引漢濟(jì)渭椒溪河隧洞施工通風(fēng)數(shù)值模擬

常曉珂+柴軍瑞+許增光+覃源

摘要：[HJ18mm]引漢濟(jì)渭工程是陜西省為緩解關(guān)中渭河沿線城市和工業(yè)缺水問(wèn)題，而提出的由漢江調(diào)水到渭河流域的大型水利工程。椒溪河段工程為穿河段，地形地質(zhì)相對(duì)復(fù)雜，隧洞施工期的通風(fēng)問(wèn)題也相對(duì)比較嚴(yán)重。采用CFD（Computational Fluid Dynamics）數(shù)值模擬方法對(duì)帶有支洞隧洞的通風(fēng)過(guò)程進(jìn)行模擬，研究幾種典型工況下隧洞內(nèi)的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)在施工期時(shí)隨時(shí)間的變化規(guī)律，分析掌子面以及支洞內(nèi)渦流對(duì)氣流及有害氣體分布的影響。在氣流排散通道不順暢時(shí)，掌子面附近的渦流區(qū)域內(nèi)渦流的大小和位置呈現(xiàn)周期性的變化，并隨通風(fēng)時(shí)間的增加影響范圍逐漸降低。隧道爆破產(chǎn)生的有害氣體和煙塵會(huì)隨著氣流的流動(dòng)發(fā)生移動(dòng)和擴(kuò)散過(guò)程，并逐漸排向洞外。通過(guò)對(duì)隧洞主洞與支洞內(nèi)氣流和有害氣體排散過(guò)程的研究，得出隧洞爆破后在通風(fēng)作用下隧洞的掌子面附近和支洞與主洞的交叉位置處形成渦流區(qū)，渦流的產(chǎn)生和變化不斷的消耗通風(fēng)的機(jī)械能，降低通風(fēng)效率，對(duì)有害氣體的排散造成一定的阻滯作用，隧洞內(nèi)有害氣體的排散過(guò)程包括移動(dòng)和擴(kuò)散兩方面，移動(dòng)過(guò)程將CO排向洞外，擴(kuò)散過(guò)程不斷的降低洞內(nèi)CO峰值，總結(jié)出了不同工況下隧洞內(nèi)達(dá)到安全濃度的時(shí)間，對(duì)隧洞施工進(jìn)度給出一定的參考意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：壓入式通風(fēng)；交叉隧道；數(shù)值模擬；流場(chǎng)；濃度場(chǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV554文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

16721683（2017）06013707

Abstract：HanjiangtoWeihe River Water Transfer Project is a large water conservancy project to ease the water shortage in Guanzhong Plain in Shaanxi provinceThe Jiaoxihe tunnel crosses a river and faces complicated geographical and geological conditionsWe simulated the ventilation in the tunnel with a branch tunnel using CFD numerical simulation，studied the variation of the flow and concentration fields in the tunnel during the construction period under several typical conditions，and analyzed the influence of the vortex on airflow and harmful gas distribution near the working face and in the branch tunnelWhen the exhaust passage was hindered，the size and position of vortexes would change periodically near the working face，and their influence range would gradually decline with the ventilation timeIn addition，the harmful gas and smoke produced from tunnel blasting would move and diffuse gradually out of the tunnelAfter studying the airflow and dissipation of harmful gas in the main tunnel and branch tunnel，we had the following findings：A vortex zone would form after tunnel blasting due to ventilation near the working face and the intersection of the main tunnel and branch tunnelThe production and variation of vortexes would continuously consume the mechanical energy of ventilation，reduce ventilation efficiency，and hinder the dissipation of harmful gasThe dissipation process of the harmful gas in the tunnel included movement and diffusionThe movement process drove the CO out of the tunnelThe diffusion process continuously reduced the peak CO value in the tunnelWe calculated the time needed to reach safety concentration in the tunnel under different conditions and gave relevant suggestions on the construction progress

Key words：forced ventilation；cross tunnel；numerical simulation；flow field；concentration field

隧洞是水利工程中十分普遍的工程。通風(fēng)技術(shù)是保障隧洞施工、運(yùn)營(yíng)安全的基礎(chǔ)。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，隧洞的建筑施工越來(lái)越多。施工過(guò)程產(chǎn)生的問(wèn)題需要學(xué)者們不斷的研究和探索[1]。隧洞是個(gè)相對(duì)封閉的區(qū)域，爆破時(shí)產(chǎn)生的炮煙和有害氣體不會(huì)隨自然風(fēng)擴(kuò)散到大氣中，隨著隧洞掘進(jìn)距離的增加和工程地質(zhì)的復(fù)雜，其施工通風(fēng)往往成為制約其施工進(jìn)度的關(guān)鍵。隧洞工程的爆破危害十分嚴(yán)重，隧洞施工通風(fēng)的技術(shù)水平直接影響隧洞獨(dú)頭掘進(jìn)的施工效率，威脅到施工人員的生命安全。因此，研究獨(dú)頭掘進(jìn)隧洞的管道通風(fēng)技術(shù)有著十分重要的意義[23]。研究通風(fēng)的方式主要有實(shí)驗(yàn)室模擬和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。由于實(shí)驗(yàn)室模擬的造價(jià)高、周期長(zhǎng)、測(cè)量數(shù)據(jù)不夠全面等缺點(diǎn)，相比之下隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和有限元理論的發(fā)展，以及工程實(shí)例驗(yàn)證的可靠性和合理性，越來(lái)越多的學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法對(duì)隧洞的通風(fēng)狀況進(jìn)行研究[46]，并對(duì)具體的工程給出相關(guān)的意見(jiàn)和建議。例如，Xia等[7]使用CFD軟件建立模擬模型，通過(guò)研究隧道通風(fēng)和除塵系統(tǒng)的特點(diǎn)，得出通風(fēng)管在隧道內(nèi)位置的不同會(huì)導(dǎo)致不同的通風(fēng)效果。Esmaeel等[8]通過(guò)對(duì)運(yùn)行期隧洞的通風(fēng)數(shù)值模擬，分析不同類(lèi)型的風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，對(duì)新型風(fēng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)做出詳細(xì)的比較。但是由于很多工程地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜和施工過(guò)程的需要，許多復(fù)雜的隧道更需要詳細(xì)的研究[911]。例如，F(xiàn)ang等[12]建立三維數(shù)值模型研究交叉隧洞內(nèi)氣體流動(dòng)和有害氣體擴(kuò)散的規(guī)律。結(jié)果表明在交叉的通道內(nèi)流體流速較低導(dǎo)致有害氣體在該區(qū)域的排散不利和滯留。第15卷 總第93期·南水北調(diào)與水利科技·2017年12月endprint

常曉珂等·引漢濟(jì)渭椒溪河隧洞施工通風(fēng)數(shù)值模擬

大量的工程實(shí)踐及研究表明[1319]，隧洞開(kāi)挖爆破過(guò)程中，洞內(nèi)復(fù)雜的施工環(huán)境嚴(yán)重危害了施工人員的健康，影響施工的進(jìn)度，有效探索洞內(nèi)的氣體流動(dòng)規(guī)律和有害氣體的排散過(guò)程十分必要。本文運(yùn)用有限元軟件ADINA中的CFD模塊對(duì)引漢濟(jì)渭工程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究在帶有支洞的隧道中復(fù)雜的流場(chǎng)與濃度場(chǎng)的分布以及變化規(guī)律，為實(shí)際工程提供參考資料。

1引漢濟(jì)渭工程簡(jiǎn)介

引漢濟(jì)渭調(diào)水工程是針對(duì)關(guān)中地區(qū)缺水問(wèn)題提出的省內(nèi)南水北調(diào)工程的骨干調(diào)水線路，是解決陜西省關(guān)中地區(qū)水資源短缺，有效遏制渭河水生態(tài)環(huán)境惡化，減輕關(guān)中地區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的重點(diǎn)支撐工程（圖1）。秦嶺隧洞為明流洞，全長(zhǎng)81779 km，設(shè)計(jì)流量70 m3s，采用鉆爆法和2臺(tái)TBM法施工，工期65 a。引漢濟(jì)渭秦嶺隧道椒溪河工區(qū)勘探試驗(yàn)洞主洞長(zhǎng)6 592 m，采用由支洞向主洞上下游兩方向進(jìn)行開(kāi)挖的施工方式，其中上游主洞距離支洞長(zhǎng)2 529 m，下游主洞長(zhǎng)4 063 m；隧洞主洞采用馬蹄形斷面，支洞與主洞的夾角為66°。工程示意圖見(jiàn)圖2。隧道采用鉆爆法施工，現(xiàn)澆混凝土襯砌。椒溪河支洞洞口位于椒溪河右岸黃泥嘴，支洞與主洞交匯里程為K2+575，為無(wú)軌雙車(chē)道施工支洞，平距324 m，斜長(zhǎng)32588 m，綜合坡比1044%。隧洞通風(fēng)采用壓入式通風(fēng)技術(shù)，考慮施工人員、爆破散煙、洞內(nèi)最小風(fēng)速、使用柴油機(jī)械、高海拔散煙系數(shù)等因素確定需風(fēng)量。壓風(fēng)管直徑采用120 cm的軟風(fēng)管，設(shè)置于隧道的頂部，采用系統(tǒng)錨桿、管卡固定。通風(fēng)過(guò)程為：新鮮風(fēng)通過(guò)通風(fēng)管壓入兩側(cè)主洞，掌子面爆破產(chǎn)生的有害氣體與粉塵在氣流的影響下通過(guò)主洞排向支洞，繼而排向洞外。

2隧道通風(fēng)數(shù)值計(jì)算方法

21基本假設(shè)

使用數(shù)值方法獲得的結(jié)果要滿足實(shí)際工程的要求，一個(gè)常見(jiàn)的方法就是只關(guān)注主要的因素。使用合理的數(shù)值模擬方法是要提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確性。構(gòu)建這項(xiàng)研究中使用的模型制定以下的假設(shè)。

（1）[JP6]流體運(yùn)動(dòng)不考慮內(nèi)摩擦力，即不考慮黏滯性作用。

（2）流體不可壓縮。

（3）壁面絕熱，等溫通風(fēng)。

（4）風(fēng)筒進(jìn)口風(fēng)速分布均勻。

（5）考慮風(fēng)流在隧道內(nèi)隨時(shí)間的變化過(guò)程，沒(méi)有穩(wěn)定的污染源，假定初始狀態(tài)有害氣體均勻的分布在計(jì)算拋煙范圍內(nèi)。

空氣是可壓縮流體，本文模擬隧洞的距離較短，且空間不封閉，忽略氣體的壓縮性對(duì)結(jié)果的影響不大，為簡(jiǎn)化理論分析，選擇忽略氣體的壓縮性。

22初始條件

有害氣體轉(zhuǎn)化成的CO初始濃度計(jì)算公式[HJ16mm]

c=[SX（]Gb[]LA（1）[HJ]

式中：c為CO初始濃度；G為爆破炸藥用量，取210 kg；L為炮煙拋擲長(zhǎng)度，取35 m；b為每千克炸藥產(chǎn)生的有毒氣體，取004 m3kg；A為隧道開(kāi)挖斷面面積（m2），取65 m2。得c=3 696 mgm3。洞內(nèi)其余部分CO濃度較小，取為0 mgm3。

23邊界條件

（1）進(jìn)口邊界條件。

Vx=314ms，Cy=Vz=0

CO濃度取0 mgm3。

（2）出口邊界條件。采用一致流邊界條件

[SX（]Vi[]Xi=0（2）

P=Pout=0（3）

k，ε自由滑動(dòng)。

（3）壁面邊界條件。隧道邊壁和掌子面均為固定壁面，按固壁定律處理，所有固壁處的節(jié)點(diǎn)均采用無(wú)滑移條件，即Vi=0。

24計(jì)算工況

帶有支洞的隧道通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，為通風(fēng)風(fēng)管和隧道組成的體系，支洞中設(shè)置兩道風(fēng)管，置于隧道的頂部，在支洞與主洞的交叉位置處分別通向上游主洞和下游主洞的掌子面。在上游主洞或下游主洞的掌子面進(jìn)行爆破后，通風(fēng)風(fēng)管將洞外的新鮮風(fēng)壓向掌子面，將掌子面附近的污濁空氣通過(guò)主洞，經(jīng)由支洞排向洞外。工程實(shí)際中很少采用兩側(cè)掌子面同時(shí)進(jìn)行爆破的工況，但是為了可以更加全面的模擬工程中可能遇到的工程情況，本文對(duì)以下三種工況分別建模，模擬了引漢濟(jì)渭椒溪河隧洞爆破的典型情況，具有一定的代表性，見(jiàn)表1。

第一種工況是施工支洞長(zhǎng)為300 m，上下游主洞均開(kāi)挖為250 m、總長(zhǎng)為500 m的隧洞進(jìn)行模擬，在上游掌子面進(jìn)行爆破開(kāi)挖。第二種工況是施工支洞長(zhǎng)為300 m、上下游主洞均開(kāi)挖250 m長(zhǎng)、總長(zhǎng)為500 m的隧洞下游掌子面進(jìn)行爆破的模擬工況。工況三是上下游主洞均為750 m長(zhǎng)、總長(zhǎng)為1 500 m的隧洞兩側(cè)掌子面同時(shí)進(jìn)行爆破的工況模擬。

3隧道通風(fēng)模型及結(jié)果分析

數(shù)值模型網(wǎng)格剖分圖見(jiàn)圖3，共有230 974個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 217 366個(gè)單元。截面AA、BB為主洞的橫截面，分別距離兩側(cè)掌子面為30 m。截面CC為平行于水平面的截面，代表大部分施工人員的身高水平面，研究施工人員活動(dòng)水平面上的流場(chǎng)及濃度場(chǎng)情況，與隧道底部的距離為17 m。

31隧道流場(chǎng)分析

三種工況中隧洞內(nèi)氣流穩(wěn)定后的沿X方向的斷面平均速度分布圖見(jiàn)圖4。結(jié)果是由各個(gè)位置對(duì)應(yīng)的斷面節(jié)點(diǎn)風(fēng)速取和求平均所得。由圖中可以看出，隧洞斷面平均風(fēng)速在支洞位置的兩側(cè)流速變化很大，并不是由該位置的不連續(xù)造成，而是因?yàn)樵谒矶粗Ф磁c主洞交叉位置氣體向出口方向排散，流速方向發(fā)生了變化，由沿主洞方向變?yōu)檠刂Ф闯隹诘姆较颍虼嗽谘厮矶捶较虻牧魉僦蛋l(fā)生了驟變。第一種工況中隧洞上游掌子面爆破后，通風(fēng)管將新鮮的空氣壓向掌子面，將有害氣體與煙塵經(jīng)由上游主洞排向支洞，然后排出洞外。主洞內(nèi)氣流穩(wěn)定后的平均流速大約為06 ms，而另一側(cè)主洞的流速基本為0。第二種工況的排散過(guò)程與第一種相似，但是有一定的不同。經(jīng)過(guò)支洞的出口位置后，上游主洞距離支洞出口約30 m位置處流速有所增加，流速為018 ms。這是因?yàn)橹Ф磁c上游主洞夾角較小，氣流流經(jīng)交叉位置后，部分氣流經(jīng)過(guò)支洞排散，一小部分氣流流向另一側(cè)的主洞。這種現(xiàn)象易于造成有害氣體在上游主洞內(nèi)部的滯留，不利于有害氣體的排散。在最后一種工況中，主洞兩側(cè)均達(dá)到穩(wěn)定流速，其大小相同，方向相反。在支洞出口位置處流速急速變化。endprint

圖5為三種工況在支洞出口位置的氣流隨時(shí)間的變化過(guò)程。這項(xiàng)計(jì)算結(jié)果可以代表了整條隧道氣流穩(wěn)定所需要的時(shí)間。在不同的工況中，氣流穩(wěn)定所需要的時(shí)間不同。800 s后支洞出口位置處氣流穩(wěn)定，但在隧道的其他位置氣流穩(wěn)定所需的時(shí)間更少。第一種工況與第二種工況氣流穩(wěn)定狀態(tài)相似，第三種工況的區(qū)別較大。該工況主洞兩側(cè)均進(jìn)行通風(fēng)，支洞的氣流較快的達(dá)到較高流速。由于在主洞的交叉位置處兩側(cè)氣流有沖擊作用，支洞內(nèi)氣流形成部分渦流，造成氣流在400 s左右產(chǎn)生了流速變化。

隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，隧洞內(nèi)的氣流分布逐漸穩(wěn)定。第三種工況主洞下游方向的氣流穩(wěn)定后沒(méi)有過(guò)多的變化，但是另一側(cè)的主洞流速分布會(huì)隨著時(shí)間持續(xù)的變化。高速區(qū)域隨著時(shí)間做左右的搖擺變化。循環(huán)時(shí)間大約為4 min左右，這種現(xiàn)象造成該位置的流速較小，但是不同時(shí)間時(shí)都有部分穩(wěn)定流速流經(jīng)不同位置，對(duì)掌子面附近的有害氣體的排散有一定的幫助。

掌子面附近的氣流矢量圖見(jiàn)圖6。掌子面和通風(fēng)管出口位置之間存在多個(gè)氣體渦流。通風(fēng)450 s時(shí)，在掌子面附近范圍內(nèi)分布兩個(gè)明顯的渦流區(qū)域：渦流Ⅰ和渦流Ⅱ。渦流Ⅰ的分布范圍較小，68 m×18 m，而遠(yuǎn)離掌子面的渦流Ⅱ分布范圍較大， 120 m×32 m。在600 s后較大的渦流Ⅱ向掌子面方向移動(dòng)，影響范圍減小， 98 m×24 m，而較小的渦流Ⅰ向遠(yuǎn)離掌子面的方向移動(dòng)，區(qū)域增大，118 m×24 m。渦流形成過(guò)程為：氣流從通風(fēng)管出口噴射向掌子面，與掌子面碰撞，繼而反射向隧道的另一側(cè)，部分反射流由于風(fēng)管出口氣流的影響流向掌子面，剩余部分反射流留在這個(gè)區(qū)域。因?yàn)樵搨?cè)主洞與支洞的夾角較小，不利于氣體的順暢排散，造成掌子面附近的渦流區(qū)域不斷移動(dòng)。

圖7斷面距離上下游掌子面約30 m的主洞橫斷面（圖3），AA截面與BB截面分別為上下游掌子面附近的渦流中心橫截面的氣流分布云圖。在上游方向的主洞中，由于渦流的不斷變化，高流速區(qū)域呈現(xiàn)了不斷搖擺變化的現(xiàn)象，當(dāng)較大的渦流存在于掌子面的右側(cè)時(shí)，高流速的區(qū)域就在另一側(cè)，反之，高流速區(qū)域也向另一側(cè)移動(dòng)。但在下游方向的掌子面附近，渦流變化不明顯時(shí)流速分布趨于穩(wěn)定。

圖8為在不同工況下主洞與支洞的交叉位置處的氣流分布矢量圖。在第一種工況下，氣流流經(jīng)交叉位置時(shí)，氣流分成兩部分，一部分氣流射向支洞，后與支洞側(cè)壁相碰反射，在支洞的另一側(cè)形成明顯的渦流。另一部分氣流流向出口方向的主洞，由于該側(cè)主洞沒(méi)有氣流的流動(dòng)，造成這部分氣流的滯留。第二種工況下的氣流分布與第一種工況較為相似，不同在于支洞中的渦流效應(yīng)較為不明顯，這是因?yàn)橹Ф磁c上游方向的主洞夾角較小，與支洞側(cè)壁的沖擊較小，有利于氣流的排散，但是殘留在另一側(cè)的主洞氣流增加。第三種工況的氣流分布較為復(fù)雜，主洞兩側(cè)均進(jìn)行通風(fēng)，在支洞位置處兩部分氣流有明顯的沖擊作用，后流向支洞排出洞外。

32隧道濃度場(chǎng)分析

我國(guó)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]第13016條規(guī)定工作面的CO允許濃度為30 mgm3，但當(dāng)施工人員進(jìn)入工作面檢查時(shí)，濃度可為100 mgm3。

實(shí)際工程中通風(fēng)機(jī)在爆破前就已經(jīng)打開(kāi)或者始終打開(kāi)著，因此爆破后的通風(fēng)散煙是在穩(wěn)定的流場(chǎng)中進(jìn)行的。

圖9為三種工況爆破后，隧洞斷面CO平均濃度值隨通風(fēng)時(shí)間的變化過(guò)程圖：

圖9（a）為第一種工況下隧洞主洞內(nèi)CO濃度分布情況。爆破后，掌子面附近一定范圍內(nèi)分布著高濃度的有害氣體，隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，隧洞有害氣體濃度值逐漸降低并排向洞外。渦流區(qū)域的CO峰值也逐漸降低，但是隨著通風(fēng)時(shí)間的增加仍有一定的殘余。CO 的排散過(guò)程如圖 9（a）。首先，峰值移向支洞出口，表明CO氣體隨著通風(fēng)時(shí)間的增加向出口排散。其次，通風(fēng)時(shí)間的增加導(dǎo)致了CO峰值的降低和跨度的增加。這表明隨著氣體的排散，有害氣體的的濃度降低，影響范圍也逐漸擴(kuò)大。CO 氣體的排散可以根據(jù)湍流氣流運(yùn)輸?shù)幕纠碚摰木C合過(guò)程計(jì)算排煙總結(jié)為移動(dòng)和擴(kuò)散兩個(gè)過(guò)程。但是由于部分氣流流向出口方向的主洞，造成有害氣體在該側(cè)主洞的滯留。隨著氣流的移動(dòng)和擴(kuò)散，經(jīng)過(guò)11 min后，隧道主洞內(nèi)的有害氣體濃度達(dá)到安全濃度。

圖9（b）是第一種工況下支洞內(nèi)的CO濃度分布情況。與主洞大不相同，首先洞內(nèi)CO濃度很低，隨著時(shí)間的增加逐漸增大，隨著時(shí)間的繼續(xù)增加，CO 濃度逐漸降低并達(dá)到安全濃度。由于支洞中靠近主洞的位置處存在較大的氣體渦流，這個(gè)區(qū)域存在有害氣體的殘留。16 min后最大的有害氣體濃度為75 mgm3，在隧道的出口位置處。

圖9（c）和9（d）為第二種工況下隧洞主洞和支洞內(nèi)CO 濃度分布情況。其過(guò)程與第一種工況相似，但是由于較大部分氣流流向入口方向的主洞內(nèi)，CO氣體伴隨氣流滯留在該側(cè)主洞內(nèi)，因此造成CO峰值經(jīng)過(guò)支洞位置停留在入口方向的主洞內(nèi)。隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，CO 的移動(dòng)和擴(kuò)散，區(qū)域的CO 濃度值有所降低。16 min后支洞出口位置處的CO濃度值達(dá)到90 mgm3。

圖9（e）和9（f）為第三種工況下隧洞主洞和支洞內(nèi)CO 濃度分布情況。主洞兩側(cè)均進(jìn)行爆破與通風(fēng)。因此隧洞主洞兩側(cè)有兩個(gè)CO峰值，峰值均不斷減小并向支洞位置方向移動(dòng)。在隧洞支洞內(nèi)有害氣體的影響范圍較大，濃度降低所需要的時(shí)間也較長(zhǎng)。28 min后CO濃度降低于安全濃度（30 mgm3）。

33相關(guān)建議

當(dāng)隧洞內(nèi)有害氣體的濃度降低至100 mgm3時(shí)為隧道的可進(jìn)入時(shí)濃度，當(dāng)濃度降低至30 mgm3為隧道安全濃度。為確保施工人員的施工環(huán)境，保證施工進(jìn)度，完成施工質(zhì)量，有效降低隧洞內(nèi)有害氣體的濃度具有一定的必要性。而隧洞內(nèi)渦流對(duì)氣流的作用是影響隧道內(nèi)CO峰值降低的重要因素。渦流的影響時(shí)間成是隧道內(nèi)濃度降低至安全濃度的時(shí)間。它的長(zhǎng)短決定于不同的施工條件。為了保證施工環(huán)境，施工人員到達(dá)掌子面進(jìn)行施工的時(shí)間應(yīng)該超過(guò)渦流區(qū)域有害氣體濃度降低至安全濃度所需要的時(shí)間。endprint

表2反映了在不同施工條件下的時(shí)間差別。通過(guò)對(duì)圖9各個(gè)工況不同時(shí)間的CO峰值對(duì)應(yīng)的隧洞位置和相隔的時(shí)間段求出CO的移動(dòng)速度，再對(duì)求得的各個(gè)速度進(jìn)取平均值得到下表中CO濃度峰值的移動(dòng)速度。根據(jù)CO濃度峰值的移動(dòng)速度，可以定性的判斷隧洞內(nèi)各個(gè)位置的最?lèi)毫迎h(huán)境時(shí)間段，并根據(jù)該項(xiàng)計(jì)算結(jié)果對(duì)施工的工序做出一定的安排。隨著施工的進(jìn)行，隧洞長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)時(shí)，隧洞的安全時(shí)間也更長(zhǎng)。在這項(xiàng)研究里，不同的施工條件對(duì)產(chǎn)生的渦流影響不同，當(dāng)氣流排散的通道越順暢時(shí)，所需要的時(shí)間越短。

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查，模型模擬結(jié)果基本符合現(xiàn)場(chǎng)工況。當(dāng)隧道主洞施工至1 500 m時(shí)，在通風(fēng)30 min后，隧道內(nèi)的環(huán)境基本可以進(jìn)行施工作業(yè)。

4結(jié)論

通過(guò)三種典型工況的計(jì)算得出引漢濟(jì)渭椒溪河帶有支洞的隧洞施工期中氣體流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的普遍規(guī)律。不同的計(jì)算工況下CO濃度場(chǎng)的分析得出隧洞內(nèi)濃度場(chǎng)的安全時(shí)間，對(duì)實(shí)際工程具有一定的意義。研究結(jié)果如下。

（1）本文忽略了空氣是可壓縮流體，因此在模型結(jié)果中，尤其是工況一和工況二單側(cè)掌子面進(jìn)行爆破通風(fēng)時(shí)，實(shí)際工程中由于氣體的可壓縮性，會(huì)有更多的流體流向另一側(cè)的掌子面，造成更多CO氣體的滯留，隨著通風(fēng)時(shí)間的持續(xù)增加，CO會(huì)逐漸排散，因此實(shí)際工程需要更長(zhǎng)的通風(fēng)時(shí)間。

（2）引漢濟(jì)渭椒溪河隧洞采用壓入式通風(fēng)時(shí)的流場(chǎng)分析如下：在距離隧洞掌子面約30 m的斷面內(nèi)形成渦流區(qū)，在這個(gè)區(qū)域會(huì)有多個(gè)不同的渦流不斷的產(chǎn)生和變化。當(dāng)氣體流動(dòng)通道不順暢時(shí)，渦流區(qū)域的流態(tài)更加復(fù)雜，并隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，渦流的大小和位置呈現(xiàn)周期性的變化。氣流流經(jīng)支洞時(shí)也會(huì)有明顯的渦流產(chǎn)生。渦流不斷的產(chǎn)生和消失，造成它們不斷消耗著通風(fēng)的機(jī)械能，降低了通風(fēng)效率。

（3）[JP3]渦流區(qū)的產(chǎn)生影響了CO等有害氣體的排散，不利于施工人員的進(jìn)一步施工，從而影響施工進(jìn)度。根據(jù)隧洞爆破后可能產(chǎn)生的渦流區(qū)進(jìn)行針對(duì)性的通[JP4]風(fēng)，可以有效的排散隧洞內(nèi)的污濁空氣，提高通風(fēng)效率。

（4）不同的施工條件下，隧洞內(nèi)的濃度場(chǎng)降低至安全濃度所需要的時(shí)間不同。本文對(duì)椒溪河隧洞典型的三種工況進(jìn)行了模擬并給出了相關(guān)建議。當(dāng)氣流通道順暢時(shí)，可以大大減少排散有害氣體的時(shí)間。

這項(xiàng)研究表明，CO濃度場(chǎng)排散與隧洞內(nèi)流場(chǎng)分布密切相關(guān)。施工人員可以根據(jù)隧道內(nèi)的安全濃度時(shí)間進(jìn)行施工，縮短了爆破周期，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約施工成本。根據(jù)本文對(duì)引漢濟(jì)渭椒溪河隧洞的數(shù)值模擬分析得出的流場(chǎng)分布規(guī)律和CO濃度場(chǎng)降低的時(shí)間規(guī)律等結(jié)論，可以擴(kuò)展并應(yīng)用于類(lèi)似的其他的水利工程項(xiàng)目中。[HJ14mm]

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