特長鐵路隧道風倉式施工通風效果的數(shù)值分析

周水強

(中鐵隧道局集團一處有限公司,重慶 410000)

由于通風困難導致隧道施工效率降低，進度緩慢，己經(jīng)成為影響工期、質(zhì)量、安全、效益的關(guān)鍵因素。在無法實現(xiàn)巷道式通風的情況下，由于受長度、斜井限制，采用壓入式通風難以滿足施工要求[1-3]。國內(nèi)相關(guān)學者針對這一問題進行了一定的研究，辛國平[4]從通風系統(tǒng)布置、斜井供風巷道的分隔與密封、風倉的設置與密封等幾個關(guān)鍵技術(shù)入手，介紹了適合長大隧道斜井工區(qū)的長距離獨頭通風技術(shù)。陳海峰[5]對不同工況下風倉內(nèi)部流場進行三維數(shù)值模擬，通過計算分析，確定了風倉及軸流風機布置的最佳形式。豆小天[6]從方案比選、通風設計、效果監(jiān)測等方面系統(tǒng)闡述了羅家理斜井施工通風技術(shù)，并對大風室接力通風在羅家理斜井的成功應用進行詳細說明。劉國平[7]設計了小風室接力通風方案，經(jīng)過相應的供風計算，從理論上分析小風室接力通風的可行性，通過工序優(yōu)化及輔助通風措施的應用，科學合理地優(yōu)化了通風方案。趙東坡[8]為解決單斜井雙正洞多開挖面平行施工通風難題，介紹一種新型隧道施工隔板風道通風技術(shù)。孫三祥[9]分析了斜井設置中間隔板情況下風機串、并聯(lián)對應的速度場，比較了串聯(lián)或并聯(lián)的通風效果，提出了中間隔板及風機出口與工作面距離建議值。張恒[10]依托錦屏引水隧洞，從理論研究結(jié)合現(xiàn)場通風測試，探討了在目前能代表國內(nèi)通風最好硬件下壓入式通風的極限通風距離。由于采用風倉式這種新型通風方式的工程實例較少，可借鑒的工程經(jīng)驗有限，因此有必要對長大隧道風倉式施工通風效果進行研究。

1 依托工程概況

衢寧鐵路起自滬昆鐵路衢州站，終于沿海鐵路寧德站，正線全長379.169 km。衢寧鐵路鷲峰山一號隧道設計為160 km/h單線鐵路隧道，全長16 646 m，隧道最大埋深為791.5 m，為Ⅰ級風險隧道，是全線重點控制工程。設置斜井2處、橫洞1處，如圖1所示。其中，桃源斜井長2 622 m、娜洋坪斜井2 028 m、橫洞315 m，綜合坡度分別為9.47 %、8.36 %、-5.35 %，隧道采用鉆爆法開挖，采用雙車道無軌運輸方式。施工通風根據(jù)施工進度采用不同的通風方式，進出口采用風管壓入式通風。隧道內(nèi)風量根據(jù)爆破及人員作業(yè)所需新風設計，全斷面開挖時施工通風風速不小于0.15 m/s，風機及風管根據(jù)施工進度進行配置，當通風環(huán)境變差時，在隧道內(nèi)增設風機，加快空氣流動。兩座斜井進入正洞后均設進出口兩個工作面，斜井之間為關(guān)鍵線路，獨頭掘進長度分別為5.7 km、6.0 km，無巷道式通風條件，施工通風壓力極大。

圖1 隧洞斜井、橫洞布置情況

2 風倉式施工通風方案

為了解決壓入式通風無法突破其通風長度的瓶頸問題，提出了長大隧道風倉式施工通風。斜井采用分隔材料將其分為上下兩半，上半部為進風道，隔一定距離設置射流風機將洞口新鮮空氣壓入，下半部分為出風道，將污風排出。斜井與正洞交叉口位置設置封閉的風倉，將軸流風機放在風倉兩側(cè)，根據(jù)需要分別向各掌子面供風的通風方式，如圖2所示。采用風倉式接力通風后，隧道兩端的通風距離大幅度減少，桃源斜井進入正洞后往衢州方向的最長通風距離為1 018 m，而隧道出口方向最長通風距離為3 381 m。

(a)橫剖面

(b)縱剖面圖2 風倉式通風方案示意

2.1 數(shù)值模型及相關(guān)參數(shù)

2.1.1 邊界條件設置

計算中采用流體動力學計算軟件FLUENT的三維非穩(wěn)態(tài)組分輸運模型進行求解，湍流模型采用標準k-ε雙方程模型。依據(jù)實際工程情況，設定邊界條件如下：

(1)隧道內(nèi)壁為墻面wall，根據(jù)隧道超欠挖實際情況及支護措施，壁面粗糙度常數(shù)Rc取0.57，壁面平均粗糙高度Rh取0.09 m[11]。

(2)隧道出口采用outflow出口邊界條件。

(3)軸流風機出風口為速度入口邊界，設置為Velocity-inlet；110 kW軸流風機，出口速度取14.6 m/s；132 kW軸流風機，出口速度取15.6 m/s。

(4)軸流風機與射流風機壁面設為固體邊界。

(5)射流風機進出風口為速度入口邊界，設置為Velocity-inlet，出口速度取41.4 m/s；進風口為質(zhì)量入口邊界，設置為mass-flow-inlet，進風量46.7 m3/s。

2.1.2 初始CO濃度計算

根據(jù)每個開挖循環(huán)所用的炸藥用量確定拋擲距離、CO初始濃度，炮煙拋擲距離經(jīng)驗公式為：

L=15+G/5

(1)

式中：L為炮煙拋擲長度，即爆破后炮煙彌漫區(qū)域的長度(m)；G為爆破炸藥用量(kg)。

初始濃度計算公式為：

(2)

式中：c為CO初始濃度；G為爆破炸藥用量(kg)；L為炮煙拋擲長度(m)；b為每kg炸藥產(chǎn)生的有毒氣體(m3/kg)，取0.04；A為隧道開挖斷面面積(m2)。

隧道斷面的主要計算尺寸及CO初始濃度計算結(jié)果如表1所示。

表1 隧道斷面尺寸及爆破后CO初始濃度

2.2 計算結(jié)果分析

2.2.1 原壓入式施工通風效果

斜井掘進到井底后，斜井口安裝1臺2×160 kW和1臺2×200 kW通風機，兩趟φ1.8 m軟風管，襯砌臺車與掌子面間采用φ1.5 m軟風管，一趟向進口方向供風，一趟向出口方向供風。數(shù)值計算按照最不利工況考慮進行，即鷲峰山進口方向按照2 622 m(斜井長度)+1 018 m(正洞長度)=3 640 m；出口方向按照2 622 m(斜井長度)+3 381 m(正洞長度)=6 003 m，三維數(shù)值計算局部模型圖3所示。為了掌握在采用壓入式通風的情況下，隧道內(nèi)部特別是掌子面附近工作區(qū)域(300 m范圍)的污染物分布情況，通過監(jiān)測掌子面附近300 m范圍內(nèi)的斷面，按照每50 m設置一個監(jiān)測斷面(沿Z方向分布，為了顯示效果，已適當擴大了該方向的比例)。壓入式通風隧道進口、出口方向掌子面300 m范圍內(nèi)CO濃度分布情況如圖4和圖5所示。

圖3 三維數(shù)值計算模型(局部)

(a)通風時間300s

(b)通風時間600s圖4 隧道左掌子面300m范圍內(nèi)CO濃度分布

(a)通風時間300s

(b)通風時間600s圖5 隧道右掌子面300m范圍內(nèi)CO濃度分布

從國內(nèi)外重要隧道鉆爆法施工通風長度統(tǒng)計以及工程實際實施情況，由于壓入式通風自身的缺陷(無法突破長度瓶頸)，且受現(xiàn)場布置及施工方式所限，它在通風距離超過4 000 m就很難滿足施工條件的需要，無法達到規(guī)定的洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境條件。從圖3和圖4的CO濃度分布云圖可以看出，在壓入式通風條件下，由于隧道進口方向通風距離相比出口方向短很多，約為出口方向的一半；隨著通風時間的不斷增加，高濃度的CO區(qū)域也在向斜井方向不斷推移，CO濃度在通風600 s后工作區(qū)域有200 m范圍已經(jīng)降到了國家規(guī)范規(guī)定的30 mg/m3，最高濃度在距離掌子面300 m位置處，最大值為325 mg/m3。由于斜井與正洞采用垂直連接，風管的布置必然會在交叉口位置出現(xiàn)大角度的彎折，不可避免的存在較大的能量損失。因此，隧道出口方向的通風距離6 003 m已經(jīng)遠遠超出了目前壓入式通風件條件下的極限通風距離，工作區(qū)域僅50 m范圍內(nèi)CO濃度降到了國家規(guī)范規(guī)定值，其最高濃度在距離掌子面250 m位置處，最大值為1 190 mg/m3。

圖6為壓入式通風條件下6個時間(10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、35 min)CO濃度的運移特性。隨著通風時間的不斷增加，隧道進口與出口方向的污染物都向斜井方向轉(zhuǎn)移。由于斜井正洞交叉口位置距離進口方向的距離為1 018 m約為到出口方向的1/3，因此進口方向的高濃度CO首先到達斜井位置，25 min后基本由斜井排除，其濃度能夠達到國家規(guī)范規(guī)定的安全標準值。但隧道出口方向的通風距離長達6 003 m，因此通風35 min后，高濃度的CO運移至距離斜井1 000 m位置，其最高濃度達到963 mg/m3。可見，在隧道爆破之后，采用壓入式的通風方式不能將正洞內(nèi)的污染物在規(guī)定的時間內(nèi)排除到洞外。

圖6 不同通風時間隧道中線CO分布

圖7 斜井正洞交叉口風倉三維模型

(a)通風時間300s

(b)通風時間600s圖8 風倉式通風進口方向掌子面300m范圍內(nèi)CO濃度分布

(a)通風時間300s

(b)通風時間600s圖9 風倉式通風出口方向掌子面300m范圍內(nèi)CO濃度分布

2.2.2 風倉式施工通風效果

斜井與正洞交叉口位置設置的封閉的風倉，三維計算模型見圖7。風倉式通風隧道進口、出口方向掌子面300 m范圍內(nèi)CO濃度分布情況見圖8和圖9。在壓入式通風條件下，由于隧道進口方向通風距離相比出口方向短很多(計算過程中進口配1.5 m風管，出口方向配1.8 m風管)。隨著通風時間的不斷增加，高濃度的CO區(qū)域也在向斜井方向不斷推移，CO濃度在通風600 s后工作區(qū)域300 m范圍基本已經(jīng)降到了國家規(guī)范規(guī)定的30 mg/m3，最高濃度在距離掌子面300 m位置處，最大值為75.1 mg/m3。由于獨頭通風距離大幅度減少，隧道出口方向工作區(qū)域250 m范圍內(nèi)CO濃度降到了國家規(guī)范規(guī)定值，其最高濃度在距離掌子面300 m位置處，最大值為91.3 mg/m3。在同樣的通風時間下，風倉式通風的效果遠好于全壓入式通風，有利于污染物快速的向斜井方向排出。

圖10為風倉式通風條件下不同通風時間情況主洞內(nèi)CO濃度分布曲線圖。從圖中可以看出，隨著通風時間的不斷增加，隧道進口與出口方向的污染物都向斜井方向轉(zhuǎn)移，圖10計算了6個時間(10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、35 min)CO濃度的運移特性。由于斜井正洞交叉口位置距離進口方向的距離為1 018 m約為到出口方向的1/3，因此進口方向的高濃度CO首先到達斜井位置，20 min后基本由斜井排除，其濃度能夠達到國家規(guī)范規(guī)定的安全標準值。而隧道出口方向由于設置風倉其通風距離也大幅度減少，30 min左右出口方向的高濃度污染物已運移至斜井位置，35 min左右其濃度完全可以達到國家規(guī)范規(guī)定的安全值。可見，在隧道爆破之后，采用風倉接力的通風方式能夠?qū)⒄磧?nèi)的污染物在規(guī)定的時間內(nèi)排除到洞外。

3 結(jié)論

(1)由于壓入式通風無法突破長度瓶頸的缺陷，并受限于現(xiàn)場布置及施工方式，當通風距離超過4 000 m后就很難滿足施工條件的需要，無法達到洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境規(guī)定的條件。

(2)采用風倉式通風后，桃源斜井所承擔的正洞進口方向通風20 min后CO基本由斜井排除，出口方向通風35 min洞內(nèi)CO濃度能夠達到國家規(guī)范規(guī)定的安全標準值。可見，風倉式通風對于洞內(nèi)CO濃度控制優(yōu)于壓入式通風。

圖10 不同通風時間隧道中線CO分布

(3)對于無巷道式通風條件且獨頭掘進長度長的單線特長隧道，在正洞與斜井交叉部位的拱部設置密封的風倉，形成風倉式接力通風，該方式能大幅度延長通風距離，提高通風效率，改善洞內(nèi)空氣質(zhì)量，為長大隧道施工通風開辟了新的途徑。