣體擴(kuò)散規(guī)律，近似采用鏡像法計(jì)算氣體質(zhì)量濃度，即污染源在隧道四周有對(duì)應(yīng)的虛擬點(diǎn)源. 空間內(nèi)某點(diǎn)P（x，y，z）的氣體質(zhì)量濃度可看作是實(shí)源和虛源的疊加. 設(shè)污染源位于地面，且距左右壁面距離為l，距隧道頂部距離為h，則左右壁面鏡像的虛擬源坐標(biāo)為（0，2l，0）、（0，-2l，0），頂部虛擬源為（0，0，2h），地面的實(shí)源和虛源坐標(biāo)相同. 在紊流擴(kuò)散和縱向彌散作用下，空間任意點(diǎn)在t時(shí)刻的氣體累積質(zhì)量濃度為：

根據(jù)紊流擴(kuò)散理論[22]，在隧道傳質(zhì)過(guò)程中式（4）的紊流擴(kuò)散系數(shù)Dy、Dz和縱向彌散系數(shù)Ex分別為：

Ex = 204.937av ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

Dy = 0.356 6avRe-0.04 ? ?（6）

Dz = 0.356 6avRe-0.04 ? ?（7）

式中：a為隧道斷面水力半徑，m;α為壁面摩擦阻力系數(shù);Re為雷諾數(shù);ry、rz分別為y和z方向距隧道中心點(diǎn)距離，m.

從前面的分析可以看出：高原環(huán)境對(duì)施工隧道內(nèi)氣體擴(kuò)散模型的影響，一是由于氧含量下降，隧道內(nèi)機(jī)械設(shè)備排放的廢氣量M顯著增大;二是在紊流狀態(tài)下α = λρ/8，當(dāng)海拔升高后，空氣密度ρ下降，而流體處于紊流粗糙管區(qū)時(shí)，沿程阻力系數(shù)λ不變，因此α隨ρ同比例降低，對(duì)應(yīng)的Ex、Dy和Dz也降低. 因此，海拔上升會(huì)對(duì)隧道內(nèi)氣體擴(kuò)散產(chǎn)生明顯影響.

1.2 ? 隧道內(nèi)CO分布測(cè)定

川藏鐵路某隧道設(shè)計(jì)全長(zhǎng)21 km，入口段軌面高度3 200 m，最大埋深1 235 m，鉆爆法施工，采用無(wú)軌運(yùn)輸與皮帶結(jié)合的運(yùn)輸方式. 采用TSI多參數(shù)儀和Drager Pac5500檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)定. 其中，隧道正洞、輔助坑道和主要掌子面位置出渣時(shí)的大氣壓力、溫濕度和風(fēng)速測(cè)定結(jié)果如表1所示. 由表1可知，環(huán)境大氣壓力和密度明顯降低，僅為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的67%，導(dǎo)致隧道內(nèi)內(nèi)燃機(jī)燃燒不充分，出現(xiàn)CO質(zhì)量濃度超過(guò)規(guī)定值（30 mg/m3）、O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于20%的現(xiàn)象.

對(duì)整個(gè)施工隧道正洞、輔助坑道和掌子面的CO和O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定，共測(cè)定34個(gè)位置. 監(jiān)測(cè)得到CO高于規(guī)定值的點(diǎn)有13個(gè)，約占38.2%;O2低于規(guī)定值的點(diǎn)有10個(gè)，約29.4%，其中不符合規(guī)程的位置主要集中在隧道獨(dú)頭掘進(jìn)段. 由于機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，隧道掌子面施工環(huán)境較差，存在不適宜長(zhǎng)期作業(yè)的區(qū)域.

隧道內(nèi)污染物濃度超標(biāo)的主要原因是機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行所產(chǎn)生的排放物和爆破煙塵導(dǎo)致. 掌子面爆破后，隧道內(nèi)主要的機(jī)械設(shè)備有挖掘機(jī)、自卸車(chē)、臺(tái)車(chē)、水泥罐車(chē)和濕噴機(jī)械手等，施工過(guò)程中設(shè)備并不是一直處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài). 1#掌子面現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械設(shè)備種類(lèi)及功率如表2所示. 使用率高的設(shè)備為挖掘機(jī)和自卸車(chē)，臺(tái)車(chē)、濕噴機(jī)械手和水泥罐車(chē)的使用率較低. 最終計(jì)算得到出渣過(guò)程設(shè)備的總運(yùn)行功率約為560 kW.

《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，隧道中內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時(shí)，需風(fēng)量不小于3 m3/（kW·min）. 由于1#掌子面作業(yè)的機(jī)械設(shè)備總功率為560 kW，因此風(fēng)量應(yīng)不低于1 680 m3/min. 為滿(mǎn)足最小需風(fēng)量，調(diào)整入口風(fēng)機(jī)頻率，在掌子面風(fēng)流穩(wěn)定區(qū)對(duì)斷面風(fēng)速進(jìn)行測(cè)定，測(cè)得9個(gè)點(diǎn)的平均風(fēng)速為0.32 m/s，滿(mǎn)足需風(fēng)量要求.

為分析掌子面內(nèi)的W

mf（CO），對(duì)1#掌子面出渣時(shí)W

mf（CO）進(jìn)行測(cè)定. 測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，在隧道同一截面位置測(cè)定3個(gè)點(diǎn). 出渣10 min后，掌子面呼吸帶高度W

mf（CO）沿程變化如圖1所示. 由圖1可知，隧道同一截面位置W

mf（CO）相差較小;在掌子面掘進(jìn)段位置，由于挖掘機(jī)和自卸車(chē)的持續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致W

mf（CO）較高，最高達(dá)0.012%;在靠近掌子面出口位置，W

mf（CO）逐漸下降，但依然在0.005%左右，明顯高于規(guī)定值.

由以上實(shí)測(cè)和分析可知，對(duì)于高海拔隧道出渣過(guò)程中有害氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)及需風(fēng)量的變化需進(jìn)一步研究. 隧道內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)排氣排放物含有多種有害氣體，但CO和氮氧化物的含量較高，且對(duì)人體危害較大. 因此，施工隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)中規(guī)定，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)械產(chǎn)生的有害物質(zhì)排放的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)以稀釋CO為主，必要時(shí)考慮NO2. 因此，本文以CO為主要研究對(duì)象，對(duì)其在不同海拔下的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散進(jìn)行研究.

2 ? 施工隧道幾何模型的建立與求解

2.1 ? 幾何模型和網(wǎng)格劃分

為研究施工隧道掌子面出渣過(guò)程海拔高度對(duì)有害氣體擴(kuò)散的影響，以該隧道為背景，建立幾何模型. 為得到可靠的模擬結(jié)果，建立的模型需符合現(xiàn)場(chǎng)情況，但完全復(fù)制現(xiàn)場(chǎng)細(xì)節(jié)較難，且隧道內(nèi)有些設(shè)施和活動(dòng)對(duì)結(jié)果影響較小. 因此，在綜合考慮計(jì)算機(jī)性能和模擬精度的基礎(chǔ)上，采用SolidWorks按1 ∶ 1建立該隧道1#掌子面施工模型，如圖2所示. 隧道尺寸10 m×9 m×230 m，掘進(jìn)段附近設(shè)置一臺(tái)挖掘機(jī)和兩臺(tái)自卸車(chē)進(jìn)行出渣作業(yè);采用壓入式通風(fēng)，風(fēng)筒懸掛于隧道右側(cè)，出口距工作面迎頭30 m. 其中風(fēng)筒直徑1.8 m，距地面6 m，供風(fēng)管和供水管直徑均為0.15 m，仰拱施工段和二次襯砌澆筑臺(tái)車(chē)距迎頭分別為40 m和50 m. 將建好的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，如圖2所示.

在數(shù)值模擬試驗(yàn)中，網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證是重要的一步. 在研究不同橫向風(fēng)速下隨流氣體擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣流是影響模擬結(jié)果的主要載體，因此將風(fēng)速設(shè)定為網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證的主要參數(shù). 采用Meshing將模型劃分出3種不同數(shù)量的網(wǎng)格，即方案1（696 876）、方案2（818 326）、方案3（1 105 478）. 針對(duì)3種不同的網(wǎng)格，分別進(jìn)行獨(dú)立性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示. 由圖3可知，雖然3種方案劃分的網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量不同，但隧道內(nèi)風(fēng)速的模擬結(jié)果差異性較小，滿(mǎn)足獨(dú)立性驗(yàn)證. 考慮到計(jì)算機(jī)性能和網(wǎng)格質(zhì)量，采用方案2劃分的網(wǎng)格，其平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.84，最大為1，最小為0.70.

2.2 ? 計(jì)算模型參數(shù)和邊界條件確定

根據(jù)Fluent中湍流和組分輸運(yùn)模型的設(shè)定要求，對(duì)模擬的邊界條件和求解參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，求解在不同海拔高度和風(fēng)速下CO的運(yùn)移情況. 采用CFD-post和Origin對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行處理與分析，得出施工隧道的流場(chǎng)分布、氣體運(yùn)移軌跡和空間分布.

1）基本簡(jiǎn)化及假設(shè). ①忽略隧道內(nèi)設(shè)備、人員和圍巖與風(fēng)流的熱交換，默認(rèn)施工隧道內(nèi)風(fēng)流為低速不可壓縮流體;②排放的有害氣體在擴(kuò)散過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以及相變反應(yīng);③不考慮隧道內(nèi)人員和車(chē)輛的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)CO擴(kuò)散的影響，僅考慮固定安裝且具有特定功能的設(shè)備，車(chē)輛在模擬過(guò)程中無(wú)位移變化.

2）邊界條件. ①入口邊界：風(fēng)筒出口為速度入口，風(fēng)筒風(fēng)量為1 680 m3/min;②出口邊界：設(shè)置為自由出流（outflow）;③壁面邊界：隧道壁面采用絕熱無(wú)滑移壁面，平均粗糙高度Rh為0.09 m，粗糙常數(shù)Rc為0.6;④求解器選擇壓力基，湍流模型為Realizable k-ε，求解方法為Simple，離散格式為二階迎風(fēng).

3）初始條件. 隧道內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)排放的尾氣包含多種有害物質(zhì)，其中CO、HC和NO2對(duì)人體危害較大. 根據(jù)《車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法》，柴油機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下排放CO的限值為2.1 g/（kW·h）. 在高海拔地區(qū)由于低壓低氧環(huán)境影響，燃燒不充分，排放的有害氣體增加. 《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》中對(duì)內(nèi)燃機(jī)有害氣體排放量的海拔高度修正系數(shù)（fge）進(jìn)行了規(guī)定，見(jiàn)式（8），其中h為海拔高度（km）.

fge = h/1.8 + 7/9 ? ? ? （8）

當(dāng)隧道海拔為3 200 m時(shí)，fge約為2.56. 機(jī)械設(shè)備的總功率為560 kW，將其折合成一輛挖掘機(jī)和兩輛自卸車(chē)作業(yè)，如圖2所示. 在挖掘機(jī)和自卸車(chē)排氣管設(shè)置流量入口，CO具體排放量和功率如表3所示.

3 ? 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 ? 掌子面出渣過(guò)程CO的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散

隧道內(nèi)污染物分布與流場(chǎng)和壓力場(chǎng)密切相關(guān)， 根據(jù)隧道施工方案，對(duì)掌子面流場(chǎng)分布進(jìn)行模擬. 隧道的空氣動(dòng)力黏度分布為1.70×10-5 Pa·s，CO擴(kuò)散系數(shù)為1.74×10-5 m2/s，風(fēng)筒風(fēng)量為1 680 m3/min. 模擬得到隧道內(nèi)流線(xiàn)與風(fēng)速體如圖4所示. 由圖4可知，風(fēng)筒射流經(jīng)出口排出后，與邊界層發(fā)生動(dòng)量交換，形成錐形氣流場(chǎng);同時(shí)，向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，隨著帶動(dòng)的擾動(dòng)氣流增多，射流半徑擴(kuò)大，風(fēng)速降低. 在風(fēng)筒的另一側(cè)會(huì)形成回流區(qū)，兩種氣流相遇，發(fā)生沖擊、摻混和整合;再加上施工機(jī)械、臺(tái)車(chē)等的影響，會(huì)形成渦流，風(fēng)速分布極不均勻;但繼續(xù)向前一定距離，風(fēng)速的極差值逐漸降低;在臺(tái)車(chē)后，流場(chǎng)分布逐漸均勻，穩(wěn)定在0.30 m/s附近.

在流場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)高海拔隧道內(nèi)CO的擴(kuò)散進(jìn)行分析，模擬出渣時(shí)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣對(duì)隧道的污染效應(yīng). 采用組分輸運(yùn)模型在排氣管位置設(shè)置污染源，其中擴(kuò)散物為CO，得到CO隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示. 由圖5可知，CO由排氣管產(chǎn)生后，逐漸充滿(mǎn)整個(gè)斷面，并在橫向風(fēng)流的作用下向出口方向擴(kuò)散，約210 s后達(dá)到穩(wěn)定;由于渦流的影響，CO除了向出口方向擴(kuò)散，也會(huì)迅速充滿(mǎn)掘進(jìn)段附近區(qū)域. 挖掘機(jī)和自卸車(chē)排放的CO在自卸車(chē)前方相遇，導(dǎo)致該區(qū)域W?mf（CO）較高;且在風(fēng)筒射流的卷席作用下，CO會(huì)向右上方擴(kuò)散;通過(guò)臺(tái)車(chē)后，隨著流場(chǎng)的穩(wěn)定，CO分布也逐漸均勻.

由以上分析可知，在海拔3 200 m的環(huán)境下，由于機(jī)動(dòng)車(chē)排放量的增加和環(huán)境參數(shù)的變化，隧道內(nèi)CO的量遠(yuǎn)高于平原地區(qū). 因此，對(duì)于高原地區(qū)的在建隧道，必須考慮海拔上升后對(duì)隧道內(nèi)污染物濃度的影響，保障隧道內(nèi)長(zhǎng)期作業(yè)人員的健康與安全.

3.2 ? 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定及數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

為檢測(cè)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的同一截面呼吸帶高度的W

mf（CO）取平均值，與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7所示.

1）靠近掘進(jìn)段附近由于挖掘機(jī)和自卸車(chē)的持續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致W

mf（CO）較高，高于規(guī)定值;但沿著出口方向，W

mf（CO）逐漸下降，穩(wěn)定在0.005%附近.

2）模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果整體變化規(guī)律相近，特別是臺(tái)車(chē)到出口位置的W

mf（CO）更為相近. 但在掘進(jìn)段位置存在一定的差別，模擬結(jié)果變化幅度較大，而實(shí)測(cè)值在10 m后整體呈下降趨勢(shì).

由于臺(tái)車(chē)后側(cè)穩(wěn)定區(qū)的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本吻合，且研究主要基于穩(wěn)定區(qū)的W

mf（CO）進(jìn)行分析. 因此，在該邊界條件設(shè)置下得到的結(jié)果，可進(jìn)一步用于對(duì)其他海拔高度的研究.

3.3 ? 不同海拔施工隧道出渣時(shí)氣體擴(kuò)散情況分析

當(dāng)海拔上升時(shí)，環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化，隧道內(nèi)氣體濃度都會(huì)存在明顯差異. 選取t = 250 s時(shí)隧道內(nèi)CO分布進(jìn)行定量分析，此時(shí)CO分布達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài). 沿CO擴(kuò)散軌跡截取距迎頭距離分別為5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120、140、160、180、200和220 m共17個(gè)截面，計(jì)算其平均濃度. 模擬在1 680 m3/min風(fēng)量下，海拔分別為0、2、4和6 km環(huán)境下的W

mc（CO）和W

mf（CO）沿隧道走向的變化趨勢(shì). 不同海拔的環(huán)境參數(shù)設(shè)置如表4所示.

隧道內(nèi)CO運(yùn)移規(guī)律隨海拔高度變化的主要原因有兩個(gè). 一是海拔上升，環(huán)境壓力下降，相同質(zhì)量的有害物質(zhì)，其體積增加;二是在高原低壓低氧環(huán)境下，柴油機(jī)燃燒不充分，排放量增加. 根據(jù)以上分析，進(jìn)行模擬，得到不同海拔下W

mf（CO）和W

mc（CO）分別如圖8和圖9所示，從圖中看出：

1）隧道內(nèi)CO分布達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，不同海拔環(huán)境下，沿隧道走向的W

mf（CO）分布趨勢(shì)相近;但隨著海拔升高，其數(shù)值逐漸增大，且增大的幅度越來(lái)越快. 在隧道出口CO穩(wěn)定區(qū)，從0 m到6 km，W

mf（CO）從0.002 8%增加到0.005 5%，增加幅度R1、R2、R3分別為23%、51%和96%.

2）隧道內(nèi)W

mc（CO）沿隧道走向的變化趨勢(shì)與W

mf（CO）基本一致. 在掘進(jìn)段和襯砌支護(hù)段W

mc（CO）較大，且不穩(wěn)定;但繼續(xù)向隧道出口方向運(yùn)動(dòng)，W

mc（CO）分布逐漸趨于平穩(wěn).

3）與W

mf（CO）相反，隧道內(nèi)W

mc（CO）隨著海拔高度升高呈下降趨勢(shì). 雖然機(jī)動(dòng)車(chē)排放量增加，但由于環(huán)境壓力降低，CO體積擴(kuò)大，導(dǎo)致單位空間的CO質(zhì)量下降. 從0 m上升到6 km，W

mc（CO）下降約18%.

3.4 ? 排放量與環(huán)境參數(shù)對(duì)W

mf（CO）和W

mc（CO）的影響

根據(jù)海拔上升隧道內(nèi)CO分布的模擬結(jié)果，采用相同的方法，針對(duì)海拔上升后環(huán)境參數(shù)改變和機(jī)動(dòng)車(chē)CO排放量（MCO）增加對(duì)隧道內(nèi)有害氣體運(yùn)移規(guī)律的影響，分別模擬單因素（只改變環(huán)境參數(shù)或MCO）和多因素（同時(shí)改變環(huán)境參數(shù)和MCO）條件下，隧道內(nèi)W

mf（CO）和W

mc（CO）的空間分布規(guī)律變化. 根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)各海拔高度下不同斷面的平均濃度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)距工作面迎頭75 m后的區(qū)域變化較穩(wěn)定. 計(jì)算其與海拔0 ?m時(shí)的比例系數(shù)，并取平均值，得到如表5和圖10所示的結(jié)果.

1）只改變MCO時(shí)，隧道內(nèi)W

mf（CO）和W

mc（CO）都隨海拔上升而增加，且增加的幅度基本相同. 但在風(fēng)流的混合和稀釋作用下，其增加幅度要遠(yuǎn)小于MCO的增加幅度.

2）只改變環(huán)境參數(shù)時(shí)，隧道內(nèi)W

mf（CO）和W

mc（CO）隨海拔上升呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì);W

mf（CO）隨海拔升高呈增大趨勢(shì)，但W

mc（CO）卻呈下降趨勢(shì). 這是由于海拔上升，單位體積內(nèi)氣體的摩爾數(shù)和CO質(zhì)量下降，導(dǎo)致W

mc（CO）降低;但由于MCO固定，所以單位體積內(nèi)CO所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻在增加.

3）同時(shí)考慮環(huán)境參數(shù)和MCO變化時(shí)，隧道內(nèi)W

mf（CO）和W

mc（CO）隨海拔上升依舊呈相反的變化趨勢(shì). 這是由于MCO增加導(dǎo)致的結(jié)果，與只改變環(huán)境參數(shù)相比，隧道內(nèi)W

mc（CO）下降幅度變小，W

mf（CO）的上升幅度變大.

將模擬得到的多因素條件下W

mf（CO）和W

mc（CO）隨海拔變化的比例系數(shù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，如式（9）和式（10）.

fmf = 0.015 5 h2 + 0.053 h + 1.005 4 ? ? ? （9）

fmc = 0.002 1 h2 - 0.034 h + 0.988 7 ? ? ? （10）

4 ? 不同海拔施工隧道內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)需風(fēng)量計(jì)

算模型

在高原地區(qū)，氧分壓和氧含量下降，人體呼吸頻率變化較小. 為彌補(bǔ)氧含量的降低，人體會(huì)通過(guò)增加呼吸深度來(lái)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，即增大潮氣量. CO對(duì)人體的影響主要取決于吸入空氣中的W

mf（CO）大小. 為使吸入的CO不對(duì)人體造成傷害，應(yīng)保證環(huán)境中W

mf（CO）不超過(guò)人體承受限度. 雖然普通隧道作業(yè)規(guī)定W

mc（CO）不超過(guò)30 mg/m3;但海拔升高后，在相同質(zhì)量濃度條件下，W

mf（CO）會(huì)增加. 由前面的模擬結(jié)果可知，海拔上升后，機(jī)動(dòng)車(chē)CO排放量增加，會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)W

mf（CO）增大. 目前，為降低隧道內(nèi)空氣中有害氣體的濃度，除了在源頭進(jìn)行控制（降低機(jī)動(dòng)車(chē)排放量），主要方法是增加風(fēng)量，加強(qiáng)洞內(nèi)氣體流通.

為準(zhǔn)確得到不同海拔內(nèi)燃機(jī)作業(yè)需風(fēng)量，在各海拔環(huán)境下，保持機(jī)械設(shè)備總功率560 kW不變，在規(guī)定的3 m3/（kW·min）需風(fēng)量基礎(chǔ)上，增大風(fēng)筒入口風(fēng)量，觀察隧道內(nèi)W

mf（CO）變化;并與海拔0 m、通風(fēng)量3 m3/（kW·min）時(shí)的模擬值進(jìn)行對(duì)比. 模擬得到在海拔1 ～ 6 km環(huán)境下，不同通風(fēng)量時(shí)的隧道內(nèi)W

mf（CO）變化，如圖11所示，從圖中可以看出：

1）隨著通風(fēng)量的增加，隧道內(nèi)有害物質(zhì)的排出速率加快，導(dǎo)致穩(wěn)定狀態(tài)下的W

mf（CO）降低. 因此，可通過(guò)增加風(fēng)量解決由海拔上升引起的W

mf（CO）超標(biāo)問(wèn)題.

2）在各個(gè)海拔高度下，當(dāng)通風(fēng)量分別為3.28、3.86、4.82、5.78、7.23和8.67 m3/（kW·min）時(shí)，穩(wěn)定區(qū)的W

mf（CO）與海拔0 m、通風(fēng)量3 m3/（kW·min）條件下的模擬值大致相同，穩(wěn)定在0.003 4%附近. 在該狀態(tài)下，海拔升高，人體吸入空氣中的CO所占比例不變，不會(huì)危及隧道作業(yè)人員的安全.

根據(jù)得到的不同海拔的需風(fēng)量繪制散點(diǎn)圖，如圖12所示. 可以看到，內(nèi)燃機(jī)械的需風(fēng)量隨海拔的上升呈非線(xiàn)性增大趨勢(shì). 因此，為方便不同海拔施工隧道進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，得到任意海拔高度下的需風(fēng)量計(jì)算模型，如式（11）所示. 同時(shí)，計(jì)算得到川藏鐵路該隧道的內(nèi)燃機(jī)械需風(fēng)量應(yīng)為4.95 m3/（kW·min）.

Qh（h） = 0.120 8 h2 + 0.233 2 h + 2.963 8 ? ? ? （11）

根據(jù)得到的不同海拔隧道的需風(fēng)量進(jìn)行模擬，得到隧道W

mc（CO）變化，如圖13所示. 可以看出，當(dāng)不同海拔隧道內(nèi)W

mf（CO）保持不變時(shí)，W

mc（CO）隨海拔上升而均勻下降，從0 m到6 km，下降幅度高達(dá)50%. 考慮到CO對(duì)人體的影響主要是吸入的氣體中W

mf（CO）. 因此，為保證海拔上升后隧道內(nèi)W

mf（CO）不發(fā)生變化，同時(shí)降低通風(fēng)難度，W

mc（CO）限值不應(yīng)為定值，而應(yīng)隨海拔高度的升高而降低.

5 ? 結(jié) ? 論

1）內(nèi)燃機(jī)械產(chǎn)生的CO在橫向風(fēng)流的影響下，除了向隧道出口方向擴(kuò)散，也會(huì)擴(kuò)散到掘進(jìn)段附近，但W

mf（CO）相對(duì)較低. 在前50 m范圍內(nèi)（掘進(jìn)段和襯砌支護(hù)段），由于渦流的影響，W

mf（CO）分布不均勻，極差值較大. 但繼續(xù)向隧道出口方向運(yùn)動(dòng)，CO分布逐漸趨于平穩(wěn).

2）不同海拔環(huán)境下，沿隧道走向W

mf（CO）分布趨勢(shì)相近;海拔升高后，其數(shù)值逐漸增大，且增大的幅度越來(lái)越快. 在掌子面出口附近的CO穩(wěn)定區(qū)，從0 m到6 km，W

mf（CO）從0.002 8%增加到了0.005 5%.

3）海拔升高后，隧道內(nèi)W

mf（CO）和W

mc（CO）呈相反的變化趨勢(shì)，從0 m到6 km，W

mf（CO）上升了96%，W

mc（CO）下降18%. W

mf（CO）和W

mc（CO）發(fā)生變化的主要因素是環(huán)境參數(shù)的改變和CO排放量的增加;但環(huán)境參數(shù)的權(quán)重要大于CO排放量，導(dǎo)致雖然機(jī)動(dòng)車(chē)排放量在增加，但隧道內(nèi)的W

mc（CO）卻在下降.

4）在保證不同海拔隧道內(nèi)W

mf（CO）不變的條件下，需風(fēng)量呈非線(xiàn)性增大趨勢(shì)，其中該隧道海拔3 200 m，需風(fēng)量為4.95 m3/（kW·min）;但W

mc（CO）卻在下降，海拔從0 m到6 km，W

mc（CO）下降幅度達(dá)50%.

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收稿日期：2020-08-11

基金項(xiàng)目：中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司資助項(xiàng)目（P2019G001），China National Railway Group Co，Ltd（P2019G001）;國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51874016），National Natural Science Foundation of China（51874016）;國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016YFC0801700），National Key Research and Development Program of China （2016YFC0801700）

作者簡(jiǎn)介：張國(guó)梁（1994—），男，山西朔州人，北京科技大學(xué)博士研究生

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