南山公路隧道長壓短抽式通風除塵模擬研究

劉亞洲 肖峻峰 盧 平 莊裕林

（安徽建筑大學，安徽 合肥 230601）

隨著我國交通運輸業的快速發展，公路隧道的數量在逐年快速增長[1]。然而在公路隧道的施工過程中，會產生大量的粉塵，嚴重污染隧道施工環境[2]。自然通風條件下，待粉塵降至允許濃度 （允許濃度為10mg/m3）需很長時間，連續作業或短時間進洞作業危害工人健康，給工人和企業造成經濟損失[3]。因此，在公路隧道施工過程中，通風除塵成為學者所一直關注的課題。

國內外研究通風除塵的方式主要有現場實測、仿真模擬和實驗測定等方法。其中，現場實測由于條件限制，測點布置簡單，不能完全反應現場情況；實驗測定多采用相似實驗，通風條件設置不能得到保證；仿真模擬不能完全模擬現場施工情況，在研究流場和粉塵分布規律方面有一定的限制[4-5]。

通風除塵的方式主要有壓入式通風、壓出式通風、混合式通風[6]。長壓短抽混合式通風綜合了壓入式和壓出式通風的特點，從隧洞一側輸入新鮮空氣，從另一側將污濁空氣排出[7]。其壓、抽風筒的相對位置與壓、抽比對隧洞內的粉塵分布有較大的影響[8]。基于此，以德上高速南山公路隧道為例，建立Fluent數值模型，分析探討長壓短抽通風方式下，壓、抽風筒距工作面距離及壓、抽比對隧道內的流場和粉塵分布的影響，以期為公路隧道施工通風除塵提供理論依據。

一、工程簡介

南山公路隧道位于德上高速池州至祁門段，隧道右洞長2811m，左洞長2770m，隧洞斷面為半圓拱形，寬12m，高9m，斷面面積為94.69m2。隧道全線主要穿越黏土、碳質頁巖、頁巖、灰巖等地層，地質條件復雜，施工過程中會產生大量粉塵，故采用長壓短抽通風除塵方式，以降低隧洞內的粉塵濃度。

二、數值模型的建立

（一）模型的建立與網格劃分

為滿足計算精度要求，故對實際的幾何模型進行等比例縮小，簡化后的模型如圖1所示，其中寬4.8m，高3.6m，斷面面積為A=15.15m2，風筒懸掛于隧洞兩側，風筒軸線距隧洞中軸線1.5m，懸掛高度為2.4m，壓風筒和抽風筒的直徑均為0.8m。

依據簡化后的南山隧道，使用Geometry軟件建立如圖2中的幾何模型，隧道幾何模型長60m，然后導入Mesh采用結構化網格劃分形式，劃分后的網格數量為92550個。

（二）模型參數的設置

將劃分好的網格文件導入到Fluent中計算前，需要對模型做如下假設：1.隧道內風速變化不是很大時，認為空氣為不可壓縮流體；2.假設隧道內的溫度變化不大，忽略溫度影響；3.假設隧道內的流場不隨時間發生變化，即為穩態流場[9-10]。

圖1 隧道斷面圖

圖2 三維幾何模型

將模型導入Fluent后，需要對幾何模型設置初始邊界條件。隧道洞口為自由出口，風筒的進出口均為速度入口，壓風筒風速為正值，抽風筒風速為負值；工作面為粉塵噴射源；其余界面設置為壁面邊界。

隧道內存在連續相（空氣）和非連續相（粉塵顆粒）兩種物質，采用 DPM（Discrete Phase Model）模型能夠更好地計算粉塵顆粒在空氣中運動的耦合問題[9]，具體模型參數設置如表1所示。

表1 模型參數設置

三、結果分析與討論

（一）流場對粉塵分布的影響

風筒距工作面距離及壓抽比都會改變隧道內的流場，流場會影響粉塵在隧道內的分布。圖3為壓風筒距工作面距離Ly=16m，抽風筒距工作面距離Lc=4m，壓抽比r=1.2，高度Z=1.5m處（人體呼吸高度）流場矢量分布圖。研究表明，長壓短抽通風方式下會在工作面附近形成射流區、回流區和渦流區[8]。由圖看出，在風流射向工作面的過程中，風流的影響范圍逐漸擴大，形成射流區；風流到達工作面后從隧道另一側返回，形成回流區；在射流區與回流區的共同邊界處，部分回流受到射流的影響折返到工作面，形成渦流區。由工作面噴出的粉塵在射流區不宜聚集，風流經過工作面后會將粉塵帶入回流區，回流區帶出的一部分粉塵進入渦流區逐漸聚集，一部分粉塵逐漸向洞口運移和擴散，如圖4所示為粉塵的濃度分布。

圖3 Z=1.5m處流場矢量分布圖

圖4 粉塵濃度三維分布圖

（二）壓風筒位置對流場、粉塵分布的影響

圖 5a為 Lc=4m，r=1.2，Ly不同時，Z=1.5m 處粉塵分布，由圖可看出，不同壓風筒位置對粉塵分布有著很大的影響，且當12m＜Ly＜16m時，濃度大于10mg/m3的粉塵擴散距離隨著Ly的增大而減小，當Ly＜16m時，距離工作面20m內，粉塵濃度均超過了10mg/m3，且在距工作面10～18m內，粉塵濃度超過了100mg/m3。當Ly=16m時，濃度超過10mg/m3的粉塵主要分布在距離工作面5m內，雖然最高濃度達到500mg/m3，但都集中在抽風筒一側，且距離工作面非常近，在距離工作面5～10m（施工人員作業區域）內粉塵濃度均小于允許值。當16m＜Ly＜18m時，雖然在壓風筒一側粉塵濃度小于10mg/m3，但高濃度的粉塵擴散距離均超過了15m，除塵效果不理想。

圖5b為相對應的流場分布圖，由圖可以看出，當Ly＜16m時，工作面在壓風筒的有效射程之內，風流到達工作面后仍有較高的速度，達到5m/s，粉塵被高速的風流帶走并向隧道中部運移和擴散，且隨著Ly的增大，形成的渦流區逐漸遠離工作面，造成局部區域粉塵的聚集。當Ly＞16m時，工作面超出了壓風筒的有效射程，射流到達工作面后風速降至0.5m/s以下，局部區域粉塵濃度在10mg/m3以下，但壓風筒輸入的新鮮風流在未達到工作面就進入抽風筒負壓區域，對工作面粉塵的壓風作用不大，造成整個洞內的粉塵污染。當Ly=16m時，工作面處在風筒的有效射程邊界，新鮮風流到達工作面的風速在1～2m/s，能夠有效地將粉塵控制在距工作面5m內，粉塵控制效果最佳。

圖5 Ly不同時Z=1.5m處粉塵分布和流場分布

（三）抽風筒位置對流場、粉塵分布的影響

圖 6a 為 Ly=16m，r=1.2，Lc不同時，Z=1.5m 處粉塵分布。由圖可以看出，當2m＜Lc＜4m時，粉塵的擴散距離隨Lc增大而減小，Lc=2m時粉塵擴散距離超過30m；當4m＜Lc＜6m時，粉塵的擴散距離隨Lc增大而減大，尤其當Lc=6m時，粉塵擴散距離超過40m；當Lc=4m時，粉塵擴散距離小于5m，有利于施工人員作業。

圖6b為相對應的流場分布圖，由圖可得出，當2m＜Lc＜4m時，工作面都處于抽風筒的有效吸程內，但當Lc＜4m時，壓風筒的負壓區域不能有效地作用在工作面，尤其是Lc=2m時，新鮮風流經過工作面進入回流區依然有較高的流速，由于壓風筒距離工作面太近，不能很好的捕捉粉塵，造成粉塵在整個隧洞內擴散。當4m＜Lc＜6m時，新鮮風流還沒有到達工作面就進入抽風筒，不能達到通風除塵的效果。因此當Ly=16m，r=1.2時，壓風筒距離工作面距離Lc=4m與之匹配度更高，能夠為施工人員創造更好的作業環境。

圖6 Lc不同時Z=1.5m處粉塵分布和流場分布

（四）壓抽比對流場、粉塵分布的影響

圖 7a為 Ly=16m，Lc=4m，r不同時，Z=1.5m 處粉塵分布。由圖可看以出，當0.6＜r＜1.2時，粉塵主要集中在工作面抽風筒一側，且主要沿著抽風筒一側向隧道中部擴散，達到15m。當r＞1.2時，粉塵擴散距離達到30m，施工人員的作業區域被完全覆蓋，嚴重危害人員職業健康。當r=1.2時，粉塵控制在距工作面5m內，為施工人員創造良好的作業環境。

圖7b為相對應的流場分布圖。當r＜1時，抽風筒風量大于壓風筒風量，隧洞內處于負壓狀態，隧洞內的風流由洞口向工作面輸送，由壓風筒輸送的風流未到達工作面就突破射流區進入渦流區，造成風流的損失。當r＞1時，壓風筒風量大于抽風筒風量，但當壓抽比過大時，抽風筒產生的負壓區域逐漸減小，風流帶出的粉塵少部分進入回流區，大部分粉塵都在渦流區的作用下向隧道中部擴散，造成隧洞內的粉塵污染。當r=1.2時，風流到達工作面速度為1～2m/s，工作面處于壓風筒有效吸程邊界，風量配比較為合適，有利于施工人員作業。

圖7 r不同時Z=1.5m處粉塵分布和流場分布

四、結論

（一）風筒的位置對隧道的流場有著決定性作用，流場分布直接影響隧道內粉塵的分布，根據隧洞內流場分布和粉塵分布得出壓風筒距工作面的位置為，A 為隧洞斷面面積，單位為m2），此時工作面處在風筒的有效射程邊界，粉塵控制在距工作面5m內，沒有污染施工人員主要作業區域。

（二）當壓風筒距離工作面16m時，最佳的抽風筒距工作面距離為此時抽風筒的負壓區域處在距工作面0～5m內，與壓風筒配合度最好，粉塵被有效排出。

（三）當風筒的相對位置確定后，取壓抽比為1.2，風流到達工作面速度為1～2m/s，工作面處于壓風筒有效吸程邊界，可有效控塵、排塵，為施工人員創造健康的作業環境。