基于理論與數(shù)值計(jì)算的隧道施工通風(fēng)研究

林明才， 駱 陽

(1.成都大西南鐵路監(jiān)理有限公司，四川成都610031；2.西南交通大學(xué)，四川成都610031)

隧道施工過程中，由于掌子面爆破、機(jī)械車輛作業(yè)以及部分圍巖中富存有害氣體，均會(huì)污染隧道內(nèi)空氣。施工通風(fēng)能有效降低隧道中有害氣體濃度，改善作業(yè)環(huán)境，確保隧道施工進(jìn)度。數(shù)值仿真是研究隧道施工通風(fēng)的重要方法，較多學(xué)者開展相關(guān)研究。

武金明[1]采用FLUENT數(shù)值模擬軟件，對(duì)速度場進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)規(guī)范要求，確定合理的通風(fēng)參數(shù)。劉釗春[2]通過大型有限元軟件ADINA，實(shí)現(xiàn)了隧道三維空間內(nèi)風(fēng)流結(jié)構(gòu)和有害氣體濃度擴(kuò)散的數(shù)值模擬，并對(duì)射流風(fēng)機(jī)的擺放位置、風(fēng)機(jī)間距進(jìn)行優(yōu)化。趙子成[3]、彭佩等[4]、方勇等[5]、趙曉娟[6]采用三維數(shù)值模擬，研究了風(fēng)管布設(shè)位置、風(fēng)管管口與工作面距離等因素對(duì)隧道施工通風(fēng)效果的影響。張?jiān)讫埖萚7]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，研究不同風(fēng)管出口距掌子面距離下，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律。郭磊[8]通過數(shù)值模擬和實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比，分析出某隧道通風(fēng)的薄弱面，并提出相應(yīng)解決措施。

上述研究中，大多采用數(shù)值計(jì)算方法，取隧道內(nèi)流體區(qū)域作為研究對(duì)象，建立數(shù)值模型，忽略風(fēng)機(jī)和風(fēng)管內(nèi)空氣流場，給定風(fēng)管出口風(fēng)速邊界進(jìn)行計(jì)算分析。然而，隧道施工通風(fēng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)[9]，由風(fēng)機(jī)、風(fēng)管和隧道共同組成。風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、風(fēng)管風(fēng)阻和漏風(fēng)率、隧道風(fēng)阻相互作用，影響隧道中流場分布，僅對(duì)隧道中流體區(qū)域進(jìn)行分析，不足以反映整個(gè)系統(tǒng)的特性。本文將考慮風(fēng)機(jī)、風(fēng)管和隧道系統(tǒng)，建立數(shù)值計(jì)算模型，進(jìn)行隧道施工通風(fēng)分析，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。

1 工程概況

某隧道斜井采用壓入式施工通風(fēng)，全長740m，為便于理論與數(shù)值計(jì)算的對(duì)照，取685m進(jìn)行研究。斜井平面布置如圖1所示。采用(SDF(D)-No12.5)型軸流風(fēng)機(jī)，布置于斜井洞外30m處。風(fēng)管出口距離斜井掌子面15m。斜井橫斷面布置如圖2所示。

圖1 斜井通風(fēng)平面布置

圖2 斜井橫斷面

2 隧道通風(fēng)阻力理論

2.1 摩擦阻力

摩擦阻力是風(fēng)流與隧道或風(fēng)管側(cè)壁摩擦以及空氣分子間的擾動(dòng)和摩擦而產(chǎn)生的能量消耗[10]。

當(dāng)不計(jì)管路漏風(fēng)時(shí)，計(jì)算公式為式(1)。

(1)

式中：hf為管路的摩擦阻力Pa；λ為摩擦系數(shù)；L為管路長度m；d為管路直徑m；v為管路內(nèi)風(fēng)流速度m/s；ρ為空氣密度kg/m3。

當(dāng)管路漏風(fēng)時(shí)，計(jì)算公式為式(2)。

(2)

式中：β為風(fēng)管百米漏風(fēng)率平均值；Q0為風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)風(fēng)量m3/s；其余符號(hào)同前。

2.2 局部阻力

局部阻力風(fēng)流流經(jīng)突然擴(kuò)大或縮小、轉(zhuǎn)彎交叉等的管路時(shí)，產(chǎn)生的能量消耗[10]。

計(jì)算公式為式(3)。

(3)

式中：hx為管路的局部阻力損失Pa；ξ為局部阻力系數(shù)；v1為管路小斷面處的風(fēng)速m/s；其余符號(hào)同前。

3 隧道施工通風(fēng)理論計(jì)算

斜井當(dāng)量直徑為5.448m，面積為40.439m2。風(fēng)管直徑φ1.5m，風(fēng)管橫截面積Afg為1.767m2。斜井與風(fēng)管沿程阻力系數(shù)λ分別取0.043和0.018。風(fēng)管百米漏風(fēng)率β取2%?？諝饷芏圈讶?.225kg/m3。斜井需風(fēng)量為Q0。通風(fēng)參數(shù)計(jì)算：

3.1 送風(fēng)機(jī)風(fēng)量

送風(fēng)機(jī)風(fēng)量為：

3.2 通風(fēng)阻力

3.2.1 風(fēng)管阻力

風(fēng)管沿程阻力：

風(fēng)機(jī)入口局部阻力：

風(fēng)管出口動(dòng)壓損失：

風(fēng)管總阻力：

3.2.2 斜井阻力

斜井沿程阻力：

斜井出口局部阻力：

斜井總阻力：

3.2.3 系統(tǒng)通風(fēng)總阻力

根據(jù)理論計(jì)算繪制斜井通風(fēng)阻力特性曲線(圖3)。

圖3 斜井通風(fēng)阻力特性曲線

4 隧道施工通風(fēng)數(shù)值計(jì)算

按3節(jié)中系統(tǒng)通風(fēng)總風(fēng)阻H和需風(fēng)量Q0的關(guān)系，分別取定4種需風(fēng)量，得到相應(yīng)系統(tǒng)總風(fēng)阻，如表1所示。將對(duì)表中4種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，以期與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。

表1 各需風(fēng)量下系統(tǒng)總風(fēng)阻

4.1 基本假定

根據(jù)相關(guān)學(xué)者對(duì)隧道施工通風(fēng)的研究[1, 3, 6, 11-14]，對(duì)隧道內(nèi)空氣作出基本假定：

(2)氣體為不可壓縮流體。

(3)氣體的流動(dòng)為穩(wěn)定流。

(4)氣體的流動(dòng)服從連續(xù)性規(guī)律。

4.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

采用前處理軟件Gambit建立1∶1的三維數(shù)值模型，導(dǎo)入大型流體分析軟件FLUENT進(jìn)行計(jì)算。數(shù)值模型如圖4所示，分別建立風(fēng)機(jī)、風(fēng)管和隧道空氣區(qū)域模型?？紤]到斜井洞外的風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口流場分布較為復(fù)雜，故在斜井洞外建立3倍洞徑的外部空氣域，盡可能消除邊界效應(yīng)的影響。網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，并對(duì)風(fēng)管漏風(fēng)點(diǎn)和斜井掌子面附近網(wǎng)格進(jìn)行加密。為模擬風(fēng)管漏風(fēng)，如圖5所示，每隔100m設(shè)置一處漏風(fēng)點(diǎn)，取漏風(fēng)面積為0.004 5m2。

圖4 數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格

圖5 風(fēng)管漏風(fēng)示意

4.3 邊界條件

參考現(xiàn)有隧道施工通風(fēng)研究[13,15-19]，并結(jié)合FLUENT軟件中邊界條件相關(guān)特點(diǎn)，計(jì)算模型邊界條件設(shè)置為：

(1)風(fēng)機(jī)、斜井和風(fēng)管壁面均采用Wall邊界，隧道壁粗糙高度取0.23m，風(fēng)機(jī)和風(fēng)管壁粗糙高度取0.000 5m。

(2)斜井外部空氣域采用Pressureoutlet邊界，指定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

(3)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口采用Fan邊界，按表1分別設(shè)定4種工況下的風(fēng)機(jī)全壓。

4.4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.4.1 風(fēng)管出口風(fēng)量

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，將工況1～4風(fēng)管出口風(fēng)量列于表2。由表2可知，數(shù)值計(jì)算風(fēng)管出口風(fēng)量與理論風(fēng)量較為接近，各工況下相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，滿足實(shí)際工程誤差要求。而大多壓入式隧道施工通風(fēng)的需風(fēng)量為20～50m3/s，故數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有普遍性。故本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有可靠性與合理性，數(shù)值計(jì)算模型可用于隧道施工通風(fēng)研究。

表2 數(shù)值計(jì)算風(fēng)量統(tǒng)計(jì)

4.4.2 風(fēng)管百米漏風(fēng)率

根據(jù)風(fēng)管漏風(fēng)點(diǎn)處平均風(fēng)速，換算得到各段漏風(fēng)量和漏風(fēng)率。將工況1～4中各段風(fēng)管漏風(fēng)率平均值列于表3中，由表3可知：

表3 風(fēng)管百米漏風(fēng)率統(tǒng)計(jì)

(1)數(shù)值計(jì)算平均漏風(fēng)率與理論計(jì)算取值較為接近，最大誤差僅為6.8%，數(shù)值計(jì)算具有合理性。

(2)工況1～4，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓由896Pa增加至5 600Pa，風(fēng)管平均100m漏風(fēng)率從2.022%增加至2.137%，風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓對(duì)風(fēng)管漏風(fēng)率影響較小。

將各工況下，風(fēng)管百米漏風(fēng)率隨距離的變化繪制如圖6所示。由曲線可知，風(fēng)管漏風(fēng)率隨距離的增加而不斷減小，且減小幅值較大，由3%～0.5%，故在實(shí)際隧道施工時(shí)，應(yīng)盡量保證與風(fēng)機(jī)距離較近的風(fēng)管具有較好的氣密性，從而減小風(fēng)量的損失。且工況1～4，即不同風(fēng)機(jī)風(fēng)壓條件下，風(fēng)管漏風(fēng)率隨距離的變化趨勢相同。

圖6 風(fēng)管百米漏風(fēng)率隨距離變化曲線

4.4.3 漏風(fēng)點(diǎn)處流場分布

風(fēng)管內(nèi)外存在壓強(qiáng)差，漏風(fēng)點(diǎn)處，存在風(fēng)壓損失。如圖7所示，為工況4風(fēng)管漏風(fēng)點(diǎn)處全壓云圖，風(fēng)管內(nèi)全壓約為4 500Pa，隧道內(nèi)全壓僅約為200Pa，風(fēng)管經(jīng)過漏風(fēng)點(diǎn)風(fēng)壓衰減，斜井隧道內(nèi)壓力局部增加，全壓從高到低過渡。以此可知，漏風(fēng)點(diǎn)處風(fēng)管與斜井隧道壓力場相互影響。同時(shí)，漏風(fēng)點(diǎn)處風(fēng)流將從管內(nèi)的高壓區(qū)流向斜井隧道低壓區(qū)[20]。如圖8所示，漏風(fēng)點(diǎn)處風(fēng)流從風(fēng)管沿前進(jìn)方流向斜井隧道，在斜井內(nèi)局部產(chǎn)生渦流，經(jīng)過漏風(fēng)點(diǎn)，風(fēng)管中風(fēng)速也略有減小。

圖7 漏風(fēng)點(diǎn)處靜壓場云圖(工況1)

圖8 漏風(fēng)點(diǎn)處流速場矢量圖(工況1)

5 結(jié)論

本文建立“風(fēng)機(jī)-風(fēng)管-隧道”系統(tǒng)三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)某斜井隧道壓入式施工通風(fēng)進(jìn)行模擬，獲取風(fēng)量、漏風(fēng)率等通風(fēng)參數(shù)，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，得出結(jié)論：

(1)數(shù)值計(jì)算風(fēng)管出口風(fēng)量與理論風(fēng)量較為接近，各工況下相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，滿足實(shí)際工程誤差要求，說明本數(shù)值計(jì)算模型具有合理性。

(2)數(shù)值計(jì)算平均漏風(fēng)率與理論計(jì)算取值較為接近，最大誤差僅為6.85%，表明數(shù)值計(jì)算風(fēng)管漏風(fēng)面積取值合理。

(3)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓由896Pa增加至5 600Pa，而風(fēng)管平均百米漏風(fēng)率僅從2.022%增加至2.137%，說明風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓對(duì)風(fēng)管漏風(fēng)率影響較小。

(4)風(fēng)管漏風(fēng)率隨著與風(fēng)機(jī)距離的增加而不斷減小，且減小幅值較大。

(5)漏風(fēng)點(diǎn)處，風(fēng)管與斜井隧道的壓力場與流速場相互影響。