超長(zhǎng)公路隧道斜井及正洞通風(fēng)方案優(yōu)化研究

楊磐石， 劉暢， 羅剛

(1.中交二公局第三工程有限公司， 陜西 西安 710016； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

1 前言

長(zhǎng)大隧道作為高速公路的控制性地下空間結(jié)構(gòu)物，通風(fēng)問題是影響其施工的一個(gè)重大難題。目前隧道施工中的常用通風(fēng)方式是獨(dú)頭壓入式，但這種通風(fēng)方式隨著掘進(jìn)距離的增加，通風(fēng)效果逐漸變差，養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用逐漸增高，因此對(duì)于長(zhǎng)大隧道施工通風(fēng)方案的優(yōu)化研究成為了工程中亟待解決的問題。

中國(guó)學(xué)者對(duì)特長(zhǎng)隧道的施工通風(fēng)優(yōu)化進(jìn)行了一定研究，韓現(xiàn)民[1]等提出了分隔斜井與正洞風(fēng)管聯(lián)合通風(fēng)優(yōu)化方案，解決了關(guān)角隧道長(zhǎng)距離施工通風(fēng)難題；翟志恒[2]以安琶特長(zhǎng)隧道施工通風(fēng)為實(shí)例，檢驗(yàn)了射流巷道式通風(fēng)的應(yīng)用效果；羅燕平[3]等對(duì)金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道施工通風(fēng)方案進(jìn)行優(yōu)化分析，提出了風(fēng)倉(cāng)式通風(fēng)方案；張?jiān)讫圼4]等提出了瓦斯特長(zhǎng)隧道的風(fēng)管最佳布置方案；張恒[5]等通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，優(yōu)化了瓦斯隧道現(xiàn)場(chǎng)施工通風(fēng)方案；王明年[6]等通過理論研究，確定了鄭萬(wàn)線隧道機(jī)械化快速施工的通風(fēng)時(shí)間；雷帥[7]等對(duì)南大梁高速公路華鎣山隧道施工通風(fēng)方案進(jìn)行了優(yōu)化研究；李明[8]等對(duì)雪山梁隧道獨(dú)頭壓入式通風(fēng)方案進(jìn)行了驗(yàn)證；宋旭彪[9]通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明了壓出式空氣幕通風(fēng)技術(shù)的優(yōu)越性；王帥帥[10]等以圭嘎拉隧道為研究對(duì)象，對(duì)比分析了獨(dú)頭壓入式通風(fēng)方案和巷道式通風(fēng)方案；譚信榮[11]等基于洞內(nèi)空氣質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提出了隧道內(nèi)干式除塵機(jī)與壓入式通風(fēng)、巷道式通風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)措施；李勇[12]等采用壓入式、抽排混合式和大風(fēng)機(jī)接力式通風(fēng)技術(shù)，克服了長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)和多工作面通風(fēng)的難題：古尊勇[13]等對(duì)高原地區(qū)特長(zhǎng)隧道施工通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行了補(bǔ)充和優(yōu)化；王應(yīng)權(quán)[14]采用理論分析與數(shù)值模擬，對(duì)長(zhǎng)大鐵路隧道施工通風(fēng)方案進(jìn)行了選擇及改進(jìn)。上述學(xué)者對(duì)于隧道施工通風(fēng)方案的研究，大多針對(duì)單一的通風(fēng)方式，而對(duì)于幾種通風(fēng)方案的對(duì)比研究較少，該文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)獨(dú)頭壓入式、風(fēng)倉(cāng)接力式、風(fēng)機(jī)接力式3種通風(fēng)方案的研究進(jìn)行補(bǔ)充。

以秦嶺天臺(tái)山隧道為依托，采用Gambit進(jìn)行建模，流體力學(xué)軟件Fluent計(jì)算，分別從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、維修養(yǎng)護(hù)等方面對(duì)3種通風(fēng)方案進(jìn)行分析，確定隧道施工的最佳通風(fēng)方式，為天臺(tái)山超長(zhǎng)隧道施工通風(fēng)提供技術(shù)指導(dǎo)，亦可為其他同類工程參考。

2 工程概況

寶雞至坪坎高速公路(G85)秦嶺天臺(tái)山隧道長(zhǎng)15.56 km，設(shè)計(jì)為雙向六車道，其建設(shè)規(guī)模目前居世界第一，采用縱向集中送排式通風(fēng)方式，設(shè)置2斜井1豎井。其中1號(hào)斜井工區(qū)，布置主副斜井各1個(gè)，承擔(dān)了主洞3 185 m的施工任務(wù)，如圖1所示。

圖1 秦嶺天臺(tái)山隧道示意圖

隧道施工通風(fēng)分為兩階段，第一階段采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)，如圖2所示，但隨著隧道的掘進(jìn)，洞內(nèi)通風(fēng)效果降低，空氣環(huán)境變差，污染物濃度增加，因此需要對(duì)通風(fēng)方案進(jìn)行優(yōu)化，擬比選的第二階段施工通風(fēng)方案如圖3所示。各型號(hào)風(fēng)機(jī)參數(shù)如表1所列。

圖2 第一階段施工通風(fēng)方案(單位：m)

圖3 第二階段3種通風(fēng)方案(單位：m)

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)

3 通風(fēng)數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型與計(jì)算方法

隧道及車行橫通道的斷面尺寸如圖4所示；利用Gambit建立隧道網(wǎng)格模型，其中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)483.3萬(wàn)個(gè)，單元2 588.7萬(wàn)個(gè)，類型為四面體Tet網(wǎng)格，平均尺寸為1 m，局部區(qū)域網(wǎng)格加密至0.5 m，隧道局部區(qū)域網(wǎng)格建模如圖5所示。此次計(jì)算采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散；湍流模型采用三維非穩(wěn)態(tài)k-ε雙方程紊流模型；壓力-速度耦合計(jì)算方法采用SIMPLE算法。

圖4 隧道斷面圖(單位：m)

圖5 有限元模型圖

3.2 邊界條件

根據(jù)隧道實(shí)際情況，主斜井風(fēng)流進(jìn)口定義為壓力式進(jìn)口(Pressure-inlet)，副斜井風(fēng)流出口定義為壓力式出口(Pressure-outlet)，相對(duì)大氣壓強(qiáng)進(jìn)行設(shè)置，數(shù)值為0 Pa；射流風(fēng)機(jī)和風(fēng)管進(jìn)出口均設(shè)置為速度進(jìn)口(Velocity-inlet)，數(shù)值參照表1，以正負(fù)號(hào)區(qū)分流進(jìn)和流出；隧道壁面、風(fēng)管周壁定義為固壁邊界條件(Wall)，摩擦系數(shù)分別設(shè)置為0.015[15]和0.009。

3.3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速與數(shù)值模擬風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比。首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)尺寸建模，提取出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)位置的斷面風(fēng)速，因?yàn)樵谒矶磧?nèi)除了風(fēng)管出口風(fēng)速變化較大外，其余位置風(fēng)速幾乎沒有變化，因此只提取掌子面前方900 m范圍的風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速對(duì)比

由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況的復(fù)雜性，導(dǎo)致圖中風(fēng)速對(duì)比存在偏差，測(cè)量?jī)x器操作不當(dāng)，風(fēng)管漏風(fēng)以及風(fēng)速測(cè)量?jī)x器讀數(shù)不穩(wěn)等問題是導(dǎo)致以上偏差的直接原因，但實(shí)測(cè)風(fēng)速與模擬風(fēng)速數(shù)值接近，可以認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)是可靠的。

4 結(jié)果分析

4.1 掌子面附近風(fēng)速計(jì)算

掌子面前方100 m作為開挖和二襯施工的主要場(chǎng)所，其空氣質(zhì)量直接影響隧道施工進(jìn)度以及施工人員的身體健康。隧道常常通過改變掌子面的風(fēng)速，加快污染空氣排出，以此來(lái)提高通風(fēng)效果。掌子面附近通風(fēng)效果對(duì)比如圖7所示。

圖7 左右洞掌子面前方風(fēng)速對(duì)比圖

由圖7可知：掌子面前方50 m范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)接力式通風(fēng)方式的風(fēng)速最大，空氣置換速度快，掌子面污染物濃度低，通風(fēng)效果最佳。獨(dú)頭壓入式通風(fēng)左洞由于通風(fēng)距離過長(zhǎng)，考慮到管壁摩擦帶來(lái)的沿程損失，導(dǎo)致掌子面風(fēng)速較小。到50 m之后，3種通風(fēng)方式的風(fēng)速變化趨勢(shì)相當(dāng)，但仍可以看出風(fēng)機(jī)接力式的通風(fēng)效果較好。左右洞的風(fēng)速變化云圖如圖8、9所示。

圖8 右洞風(fēng)速云圖(單位：m/s)

圖9 左洞風(fēng)速云圖(單位：m/s)

4.2 隧道全程風(fēng)速分析

參照J(rèn)TG F60—2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[16]，隧道全斷面開挖時(shí)，風(fēng)速不應(yīng)小于0.15 m/s，導(dǎo)洞內(nèi)風(fēng)速不應(yīng)低于0.25 m/s，但均不應(yīng)大于6 m/s。左右洞隧道全程風(fēng)速如圖10所示。

圖10 左右洞隧道全程風(fēng)速圖

由圖10可得：左右洞全程風(fēng)速均大于規(guī)范要求最低風(fēng)速。風(fēng)機(jī)接力式通風(fēng)方式的全程平均風(fēng)速較大，風(fēng)倉(cāng)接力式次之，獨(dú)頭壓入式最低。在七號(hào)橫通道回風(fēng)口處，左洞污染風(fēng)通過橫通道進(jìn)入右洞，導(dǎo)致右洞風(fēng)量增加，風(fēng)速加大，且趨勢(shì)明顯，經(jīng)過回風(fēng)口，風(fēng)機(jī)接力式通風(fēng)方式的風(fēng)速較大，污染物排放較好，排污效果最佳。

4.3 局部風(fēng)速分析

七號(hào)車行橫通道作為左洞與右洞的連接，是左洞污染物到右洞的主要通道，為加快隧道內(nèi)空氣的流動(dòng)，在車行橫通道內(nèi)和主洞內(nèi)均放置了一臺(tái)37 kW的射流風(fēng)機(jī)。因此，流經(jīng)此處斷面的平均風(fēng)速增大，且增長(zhǎng)速度較大，隧道通風(fēng)量為左洞和右洞之和，經(jīng)過回風(fēng)口之后，速度迅速降低，恢復(fù)到之前的水平(圖11、12)。

圖11 右洞與七號(hào)車通交匯處風(fēng)速圖

圖12 七號(hào)車通局部風(fēng)速云圖(單位：m/s)

由圖11、12可以看出：風(fēng)機(jī)接力式通風(fēng)方式的通風(fēng)效果較好。

在右洞與斜井交匯處，自然風(fēng)流從主斜井進(jìn)入主洞，遭遇副斜井回流污風(fēng)的影響，風(fēng)速顯著降低，后經(jīng)副斜井內(nèi)射流風(fēng)機(jī)的增壓作用，風(fēng)速增加，風(fēng)機(jī)接力式增加后的風(fēng)速最大，因此效果最佳(圖13)。

圖13 右洞與斜井交匯處風(fēng)速圖

綜上所述，對(duì)于該隧道的施工通風(fēng)方式，風(fēng)機(jī)接力式通風(fēng)方式的通風(fēng)效果最佳，隧道全長(zhǎng)的風(fēng)速都達(dá)到較高水平。

5 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

通風(fēng)方式的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比主要考慮一次性固定設(shè)備投入和后期養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，其中一次性投入主要包括風(fēng)機(jī)和風(fēng)管購(gòu)買費(fèi)用和其他材料，其他材料主要指鐵皮、鋼架等；維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用包括電費(fèi)和維修費(fèi)用。

設(shè)備維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的影響因素主要有通風(fēng)效率、工期、設(shè)備數(shù)量等，由于獨(dú)頭壓入式通風(fēng)效果差，風(fēng)機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備耗損率大，維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較高，耗電量也高；風(fēng)機(jī)接力式恰恰相反，良好的通風(fēng)效果能夠縮短施工通風(fēng)時(shí)間，減少設(shè)備損耗和用電量，提高施工效率，縮短工期。3種方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表2所示。

表2 通風(fēng)方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

風(fēng)倉(cāng)接力式所需設(shè)備較多，給隧道施工通風(fēng)帶來(lái)的增益不大，且風(fēng)倉(cāng)的安裝施工過程繁瑣，設(shè)備維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較高；獨(dú)頭壓入式固定設(shè)備投入較少，安裝簡(jiǎn)單，但風(fēng)機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)，電費(fèi)和維修費(fèi)用較高；風(fēng)機(jī)接力式通風(fēng)效果最佳，能有效提高隧道施工效率，減少設(shè)備維修養(yǎng)護(hù)投入，是經(jīng)濟(jì)性最好的通風(fēng)方式。

6 結(jié)論

(1) 通過通風(fēng)效果的對(duì)比，風(fēng)機(jī)接力式的通風(fēng)效果最好，洞內(nèi)風(fēng)速大，排污能力強(qiáng)，能夠較好地調(diào)節(jié)洞內(nèi)空氣環(huán)境，提高空氣質(zhì)量，風(fēng)倉(cāng)接力式居中，獨(dú)頭壓入式最差。

(2) 通風(fēng)效果的提升能夠良好地改善隧道洞內(nèi)環(huán)境，并能加快隧道施工進(jìn)度，以此來(lái)減少整個(gè)施工過程的成本投入。風(fēng)機(jī)接力式的成本投入最少，風(fēng)倉(cāng)接力式和獨(dú)頭壓入式相差不大。

(3) 風(fēng)倉(cāng)在安裝過程中，需要耗費(fèi)大量的鋼材，且后期設(shè)備損耗快，維修及養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高；獨(dú)頭壓入式的通風(fēng)距離長(zhǎng)，設(shè)備負(fù)荷大，風(fēng)機(jī)損耗快，風(fēng)管和風(fēng)機(jī)維修頻繁；風(fēng)機(jī)接力式縮短了通風(fēng)距離，減少了設(shè)備負(fù)荷，維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較前兩種通風(fēng)方式低。