考慮熱位差的特長隧道斜井反井法施工通風研究

馬希平

（中鐵十二局集團第三工程有限公司 山西太原 030024）

1 引言

隨著經濟發展對交通需求的急劇增加，直接推動我國隧道建設取得前所未有的成就，但由于我國地質條件的復雜性，加之線路線形的確定，不可避免地涌現出大量特長隧道的工程案例［1］。在特長隧道修建過程中，斜井施工也是其中關鍵的一環，斜井反井法施工在當前得到大量推廣及應用，其施工通風問題也隨之得到各界學者的廣泛關注與研究。

斜井反井法施工，是從主洞與斜井交叉口向斜井洞口方向掘進的施工方法［2］。在斜井掘進過程中，洞內污染氣體、煙塵等有害氣體沿斜井縱坡向上匯集，破壞洞內施工環境。同時，掌子面位置要高于交叉口，存在高程差，且掌子面附近因機械運轉而導致空氣溫度較高，致使交叉口與掌子面存在熱位差，對洞內的風流造成影響，增加了通風難度［3－5］。因此，有必要對反井法施工過程中通風問題進行研究，保證洞內施工空氣質量，進而保障隧道施工安全。

本文依托雅康高速公路二郎山特長隧道，采用數值模擬和現場監測相結合的方法，在考慮熱位差的條件下，研究熱位差對斜井反井法施工通風的影響，并對反井法施工通風阻力計算公式進行修正，研究成果可為隧道施工過程中的施工通風提供參考和經驗。

2 依托工程概況

二郎山特長隧道是雅安至康定高速公路重點控制性工程，隧道長約13.4 km。采用四斜井三區段分段縱向式通風［6］，康定端排風斜井長1 734 m，康定端送風斜井長1 716 m，坡度分別為11.09%和10.56%。斜井與主洞交叉口距離左洞、右洞洞口分別為4 484.2 m、4 445 m。斜井采用獨頭壓入式通風［7］，斜井左、右線各配置1臺軸流風機、兩臺軸流風機，均放置在與主洞右線相連的聯絡風道內，并在與主洞左線相連的聯絡風道內設置1臺射流風機，引導風流，將斜井污風排向主洞（注：主洞與斜井改進型巷道式通風中，右線為新鮮風送風道，左線為污風排風道）。

3 反井施工通風數值模擬與結果分析

3.1 幾何模型建立

依據二郎山特長隧道斜井掘進現場實際情況，運用FLUENT軟件建立與現場實際相符的幾何分析模型，對壓入式通風爆破粉塵的擴散運移情況進行數值模擬［8－10］。由于影響巷道內風流流動的因素較多，為保證模擬結果的準確性和真實性，根據現場實際情況，引入如下假設進行適當簡化：（1）風流在井下巷道流動過程中，可忽略壓縮性的影響；（2）巷道側壁、頂板和底板表面平整、密閉，不漏風；（3）掌子面掘進迎頭端面為粉塵射流源，爆破后，粉塵從迎頭端面沿Z軸負方向（巷道掘進反方向）以6 m／s的速度向洞身范圍擴散，X軸、Y軸方向上速度為 0；（4）忽略爆破粉塵間的相互作用［11－12］。

簡化后的幾何模型尺寸如下：掘進巷道長約1 000 m，坡度為10%，無支護，斷面形式接近三心拱，凈寬度9 m，拱高7.2 m，凈面積56 m2，送風管道中心點距地面高3.5 m，風管出風口處風速為10 m／s。斜井模型正視圖如圖1所示，斜井模型三維圖如圖2所示。

圖1 斜井模型正視圖

圖2 斜井模型三維圖

3.2 計算網格的生成

幾何模型網格劃分利用GAMBIT軟件進行，網格類型為非結構化網格，Elements項選擇 Tet／Hybrid形式，Type項選擇TGrid形式。劃分網格后的幾何模型如圖3、圖4所示。

圖3 斜井掌子面附近網格劃分

圖4 斜井橫斷面網格劃分

3.3 邊界條件

任何流體動力學特性都可運用三大守恒定律來求解，不同的流體求解得到的結果之所以不同，是因為各流體域設置的邊界條件不同。對于巷內爆破粉塵擴散及濃度分布的模擬，主要采用的邊界條件為入口邊界、出口邊界、壁面邊界，見表1至表5。

表1 計算模型設定

表2 離散相模型設定

表3 邊界條件設定

表4 操作條件參數設定

表5 射流源參數設定

當塵粒與幾何模型邊界（如壁面、出口、入口）相交時，塵粒通過CFD使用離散邊界條件來規定，以滿足此界面的條件。

（1）Reflect邊界條件

表示塵粒到達該邊界面時將發生彈性或非彈性碰撞。

（2）Trap邊界條件

表示塵粒到達該邊界面時將被捕捉。揮發性顆粒將在此處被釋放到氣相中，而非揮發性顆粒軌道則在此處終止，軌跡模擬結果被標記為“Trapped”。

（3）Escape邊界條件

表示塵粒可穿過該邊界面發生逃逸，軌道的計算在此處終止，軌跡模擬結果被標記為“Escaped”。

（4）Interior邊界條件

表示塵粒穿越該邊界面后，進入其內部流動區域，如多孔介質斷面。

對于該幾何模型，壓入式通風風筒出風口、巷道出口離散相邊界條件均設置為“Escape”，巷道的底板、頂板、側壁設置為“Reflect”。

3.4 考慮熱位差的數值模擬結果分析

考慮到實際工程中，二郎山特長隧道斜井掌子面與斜井交叉口之間存在溫度差異，可能對洞內的風流造成影響，故在模擬中開啟自然對流模型，掌子面附近溫度根據現場資料設置為30℃，斜井入口處溫度設置為25℃。

經過模擬得到爆破粉塵在通風不同時間擴散及濃度分布情況，截取各時刻高度為Y＝1.5 m平面的濃度分布云圖進行分析，如圖5所示。

（1）爆破發生后，爆破粉塵從迎頭端面高速噴出，在自身動量作用下向周圍迅速擴散，但由于呼吸性粉塵粒徑較小，受到空氣阻力較大，速度衰減快，所以擴散距離很短，作業面空間粉塵濃度瞬間變大，T＝10 s時，掌子面附近最大粉塵濃度為4 621 mg／m3。

（2）當壓入式通風射流從風筒出口高速射出后，將以貼壁射流運動的規律發展，不斷卷吸周圍的空氣及粉塵，作業面被新鮮風流沖洗，附近空間粉塵濃度逐漸降低，射流體內空氣的含塵濃度不斷升高，T＝300 s時，掌子面附近最大粉塵濃度為2 391 mg／m3。

（3）在通風1 500 s后，隨著通風時間增大，洞內粉塵在風流引導下沿壁面向洞外排出，此時可以明顯看出1.5 m高度處的粉塵主要集中在隧道左側，即風流向外的一側，但是由于掌子面附近存在風流渦流區，導致少部分粉塵漂浮至隧道右側。

（4）通風2 100 s后，巷道內的粉塵基本被排出，濃度達到規范中工作面粉塵濃度要求，可允許工人進入作業，此時掌子面附近粉塵濃度為12.4 mg／m3。

3.5 熱位差對反井施工通風的影響分析

為了研究熱位差對通風系統的影響，通過計算忽略熱位差時洞內的粉塵濃度，并對比考慮熱位差時洞內的粉塵濃度計算結果，得到熱位差在反井施工通風中的影響。

模擬時關閉自然對流模型，不考慮斜井交叉口與掌子面處的溫度差，計算完成后仍提取距掌子面附近30 m處斷面的粉塵濃度結果，并與考慮熱位差時的計算結果進行對比，繪制不同條件下的粉塵濃度計算結果對比曲線，如圖6所示。

由圖6可知：在忽略熱位差條件下進行計算時，距掌子面30 m處的粉塵濃度值在不同時刻相較于考慮熱位差條件下的計算結果要低，但總體趨勢兩者相似。分析其原因，是由于掌子面與斜井交叉口存在高程差以及溫度差，最終使得斜井交叉口與掌子面存在向洞內方向的熱位差，且與污風風流出流方向相反，在通風系統中起到阻力的不利作用，不利于洞內污染物的排出，故在反井法施工通風設計中，計算沿程阻力時，應考慮熱位差對洞內風流的影響。

圖6 距掌子面30 m處粉塵濃度結果對比

3.6 數值計算結果驗證

通過對比分析隧道內爆破施工粉塵濃度測試結果及數值模擬結果，驗證數值模擬結果的準確性。

（1）現場測試數據

測試距離掌子面附近30 m處爆破施工過程中不同時間段的粉塵濃度，測試結果如表6所示。

表6 爆破工序粉塵濃度測試結果

（2）對比分析

對數值模擬結果與實測結果進行繪圖，結果如圖7所示。

由圖7可知：數值模擬結果在300 s時計算得到的粉塵濃度略大于實測斷面粉塵濃度；在900 s、1 500 s、2 100 s時，數值模擬結果比實測結果相對較小，但數值模擬結果的粉塵濃度變化曲線與實測濃度曲線的變化趨勢非常接近，可以認為數值模擬計算結果可靠。

圖7 數值計算結果與實測數據對比曲線

4 考慮熱位差的反井施工通風計算公式修正

斜井洞口與交叉口存在高差，如果斜井內氣溫高于斜井洞口氣溫，則斜井內空氣密度比斜井洞口的空氣密度小，斜井洞口處空氣有流入斜井內的趨勢，即浮升效應；反之，則斜井內空氣有從斜井內流出斜井洞口的趨勢，即沉降效應。這種由于斜井內外的氣溫差及兩處的高程差所引起的空氣流動的壓力差稱為熱位差。

假設掌子面附近氣溫為T0，洞口處氣溫為T1，對應的空氣密度為ρ0、ρ1，洞口與掌子面的高程差為H，如圖8所示。根據上述假設及流體靜力學方法，當斜井內與斜井口處空氣密度確定后，熱位差ΔP熱僅與斜井口與斜井內的高差H有關，呈正比關系，可按下式計算：

圖8 熱位差作用示意

式中：ρ0為掌子面附近的空氣密度（kg／m3）；ρ1為洞口附近的空氣密度（kg／m3）；H為洞口與掌子面之間的高程差（m）。

通過前文分析，斜井由于洞口與掌子面存在熱位差，其對于目前的反井通風是作為阻力存在的，則在對洞內配置射流風機時，計算隧道沿程阻力應考慮熱位差對風流的影響，否則可能導致通風設計達不到預期要求。

《公路隧道通風照明設計規范》中射流風機通風阻力計算公式為［13］：

但對于采用斜井反井施工通風，在射流風機通風阻力計算時，應將熱位差也考慮在內，則斜井反坡施工射流風機通風阻力計算公式應為：

式中：Pi為射流風機通風阻力（N／m2）；ξi為隧道局部阻力系數；λi為隧道段沿程阻力系數；Li為隧道各段長度（m）；di為隧道各段當量直徑（m）；vi為隧道各段風速（m／s）；ρ為隧道內平均空氣密度（kg／m3）。

5 結論

依托雅康高速二郎山特長隧道，對隧道斜井反井法施工過程中遇到的施工通風問題進行研究，得到如下結論：

（1）采用數值模擬的方法，對考慮熱位差和忽略熱位差兩種工況計算結果進行對比分析，結果表明：熱位差的存在不利于洞內污染物的排除，在通風系統中起到阻力的作用，因此在反井法施工通風設計計算沿程阻力時，應考慮熱位差對斜井內風流的影響。

（2）通過現場測試分析，數值計算結果與現場實測數據相差較小，且其變化趨勢極為吻合，驗證了數值計算的可靠性。

（3）在特長隧道斜井反井法施工通風中，考慮熱位差的阻力效應，對反井法施工射流風機通風阻力計算公式進行了修正。