高海拔地區(qū)鐵路隧道施工期有害氣體運(yùn)移特性

曹正卯，楊其新，郭春

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高海拔地區(qū)鐵路隧道施工期有害氣體運(yùn)移特性

曹正卯1, 2，楊其新1，郭春1

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都，610031;2. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶，400067)

依托西格二線(xiàn)新關(guān)角隧道工程，基于關(guān)角隧道地區(qū)實(shí)測(cè)氣象資料，利用流體計(jì)算軟件FLUENT，采用三維?湍流非穩(wěn)態(tài)模型，對(duì)不同海拔高度地區(qū)鐵路隧道內(nèi)施工期有害氣體運(yùn)移特性和質(zhì)量濃度分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。研究結(jié)果表明：考慮濕度與不考慮濕度對(duì)空氣密度計(jì)算結(jié)果影響誤差為0.3 %左右，可以忽略不計(jì)；有害氣體在隧道內(nèi)向洞口運(yùn)移的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，最高質(zhì)量濃度逐漸降低、體積逐漸增大，在隧道內(nèi)呈U型分布；隨著海拔高度增加，由于環(huán)境氣壓的影響，同一測(cè)點(diǎn)有害氣體質(zhì)量濃度隨海拔高度以指數(shù)形式增大，CO增加倍數(shù)可按=e/104進(jìn)行計(jì)算，且達(dá)到容許質(zhì)量濃度的時(shí)間增加。

高海拔；鐵路隧道；施工通風(fēng)；有害氣體；數(shù)值模擬；運(yùn)移特性

目前，長(zhǎng)大隧道施工期間通風(fēng)往往成為影響隧道施工進(jìn)度、施工安全的一項(xiàng)重要因素，與作業(yè)人員的健康密切相關(guān)，通常按照經(jīng)驗(yàn)或根據(jù)規(guī)范進(jìn)行通風(fēng)方案的制定[1?2]。對(duì)于隧道通風(fēng)問(wèn)題的研究，國(guó)外起步較早，日本、挪威、瑞士、奧地利等國(guó)家針對(duì)隧道通風(fēng)進(jìn)行了大量研究，但主要集中在對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)期間通風(fēng)和地下礦井通風(fēng)的研究，對(duì)于隧道施工期的通風(fēng)研究相對(duì)較少[3?6]。我國(guó)隧道工程建設(shè)起步較晚，但隨著隧道工程事業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)已積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，并取得了大量的科研成果。對(duì)于隧道施工通風(fēng)的研究主要集中在通風(fēng)流場(chǎng)特性、風(fēng)流組織、施工通風(fēng)技術(shù)以及施工通風(fēng)方案優(yōu)化等方面[7?9]。對(duì)于爆破后隧道內(nèi)污染物運(yùn)移的研究，王曉玲等[10]建立了壓入式紊流高雷諾數(shù)?的數(shù)學(xué)模型，對(duì)隧道內(nèi)風(fēng)流組織和CO濃度分布規(guī)律進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬；張靜等[11]利用三維非穩(wěn)態(tài)歐拉兩相流模型對(duì)隧道掌子面爆破后的通風(fēng)過(guò)程以及粉塵擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬；朱紅青等[12]通過(guò)對(duì)大斷面壓入式通風(fēng)風(fēng)管布設(shè)的不同形式進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較通風(fēng)20 min后CO的稀釋效果和通風(fēng)死區(qū)比例，得出風(fēng)管布設(shè)的最佳高度；鄧祥輝等[13]對(duì)施工階段隧道內(nèi)的CO擴(kuò)散規(guī)律以及工作人員進(jìn)洞安全時(shí)間進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；危寧等[14]對(duì)隧道施工期間污染物擴(kuò)散進(jìn)行理論分析，得出洞內(nèi)不同通風(fēng)量情況下的通風(fēng)效果；劉釗春等[15]利用有限元分析軟件ADINA對(duì)壓入式通風(fēng)情況下渦流區(qū)對(duì)有害氣體的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。從國(guó)內(nèi)外的研究成果可以看出，對(duì)于施工期間有害氣體的研究基本上針對(duì)平原地區(qū)的隧道，而對(duì)于高海拔地區(qū)隧道內(nèi)污染物運(yùn)移規(guī)律的研究極少。在高海拔地區(qū)，由于海拔的增加，環(huán)境特點(diǎn)改變，如空氣密度減小、氣壓及溫度降低，相對(duì)于低海拔地區(qū)的施工通風(fēng)顯得更加重要。本文作者依托西格二線(xiàn)新關(guān)角隧道實(shí)際情況，針對(duì)不同海拔高度，考慮大氣壓力、環(huán)境溫度、空氣密度等影響因素對(duì)施工通風(fēng)期間有害氣體運(yùn)移特性進(jìn)行研究，為今后高海拔地區(qū)隧道施工通風(fēng)理論以及通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 關(guān)角隧道工程概況

西格二線(xiàn)新關(guān)角隧道位于海拔3 300 m以上的青藏鐵路西寧至格爾木段，全長(zhǎng)32.645 km，是迄今為止世界上罕見(jiàn)的高海拔地區(qū)特長(zhǎng)鐵路隧道。新關(guān)角隧道為線(xiàn)間距40 m雙洞單線(xiàn)隧道，進(jìn)口段為8‰的上坡，在嶺脊以后為9.5‰的連續(xù)下坡。隧道通過(guò)地區(qū)屬青藏高原亞寒帶半干旱氣候區(qū)，存在如高寒、低氣壓、風(fēng)沙大、干旱等諸多不同于一般隧道地區(qū)的特點(diǎn)，隧道所在地區(qū)環(huán)境大氣壓力僅為海平面處大氣壓的60%~70%，空氣中氧氣含量?jī)H為13%~16.5%。由于處于高原地區(qū)存在大氣壓力低、空氣密度小、低溫等因素影響，施工期間隧道內(nèi)有害氣體擴(kuò)散相對(duì)于平原地區(qū)具有特殊性[16]。

2 高海拔地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)

2.1 海拔高度對(duì)大氣壓力的影響

環(huán)境大氣壓在數(shù)值上為測(cè)試位置所在地區(qū)以上整個(gè)空氣柱的重力，在理想情況下，環(huán)境大氣壓力與海拔高度具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨著海拔高度的不斷增加，大氣壓力逐漸減小，兩者具有非線(xiàn)性關(guān)系。海拔11 km以下地區(qū)大氣壓力通常按下式計(jì)算：

式中：p為海拔高處的大氣壓力，Pa；為海拔高度，m。

大氣壓力與海拔高度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 不同海拔高度條件下大氣壓力

2.2 海拔高度對(duì)溫度的影響

環(huán)境溫度不僅與地理緯度變化的影響有關(guān)，而且受海拔高度增加的影響逐漸降低。

式中：t為海拔高度處的溫度，℃；A為相鄰氣象站的溫度，℃；t為溫度梯度，0.5~0.7 ℃/(100 m)；為海拔處與相鄰氣象站高程差，m。

2.3 海拔高度對(duì)空氣密度的影響

隧道內(nèi)外空氣的密度與隧道所處地區(qū)的大氣壓力、溫度以及濕度有關(guān)。

式中：為空氣密度，kg/m3；sat為飽和水蒸氣壓力，Pa；為相對(duì)濕度，%；為環(huán)境大氣壓，Pa；為環(huán)境溫度，℃。

為得到濕度對(duì)空氣密度的影響，對(duì)關(guān)角隧道氣象站所實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表1所示為根據(jù)關(guān)角隧道地區(qū)天峻氣象站(N37°18′E99°02′，3 417.1 m)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行空氣密度計(jì)算的部分結(jié)果。

從考慮濕度與不考慮濕度的計(jì)算可以看出：兩者計(jì)算結(jié)果誤差平均為0.3%左右，誤差小于0.5%，在計(jì)算中可以認(rèn)為空氣濕度對(duì)空氣密度的影響極小。空氣密度可按下式計(jì)算：

3 數(shù)學(xué)模型

隧道內(nèi)有害氣體濃度隨通風(fēng)過(guò)程的進(jìn)行隨時(shí)間變化，其稀釋及擴(kuò)散的過(guò)程為非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，本文采用三維非穩(wěn)態(tài)組分輸運(yùn)模型進(jìn)行求解，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)?雙方程模型，總體模型包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、組分輸運(yùn)方程、能量耗散率方程以及湍動(dòng)能方程[17]。

3.1 基本假設(shè)

1) 隧道施工通風(fēng)情況下，風(fēng)管出口風(fēng)速較大，但其馬赫數(shù)仍然小于0.3，可不考慮其壓縮性，通常認(rèn)為隧道內(nèi)風(fēng)流運(yùn)動(dòng)處于紊流流動(dòng)狀態(tài)，因此，可以假定隧道內(nèi)空氣域流場(chǎng)為三維黏性的不可壓縮湍流場(chǎng)；

2) 假定壁面絕熱，忽略由黏性力做功引起的耗散熱；

3) 忽略洞內(nèi)其他設(shè)備及障礙物對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)，對(duì)洞內(nèi)交通風(fēng)及自然阻力的影響忽略不計(jì)。

表1 濕度對(duì)空氣密度計(jì)算結(jié)果的影響

3.2 控制方程

1) 連續(xù)性方程：

2) 動(dòng)量方程：

(6)

其中：

3) 組分輸運(yùn)方程：

(8)

4) 湍動(dòng)能方程：

(10)

其中：

式中：u為x方向上空氣速度分量，m/s；為層流動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa?s；μ為紊流動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa?s；S為動(dòng)量源項(xiàng)；μ為等效動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa?s；Y為質(zhì)量分率；為紊流動(dòng)能，m2/s2；為紊流動(dòng)能耗散率，m2/s3；G為紊流脈動(dòng)動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；1，2，，，σ和為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取值如下[18?19]：=0.09，1=1.44，2=1.92，=1.0，=1.33，=1.3。

4 模型建立與參數(shù)設(shè)定

4.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

利用目前廣泛使用的大型計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)有限元計(jì)算軟件FLUENT對(duì)不同工況進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算。前期利用專(zhuān)業(yè)CFD前處理建模軟件GAMBIT根據(jù)隧道基本參數(shù)進(jìn)行橫斷面1:1計(jì)算模型建立，隧道長(zhǎng)度取1 000 m，根據(jù)以往對(duì)風(fēng)管布設(shè)形式的研究成果[20]，對(duì)風(fēng)管布設(shè)位置如圖2所示，風(fēng)管出風(fēng)口距掌子面距離為20 m，

模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

圖2 隧道內(nèi)風(fēng)管布設(shè)位置簡(jiǎn)圖

表2 計(jì)算模型參數(shù)

風(fēng)管出口處風(fēng)流速度和壓力梯度極大，對(duì)其附近網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密。根據(jù)非穩(wěn)態(tài)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，并考慮到模擬計(jì)算的計(jì)算規(guī)模、穩(wěn)定性及收斂性，在進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分時(shí)采用規(guī)則的六面體網(wǎng)格，模型網(wǎng)格數(shù)總計(jì)約為40萬(wàn)個(gè)，計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

(a) 橫斷面網(wǎng)格劃分；(b) 縱斷面網(wǎng)格劃分

4.2 邊界條件

根據(jù)分析，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)邊界條件設(shè)定如 下[21]。

1) 入口邊界條件：隧道內(nèi)風(fēng)管末端出風(fēng)口定義為速度入口邊界條件(velocity-inlet)，速度設(shè)定為= 20 m/s；紊流動(dòng)能為

紊流動(dòng)能耗散率為

(13)

式中：in為入口邊界紊流動(dòng)能，m2/s2；in為入口邊界紊流動(dòng)能耗散率，m2/s3；in，和m為試驗(yàn)常數(shù)；為通風(fēng)管水力半徑。其中，=0.09，=0.005，m=0.03。

2) 出口邊界條件：隧道出口設(shè)定為壓力出口邊界條件(pressure-outlet)，根據(jù)不同海拔高度工況設(shè)定環(huán)境大氣壓力。

3) 壁面邊界條件：模型采用無(wú)滑移固壁邊界條件(wall)，并且考慮粗糙度影響的壁面函數(shù)[5]。

式中：U為近壁面網(wǎng)格點(diǎn)的速度，m/s；*為摩阻速度，m/s；y為網(wǎng)格點(diǎn)到壁面的距離，m；為卡門(mén)常數(shù)，取=0.42；為表征粗糙率的參數(shù)(=9.8)；c為壁面粗糙度常數(shù)；k+為壁面平均粗糙高度，m。根據(jù)“鐵路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范”，壁面粗糙度常數(shù)取0.6，壁面平均粗糙高度取0.08 m。

4.3 初始條件

隧道爆破產(chǎn)生的有害氣體(主要為CO)初始質(zhì)量濃度按下式計(jì)算：

式中：為CO初始質(zhì)量濃度，kg/m3；為炸藥質(zhì)量，kg；為1 kg炸藥爆破產(chǎn)生的有害氣體質(zhì)量，kg；為炮煙拋擲帶長(zhǎng)度，m，按15+G/5計(jì)算；為隧道開(kāi)挖面積，m2。

隧道內(nèi)其余部分產(chǎn)生的有害氣體忽略不計(jì)，計(jì)算得CO初始質(zhì)量濃度為3 082 mg/m3。

4.4 工況設(shè)置

根據(jù)不同海拔高度對(duì)計(jì)算工況進(jìn)行設(shè)置，具體工況設(shè)置情況如表3所示。

5 計(jì)算結(jié)果及分析

5.1 速度流場(chǎng)特性

由于風(fēng)管出風(fēng)口處風(fēng)流的射流作用，使得掌子面附近風(fēng)流分布情況較復(fù)雜，取隧道縱斷面=3.5 m處和水平剖面=6.0 m處流場(chǎng)進(jìn)行分析，速度矢量如圖4所示。

表3 計(jì)算工況參數(shù)

(a) x=3.5 m平面；(b) y=6.0 m平面

風(fēng)流自風(fēng)管口射流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，射流體不斷吸卷周?chē)目諝猓S著射流距離的增加，射流的范圍增大，但在隧道內(nèi)受到有限空間以及空氣回流的影響，使得射流的發(fā)展受到限制，射流體向外析出空氣，射流體的吸卷與析出有較明顯的分界面，此處出現(xiàn)了明顯的渦流。從圖4可以看出：射流過(guò)程中分為幾個(gè)明顯的區(qū)域，即附壁射流區(qū)、沖擊射流附壁區(qū)、回流區(qū)、渦流區(qū)、穩(wěn)定區(qū)[7]。風(fēng)管中的風(fēng)流自風(fēng)管出口射向掌子面，由于有限空間的限制，風(fēng)流受到阻礙，由隧道另一側(cè)回流，一部分回流的空氣在到達(dá)風(fēng)管出風(fēng)口附近時(shí)，受射流體的吸卷作用又流向掌子面，形成1個(gè)風(fēng)流旋渦，即渦流區(qū)。由于渦流區(qū)的存在，對(duì)掌子面附近的有害氣體排出有不利影響，部分有害氣體在渦流區(qū)循環(huán)流動(dòng)，需較長(zhǎng)的時(shí)間稀釋和排出。

圖5所示為隧道內(nèi)不同高度處沿程風(fēng)速分布。

1—隧道底部y=1 m；2—隧道中部y=5 m；3—隧道頂部y=10 m。

從圖5可以看出：隧道內(nèi)1 m高度處及10 m高度處風(fēng)速在距掌子面50 m處急劇降低，在距掌子面150 m之后風(fēng)速基本趨于平穩(wěn)，隧道中部風(fēng)速最大，風(fēng)速穩(wěn)定在0.72 m/s左右；隧道頂部風(fēng)速最小，穩(wěn)定段風(fēng)速為0.46 m/s左右。距離掌子面越近，洞內(nèi)風(fēng)速波動(dòng)越大，距掌子面超過(guò)150 m以后，風(fēng)速基本趨于穩(wěn)定，風(fēng)流處于穩(wěn)定區(qū)。在風(fēng)流穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，風(fēng)速分布情況為隧道中部風(fēng)速大，距隧道壁越近的區(qū)域風(fēng)速越小，這與流體力學(xué)的基本理論是完全一致的。

5.2 CO運(yùn)移特性

隧道內(nèi)CO質(zhì)量濃度分布特性與隧道內(nèi)流場(chǎng)分布、壓力場(chǎng)分布等密切相關(guān)。以工況一計(jì)算結(jié)果對(duì)CO運(yùn)移特性進(jìn)行分析。圖6所示為隧道爆破后通風(fēng)6 min內(nèi)掌子面附近隧道中心線(xiàn)縱向剖面=0 m處CO質(zhì)量濃度分布云圖。在進(jìn)行通風(fēng)1 min后，由于風(fēng)流的稀釋和壓力作用，將洞內(nèi)CO向外排出。從圖6可以看到：由于渦流區(qū)的存在，渦流區(qū)內(nèi)CO質(zhì)量濃度明顯偏高。隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，CO不斷被稀釋?zhuān)⒊淼蓝纯谝苿?dòng)，隧道內(nèi)CO最高質(zhì)量濃度不斷減小，含有CO的空氣體積不斷膨脹。隧道中部CO排出速度較快，靠近隧道壁附近的CO排出速度較慢，在隧道內(nèi)呈U形分布。

時(shí)間/min: (a) 1; (b) 2; (c) 3; (d) 4; (e) 5; (f) 6

圖7所示為隧道內(nèi)呼吸帶高度CO質(zhì)量濃度分布。以隧道中心縱斷面人體平均呼吸高度=1.6 m處CO質(zhì)量濃度分布進(jìn)行研究，考察通風(fēng)時(shí)間1，5，10，20和30 min時(shí)隧道內(nèi)CO質(zhì)量濃度分布情況。從圖7可以看出：通風(fēng)不同時(shí)刻的CO質(zhì)量濃度分布有以下規(guī)律。通風(fēng)1 min時(shí)，CO質(zhì)量濃度最大值處于回流區(qū)范圍；隨著時(shí)間的推移，監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO質(zhì)量濃度最大值逐漸減小，充斥CO的空氣團(tuán)由于風(fēng)流的作用不斷向隧道洞口移動(dòng)；通風(fēng)時(shí)間的增加使得CO氣團(tuán)體積不斷膨脹，其跨度不斷變大。

時(shí)間/min：1—1；2—5；3—10；4—20；5—30。

圖8所示為=5 min和=10 min時(shí)CO空氣團(tuán)所在區(qū)段隧道橫斷面的CO質(zhì)量濃度分布云圖。由圖8可以看出：開(kāi)始進(jìn)行通風(fēng)后，=10 min時(shí)隧道內(nèi)的CO質(zhì)量濃度峰值較=5 min時(shí)CO質(zhì)量濃度峰值低，CO氣團(tuán)分布跨度較=5 min時(shí)CO氣團(tuán)分布跨度長(zhǎng)。CO氣團(tuán)區(qū)域隧道中部與隧道壁附近CO質(zhì)量濃度分布有明顯的差異。圖9所示為爆破通風(fēng)10 min時(shí)隧道內(nèi)CO質(zhì)量濃度分布情況。

從圖9可以看出：由于相同條件下CO密度比空氣稍輕，觀察CO空氣團(tuán)運(yùn)移較穩(wěn)定的=10 min時(shí)隧道中心縱斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO質(zhì)量濃度分布，人體呼吸高度=1.6 m處CO峰值較隧道中部(=5 m)和隧道頂部(=10 m)處低，隧道頂部(=10 m)處CO質(zhì)量濃度峰值最大。

時(shí)間/min：(a) 5；(b) 10

y/m：1—1.6；2—5；3—10。

5.3 海拔高度對(duì)CO質(zhì)量濃度分布的影響

由于通風(fēng)初期CO氣團(tuán)距掌子面較近，受回流區(qū)及渦流區(qū)的影響較大，取=10 min時(shí)CO運(yùn)移較穩(wěn)定的階段對(duì)不同海拔高度情況下CO在隧道內(nèi)的分布規(guī)律進(jìn)行研究。本文僅討論隧道中心縱斷面人體呼吸高度=1.6 m處CO質(zhì)量濃度分布。

由于海拔高度的增加，各種環(huán)境因素(大氣壓力、空氣密度、環(huán)境溫度等)變化綜合作用引起隧道內(nèi)CO質(zhì)量濃度分布的差異，其中大氣壓力的變化為最主要的因素。洞內(nèi)靜壓分布隨海拔高度的不同而變化，而靜壓在稀釋和排出有害氣體方面起著關(guān)鍵性的作用。

圖10所示為通風(fēng)后，=10 min時(shí)隧道內(nèi)部分測(cè)點(diǎn)在不同工況下的CO質(zhì)量濃度變化。從圖10可以看出：隧道內(nèi)同一測(cè)點(diǎn)在其他條件不變的情況下，當(dāng)海拔高度升高時(shí)，CO質(zhì)量濃度有所升高。

為探明CO質(zhì)量濃度隨海拔高度升高的增加程度，在CO氣團(tuán)分布區(qū)域從=200 m 至=400 m每10 m取一測(cè)點(diǎn)計(jì)算CO質(zhì)量濃度相對(duì)于海拔0 m時(shí)的增加倍數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

觀察表4中方向各測(cè)點(diǎn)變化，海拔高度較低時(shí)，CO質(zhì)量濃度增加較少，隨著海拔高度增加，CO質(zhì)量濃度增加幅度增大，兩者呈非線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系。對(duì)不同測(cè)點(diǎn)CO質(zhì)量濃度增加倍數(shù)取平均值，得到如圖11所示關(guān)系曲線(xiàn)。

z/m：1—250；2—300；3—350；4—400；5—450。

表4 不同海拔高度條件下CO質(zhì)量濃度增加倍數(shù)

注：為海拔高度。

圖11中曲線(xiàn)符合指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律，定義系數(shù)為高海拔地區(qū)CO質(zhì)量濃度修正系數(shù)。經(jīng)擬合得任意海拔高度處CO質(zhì)量濃度相對(duì)于海拔0 m處增加倍數(shù)為

式中：為CO質(zhì)量濃度修正系數(shù)。

圖11 不同海拔高度CO質(zhì)量濃度變化

Fig. 11 CO mass concentration variations along with different altitudes

以隧道內(nèi)人體平均呼吸高度=1.6 m處距掌子面100和300 m處CO質(zhì)量濃度達(dá)到規(guī)范規(guī)定的濃度限值所需時(shí)間，此處暫不考慮高海拔地區(qū)規(guī)范限值的變化，以規(guī)范中容許質(zhì)量濃度和工作質(zhì)量濃度作為判定標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

由計(jì)算結(jié)果可以看出：海拔高度為0 m時(shí)，距掌子面100 m處CO質(zhì)量濃度達(dá)到規(guī)范規(guī)定的容許質(zhì)量濃度所需時(shí)間為8.32 min；隨著海拔高度的增加，距掌子面100 m處CO質(zhì)量濃度達(dá)到容許質(zhì)量濃度的時(shí)間有所增加；在海拔7 000 m情況下需9.43 min，由于本次計(jì)算中邊界條件設(shè)定風(fēng)管出口風(fēng)速為20 m/s，隧道內(nèi)穩(wěn)定段平均風(fēng)速在0.5 m/s左右，測(cè)點(diǎn)在不同工況下達(dá)到容許質(zhì)量濃度的時(shí)間差異不明顯，若施工過(guò)程中洞內(nèi)風(fēng)速較小，則在不同海拔高度地區(qū)，洞內(nèi)CO質(zhì)量濃度達(dá)到容許質(zhì)量濃度的時(shí)間差異較大。因此，建議在高海拔隧道施工時(shí)，為了保證施工作業(yè)人員的身體健康和施工環(huán)境安全，爆破后工作人員進(jìn)入洞內(nèi)的規(guī)定時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。

表5 y=1.6 m處CO質(zhì)量濃度達(dá)到容許質(zhì)量濃度所需時(shí)間

6 結(jié)論

1) 濕度對(duì)高海拔地區(qū)空氣密度的計(jì)算結(jié)果影響誤差為0.3 %左右，即濕度對(duì)空氣密度的影響可以忽略不計(jì)，高海拔地區(qū)空氣密度可按=0.003 484/進(jìn)行計(jì)算。

2) 隧道爆破后通風(fēng)過(guò)程中，掌子面附近風(fēng)流場(chǎng)渦流區(qū)的存在，使得此處CO排出需較長(zhǎng)時(shí)間。

3) 隨著距掌子面距離的增加，風(fēng)流逐漸穩(wěn)定，由于風(fēng)流的稀釋和推動(dòng)作用，CO氣團(tuán)在向洞口運(yùn)移的過(guò)程中，隧道內(nèi)CO最高質(zhì)量濃度逐漸減小，CO氣團(tuán)體積逐漸增大并整體向洞口運(yùn)動(dòng)。隧道中部的CO排出速度較快，靠近隧道壁的CO排出速度較慢，整個(gè)CO氣團(tuán)在隧道內(nèi)排出過(guò)程中呈現(xiàn)U型分布。

4) 隨著海拔高度的增加，環(huán)境條件的改變使得隧道內(nèi)CO質(zhì)量濃度升高，海拔高度的增加與CO質(zhì)量濃度分布大致呈指數(shù)分布，CO增加倍數(shù)可按=e/104進(jìn)行計(jì)算。

5) 隨著海拔高度的增加，隧道內(nèi)同一位置CO質(zhì)量濃度達(dá)到容許質(zhì)量濃度的時(shí)間有所增加，建議在高海拔地區(qū)施工期間適當(dāng)延長(zhǎng)通風(fēng)時(shí)間，以保護(hù)隧道內(nèi)施工作業(yè)人員身體健康和施工安全。

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(編輯 陳愛(ài)華)

Migration characteristics of poisonous gas during construction stage in railway tunnels at high altitude areas

CAO Zhengmao1, 2, YANG Qixin1, GUO Chun1

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education,School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. China Merchants Chongqing Communications Research and Design Institute Co. Ltd., Chongqing 400067, China)

According to the measured meteorological data of new Guanjiao tunnel project located on Xining—Golmud railway, the migration characteristics and the regularity variation at different altitudes of poisonous gas concentration in railway tunnels during construction stage were simulated and analyzed with FLUENT through the three-dimensional?unsteady turbulent model. The results indicate that the influence of air humidity on the deviation of air density calculation results is about 0.3%, which is negligible. The peak concentration of poisonous gas decreases and the volume increases gradually in the dynamic processes of migration to the tunnel entrance, which is in U-shaped distribution in the tunnel. For the impact of environmental atmospheric pressure with the altitude increasing, the concentration of poisonous gas increases exponentially at the same measuring point. The increase in multiples of CO can be calculated by=e/104, and more time is required to reach the allowable concentration.

high altitude; railway tunnels; construction ventilation; poisonous gas; numerical simulation; migration characteristics

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.11.044

U25

A

1672?7207(2016)11?3948?10

2016?01?12；

2016?03?25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108384, 51478393)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(SWJTU11ZT33, 2682014CX062)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT0955)；中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013T001)；鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2008G030-C)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2015jcyjBX0020) (Projects(51108384, 51478393) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(SWJTU11ZT33, 2682014CX062) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities; Project(IRT0955) supported by the Program for Innovative Research Team in University of Ministry of Education of China; Project(2013T001) supported by the Science and Technology Research and Development Program of China Railway Corporation; Project(2008G030-C) supported by the Science and Technology Research and Development Program of Ministry of Railways of China; Project(cstc2015jcyjBX0020) supported by the Foundation and Frontier Research Program of Chongqing)

楊其新，教授，博士生導(dǎo)師，從事隧道及地下工程通風(fēng)與防災(zāi)、隧道及地下工程防排水理論研究；E-mail: yangqixin113@163.com