高海拔隧道出渣過程CO 分布分析及需風(fēng)量研究

張國梁，蔣仲安?，王睿

（1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.川藏鐵路有限公司，成都 610047）

隨著西部地區(qū)的快速發(fā)展，對交通網(wǎng)絡(luò)的需求日益增加，川藏和青藏等高海拔地區(qū)的盤山公路已不能滿足經(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，海拔超過3 km 的隧道在快速增多，僅川藏鐵路全線設(shè)計隧道就多達(dá)198 座，隧線比高達(dá)70.2%.海拔升高，低壓低氧、寒冷干燥的氣候特點會給隧道建設(shè)帶來新的挑戰(zhàn)，其中施工過程中有害氣體濃度上升就是重要問題之一.

由于地下空間工程的有限性和相對密閉性，產(chǎn)生的污染物會嚴(yán)重影響作業(yè)人員的健康安全，因此國內(nèi)外學(xué)者對地下空間的空氣流動和污染物擴(kuò)散進(jìn)行了大量研究.國外研究較早，且主要集中于對運(yùn)營隧道和礦井的研究[1-3].Kanaoka 等[4]對施工隧道內(nèi)的風(fēng)流流動、粉塵濃度分布和顆粒運(yùn)動特性進(jìn)行模擬計算，研究了氣流速度、風(fēng)管結(jié)構(gòu)和顆粒尺寸對通風(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)過程對流場的影響.由于近幾十年我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，對地下空間安全性的研究逐漸增多[6-8]，其中對礦井和隧道內(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]對施工隧道內(nèi)CO 隨時間的擴(kuò)散進(jìn)行動態(tài)分析.同時，隨著大量高海拔隧道的修建，國內(nèi)對高原環(huán)境下的隧道通風(fēng)展開了一定的研究；受限于地理環(huán)境的原因，國外對高原環(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]針對不同的排氣排放位置，研究了自卸車出渣過程中CO 對隧道施工環(huán)境的影響；曹正卯等[18]對不同海拔隧道內(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]對高海拔隧道施工和運(yùn)營過程中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)的計算，對于出渣過程中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)動擴(kuò)散特性變化，對不同海拔高度隧道出渣過程CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)（Wmf（CO））和質(zhì)量濃度（Wmc（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)、礦山開采等勞動強(qiáng)度較大的作業(yè)種類，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.

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 為空氣的絕對溫度，K；H 為海拔高度，km；根據(jù)地學(xué)基本數(shù)據(jù)手冊取n=1.234 962.

在開闊環(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，氧分壓和氧含量會相應(yīng)降低，出現(xiàn)缺氧癥狀.同時，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)動車產(chǎn)生的有害氣體增多，特別是CO 和氮氧化物，會嚴(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，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)致氣體會沿橫向、縱向和豎向進(jìn)行摻混，并隨風(fēng)流充滿整個隧道.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：

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

式中：c 為空間某點的氣體質(zhì)量濃度，mg/m3；M 為單位時間氣體的產(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，近似采用鏡像法計算氣體質(zhì)量濃度，即污染源在隧道四周有對應(yīng)的虛擬點源.空間內(nèi)某點P（x，y，z）的氣體質(zhì)量濃度可看作是實源和虛源的疊加.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，空間任意點在t 時刻的氣體累積質(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：

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 方向距隧道中心點距離，m.

從前面的分析可以看出：高原環(huán)境對施工隧道內(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，沿程阻力系數(shù)λ 不變，因此α 隨ρ 同比例降低，對應(yīng)的Ex、Dy和Dz也降低.因此，海拔上升會對隧道內(nèi)氣體擴(kuò)散產(chǎn)生明顯影響.

1.2 隧道內(nèi)CO 分布測定

川藏鐵路某隧道設(shè)計全長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 檢測儀進(jìn)行測定.其中，隧道正洞、輔助坑道和主要掌子面位置出渣時的大氣壓力、溫濕度和風(fēng)速測定結(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)量濃度超過規(guī)定值（30 mg/m3）、O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于20%的現(xiàn)象.

表1 隧道內(nèi)不同位置環(huán)境參數(shù)測定Tab.1 Environmental parameters measured at different locations in the tunnel

對整個施工隧道正洞、輔助坑道和掌子面的CO和O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測定，共測定34 個位置.監(jiān)測得到CO 高于規(guī)定值的點有13 個，約占38.2%；O2低于規(guī)定值的點有10 個，約29.4%，其中不符合規(guī)程的位置主要集中在隧道獨頭掘進(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、臺車、水泥罐車和濕噴機(jī)械手等，施工過程中設(shè)備并不是一直處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài).1#掌子面現(xiàn)場施工機(jī)械設(shè)備種類及功率如表2 所示.使用率高的設(shè)備為挖掘機(jī)和自卸車，臺車、濕噴機(jī)械手和水泥罐車的使用率較低.最終計算得到出渣過程設(shè)備的總運(yùn)行功率約為560 kW.

表2 1#掌子面施工機(jī)械設(shè)備種類及功率Tab.2 Type and power of construction equipment of 1#tunnel working face

《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，隧道中內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時，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)對斷面風(fēng)速進(jìn)行測定，測得9 個點的平均風(fēng)速為0.32 m/s，滿足需風(fēng)量要求.

為分析掌子面內(nèi)的Wmf（CO），對1#掌子面出渣時Wmf（CO）進(jìn)行測定.測點布置如圖1 所示，在隧道同一截面位置測定3 個點.出渣10 min 后，掌子面呼吸帶高度Wmf（CO）沿程變化如圖1 所示.由圖1 可知，隧道同一截面位置Wmf（CO）相差較小；在掌子面掘進(jìn)段位置，由于挖掘機(jī)和自卸車的持續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致Wmf（CO）較高，最高達(dá)0.012%；在靠近掌子面出口位置，Wmf（CO）逐漸下降，但依然在0.005%左右，明顯高于規(guī)定值.

圖1 1#掌子面Wmf（CO）變化曲線Fig.1 Wmf（CO）variation curve of 1#tunnel working face

由以上實測和分析可知，對于高海拔隧道出渣過程中有害氣體質(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)動車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，且對人體危害較大.因此，施工隧道通風(fēng)設(shè)計中規(guī)定，對于內(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，必要時考慮NO2.因此，本文以CO 為主要研究對象，對其在不同海拔下的動態(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程海拔高度對有害氣體擴(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)場情況，但完全復(fù)制現(xiàn)場細(xì)節(jié)較難，且隧道內(nèi)有些設(shè)施和活動對結(jié)果影響較小.因此，在綜合考慮計算機(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)置一臺挖掘機(jī)和兩臺自卸車進(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車距迎頭分別為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.

圖2 施工隧道模型圖與網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Construction tunnel model diagram and mesh division diagram

在數(shù)值模擬試驗中，網(wǎng)格獨立性驗證是重要的一步.在研究不同橫向風(fēng)速下隨流氣體擴(kuò)散運(yùn)動時，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)格獨立性驗證的主要參數(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3 種不同的網(wǎng)格，分別進(jìn)行獨立性檢驗，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，滿足獨立性驗證.考慮到計算機(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.

圖3 不同網(wǎng)格劃分方法的沿程風(fēng)速變化Fig.3 Variation of wind speed along different meshes

2.2 計算模型參數(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CFDpost 和Origin 對模擬結(jié)果進(jìn)行處理與分析，得出施工隧道的流場分布、氣體運(yùn)移軌跡和空間分布.

1）基本簡化及假設(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)人員和車輛的隨機(jī)運(yùn)動對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，車輛在模擬過程中無位移變化.

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)動車排放的尾氣包含多種有害物質(zhì)，其中CO、HC 和NO2對人體危害較大.根據(jù)《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法》，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)計細(xì)則》中對內(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，見式（8），其中h 為海拔高度（km）.

當(dāng)隧道海拔為3 200 m 時，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)和兩輛自卸車作業(yè)，如圖2 所示.在挖掘機(jī)和自卸車排氣管設(shè)置流量入口，CO 具體排放量和功率如表3所示.

表3 柴油車CO 排放量和功率Tab.3 CO emissions and power of diesel vehicles

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 掌子面出渣過程CO 的動態(tài)擴(kuò)散

隧道內(nèi)污染物分布與流場和壓力場密切相關(guān)，根據(jù)隧道施工方案，對掌子面流場分布進(jìn)行模擬.隧道的空氣動力黏度分布為1.70×10-5Pa·s，CO 擴(kuò)散系數(shù)為1.74×10-5m2/s，風(fēng)筒風(fēng)量為1 680 m3/min.模擬得到隧道內(nèi)流線與風(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)生動量交換，形成錐形氣流場；同時，向前運(yùn)動過程中，隨著帶動的擾動氣流增多，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、臺車等的影響，會形成渦流，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；在臺車后，流場分布逐漸均勻，穩(wěn)定在0.30 m/s 附近.

圖4 施工隧道空間流線與風(fēng)速體Fig.4 Spatial streamline and wind speed body in construction tunnel

在流場模擬的基礎(chǔ)上，對高海拔隧道內(nèi)CO 的擴(kuò)散進(jìn)行分析，模擬出渣時機(jī)動車尾氣對隧道的污染效應(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 隨時間的運(yùn)動軌跡如圖5 所示.由圖5 可知，CO 由排氣管產(chǎn)生后，逐漸充滿整個斷面，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，也會迅速充滿掘進(jìn)段附近區(qū)域.挖掘機(jī)和自卸車排放的CO 在自卸車前方相遇，導(dǎo)致該區(qū)域Wmf（CO）較高；且在風(fēng)筒射流的卷席作用下，CO 會向右上方擴(kuò)散；通過臺車后，隨著流場的穩(wěn)定，CO 分布也逐漸均勻.

圖5 CO 隨時間的運(yùn)動軌跡Fig.5 The trajectory of CO over time

不同時刻呼吸帶高度的Wmf（CO）如圖6 所示.隨著時間推移，CO 逐漸向出口方向擴(kuò)散，Wmf（CO）為零的區(qū)域變小，250 s 后CO 氣團(tuán)充滿整個隧道.隧道內(nèi)Wmf（CO）極大值點主要出現(xiàn)在掘進(jìn)段附近的回流區(qū)，該區(qū)域流場紊亂，Wmf（CO）極差值較大.當(dāng)CO 氣團(tuán)擴(kuò)散到隧道出口后，臺車到出口區(qū)域達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，Wmf（CO）恒定在一定范圍，且隨風(fēng)流不斷被排出隧道.

圖6 不同時刻呼吸帶高度的Wmf（CO）Fig.6 Wmf（CO）in the breathing zone height at different moments

由以上分析可知，在海拔3 200 m 的環(huán)境下，由于機(jī)動車排放量的增加和環(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，對于高原地區(qū)的在建隧道，必須考慮海拔上升后對隧道內(nèi)污染物濃度的影響，保障隧道內(nèi)長期作業(yè)人員的健康與安全.

3.2 現(xiàn)場測定及數(shù)值模擬結(jié)果驗證

為檢測模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場測定的同一截面呼吸帶高度的Wmf（CO）取平均值，與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，如圖7 所示.

圖7 隧道掌子面呼吸帶高度的Wmf（CO）Fig.7 Wmf（CO）in the breathing zone height on the tunnel working face

1）靠近掘進(jìn)段附近由于挖掘機(jī)和自卸車的持續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致Wmf（CO）較高，高于規(guī)定值；但沿著出口方向，Wmf（CO）逐漸下降，穩(wěn)定在0.005%附近.

2）模擬結(jié)果與實測結(jié)果整體變化規(guī)律相近，特別是臺車到出口位置的Wmf（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，而實測值在10 m 后整體呈下降趨勢.

由于臺車后側(cè)穩(wěn)定區(qū)的模擬結(jié)果與實測值基本吻合，且研究主要基于穩(wěn)定區(qū)的Wmf（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)一步用于對其他海拔高度的研究.

3.3 不同海拔施工隧道出渣時氣體擴(kuò)散情況分析

當(dāng)海拔上升時，環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化，隧道內(nèi)氣體濃度都會存在明顯差異.選取t=250 s 時隧道內(nèi)CO分布進(jìn)行定量分析，此時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 個截面，計算其平均濃度.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Wmc（CO）和Wmf（CO）沿隧道走向的變化趨勢.不同海拔的環(huán)境參數(shù)設(shè)置如表4 所示.

表4 不同海拔高度的環(huán)境參數(shù)Tab.4 Environmental parameters at different altitudes

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.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Wmf（CO）和Wmc（CO）分別如圖8 和圖9 所示，從圖中看出：

圖8 各海拔高度不同斷面的Wmf（CO）變化趨勢Fig.8 Variation trend of Wmf（CO）in different sections at different altitudes

圖9 各海拔高度不同斷面的Wmc（CO）變化趨勢Fig.9 Variation trend of Wmc（CO）in different sections at different altitudes

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Wmf（CO）分布趨勢相近；但隨著海拔升高，其數(shù)值逐漸增大，且增大的幅度越來越快.在隧道出口CO 穩(wěn)定區(qū)，從0 m 到6 km，Wmf（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)Wmc（CO）沿隧道走向的變化趨勢與Wmf（CO）基本一致.在掘進(jìn)段和襯砌支護(hù)段Wmc（CO）較大，且不穩(wěn)定；但繼續(xù)向隧道出口方向運(yùn)動，Wmc（CO）分布逐漸趨于平穩(wěn).

3）與Wmf（CO）相反，隧道內(nèi)Wmc（CO）隨著海拔高度升高呈下降趨勢.雖然機(jī)動車排放量增加，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，Wmc（CO）下降約18%.

3.4 排放量與環(huán)境參數(shù)對Wmf（CO）和Wmc（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，針對海拔上升后環(huán)境參數(shù)改變和機(jī)動車CO 排放量（MCO）增加對隧道內(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（同時改變環(huán)境參數(shù)和MCO）條件下，隧道內(nèi)Wmf（CO）和Wmc（CO）的空間分布規(guī)律變化.根據(jù)模擬結(jié)果，對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.計算其與海拔0 m 時的比例系數(shù)，并取平均值，得到如表5 和圖10 所示的結(jié)果.

圖10 不同條件下海拔系數(shù)隨海拔高度的變化Fig.10 Variation of altitude coefficient with altitude under different conditions

表5 不同條件下Wmf（CO）和Wmc（CO）隨海拔的變化比例Tab.5 Proportion variation of Wmf（CO）and Wmc（CO）with altitude under different conditions

1）只改變MCO時，隧道內(nèi)Wmf（CO）和Wmc（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，隧道內(nèi)Wmf（CO）和Wmc（CO）隨海拔上升呈現(xiàn)出不同的變化趨勢；Wmf（CO）隨海拔升高呈增大趨勢，但Wmc（CO）卻呈下降趨勢.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Wmc（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）同時考慮環(huán)境參數(shù)和MCO變化時，隧道內(nèi)Wmf（CO）和Wmc（CO）隨海拔上升依舊呈相反的變化趨勢.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)Wmc（CO）下降幅度變小，Wmf（CO）的上升幅度變大.

將模擬得到的多因素條件下Wmf（CO）和Wmc（CO）隨海拔變化的比例系數(shù)進(jìn)行曲線擬合，如式（9）和式（10）.

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

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，人體會通過增加呼吸深度來進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，即增大潮氣量.CO 對人體的影響主要取決于吸入空氣中的Wmf（CO）大小.為使吸入的CO 不對人體造成傷害，應(yīng)保證環(huán)境中Wmf（CO）不超過人體承受限度.雖然普通隧道作業(yè)規(guī)定Wmc（CO）不超過30 mg/m3；但海拔升高后，在相同質(zhì)量濃度條件下，Wmf（CO）會增加.由前面的模擬結(jié)果可知，海拔上升后，機(jī)動車CO 排放量增加，會導(dǎo)致隧道內(nèi)Wmf（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)動車排放量），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)Wmf（CO）變化；并與海拔0 m、通風(fēng)量3 m3/（kW·min）時的模擬值進(jìn)行對比.模擬得到在海拔1～6 km 環(huán)境下，不同通風(fēng)量時的隧道內(nèi)Wmf（CO）變化，如圖11 所示，從圖中可以看出：

圖11 各海拔高度不同通風(fēng)量下Wmf（CO）的變化Fig.11 Variation of Wmf（CO）under different air volume at different altitudes

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Wmf（CO）降低.因此，可通過增加風(fēng)量解決由海拔上升引起的Wmf（CO）超標(biāo)問題.

2）在各個海拔高度下，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，穩(wěn)定區(qū)的Wmf（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性增大趨勢.因此，為方便不同海拔施工隧道進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計，進(jìn)行曲線擬合，得到任意海拔高度下的需風(fēng)量計算模型，如式（11）所示.同時，計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）.

圖12 不同海拔高度內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)需風(fēng)量變化Fig.12 Variation of air demand for internal combustion engine operation at different altitudes

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Wmc（CO）變化，如圖13 所示.可以看出，當(dāng)不同海拔隧道內(nèi)Wmf（CO）保持不變時，Wmc（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 對人體的影響主要是吸入的氣體中Wmf（CO）.因此，為保證海拔上升后隧道內(nèi)Wmf（CO）不發(fā)生變化，同時降低通風(fēng)難度，Wmc（CO）限值不應(yīng)為定值，而應(yīng)隨海拔高度的升高而降低.

圖13 不同海拔基于擬合需風(fēng)量的Wmc（CO）變化Fig.13 Wmc（CO）changes based on fitted air demand at different altitudes

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，也會擴(kuò)散到掘進(jìn)段附近，但Wmf（CO）相對較低.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，Wmf（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，CO 分布逐漸趨于平穩(wěn).

2）不同海拔環(huán)境下，沿隧道走向Wmf（CO）分布趨勢相近；海拔升高后，其數(shù)值逐漸增大，且增大的幅度越來越快.在掌子面出口附近的CO 穩(wěn)定區(qū)，從0 m到6 km，Wmf（CO）從0.002 8%增加到了0.005 5%.

3）海拔升高后，隧道內(nèi)Wmf（CO）和Wmc（CO）呈相反的變化趨勢，從0 m 到6 km，Wmf（CO）上升了96%，Wmc（CO）下降18%.Wmf（CO）和Wmc（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)動車排放量在增加，但隧道內(nèi)的Wmc（CO）卻在下降.

4）在保證不同海拔隧道內(nèi)Wmf（CO）不變的條件下，需風(fēng)量呈非線性增大趨勢，其中該隧道海拔3 200 m，需風(fēng)量為4.95 m3/（kW·min）；但Wmc（CO）卻在下降，海拔從0 m 到6 km，Wmc（CO）下降幅度達(dá)50%.