沭水東調小斷面長距離引水隧洞通風技術研究

王克忠，秦紹坤，梁其東，唐雨薔

(1.浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州310014；2.日照市供水管理處，山東 日照276800)

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沭水東調小斷面長距離引水隧洞通風技術研究

王克忠1，秦紹坤1，梁其東2，唐雨薔1

(1.浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州310014；2.日照市供水管理處，山東 日照276800)

沭水東調引水隧洞為小斷面長距離引水隧洞，采用鉆爆法無軌運輸方式施工.小斷面長距離隧道隧洞施工中，為了方便出渣一般采用壓入式通風，風管直徑較小，對通風造成很大困難.以沭水東調引水隧洞及三號施工支洞為背景，對小斷面隧洞需風量和風壓進行計算, 分析出小斷面長距離隧洞施工中通風的影響因素,并且使用CFD軟件對隧洞通風進行模擬，并得到通風管出口到掌子面不同距離時風流產生漩渦的大小和風速大小之間的關系，為施工通風提供提高通風效率的建議，對以后類似工程施工通風提供借鑒.

長距離；小斷面；引水隧洞施工；通風；數值模擬

隨著城市化進程的加快，城市對水資源的需求量增加，我國水資源分布不均的現象更加明顯.為解決城市需水問題，需要進行跨流域調水.跨流域調水干線通常穿越山嶺地帶，為減小引水距離，常修建引水隧洞.在隧洞施工過程中，施工作業會產生有害氣體，不及時排出，影響施工人員的健康.小斷面隧洞施工通常采用鉆爆法，無軌運輸施工，通風方式一般采用壓入式通風，通風時間太短，有害氣體不能達到標準，危害健康；通風時間太長減少其他工序時間，影響施工進度.通風在施工人員健康和施工效率問題上起著很重要的作用，研究施工通風具有很重要的意義[1-2].隧道施工通風系統主要由風機、風管和隧洞洞壁組成.影響通風的主要因素有通風方式、風機型號、風管漏風率、隧洞掘進深度等，施工中的通風體系可以看作是一個復雜的體系.由于隧道通風實驗費用較高，主要是通過理論分析和數值模擬的方法對隧道通風進行研究.國外一些研究主要在隧道運營階段[3-4]，地鐵運營階段的通風研究[5-6].國內主要集中在對公路隧道運營階段[7-8]以及發生火災時[9-12]的通風研究.國內外有一些關于隧道施工階段的通風研究主要是在公路隧道等大斷面隧道[13-14]，關于小斷面長距離引水隧洞施工時的通風研究比較少.

結合一個典型的工程案例，研究了小斷面長距離引水隧洞施工期間通風量計算相關影響因素，總結了小斷面長距離引水隧洞選擇風機的主要影響因素，并通過流體模擬軟件Fluent分兩種工況對隧洞通風進行數值模擬，對掌子面附近的速度等值線以及流場進行分析，得到一些有益的結論和經驗，為同類工程提供參考.

1 工程概況

沭水東調引水隧洞位于山東省日照市，全長18.36 km.設計樁號起點設計樁號3+900，終點設計樁號為22+368.引水隧洞分為三個施工標段，6條施工支洞進行施工.3號施工支洞的樁號為12+568，通過三號支洞施工的主洞起點樁號為10+090，終點設計樁號為13+668，全長1 768 m.主洞與支洞橫斷面相同，均為城門洞，洞寬4 m，直墻高3.3 m，半圓拱頂直徑為4 m，中心角度為180°.施工方式采用全斷面鉆爆開挖，無軌運輸方式出渣，通風方式選擇壓入式通風.壓入式通風的管路進風口設在洞外，出風口設在掌子面附近，在風機的作用下，新鮮空氣從洞口經管路送到掌子面，稀釋污染物，污濁空氣由洞內排至洞外，布置方式如圖1所示.

圖1 壓入式通風示意圖Fig.1 Forced ventilation schematic diagram

2 通風設備的選擇

通風設備一般先選擇風管再選擇風機.在斷面允許情況下，風管直徑盡可能大，以減小通風阻力和通風能耗，保證在最大通風距離時風機能滿足作業需風量.在選擇風機時風機的送風量應滿足洞內工作人員呼吸所需空氣量，稀釋炮煙有害氣體所需空氣量，稀釋內燃機所需空氣量和洞內最小風速所需空氣量.

2.1 需風量的相關計算

1) 作業人員呼吸需風量

我國隧道施工中一般采用的是每人3 m3/min，隧道作業人員呼吸所需要的總量為

QH=3N

(1)式中：QH為總需風量；N為隧道內最多作業人員數量.

2) 按允許的最低風速計算風量

隧道施工規范規定：在全斷面開挖時風速不得小于0.15 m/s，坑道內不小于0.25 m/s.工作面計算風量式為

Qv=v·A

(2)

式中：Q為最小風速時的需風量；v為允許的最低風速；A為開挖斷面的面積，A=18.9 m3.

3)爆破排煙需風量

作業面爆破產生的炮煙主要包括粉塵、一氧化碳和氮氧化物等組成，爆破后排煙需風量主要是以計算一氧化碳為基礎.采用沃羅寧公式[15]，其表達式為

(3)

式中：QZ為爆破排煙工作的需風量，m3/min；t為通風時間，min；G為同時爆破的炸藥量，kg；b為每千克炸藥產生的CO，一般取b=40 L/kg；A為隧道開挖的斷面面積，m2；L為通風長度；P為通風區段內通風管始末端風量之比；CCO要求達到的CO質量分數，%.

4) 按稀釋和排出內燃機廢氣計算供風量

無軌運輸需采用內燃機設備進行出渣，隧道的通風量足夠將內燃機所排出的廢氣全部稀釋和排出，使隧道內各主要工作地點空氣中有毒有害氣體濃度降至允許濃度以下.根據隧道施工規范，稀釋內燃設備廢氣所需的總風量為

(4)

2.2 風機風量與風壓計算

1)風機風量計算

根據百米漏風率計算出風機風量為

(5)

式中：Q0=max(QH, Qv, Qz, Qn,)；β為位百米漏風率，取β=1%；L為通風管長度.

2)風壓計算

管路漏風時，摩擦阻力計算公式[15]為

(6)

式中：h1為管路的摩擦阻力；λ為摩擦系數；ρ為空氣密度；d為過風斷面當量直徑；β為風管百米漏風率平均值；L為風管長度，m；Q為風機工作點風量，m3/s.

2.3 風機選擇

選擇風機最主要原則是風機必須滿足最大距離的送風量的要求.根據上面的計算可以得出隧洞內最大需風量為655 m3/min，風機風量為831 m3/min，在滿足需風量的情況下風機風壓為2 532 Pa.選擇西安交大咸陽風機廠生產的SDDY-Ⅰ型，型號為Y250M-2，轉速為2 900 r/min，風機風量為965 m3/min，風機全壓為6 kPa，功率為110 kW，效率88%，可以滿足施工通風要求.

3 隧道通風數值模擬

CFD軟件采用離散化的方法對流體中的流場，濃度擴散進行模擬，在流體分析中應用廣泛[16-18].采用CFD軟件Fluent分兩種工況對整條隧洞通風進行模擬.隧洞施工過程中采用壓入式通風，風管出口處風速度較大，層流模型不能滿足，采用三維紊態RNG k—ε模型進行模擬分析.

3.1 控制方程

湍流是一種復雜三維非穩態流動，流體各物理參數都隨時間和空間變化，但在任一時刻任一點的流動仍滿足連續介質流動特征.隧道通風流動氣體為湍流狀態，湍流的流場內所有點依然滿足粘性流體運動的基本方程，最后利用湍流動能方程以及脈動耗散方程進行封閉.控制方程[19]為

湍流動能方程

(8)

脈動耗散方程

(9)式中：u，v，w分別為3個方向的速度分量；η為分子粘性系數；ηt為紊流粘性系數；k為湍流動能，m2/s2；ε為湍流動能耗散率，m2/s3；ρ為空氣密度.

3.2 計算模型

結合沭水東調引水隧洞3號支洞施工段的實際情況，建立最大開挖距離時隧洞通風模型，模型中存在主洞與支洞交叉，總長度為3 470 m，節點數為106 042個，單元數402 032個，模型在風管出口處尺寸與網格見圖2.模型計算分為兩種工況：工況1，風管出口處到掌子面的距離為20 m；工況2，風管出口處距離掌子面15 m.

圖2 隧道通風管出口處模型Fig.2 The model of tunnel ventilation pipe at the outlet

3.3 基本假設與定義邊界條件

基本假定主要有4個方面：1) 假定隧道壁無向外熱傳遞；2) 假設氣體為三維粘性氣體，且粘性流動不產生熱能耗散；3) 假定通風氣流為不可壓縮流體；4) 假定隧洞口自然風對洞內空氣流動沒有影響.

施工通風數值模擬中邊界條件主要分為3個：入口邊界條件、出口邊界條件和壁面條件.1) 入口邊界條件：風管出口處設置入口邊界，隧洞施工通風是不可壓流動問題，采用速度入口邊界條件.由風機型號供風量和風管直徑計算可得風管出風口風速為35 m/s，方向垂直于風管出口平面.2) 出口邊界條件：出口邊界設置在開挖支洞的出口處，出流邊界上的壓力和速度無法確定，出口邊界采用一致流邊界形式.3) 壁面條件：隧洞施工通風壁面無移動，在模擬過程中壁面條件采用無滑移周壁邊界條件.

4 結果與分析

在隧洞通風過程中風速的改變主要集中在隧洞開挖掌子面附近，在隧洞中部，風速和風向比較穩定.由于施工支洞左右兩側規律相似，僅對一側掌子面附近的結果進行分析.

圖3為工況1和工況2情況下x=0截面掌子面附近的風速矢量.從圖3中可以看出：新鮮空氣從風管出口流出后射向掌子面，在到達掌子面附近時從另一側返回，當其返回到風管出風口處時，風流受到出風口流出空氣的影響一部分又重新吹回掌子面.空氣具有粘性，當氣體在從風管出口處噴出后，會帶動速度較低的氣體向掌子面方向運動，當氣體從掌子面返回時，速度變小，隧洞上部氣體的速度大于下部氣體的速度， 氣壓低于下部氣體，下部氣體一部分向上部運動，被高速氣體帶動重新流向掌子面形成一個漩渦，另一部分氣體沿著隧道排出洞外.圖3中產生漩渦大小與通風管出口位置大致相同.

圖3 兩種工況下的速度矢量圖Fig.3 Velocity vector of 2 conditions

圖4為x=0斷面風管出口附近的速度等值線圖，由圖4可以看出：速度為0的等值線在隧道的中部，上側風流向掌子面，下側的風由掌子面流向隧洞出口.計算結果可知風管距離掌子面15 m時下側風速明顯高于風管出口布置在距離掌子面20 m處時的風速.

圖4 兩種工況下的速度等值線Fig.4 Contour map of 2 conditions

圖5為距離掌子面10 m處的Y=10斷面兩種工況下的風速等值線圖，由圖中可以看出，風管出口距離掌子面15 m時速度為0的等值線明顯高于風管出口布置在距離掌子面20 m處的等值線，說明距離掌子面15 m時風流向洞口的面積大于風管布置在距離掌子面20 m處風流向洞口的面積.

圖5 兩種工況下的速等值線圖 Fig.5 Contour map of 2 conditions

5 結 論

采用理論分析和數值模擬方法，通過對沭水東調小斷面長距離引水隧洞需風量計算以及出風口處的風速流向進行模擬分析，主要得出以下結論：小斷面隧洞為不影響施工一般采用較小直徑的通風管，風管越小風阻越高，對通風影響較大.在長距離開挖過程中，距離越遠風管壓強增加越大，壓強成為選擇風機的關鍵因素；在通風過程中，風管出口吹出的新鮮空氣會與開挖過程中的有害氣體結合稀釋有害氣體濃度，但在風管出口處與掌子面附近會產生漩渦導致空氣回流，對廢氣的排出效率產生一定影響；風管距離掌子面越近，掌子面附近速度為0的等值線越高，流向洞口的風量越大，風速越快，通風效率越高；在通風過程中，產生漩渦的大小大致與風管出口到掌子面距離相同，可以看出風管出口距離掌子面越近產生的漩渦越小，通風效率越高.風管出口靠近掌子面時開挖爆破飛石會對風管造成損害，風管出口不可能無限接近掌子面，一般取15 m為宜.

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(責任編輯：劉 巖)

Study on ventilation techniques of small cross-section and long distance water diversion tunnel from Shu river to Rizhao reservoir

WANG Kezhong1， QIN Shaokun1， LIANG Qidong2， TANG Yuqiang1

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014， China;2.Watersupply Management Office of Rizhao, Rizhao 276800， China)

The small cross-section and long distance water diversion tunnel from Shu river to Rizhao reservoir was constructed using the drilling-blasting and trackless transportation method. During the construction process, the forced ventilation method was adopted for the convenience of slag discharge. Since the duct diameter is small, ventilation becomes difficult. Based on the water diversion tunnel from Shu river to Rizhao reservoir and the No.3 sub-tunnel, the required air volume and the wind pressure of the small cross-section tunnels are calculated and the influential factors that affect ventilation are analyzed. The CFD software is used to simulate the ventilation of the tunnels and the relationship between the swirls and wind speeds at different distances from the duct outlet to the tunnel face. This can provides some suggestions for improving the ventilation efficiency and some

for constructing similar projects.

long distance; small cross-section; construction of water tunnel; ventilation; numerical simulation

2016-01-20

清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室(sklhse-2014-C-02)

王克忠(1965—)，男，山東冠縣人，教授，研究方向為地下空間工程，E-mail：wkz@zjut.edu.cn.

TV554+.15

A

1006-4303(2016)05-0533-05