海底隧道長距離多作業(yè)面施工通風技術

劉 斌

（中鐵發(fā)展投資有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

為了保障施工作業(yè)人員的健康安全，在隧道施工過程中要確保洞內有足夠多的新鮮空氣。隧道施工通風是在施工期間，利用洞內外氣壓差或使用風機設備通入新鮮空氣，排除污染空氣，改善勞動條件，創(chuàng)造良好施工環(huán)境的必要手段。隧道施工通風有多種方式，采用什么樣的通風方式使通風合理、高效，是隧道施工通風設計的主要問題。通風方式應根據(jù)隧道的自身特點來選擇，考慮施工方法、設備條件、隧道路線及開挖長度、掘進坑道斷面形狀及大小等因素，且應有利于快速施工。研究施工通風的方法主要有原位測試、小比例模型實驗、數(shù)值模擬等[1]，其中利用CFD軟件模擬施工通風，掌握隧道通風流場特性，是研究施工通風的重要方法。

大量學者運用數(shù)值模擬方法對隧道施工通風進行了研究。為了獲取準確的水電工程引水隧洞施工通風瞬態(tài)流場信息并且提高計算效率，王曉玲，劉長欣，等[2]基于Realiza-ble k-ε兩方程湍流模型建立引水隧洞施工通風三維非穩(wěn)態(tài)混合LES/RANS模型，并結合某引水隧洞施工通風過程進行數(shù)值模擬，借助現(xiàn)場實測風速數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬結果進行驗證；朱忠榮，李新哲,等[3]為了解決傳統(tǒng)方法不能準確模擬隧洞中風流方向和溫度分布的問題，提出一種引水工程深埋長隧洞施工中通風特性數(shù)值模擬方法；康小兵，丁睿，等[4]采用計算流體動力學軟件(簡稱CFD軟件)對紫坪鋪高瓦斯隧道施工通風處理效果進行模擬，數(shù)值模擬方法與實際情況相符；基于計算流體力學理論，王軍周[5]采用k-ε紊流模型，運用ANSYS Fluent軟件對卡魯瑪水電站尾水隧洞10號支洞施工通風布置方案進行了三維非穩(wěn)態(tài)模擬，驗證了ANSYS Fluent軟件用于隧洞通風模擬的可行性。

基于以上研究成果，本文提出一種隧道施工通風特性數(shù)值模擬與分析方法。首先，計算滿足要求條件的通風風量、風速、風壓，然后，在滿足隧道施工通風作業(yè)環(huán)境衛(wèi)生標準的條件下，對青島地鐵8號線海域段進行通風設計，最后進行數(shù)值模擬計算，驗證通風效果。

1 隧道施工通風作業(yè)環(huán)境及衛(wèi)生標準

隧道施工環(huán)境影響因素必須滿足鐵路隧道施工規(guī)范（TB10204—2002），在隧道施工中，作業(yè)環(huán)境應符合下列衛(wèi)生及安全標準（見表1）。

表1 施工通風控制標準（TB10204—2002）

2 施工通風方式

2.1 風管式通風

選擇通風方式的基本原則：在現(xiàn)場施工中，由于有害物質的發(fā)生多種多樣，而且隧道內的作業(yè)地點（如上半斷面、下半斷面、檢底鋪底、鋪設防水板、二次襯砌作業(yè)等）也很多，編制通風計劃時要考慮的環(huán)境因素也越加復雜，因此，應根據(jù)隧道規(guī)模（斷面積、長度等）、施工方法、施工條件等，來選擇最合適的通風方式，可有效、經濟地利用風管等通風設備。

2.2 巷道式通風

巷道式通風指在施工中，隧道本身能形成通風回路，可代替風管進行有效通風。巷道式通風又分為集中式和串聯(lián)式(或分散式)通風，通過通風風機的臺數(shù)及其位置、風管的連接方法來區(qū)分。巷道式通風是通過由互相配合的多個主風流和局部風流的系統(tǒng)而達到通風目的。其中主風流由隧道本身(包括成洞、導坑、及擴大地段)或輔助坑道(如平行導坑)組成。巷道式通風一般適用于3000m以上隧道。且巷道式通風施工時間長，投資大。風管通風法和巷道通風法的比較見表2。

表2 風管通風和巷道通風的比較

3 隧道施工通風方案設計

隧道施工通風設計的主要研究方向：（1）隧道施工通風既要根據(jù)風壓計算、風機選型、漏風率計算以及現(xiàn)場經驗對通風線路、通風需風量、通風時間等方面進行設計，又要根據(jù)流體力學原理對通風流動特性進行深入研究，使通風效果得到科學的把控。（2）基于隧道通風影響因素對隧道施工通風進行模擬，結合工程現(xiàn)場實際問題展開研究。對通風模擬結果與現(xiàn)場實際效果進行分析比較，驗證模擬并反饋模擬結果到施工通風現(xiàn)場。（3）隧道施工通風是一個動態(tài)過程，因此，不同施工方法和施工進度下通風方式也應該隨之調整，使通風方案與整個隧道掘進施工過程緊密聯(lián)系，提供合理的通風環(huán)境。（4）隧道施工通風應考慮現(xiàn)場條件，對通風方案進行宏觀把控，合理優(yōu)化，保障洞內施工人員的健康、安全，機械設備的正常運行，保證施工進度，減少施工成本，通過科學的方法保證通風方案的合理性、經濟性。

隧道施工通風面臨著掘進開挖面不斷推進，不同開挖進度的施工通風需風量以及通風強度有較大的區(qū)別，比如隨著時間的推移，斜井、豎井、聯(lián)絡通道的逐步貫通和利用，將改善隧道施工通風路線和通風方式，提高施工通風的效果。因此，在隧道掘進整個過程中，施工通風的條件和通風要求是動態(tài)變化的，不同的施工進度，其通風方案也有所不同，應根據(jù)現(xiàn)場施工進度，制定不同的通風方案。

在施工通風階段，平行導坑掘進完畢，可作為新風的主要流通巷道，污染空氣經左右線由斜井排出洞外。為了加快施工進度，增加開挖面時，可利用橫通道輔助通風，布設通風網絡，設置通風回路，增加射流風機進行引流并加強洞內風速，加快洞內污染空氣的擴散和流出。新鮮空氣由豎井處取風，由軸流風管投送至工作區(qū)域，保證洞內良好的施工環(huán)境，見圖1。

圖1 施工通風方案示意圖（第二階段）

4 通風數(shù)值模擬及分析

4.1 幾何網格（見圖2）

圖2 CFD模型網格

4.2 模型計算參數(shù)

模型計算參數(shù)見表3所示。

表3 模型參數(shù)及邊界條件

4.3 Fluent 軟件模擬結果及分析

采用巷道式通風，利用平導作為新鮮空氣流入，左右線為主要的污染空氣排出風道，在局部增設射流風機，管道出風口速度設為10m/s，計算結果顯示其通風效果基本上滿足要求。在掌子面附近區(qū)域風速較小，表明此處空氣流通較慢，這對施工作業(yè)是不利的；左線空氣速度較大，而右線空氣速度較小?？赏茰y左線離斜井距離較短，且線路形式簡單，線路交叉點較少，在射流風機局部增壓驅動下，且未受到障礙物阻擾的情況下，左線空氣流通較快，有利于污染空氣的迅速排出。因此，可采取減小風管出風口到掌子面距離來加強掌子面附近空氣流動；近豎井巷道的空氣流通最快，可推測此處空氣來源充足，風流量較大。

第二階段模擬計算結果見圖3。

圖3 第二階段模擬計算結果（通風15min）

5 結束語

為了滿足隧道施工通風作業(yè)環(huán)境衛(wèi)生標準，對青島地鐵8號線進行通風方案設計，根據(jù)施工進度將通風方案分為兩個階段，分別進行數(shù)值模擬計算及通風效果分析。

（1）第一階段通風計算結果表明，在管道出風口速度為10m/s時，計算結果顯示，其通風效果基本上滿足要求，但在掌子面附近區(qū)域風速較小，表明此處空氣流通較慢，這對施工作業(yè)是不利的。因此，可采取減小風管出風口到掌子面距離來加強掌子面附近空氣流動；回流速度仍然緩慢，部分區(qū)域空氣不流動?？刹扇≡黾由淞黠L機通過局部風壓驅動風流“死區(qū)”（風流速度為0m/s），改善局部通風效果。

（2）第二階段通風計算結果表明，采用巷道式通風，利用平導作為新鮮空氣流入，左右線為主要的污染空氣排出風道，在局部增設射流風機，管道出風口速度設為10m/s，計算結果顯示其通風效果基本上滿足要求。在掌子面附近區(qū)域風速較小，表明此處空氣流通較慢，這對施工作業(yè)是不利的；左線空氣速度較大，而右線空氣速度較小?？赏茰y左線離斜井距離較短，且線路形式簡單，線路交叉點較少，在射流風機局部增壓驅動下，且未受到障礙物阻擾的情況下，左線空氣流通較快，有利于污染空氣的迅速排出。因此，可采取減小風管出風口到掌子面距離來加強掌子面附近空氣流動。近豎井巷道的空氣流通最快，可推測此處空氣來源充足，風流量較大。