考慮熱位差的特長隧道斜井反井法施工通風(fēng)研究

馬希平

（中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司 山西太原 030024）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對交通需求的急劇增加，直接推動我國隧道建設(shè)取得前所未有的成就，但由于我國地質(zhì)條件的復(fù)雜性，加之線路線形的確定，不可避免地涌現(xiàn)出大量特長隧道的工程案例［1］。在特長隧道修建過程中，斜井施工也是其中關(guān)鍵的一環(huán)，斜井反井法施工在當(dāng)前得到大量推廣及應(yīng)用，其施工通風(fēng)問題也隨之得到各界學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究。

斜井反井法施工，是從主洞與斜井交叉口向斜井洞口方向掘進(jìn)的施工方法［2］。在斜井掘進(jìn)過程中，洞內(nèi)污染氣體、煙塵等有害氣體沿斜井縱坡向上匯集，破壞洞內(nèi)施工環(huán)境。同時，掌子面位置要高于交叉口，存在高程差，且掌子面附近因機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)而導(dǎo)致空氣溫度較高，致使交叉口與掌子面存在熱位差，對洞內(nèi)的風(fēng)流造成影響，增加了通風(fēng)難度［3－5］。因此，有必要對反井法施工過程中通風(fēng)問題進(jìn)行研究，保證洞內(nèi)施工空氣質(zhì)量，進(jìn)而保障隧道施工安全。

本文依托雅康高速公路二郎山特長隧道，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，在考慮熱位差的條件下，研究熱位差對斜井反井法施工通風(fēng)的影響，并對反井法施工通風(fēng)阻力計算公式進(jìn)行修正，研究成果可為隧道施工過程中的施工通風(fēng)提供參考和經(jīng)驗。

2 依托工程概況

二郎山特長隧道是雅安至康定高速公路重點控制性工程，隧道長約13.4 km。采用四斜井三區(qū)段分段縱向式通風(fēng)［6］，康定端排風(fēng)斜井長1 734 m，康定端送風(fēng)斜井長1 716 m，坡度分別為11.09%和10.56%。斜井與主洞交叉口距離左洞、右洞洞口分別為4 484.2 m、4 445 m。斜井采用獨頭壓入式通風(fēng)［7］，斜井左、右線各配置1臺軸流風(fēng)機(jī)、兩臺軸流風(fēng)機(jī)，均放置在與主洞右線相連的聯(lián)絡(luò)風(fēng)道內(nèi)，并在與主洞左線相連的聯(lián)絡(luò)風(fēng)道內(nèi)設(shè)置1臺射流風(fēng)機(jī)，引導(dǎo)風(fēng)流，將斜井污風(fēng)排向主洞（注：主洞與斜井改進(jìn)型巷道式通風(fēng)中，右線為新鮮風(fēng)送風(fēng)道，左線為污風(fēng)排風(fēng)道）。

3 反井施工通風(fēng)數(shù)值模擬與結(jié)果分析

3.1 幾何模型建立

依據(jù)二郎山特長隧道斜井掘進(jìn)現(xiàn)場實際情況，運(yùn)用FLUENT軟件建立與現(xiàn)場實際相符的幾何分析模型，對壓入式通風(fēng)爆破粉塵的擴(kuò)散運(yùn)移情況進(jìn)行數(shù)值模擬［8－10］。由于影響巷道內(nèi)風(fēng)流流動的因素較多，為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實性，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，引入如下假設(shè)進(jìn)行適當(dāng)簡化：（1）風(fēng)流在井下巷道流動過程中，可忽略壓縮性的影響；（2）巷道側(cè)壁、頂板和底板表面平整、密閉，不漏風(fēng)；（3）掌子面掘進(jìn)迎頭端面為粉塵射流源，爆破后，粉塵從迎頭端面沿Z軸負(fù)方向（巷道掘進(jìn)反方向）以6 m／s的速度向洞身范圍擴(kuò)散，X軸、Y軸方向上速度為 0；（4）忽略爆破粉塵間的相互作用［11－12］。

簡化后的幾何模型尺寸如下：掘進(jìn)巷道長約1 000 m，坡度為10%，無支護(hù)，斷面形式接近三心拱，凈寬度9 m，拱高7.2 m，凈面積56 m2，送風(fēng)管道中心點距地面高3.5 m，風(fēng)管出風(fēng)口處風(fēng)速為10 m／s。斜井模型正視圖如圖1所示，斜井模型三維圖如圖2所示。

圖1 斜井模型正視圖

圖2 斜井模型三維圖

3.2 計算網(wǎng)格的生成

幾何模型網(wǎng)格劃分利用GAMBIT軟件進(jìn)行，網(wǎng)格類型為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，Elements項選擇 Tet／Hybrid形式，Type項選擇TGrid形式。劃分網(wǎng)格后的幾何模型如圖3、圖4所示。

圖3 斜井掌子面附近網(wǎng)格劃分

圖4 斜井橫斷面網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件

任何流體動力學(xué)特性都可運(yùn)用三大守恒定律來求解，不同的流體求解得到的結(jié)果之所以不同，是因為各流體域設(shè)置的邊界條件不同。對于巷內(nèi)爆破粉塵擴(kuò)散及濃度分布的模擬，主要采用的邊界條件為入口邊界、出口邊界、壁面邊界，見表1至表5。

表1 計算模型設(shè)定

表2 離散相模型設(shè)定

表3 邊界條件設(shè)定

表4 操作條件參數(shù)設(shè)定

表5 射流源參數(shù)設(shè)定

當(dāng)塵粒與幾何模型邊界（如壁面、出口、入口）相交時，塵粒通過CFD使用離散邊界條件來規(guī)定，以滿足此界面的條件。

（1）Reflect邊界條件

表示塵粒到達(dá)該邊界面時將發(fā)生彈性或非彈性碰撞。

（2）Trap邊界條件

表示塵粒到達(dá)該邊界面時將被捕捉。揮發(fā)性顆粒將在此處被釋放到氣相中，而非揮發(fā)性顆粒軌道則在此處終止，軌跡模擬結(jié)果被標(biāo)記為“Trapped”。

（3）Escape邊界條件

表示塵粒可穿過該邊界面發(fā)生逃逸，軌道的計算在此處終止，軌跡模擬結(jié)果被標(biāo)記為“Escaped”。

（4）Interior邊界條件

表示塵粒穿越該邊界面后，進(jìn)入其內(nèi)部流動區(qū)域，如多孔介質(zhì)斷面。

對于該幾何模型，壓入式通風(fēng)風(fēng)筒出風(fēng)口、巷道出口離散相邊界條件均設(shè)置為“Escape”，巷道的底板、頂板、側(cè)壁設(shè)置為“Reflect”。

3.4 考慮熱位差的數(shù)值模擬結(jié)果分析

考慮到實際工程中，二郎山特長隧道斜井掌子面與斜井交叉口之間存在溫度差異，可能對洞內(nèi)的風(fēng)流造成影響，故在模擬中開啟自然對流模型，掌子面附近溫度根據(jù)現(xiàn)場資料設(shè)置為30℃，斜井入口處溫度設(shè)置為25℃。

經(jīng)過模擬得到爆破粉塵在通風(fēng)不同時間擴(kuò)散及濃度分布情況，截取各時刻高度為Y＝1.5 m平面的濃度分布云圖進(jìn)行分析，如圖5所示。

（1）爆破發(fā)生后，爆破粉塵從迎頭端面高速噴出，在自身動量作用下向周圍迅速擴(kuò)散，但由于呼吸性粉塵粒徑較小，受到空氣阻力較大，速度衰減快，所以擴(kuò)散距離很短，作業(yè)面空間粉塵濃度瞬間變大，T＝10 s時，掌子面附近最大粉塵濃度為4 621 mg／m3。

（2）當(dāng)壓入式通風(fēng)射流從風(fēng)筒出口高速射出后，將以貼壁射流運(yùn)動的規(guī)律發(fā)展，不斷卷吸周圍的空氣及粉塵，作業(yè)面被新鮮風(fēng)流沖洗，附近空間粉塵濃度逐漸降低，射流體內(nèi)空氣的含塵濃度不斷升高，T＝300 s時，掌子面附近最大粉塵濃度為2 391 mg／m3。

（3）在通風(fēng)1 500 s后，隨著通風(fēng)時間增大，洞內(nèi)粉塵在風(fēng)流引導(dǎo)下沿壁面向洞外排出，此時可以明顯看出1.5 m高度處的粉塵主要集中在隧道左側(cè)，即風(fēng)流向外的一側(cè)，但是由于掌子面附近存在風(fēng)流渦流區(qū)，導(dǎo)致少部分粉塵漂浮至隧道右側(cè)。

（4）通風(fēng)2 100 s后，巷道內(nèi)的粉塵基本被排出，濃度達(dá)到規(guī)范中工作面粉塵濃度要求，可允許工人進(jìn)入作業(yè)，此時掌子面附近粉塵濃度為12.4 mg／m3。

3.5 熱位差對反井施工通風(fēng)的影響分析

為了研究熱位差對通風(fēng)系統(tǒng)的影響，通過計算忽略熱位差時洞內(nèi)的粉塵濃度，并對比考慮熱位差時洞內(nèi)的粉塵濃度計算結(jié)果，得到熱位差在反井施工通風(fēng)中的影響。

模擬時關(guān)閉自然對流模型，不考慮斜井交叉口與掌子面處的溫度差，計算完成后仍提取距掌子面附近30 m處斷面的粉塵濃度結(jié)果，并與考慮熱位差時的計算結(jié)果進(jìn)行對比，繪制不同條件下的粉塵濃度計算結(jié)果對比曲線，如圖6所示。

由圖6可知：在忽略熱位差條件下進(jìn)行計算時，距掌子面30 m處的粉塵濃度值在不同時刻相較于考慮熱位差條件下的計算結(jié)果要低，但總體趨勢兩者相似。分析其原因，是由于掌子面與斜井交叉口存在高程差以及溫度差，最終使得斜井交叉口與掌子面存在向洞內(nèi)方向的熱位差，且與污風(fēng)風(fēng)流出流方向相反，在通風(fēng)系統(tǒng)中起到阻力的不利作用，不利于洞內(nèi)污染物的排出，故在反井法施工通風(fēng)設(shè)計中，計算沿程阻力時，應(yīng)考慮熱位差對洞內(nèi)風(fēng)流的影響。

圖6 距掌子面30 m處粉塵濃度結(jié)果對比

3.6 數(shù)值計算結(jié)果驗證

通過對比分析隧道內(nèi)爆破施工粉塵濃度測試結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（1）現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

測試距離掌子面附近30 m處爆破施工過程中不同時間段的粉塵濃度，測試結(jié)果如表6所示。

表6 爆破工序粉塵濃度測試結(jié)果

（2）對比分析

對數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行繪圖，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：數(shù)值模擬結(jié)果在300 s時計算得到的粉塵濃度略大于實測斷面粉塵濃度；在900 s、1 500 s、2 100 s時，數(shù)值模擬結(jié)果比實測結(jié)果相對較小，但數(shù)值模擬結(jié)果的粉塵濃度變化曲線與實測濃度曲線的變化趨勢非常接近，可以認(rèn)為數(shù)值模擬計算結(jié)果可靠。

圖7 數(shù)值計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比曲線

4 考慮熱位差的反井施工通風(fēng)計算公式修正

斜井洞口與交叉口存在高差，如果斜井內(nèi)氣溫高于斜井洞口氣溫，則斜井內(nèi)空氣密度比斜井洞口的空氣密度小，斜井洞口處空氣有流入斜井內(nèi)的趨勢，即浮升效應(yīng)；反之，則斜井內(nèi)空氣有從斜井內(nèi)流出斜井洞口的趨勢，即沉降效應(yīng)。這種由于斜井內(nèi)外的氣溫差及兩處的高程差所引起的空氣流動的壓力差稱為熱位差。

假設(shè)掌子面附近氣溫為T0，洞口處氣溫為T1，對應(yīng)的空氣密度為ρ0、ρ1，洞口與掌子面的高程差為H，如圖8所示。根據(jù)上述假設(shè)及流體靜力學(xué)方法，當(dāng)斜井內(nèi)與斜井口處空氣密度確定后，熱位差ΔP熱僅與斜井口與斜井內(nèi)的高差H有關(guān)，呈正比關(guān)系，可按下式計算：

圖8 熱位差作用示意

式中：ρ0為掌子面附近的空氣密度（kg／m3）；ρ1為洞口附近的空氣密度（kg／m3）；H為洞口與掌子面之間的高程差（m）。

通過前文分析，斜井由于洞口與掌子面存在熱位差，其對于目前的反井通風(fēng)是作為阻力存在的，則在對洞內(nèi)配置射流風(fēng)機(jī)時，計算隧道沿程阻力應(yīng)考慮熱位差對風(fēng)流的影響，否則可能導(dǎo)致通風(fēng)設(shè)計達(dá)不到預(yù)期要求。

《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》中射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)阻力計算公式為［13］：

但對于采用斜井反井施工通風(fēng)，在射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)阻力計算時，應(yīng)將熱位差也考慮在內(nèi)，則斜井反坡施工射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)阻力計算公式應(yīng)為：

式中：Pi為射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)阻力（N／m2）；ξi為隧道局部阻力系數(shù)；λi為隧道段沿程阻力系數(shù)；Li為隧道各段長度（m）；di為隧道各段當(dāng)量直徑（m）；vi為隧道各段風(fēng)速（m／s）；ρ為隧道內(nèi)平均空氣密度（kg／m3）。

5 結(jié)論

依托雅康高速二郎山特長隧道，對隧道斜井反井法施工過程中遇到的施工通風(fēng)問題進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

（1）采用數(shù)值模擬的方法，對考慮熱位差和忽略熱位差兩種工況計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：熱位差的存在不利于洞內(nèi)污染物的排除，在通風(fēng)系統(tǒng)中起到阻力的作用，因此在反井法施工通風(fēng)設(shè)計計算沿程阻力時，應(yīng)考慮熱位差對斜井內(nèi)風(fēng)流的影響。

（2）通過現(xiàn)場測試分析，數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相差較小，且其變化趨勢極為吻合，驗證了數(shù)值計算的可靠性。

（3）在特長隧道斜井反井法施工通風(fēng)中，考慮熱位差的阻力效應(yīng)，對反井法施工射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)阻力計算公式進(jìn)行了修正。