某特長公路隧道施工通風(fēng)數(shù)值模擬分析

針對某特長公路隧道各施工階段不同通風(fēng)方式下風(fēng)流場特征、污染物擴(kuò)散特性展開研究，通過數(shù)值模擬計算證明了長距離通風(fēng)時風(fēng)管出口附近以及射流風(fēng)機(jī)附近會出現(xiàn)旋渦，減緩污染氣體的擴(kuò)散；CO主要集中在墻腳及風(fēng)管與隧道壁面的狹小位置處；在巷道式通風(fēng)方式中，由于隧道左洞的CO通過橫通道匯入隧道右洞，隧道右洞CO排出時間增加。

特長隧道; 數(shù)值模擬; 煙塵擴(kuò)散

U453.5A

［定稿日期］2023-02-20

［作者簡介］黃亞斌（1989—），男，本科，工程師，研究方向為橋梁與隧道工程施工與管理。

0 引言

通風(fēng)防塵是涉及人員生命健康的大事，是隧道施工水平的重要標(biāo)志，也是影響隧道施工方案選取的控制因素之一［1］。施工通風(fēng)效果的好壞，直接關(guān)系到隧道內(nèi)作業(yè)人員的健康和施工效率、工程進(jìn)度與施工安全［2］。在長大隧道施工中，洞內(nèi)通風(fēng)和空氣凈化問題更為突出［3-5］。目前長大隧道通風(fēng)系統(tǒng)存在布置和通風(fēng)設(shè)計方案單一，通風(fēng)管漏風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重，通風(fēng)系統(tǒng)布局不合理，隧道現(xiàn)場通風(fēng)管理水平較落后等問題，亟需探尋合理的解決方法［4-5］。

本文利用流體計算軟件Fluent對特長公路隧道各施工階段風(fēng)流場及污染物擴(kuò)散進(jìn)行模擬分析，通過為特長公路隧道施工通風(fēng)提供借鑒參考。

1 工程概況

某公路隧道隧道工程項目設(shè)計路線里程7 970 m，最大埋深約619 m，隧道單洞凈寬15.59 m，凈高8 m，設(shè)置一個斜井輔助施工。隧道進(jìn)口工區(qū)承擔(dān)隧道施工長度2 626 m；斜井輔助正洞施工長度2 072 m；出口工區(qū)承擔(dān)隧道施工長度3 272 m，獨(dú)頭掘進(jìn)距離長。長距離獨(dú)頭通風(fēng)往往伴隨著工作環(huán)境惡劣、低工作效率降低、高通風(fēng)成本、施工進(jìn)度緩慢等問題。當(dāng)隧道獨(dú)頭掘進(jìn)施工長度較長時，可采取開鑿輔助通風(fēng)巷道或設(shè)置輔助通風(fēng)井，形成巷道式通風(fēng)系統(tǒng)。

圖1為隧道各階段施工方案，隧道第一階段為壓入式通風(fēng)，在未開挖到第一個車行橫洞之前，用軟管直接送風(fēng)至離掌子面30～50 m處，向掌子面壓入新鮮空氣。在第一個車行橫道貫通后采用巷道式通風(fēng)；第二階段根據(jù)設(shè)計要求，為第一個車行橫道貫通后和第二個車行橫道未貫通前；第三階段為掌子面開挖到第二個車行橫洞之后直至開挖結(jié)束，將其他車行橫洞及其他人行橫洞、送風(fēng)通道、橫洞變電所全部封閉。

2 模型建立

數(shù)值模型的建立參照工程現(xiàn)場實際情況，正洞工區(qū)壓入式通風(fēng)，隧道左線長度2 000 m，隧道右線長度1 995 m，風(fēng)管末端距掌子面30 m，風(fēng)管1.8 m。按照上述參數(shù)取距離掌子面2 000 m范圍建立數(shù)值計算模型，將建好的模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中劃分網(wǎng)格，根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格類型為Tetra/Mixed，掌子面附近網(wǎng)格劃分如圖2所示。

模擬邊界條件：

（1）隧洞內(nèi)壁為墻面wall。

（2）隧道左洞口采用pressure-inlet邊界條件，右洞口采用pressure-outlet邊界。

（3）風(fēng)管進(jìn)出風(fēng)口為入口邊界，設(shè)置為Velocity-inlet，參考本工程中需風(fēng)量，出口速度取15.6 m/s。

（4）風(fēng)管與射流風(fēng)機(jī)壁面設(shè)為固體邊界。

（5）射流風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口為入口邊界，設(shè)置為Velocity-inlet，速度取35.7 m/s。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 通風(fēng)第一階段

圖3為隧道左線中心線軸向速度分布，可以看出，掌子面附近的區(qū)域風(fēng)速波動較大，超過一定距離后軸向速度較為穩(wěn)定，軸向速度在0.4 m/s左右，滿足隧道施工通風(fēng)最小風(fēng)速要求，風(fēng)管出口射流碰到掌子面后，貼附掌子面向下形成一條高速氣流帶，接觸到隧道底部形成回流，后遇到新進(jìn)入的氣流，在風(fēng)管出風(fēng)口前方形成渦流區(qū)，渦流區(qū)內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)作有旋運(yùn)動，對污染物的擴(kuò)散起阻礙作用，使得該區(qū)域污染物容易聚積。

從圖4可以看出，在初始通風(fēng)階段，CO質(zhì)量濃度分布在風(fēng)管側(cè)，集中在墻腳及風(fēng)管與隧道壁面的狹小位置處，隨著距掌子面距離的增加，CO體積分?jǐn)?shù)開始向遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)轉(zhuǎn)移，集中在遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)的墻腳部位。通風(fēng)60 min時，掌子面后500 m范圍內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)幾乎為0，在距掌子面550 m處的風(fēng)管與隧道壁面之間的區(qū)域存在約2×10-6的CO，在隧道洞口靠近風(fēng)管側(cè)的墻腳處，CO體積分?jǐn)?shù)最高約為13×10-6。由此可知，在通風(fēng)過程中CO的稀釋由風(fēng)管側(cè)向遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)發(fā)展。

3.2 通風(fēng)第二階段

由圖5可知，左、右洞掌子面附近的區(qū)域風(fēng)速波動較大，超過一定距離后軸向速度較為穩(wěn)定，軸向速度在0.4 m/s左右，射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口射流貼附隧道壁面形成一條高速氣流帶，造成隧道兩側(cè)速度分布不均，在射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口側(cè)前方形成渦流區(qū)，渦流區(qū)內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)作有旋運(yùn)動，對污染物的擴(kuò)散起阻礙作用，使得該區(qū)域污染物容易聚積。

由圖6可以看出，在初始通風(fēng)階段，CO體積分?jǐn)?shù)在風(fēng)管側(cè)較高，主要集中在墻腳及風(fēng)管與隧道壁面的狹小位置處，逐漸遠(yuǎn)離掌子面，CO體積分?jǐn)?shù)開始向遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)轉(zhuǎn)移，集中在遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)的墻腳部位。通風(fēng)60 min時，左右洞距掌子面200 m范圍內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)幾乎為0，在右洞洞口靠近風(fēng)管側(cè)的墻腳處，CO體積分?jǐn)?shù)最高約為1.2×10-6，其余位置CO體積分?jǐn)?shù)均小于1×10-6。在通風(fēng)過程中CO的稀釋由風(fēng)管側(cè)向遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)發(fā)展。

3.3 通風(fēng)第三階段

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，新鮮風(fēng)從風(fēng)管出口射出后，碰到掌子面回流形成渦流區(qū)所致。超過一定距離后軸向速度較為穩(wěn)定，軸向速度在0.4 m/s左右。射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口射流貼附隧道壁面同樣形成一條高速氣流帶，造成隧道兩側(cè)速度分布不均，在射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口側(cè)前方形成渦流區(qū)，對污染物的擴(kuò)散起阻礙作用。

從圖8可以看出，在初始通風(fēng)階段，CO體積分?jǐn)?shù)在風(fēng)管側(cè)較高，主要集中在墻腳及風(fēng)管與隧道壁面的狹小位置處，逐漸遠(yuǎn)離掌子面，CO體積分?jǐn)?shù)開始向遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)轉(zhuǎn)移，集中在遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)的墻腳部位。通風(fēng)30 min后，左洞整體CO體積分?jǐn)?shù)處于較低水平，右洞距掌子面1 600～2 100 m段的CO體積分?jǐn)?shù)較高。通風(fēng)60 min后，左洞整體CO體積分?jǐn)?shù)均小于1×10-6，右洞掌子面至掌子面前方1 700 m范圍內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)小于1×10-6，洞口附近CO體積分?jǐn)?shù)最高有2.2×10-6，左右洞均符合施工通風(fēng)要求。在通風(fēng)過程中，橫斷面上CO體積分?jǐn)?shù)最高處均位于靠近風(fēng)管側(cè)，CO的稀釋由風(fēng)管側(cè)向遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)發(fā)展。

4 結(jié)論

（1）不同施工階段的通風(fēng)方式在風(fēng)流穩(wěn)定后的風(fēng)速均滿足施工通風(fēng)要求的最低風(fēng)速。風(fēng)流場在風(fēng)管出口附近以及射流風(fēng)機(jī)附近會出現(xiàn)旋渦，使得該位置風(fēng)速較大波動，減緩污染氣體的擴(kuò)散。

（2）CO體積分?jǐn)?shù)在風(fēng)管一側(cè)較高，主要集中在墻腳及風(fēng)管與隧道壁面的狹小位置處，逐漸遠(yuǎn)離掌子面，CO體積分?jǐn)?shù)開始向遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)轉(zhuǎn)移，集中在遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)的墻腳部位。

（3）在壓入式通風(fēng)方式中，CO排出較快；在巷道式通風(fēng)方式中，由于隧道左洞的CO通過橫通道匯入隧道右洞，使得隧道右洞CO排出時間增加。各工況均可以在通風(fēng)30 min時達(dá)到CO體積分?jǐn)?shù)安全標(biāo)準(zhǔn)值以下。

參考文獻(xiàn)

［1］ 王應(yīng)權(quán).長大鐵路隧道施工通風(fēng)方案選擇及優(yōu)化［J］.地下空間與工程學(xué)報，2015，11（S1）：359-366.

［2］ 王莉. 長大鐵路隧道施工通風(fēng)案例分析［D］.蘭州：蘭州交通大學(xué)，2018.

［3］ 肖勇，徐林生，陳永權(quán)，等.特長公路隧道施工通風(fēng)若干技術(shù)問題研究［J］.四川建筑，2016，36（6）：195-197.

［4］ 蔡鵬飛.覺巴山高海拔特長公路隧道施工通風(fēng)優(yōu)化研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2021，58（S1）：156-161.

［5］ 張睿，周凱歌，姚志剛，等.米倉山特長公路隧道關(guān)鍵施工技術(shù)應(yīng)用分析［J］.隧道建設(shè)（中英文），2021，41（S2）：664-674.