山區(qū)高速公路特長(zhǎng)隧道施工通風(fēng)方案優(yōu)化研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U453.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.048

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0162-04

0 引言

隨著隧道施工技術(shù)的不斷進(jìn)步和工程規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，現(xiàn)今的隧道項(xiàng)目越來(lái)越傾向于超長(zhǎng)距離與大規(guī)模建設(shè)[1-2]，因此隧道內(nèi)部通風(fēng)環(huán)境如何得到有效控制成了一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在特長(zhǎng)高速公路隧道施工過(guò)程中，通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施常常遭遇一系列挑戰(zhàn)，這些不利因素顯著拖慢了施工進(jìn)度并加大了投入成本。為確保隧道施工環(huán)境達(dá)到安全與高效的通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，眾多研究者在施工通風(fēng)方案優(yōu)化方面開(kāi)展了深入研究。楊磐石等3針對(duì)多種通風(fēng)條件下的污染物排除效率進(jìn)行了細(xì)致分析；李明等4運(yùn)用FLUENT軟件中的三維紊流k一雙方程湍流模型對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了精確數(shù)值模擬，揭示了掘進(jìn)作業(yè)中揚(yáng)塵濃度變化規(guī)律及氣流場(chǎng)動(dòng)態(tài)分布特性，為進(jìn)一步改善隧道通風(fēng)方案提供了科學(xué)依據(jù)；陳碩等通過(guò)FDS軟件對(duì)單隧道射流風(fēng)機(jī)作用下流場(chǎng)特性進(jìn)行了CFD模擬；石平等采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)公路隧道縱向通風(fēng)系統(tǒng)中射流風(fēng)機(jī)的安裝位置進(jìn)行了三維立體的模擬與深入分析；喻映華基于CFD數(shù)值模擬，對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)中的流動(dòng)阻力及射流風(fēng)機(jī)的升壓性能進(jìn)行了理論計(jì)算與研究；吳珂等運(yùn)用Fluent軟件工具，從射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速和安裝傾斜角度對(duì)通風(fēng)效率的影響進(jìn)行研究；王永東等借助數(shù)值模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)長(zhǎng)大公路隧道多種通風(fēng)設(shè)計(jì)方案的對(duì)比評(píng)估以及不同方案下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)調(diào)控效果的仿真分析；張林[1運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)公路隧道中射流風(fēng)機(jī)在多種安裝條件下的氣流狀態(tài)進(jìn)行了模擬分析。

本文以武隆一道真高速公路子母巖隧道為工程依托，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析了傳統(tǒng)壓入式通風(fēng)與射流風(fēng)機(jī)引導(dǎo)的巷道式通風(fēng)在開(kāi)挖距離為3000m情況下的風(fēng)流場(chǎng)特性與排污效率，證明了射流風(fēng)機(jī)引導(dǎo)的巷道式通風(fēng)擁有良好的稀釋有害氣體濃度和排污效果，為隧道工程施工通風(fēng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

1工程概況

武隆一道真項(xiàng)目地處黔北高原北部，為大婁山延伸段向四川盆地過(guò)渡的斜坡地帶。子母巖隧道是兩線分離式設(shè)計(jì)特長(zhǎng)高速公路隧道，隧道主洞和車(chē)行橫通道內(nèi)輪廓尺寸分別如圖1、圖2所示。子母巖隧道貫穿一叢狀山體，相對(duì)高差為 巖溶水文地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。其左線長(zhǎng)度為 5348m ，右線長(zhǎng)度為 。主洞建筑限界為10 。隧道左線及右線均設(shè)置有車(chē)行橫通道（8處）、人行橫通道（18處）及緊急停車(chē)帶（8處）。

2通風(fēng)方案概況及數(shù)值模型的建立

2.1 通風(fēng)方案概況

為探究對(duì)長(zhǎng)距離高速公路隧道通風(fēng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，擬對(duì)子母巖隧道進(jìn)行兩種不同施工通風(fēng)方案對(duì)比，具體設(shè)置如圖3所示。

方案一采用壓入式通風(fēng)，施工通風(fēng)距離隨隧道掘進(jìn)而改變；方案二采用巷道式通風(fēng)，在靠近掌子面的橫通道處布置射流風(fēng)機(jī)，將隧洞左洞污風(fēng)引導(dǎo)至右洞，并在右洞再布置一個(gè)射流風(fēng)機(jī)，引導(dǎo)回流污風(fēng)一起從隧洞右線排出。

2.2模型的建立

本文主要對(duì)比分析隧道掘進(jìn)距離為3000m時(shí)，兩種不同通風(fēng)方案的排污效率，此時(shí)方案一的軸流風(fēng)機(jī)送風(fēng)距離為3000m，方案二由于軸流風(fēng)機(jī)前移至距掌子面最近橫通道附近，送風(fēng)距離設(shè)置為200m?；贑FD動(dòng)力學(xué)理論，使用SCDM軟件建立與實(shí)際情況相匹配的隧道模型，采用FLUENT軟件對(duì)子母巖隧道上述兩種施工方案在掘進(jìn)距離為 情況下的洞內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)、污染物擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行模擬，以期對(duì)長(zhǎng)距離公路隧道施工通風(fēng)方案的布置及優(yōu)化提出指導(dǎo)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，使用SCDM軟件建立隧道模型如圖4所示。

隧道正洞尺寸為""，橫通道尺寸為4.5m×7m ，風(fēng)管直徑為 2m ，出風(fēng)口與掌子面距離為10m. 。方案二所用射流風(fēng)機(jī)直徑為1.08m，每間隔300m設(shè)置一個(gè)?？紤]計(jì)算穩(wěn)定性、收斂性和計(jì)算規(guī)模，網(wǎng)格劃分采用三維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。計(jì)算采用Hypermesh軟件對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于軸流風(fēng)機(jī)附近氣流速度和壓力梯度較大，對(duì)其附近網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密。此外，在隧道各連通道處也進(jìn)行局部加密，把整體網(wǎng)格質(zhì)量控制在 gt;0.6. 隧道橫向單位網(wǎng)格尺寸為0.35m，縱向單位網(wǎng)格尺寸為1m。網(wǎng)格劃分如圖5所示。

2.3湍流模型及邊界條件

本文計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn) k- epsilon雙方程湍流模型（k一ε）模擬，該模型穩(wěn)定性較好，且具有較高的經(jīng)濟(jì)性和計(jì)算精度。在隧道施工循環(huán)中，CO的擴(kuò)散情況會(huì)受到很多因素的影響。為最大限度貼合實(shí)際工況，本次計(jì)算中把通風(fēng)機(jī)作為入口邊界條件并選用速度入口邊界條件；隧道洞口作為出口邊界，選用壓力出口條件并把其值設(shè)置為0；垂直于壁面的壓力梯度也設(shè)置為0。模擬邊界條件及部分?jǐn)?shù)值參數(shù)如表1所示。

3通風(fēng)效果分析

3.1各方案風(fēng)流場(chǎng)分析

在隧道爆破作業(yè)后，啟動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)，通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)將新鮮空氣經(jīng)風(fēng)管輸送到施工掌子面。在這個(gè)過(guò)程中，爆破所產(chǎn)生的粉塵與CO等污染物會(huì)隨氣流方向被排出至洞外。風(fēng)流作為污染物遷移擴(kuò)散的動(dòng)力，其分布及軌跡對(duì)污染物運(yùn)移起著至關(guān)重要的作用，隨著與掌子面的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，風(fēng)流場(chǎng)趨于穩(wěn)定，對(duì)污染物的驅(qū)動(dòng)性逐漸單一，選取施工掌子面100m范圍內(nèi)通風(fēng)穩(wěn)定后的風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行分析。

方案一施工掌子面""范圍內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)3D云圖如圖6所示。

由圖6可知，風(fēng)管置于隧道右壁側(cè)，風(fēng)流以14. 的速度由風(fēng)管出口向掌子面方向以束狀形態(tài)流動(dòng)，經(jīng)掌子面阻擋作用，風(fēng)流束整體貼壁向掌子面左側(cè)發(fā)散，經(jīng)隧道左壁面阻擋，向隧道右壁面方向回彈一段距離后，逐步向外擴(kuò)散，形成回風(fēng)，漸漸趨于穩(wěn)定；風(fēng)管出口至掌子面段約15m的范圍內(nèi)回風(fēng)風(fēng)速較大，約為 ，但靠近掌子面2m左右處形成渦流，易出現(xiàn)局部污染物聚集，或僅在掌子面范圍內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，無(wú)法向外排出；回風(fēng)以束狀形態(tài)向洞外發(fā)散，以絮狀向洞外擴(kuò)散，約在距離掌子面30m處后穩(wěn)定。

方案二施工掌子面100m范圍內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)3D云圖如 圖7所示。

由圖7可知，風(fēng)管被布置在隧道右側(cè)壁上，風(fēng)流以19.85 的速度從風(fēng)管出口以束狀形態(tài)向掌子面方向輸送。當(dāng)遭遇掌子面的阻擋作用時(shí)，其整體流動(dòng)路徑貼合左側(cè)壁面向前發(fā)散。進(jìn)一步地，風(fēng)流經(jīng)過(guò)隧道左壁面的阻隔后，在右壁面附近產(chǎn)生回彈效應(yīng)，行進(jìn)一段距離后再逐漸向外擴(kuò)散形成回風(fēng)氣流，并最終趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。在風(fēng)管出口至掌子面約 15m 范圍內(nèi)的區(qū)域中，回風(fēng)風(fēng)速相對(duì)較大，約為 。值得注意的是，在貼近掌子面大約 2m 的位置形成了渦旋現(xiàn)象，易造成局部污染物積聚，會(huì)導(dǎo)致這些污染物局限于掌子面區(qū)域內(nèi)循環(huán)流動(dòng)而無(wú)法有效排出到洞外?；仫L(fēng)氣流繼續(xù)以其束狀結(jié)構(gòu)向洞外空間發(fā)散，并隨后轉(zhuǎn)為絮狀擴(kuò)散模式，大約在離掌子面30m遠(yuǎn)的地方，回風(fēng)氣流速度及分布趨于穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)兩種方案在施工掌子面100m范圍內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，其風(fēng)流場(chǎng)特性大致相同，但射流風(fēng)機(jī)引導(dǎo)的巷道式通風(fēng)，由于射流風(fēng)機(jī)的存在，會(huì)對(duì)風(fēng)流場(chǎng)渦旋產(chǎn)生一定的影響，如果風(fēng)機(jī)布置不合理，可能導(dǎo)致污染物滯留在隧洞內(nèi)，從而影響排污效率。

3.2各方案排污效率分析

為探究施工通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)有害氣體的排除效果及污染物擴(kuò)散規(guī)律，以CO為主要研究對(duì)象，分析不同通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)下掌子面附近100m范圍內(nèi)的污染物擴(kuò)散情況，見(jiàn)圖8。

由圖8可知，方案一在通風(fēng)900s后，掌子面100m內(nèi)的CO濃度下降至 以下，滿足規(guī)范要求；當(dāng)通風(fēng)時(shí)間為1500S時(shí)，掌子面附近CO基本排除完畢。相比之下，方案二的通風(fēng)效果較佳，當(dāng)通風(fēng)時(shí)間約為330s時(shí)，掌子面 范圍內(nèi)的CO濃度便已下降至19. 以下；當(dāng)通風(fēng)時(shí)間為540s時(shí)，掌子面附近CO基本排除完畢。為進(jìn)一步探明CO擴(kuò)散情況，對(duì)兩種方案通風(fēng)30min內(nèi)隧洞左洞不同測(cè)面CO濃度變化情況進(jìn)行了模擬計(jì)算，其濃度曲線分別如圖9、圖10所示。

由圖9可知，采用方案一時(shí)，距離掌子面 、100m處隧道斷面CO濃度分別在通風(fēng)開(kāi)始0S、40S.60s后開(kāi)始下降，其中10m和20m斷面的CO濃度經(jīng)過(guò)大約400S的有效通風(fēng)后基本降至零；100m斷面處的CO濃度則在持續(xù)約700s的通風(fēng)之后也基本清零。距離掌子面200m處隧道斷面在通風(fēng)系統(tǒng)工作開(kāi)始時(shí)不存在爆破有害氣體，爆破有害氣體在通風(fēng)110s到達(dá)距離掌子面200m處隧道斷面，該處斷面CO濃度在通風(fēng)270s后到達(dá)峰值967. ，通風(fēng)約800s后，該處CO濃度降至規(guī)范要求以下；通風(fēng)900s可保證距離掌子面200m的CO清零。

由圖10可知，采用方案二時(shí)，距離掌子面 10m 、20m、100m處隧道斷面CO濃度分別在通風(fēng)開(kāi)始 10S、40s后開(kāi)始下降，其中10m和20m斷面最終在通風(fēng)約250s后基本歸零，100m斷面最終在通風(fēng)約300s后基本歸零；距離掌子面200m處隧道斷面在通風(fēng)系統(tǒng)工作開(kāi)始時(shí)不存在爆破有害氣體，爆破有害氣體在通風(fēng)40s后到達(dá)距離掌子面200m處隧道斷面，該處斷面CO濃度在通風(fēng)120s后到達(dá)峰值909. ，通風(fēng)約390s后，該處隧道斷面CO濃度降至規(guī)范要求；通風(fēng)450s后可保證距離掌子面200m的CO清零。

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，采用方案二具有更佳的排污效率，相較于方案一，其能在更短時(shí)間內(nèi)將洞內(nèi)CO濃度降至規(guī)范要求以下，便于施工進(jìn)程進(jìn)一步推進(jìn)。

4結(jié)語(yǔ)

本文以武隆一道真高速公路子母巖隧道為工程依托，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)比分析了壓入式通風(fēng)和射流風(fēng)機(jī)引導(dǎo)的巷道式通風(fēng)的風(fēng)流場(chǎng)特性及排污效率，主要研究結(jié)論如下：

（1）經(jīng)風(fēng)流場(chǎng)分析可知，在采用射流風(fēng)機(jī)引導(dǎo)的巷道式通風(fēng)方案時(shí)，應(yīng)合理布置射流風(fēng)機(jī)位置及數(shù)量，正確引導(dǎo)污風(fēng)風(fēng)流，避免污染物在運(yùn)移過(guò)程中出現(xiàn)在除排污通道外的其他通道，否則會(huì)導(dǎo)致掌子面供風(fēng)用軸流風(fēng)機(jī)復(fù)吸入污風(fēng)，污染新鮮空氣，影響排污效率。

（2）通過(guò)隧道左洞的CO濃度變化曲線分析，在距掌子面50m內(nèi)的監(jiān)測(cè)斷面，采用射流風(fēng)機(jī)引導(dǎo)的巷道式通風(fēng)排污效率比原始?jí)喝胧酵L(fēng)節(jié)約了約1/3的時(shí)間，在100～200m范圍內(nèi)，則更是節(jié)約了約 50% 的通風(fēng)時(shí)間。

（3）在掘進(jìn)距離3000m的情況下，原始?jí)喝胧酵L(fēng)方案不論是排污速度還是污染稀釋程度已經(jīng)和方案二顯示出了較大差距，在長(zhǎng)距離通風(fēng)情況下表現(xiàn)不佳，而射流風(fēng)機(jī)引導(dǎo)的巷道式通風(fēng)方案由于將軸流風(fēng)機(jī)前移至距掌子面最近橫通道處，并合理采用射流風(fēng)機(jī)引導(dǎo)風(fēng)流，將隧洞整體通風(fēng)效果提升了約1/3。

參考文獻(xiàn)

[1鄭偉.隧道及地下工程的基本問(wèn)題及其研究進(jìn)展[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2018（1）：1607.

[2]曾艷華，何川.特長(zhǎng)公路隧道全射流通風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用[J」公路，2002（7）：129-131.

[3]楊磐石，劉暢，羅剛.超長(zhǎng)公路隧道斜井及正洞通風(fēng)方案優(yōu)化研究[J].中外公路，2022，42（1）：187－192

[4]李明，幸，劉農(nóng).雪山梁高原特長(zhǎng)隧道施工通風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)三維數(shù)值模擬J].公路，2017，62（11）：284-289

[5]陳碩，彭偉，霍然，等.射流風(fēng)機(jī)作用下的單隧道流場(chǎng)特性[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2008（10）：728-731.

[6]石平，夏永旭.公路隧道射流風(fēng)機(jī)調(diào)壓數(shù)值模擬分析與優(yōu)化研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9（S1）：1722-1725

[7]喻映華.錦屏隧道流動(dòng)阻力及射流風(fēng)機(jī)升壓力研究D].成都：西南交通大學(xué)，2006

[8]吳珂，方飛龍，朱凱，等.基于FLUENT的隧道射流風(fēng)機(jī)最佳安裝傾斜角研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2014，56（6）：17-21.

[9]王永東，夏永旭公路隧道縱向通風(fēng)數(shù)值模擬[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2002（1）：85-88.

[10]張林.公路隧道射流通風(fēng)數(shù)值模擬與風(fēng)機(jī)安裝參數(shù)優(yōu)化[D]重慶：重慶交通大學(xué)，2009.