脈動通風在螺旋隧道施工期的應用研究

任 松，牟其博，李 玉，陳 釩，楊 松

(1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2.中電建路橋集團有限公司，北京 100048)

0 引言

我國高速公路建設技術飛速發展，公路隧道打破過去單一的直線型選型，開始建設大量螺旋型隧道，以避開不良地質區域，減少工程量。但由于其線型特殊、坡度較大等因素，使得螺旋型隧道施工過程中通風排煙、降塵等比一般直線隧道更困難[1-2]。快速排除炮煙、降低粉塵濃度對改善施工環境，保證隧道內施工人員健康和安全十分關鍵[3]。

礦井瓦斯和粉塵防治中，常應用脈動通風消除上隅角瓦斯積聚問題，提高降塵效率。文獻[4-6]提出，脈動通風消除上隅角瓦斯過程中，瓦斯集聚區氣體在平行于風流速度方向不受風流壓力作用，但在垂直于風流速度方向受到風流靜壓作用，在風流全壓不變的條件下，由于速度變化引起風流靜壓的變化，從而導致瓦斯集聚區的氣體在垂直風流速度方向上產生位移；廖貴發[7]認為，井巷空間內近壁低層區(稱“靜止區”)易積聚瓦斯，脈沖風流能有效加強瓦斯在“靜止區”的擴散強度，并對瓦斯在“流動區”的遷移產生積極效果。脈動通風方法還可用于巷道排塵。在水平巷道中，粉塵顆粒徑較小時易懸浮在空氣中，由于粉塵的密度較風流介質大，常積聚在隧道下方的渦流區內，風流發生脈動時，脈動通風有利于粉塵與風流很好地混合并隨風流排出。現有研究多從通風過程中氣體微團的運動過程及運動規律出發，研究脈動通風與正常通風的區別，相關理論較成熟。脈動通風方法在礦井通風的現場應用和數值模擬研究中，均被證明較定常流通風更有優越性。長久以來脈動通風僅限于煤礦井下應用，且研究自2000年起幾乎停止，對于現場實際應用指導作用不強，對實際應用中脈動通風的脈動周期和幅值取值方面研究較少。

本文將脈動通風方法引入對通風系統要求較高的螺旋隧道施工中，借助FLUENT數值模擬軟件，采用理論分析與數值模擬結合的方法，考慮脈動通風的頻率、幅值變化對隧道內排除炮煙以及降塵的影響。

1 脈動通風下隧道內污染物運移機理

隧道爆破產生的CO為最主要的有害氣體。爆破瞬間炮煙充滿1個有一定距離的空間內，混合用時極短[8]。該距離稱為“炮煙拋擲距離”，按式(1)計算：

b=15+G/5

(1)

式中：b為炮煙拋擲距離，m；G為爆破所用炸藥量，kg。

隧道施工的噴漿過程持續時間長，人員在此工序受粉塵影響大。因此，本文考慮噴漿過程中粉塵的運移過程。

1.1 脈動通風形式

一般隧道供風風速為定值。脈動通風模式下送風的脈動風速v(t) (如式(2))呈周期性變化，如圖1所示。

圖1 定常流通風與脈動通風風速Fig.1 Velocity of constant flow ventilation and pulsed ventilation

v(t)=v0+v′(t)=v0+v1sinωt

(2)

式中：v0為隧道主風流風速，m/s；v′(t)為脈動風速，m/s；v′(t)=v1sinωt，v1為脈動幅值，m/s；ω=2πf，為脈動周期；f為脈動頻率，Hz。

1.2 脈動通風下CO及粉塵擴散方程

考慮隧道內通風情況，提出假設：1)隧道通風渦流區等“靜止區”，區內風速近似于零，其他區域為“流動區”；2)污染物運移過程為等溫過程；3)隧道中風流全壓受脈動風流的影響而產生的變化較小，忽略不計；4)主流區風量夠大，滿足要求；5)粒徑足夠小的粉塵可認為懸浮在空氣中。

由文獻調研可知，隨流擴散除了考慮“流動區”在主風流方向擴散運動，還需考慮“靜止區”存在的對流脈動擴散，但在任意一個區域內的污染物，都僅做一維擴散運動。

分子擴散遵循菲克第一定律，見式(3)，分子從濃度高處向濃度低處擴散。根據菲克定律和質量守恒定律可得到菲克第二定律(擴散方程)表達式(4)[9]。

菲克第一定律：

(3)

菲克第二定律：

(4)

式中：Dm為擴散系數，m2/s；C為擴散物質的體積濃度；K為擴散通量，kg/(m·s)；“-”負號代表擴散方向為濃度梯度的反方向，分子從濃度高處向濃度低處擴散。

除分子擴散外，污染物還隨風流做隨流擴散，需在擴散方程中加入流體流動因素。取隨流體運動的運動坐標系，主風流方向為X軸，速度為u；垂直主風流方向為Y軸，速度為v；如圖2所示。

圖2 隧道風流運動坐標系Fig.2 Coordinate system of airflow motion in tunnel

對“流動區”污染物而言，擴散方向為主風流方向，擴散方程如式(5)：

(5)

對“靜止區”污染物而言，擴散方向為垂直于主風流方向，擴散方程如式(6)：

(6)

1.3 脈動通風下CO及粉塵流動力學分析

(7)

由此可見，應用脈動通風時，在垂直與主風流方向會產生位移，具有位移速度。在脈動風流作用下，“靜止區”污染物在垂直于風流方向上的位移r是隨時間t呈周期性變化的函數，當dr/dt=v>0時，“靜止區”污染物向外擴張，進入“流動區”，隨主風流排出隧道；dr/dt=v≤0時，“靜止區”污染物向內收縮，主風流被帶入該區域稀釋污染物。在脈動通風條件下，隧道內風流結構不再是一成不變，渦流區縱向脈動速度不斷變化，增強污染物擴散能力。

除了改變垂直于主風流方向的縱向脈動速度外，脈動通風還加強了主風流方向的橫向脈動。且橫向脈動也隨時間周期性變化，其加速度時而正時而負，若主風流中存在不同質量的粒子時，根據牛頓第二定律，在同一風力作用下會出現：當加速度為正時，輕粒子比重粒子跑得更快；當加速度為負時，輕粒子比重粒子跑得更慢。2種粒子在相同風力下，正、負加速度時的運動特性表明，在周期性變化的主風流中輕、重粒子形成強烈混合。以上即為脈動通風稀釋污染物效果高于定常通風的原因。

2 數值模擬實驗

污染物在垂直于主風流方向上的位移速度決定了脈動通風對污染物運移擴散的效果。由上文所述風流脈動作用產生的位移速度v對時間t求導由式(8)可知，污染物在垂直于主風流方向上的位移速度v的變化與脈動風速v(t)中的隧道主風流風速v0、脈動幅值v1和脈動頻率f均相關，且隨時間呈周期性變化。一般隧道主風流風速由所計算隧道的需風量和風筒直徑確定；通過調節脈動風機的幅值、脈動頻率可改變脈動通風工況。在確定主風流風速v0和頻率f時，位移加速度v′(t)與幅值大小呈比例關系，與頻率呈復雜函數關系。

(8)

為探究脈動通風幅值、頻率與通風效果之間的關系，通過數值模擬，在螺旋隧道中應用脈動通風方式，并在不同脈動通風的幅值、頻率下研究隧道內排除炮煙以及降塵效果，通過理論分析產生該影響的原因，并確定螺旋隧道施工的最佳工況。

2.1 模型建立

利用CFD軟件FLUENT對不同工況進行三維數值模擬計算[10]。隧道內污染物濃度隨通風過程按時間發展變化，稀釋及擴散的過程為非穩態過程。研究中排除CO氣體過程采用三維非穩態組分傳輸模型，湍流模型選擇標準k-ε兩方程模型，總體模型包括質量守恒方程、動量守恒方程、組分輸運方程、湍動能方程等。粉塵運移擴散采用三維非穩態DPM(Discrete Phase Model，離散相)模型[11-15]進行求解。

做好魚溝、魚凼開挖。魚溝規格為寬0.8-1.5米，深0.6-0.8米；魚凼寬4-5米，深0.6-1米。魚凼應在埂邊設置，靠近鴨圈，更有利于投餌，同時也方便鴨子下水，魚溝與魚凼相通至田間。

模擬過程作出基本假設[16]：1)不考慮風筒漏風等因素，風量無損失；2)所有壁面(包括隧道壁面、風筒壁面等)絕熱、無滑移；3)風筒出風口風速較大，但其馬赫數仍小于0.3，不考慮其壓縮性；4)假定隧道內空氣流場為三維不可壓縮湍流場。

本文以云南建個元高速公路項目中咪的村螺旋隧道為工程依托，隧道計算模型橫斷面為半圓形拱，半徑5.5 m，總高7 m；螺旋半徑720 m，坡度2%，計算長度選取300 m；風筒直徑1.5 m，出口距離掘進工作面15 m，幾何示意如圖3所示。網格劃分采用四面體網格劃分，風筒出口處風流速度和壓力梯度較大，附近網格適當加密。

圖3 螺旋隧道幾何示意Fig.3 Geometry of spiral tunnel

為實現風筒入口速度按v=v0+v1sin2πft輸入，定義入口速度時通過FLUENT的UDF(User-Defined Functions，用戶自定義函數)功能，調用已編寫好的速度——時間函數。編寫程序如圖4所示，實際操作中輸入程序時，主風流風速v0、脈動幅值v1、脈動頻率f均為該工況下具體數值，僅t為時間變量。

圖4 FLUENT自定義脈動風速Fig.4 User-defined pulsed velocity in FLUENT

2.2 計算工況設置

咪的村螺旋隧道主風機供風風量2 450 m3，該風量滿足供風需求，風筒進風口風速為23.12 m/s。固定v0=23.12 m/s，改變脈動風機的頻率f，計算工況設置見表1；計算最佳工作頻率后，固定v0=23.12 m/s，f=fB，改變脈動風機的幅值計算工況見表2。

表1 脈動風機頻率變化計算工況Table 1 Calculating condition of different pulsation frequency

表2 脈動風機幅值變化計算工況Table 2 Calculating condition of different pulsation amplitude

3 計算結果及分析

3.1 螺旋隧道內速度流場特性

螺旋隧道較直線隧道風流結構更復雜。采用定常流通風時，通風后流場如圖5所示。隧道內人員均在地面工作，人呼吸高度距離地面1.6 m，選取距離隧道地面1.6 m高處平面作為研究平面。定常流通風時隧道內靠近掘進工作面、隧道壁的區域存在大量渦流區，阻礙炮煙及粉塵排出；主風流在靠近掘進工作面區域走向呈“S”形，遠離掘進工作面，風流趨于穩定。

圖5 螺旋隧道定常流通風流場Fig.5 Flow field of constant ventilation in spiral tunnel

采用脈動通風時，增加了渦流區縱向脈動速度及主風流橫向脈動速度，改變隧道內通風結構，持續脈動通風后螺旋隧道內流場如圖6所示。脈動通風流場較定常流通風而言改變較大，通過速度矢量圖可發現渦流區明顯縮小，流場結構穩定、簡單。

圖6 螺旋隧道脈動通風流場Fig.6 Flow field of pulsed ventilation in spiral tunnel

定常流通風條件下螺旋隧道內存在大大小小的渦流區，渦流區內主風流風向速度近似于零，大量污染物積聚在渦流區域內無法隨風流排出，造成局部污染物濃度超限。采用脈動通風時，脈動通風增加了污染物在垂直于主風流的方向上的縱向脈動速度，驅使污染物擴散隨主風流被帶出。

3.2 不同頻率、幅值下爆破后CO濃度變化

隧道內CO的濃度分布與流場密切相關，脈動通風速度由主風流風速、脈動幅值及脈動頻率決定。根據風量確定主風流風速后，脈動幅值和脈動頻率的取值將影響脈動通風效果。圖7為爆破后，脈動通風幅值v1=2.27 m/s，頻率2，4，6，8，10 Hz和無脈動通風時，隧道內1.6 m處CO最大濃度隨時間變化情況。爆破后脈動通風前期，CO尚未向洞外擴散，所有頻率下CO最高濃度差距不大，但無脈動通風濃度較高。脈動通風后期，CO開始向洞外擴散，無脈動通風情況下濃度下降迅速，且后期一直擴散速度較快。

圖7 脈動頻率2～10 Hz時螺旋隧道內距離地面1.6 m高處CO濃度最大值Fig.7 Maximum concentration of CO at 1.6 m height in spiral tunnel at a pulsation frequency of 2～10 Hz

繼續增大頻率，進行脈動通風幅值v1=2.27 m/s，頻率f=10，30，50 Hz和無脈動通風時CO最大濃度隨時間變化比較如圖8所示。其呈現的規律和10 Hz以下工況相同，脈動通風前期，所有頻率下CO濃度最大值差異不大；后期靠近洞口時，無脈動通風情況下CO濃度下降迅速。不管脈動通風頻率高低，對排出CO效果均不理想。

圖8 脈動頻率10～50 Hz時螺旋隧道內距離地面1.6 m高處CO濃度最大值Fig.8 Maximum concentration of CO at 1.6 m height in spiral tunnel at a pulsation frequency of 10～50 Hz

固定脈動頻率fB=10 Hz，設置脈動幅值v1=2.27，4.54，6.81 m/s，不同幅值下CO最大濃度隨時間變化如圖9所示。通風前期除幅值4.54 m/s情況下CO濃度較高外，其他幅值條件CO濃度相差無幾；后期無脈動通風CO濃度下降迅速。對于爆破后排CO的過程，數值計算結果表明，不管改變幅值或是頻率，脈動通風排除CO的效果始終不明顯。

圖9 不同幅值時螺旋隧道內距離地面1.6 m高處CO濃度最大值Fig.9 Maximum concentration of CO at 1.6 m height in spiral tunnel with different pulsation amplitudes

結合理論分析，爆破后采用脈動通風排除CO效果不明顯的原因有：

1)爆破為瞬間過程，CO氣體瞬時充滿整個炮煙拋擲距離的空間內，且分布較均勻；CO氣體和空氣能均勻混合，不存在積聚明顯的區域，混合均勻的CO及空氣混合物可隨主風流擴散。

2)脈動通風增加渦流等“靜止區”內CO的縱向脈動速度，可驅散渦流區內CO；但定常流通風時，渦流區周圍CO濃度下降以后，根據菲克定律渦流區內CO也將逐漸擴散，且CO氣體并非一直在產生，渦流區濃度同樣會逐漸下降。

3)脈動通風增強主風流方向的橫向脈動可使質量相差較大的粒子混合均勻，但CO分子和空氣相近，橫向脈動效果也不明顯。

4)在主風流中，脈動通風的縱向脈動將對主風流方向流動產生干擾。所以爆破后通風初期，脈動通風效果較好；但后期避開渦流區后脈動通風效果不明顯，無脈動通風效果較好。

3.3 不同頻率、幅值下爆破后粉塵濃度變化

固定脈動通風幅值v1=2.27 m/s，頻率取f=2，4，6，8，10 Hz和無脈動通風時，隧道內1.6 m處粉塵平均濃度隨時間變化情況如圖10所示。噴漿粉塵為1個持續性污染源，在噴漿過程中一直產塵。隨時間發展，粉塵不斷累積，濃度逐漸增加直至維持在一個較為穩定的狀態。從隧道內距離地面1.6 m高處粉塵濃度變化曲線來看，采用脈動通風方式，隧道內粉塵濃度明顯呈現更低的狀態，穩定后濃度值降低了12%左右。在10 Hz以下頻率中，粉塵濃度區別較小，但頻率越大，濃度有增大趨勢，4 Hz左右效果最佳。

圖10 脈動頻率2～10 Hz時螺旋隧道內距離地面1.6 m高處粉塵濃度平均值Fig.10 Average dust concentration at 1.6 m height in spiral tunnel at a pulsation frequency of 2～10 Hz

繼續增大頻率，進行了脈動通風幅值v1=2.27 m/s，頻率f=10，30，50 Hz和無脈動通風時粉塵平均濃度隨時間變化比較如圖11所示。

圖11 脈動頻率10～50 Hz時螺旋隧道內距離地面1.6 m高處粉塵濃度平均值Fig.11 Average dust concentration at 1.6 m height in spiral tunnel at a pulsation frequency of 10～50 Hz

增大頻率發現，高頻狀態下穩定后的粉塵濃度較低頻狀態而言更高，頻率增大，通風降塵效果反而更差。且頻率為10 Hz時，粉塵濃度先穩定增長，后趨于1個較低濃度值；頻率為30 Hz時，粉塵濃度起伏明顯，變化劇烈且濃度較高；繼續增大頻率至50 Hz，變化趨于平穩，濃度值與30 Hz時相差不大，且接近于無脈動通風時粉塵的平均濃度。

通過不同頻率下粉塵濃度變化規律可判斷，在頻率較小時，脈動通風降塵效果較好，增大頻率效果逐漸變差，但增加到一定頻率后對降塵效果幾乎無影響。在考慮頻率的基礎上，研究幅值大小對降塵效果影響。選擇較為合適的頻率fB=4 Hz，取幅值v1=2.27，4.54，6.81 m/s，不同幅值下粉塵平均濃度隨時間變化如圖12所示。增大幅值，隧道內1.6 m處的粉塵濃度反而處于較高水平；繼續增大幅值，前期隧道內粉塵濃度又呈現和低幅值時相近狀態。整體呈現1個隨幅值增加，降塵效果先減小后增大的過程。

圖12 不同幅值時螺旋隧道內距離地面1.6 m高處粉塵濃度平均值Fig.12 Average dust concentration at 1.6 m height in spiral tunnel with different pulsation amplitudes

噴漿粉塵顆粒粒徑大小不一，顆粒較大粉塵易發生沉降，較小顆粒則懸浮在空氣中。粉塵顆粒密度大于空氣，易積聚在隧道中下部，且持續產塵使積聚濃度越來越高。通風時，大部分的粉塵隨流擴散被帶走并排出，但螺旋隧道存在大片渦流區，其中的粉塵無法隨風流擴散，不斷累積新的粉塵顆粒，渦流區內粉塵濃度將越來越高。脈動通風下粉塵顆粒產生縱向脈動速度，渦流區內的粉塵顆粒做縱向運動，可擴散至主風流中。隧道風流結構被改變，渦流區發生改變，不再出現大面積粉塵積聚區域。除縱向脈動外，脈動通風增加了粉塵的橫向脈動擴散。橫向脈動速度呈周期性變化，在加速度為正時，較重的粉塵顆粒速度較慢，較輕空氣分子運動速度較快；加速度為負時，較重的粉塵顆粒速度較快，較輕的空氣分子運動較慢。使得隧道內粉塵和空氣分子能充分的混合，隨主風流排出。以上結果與理論研究結果完全一致。

理論研究中，縱向脈動速度與幅值成比例，與頻率關系復雜。從計算結果看，脈動通風的降塵效果并非是幅值越大效果越好，縱向脈動速度過大反而干擾降塵。對頻率而言，在頻率較小時，濃度變化較平穩；增大頻率，濃度變化逐漸變劇烈，降塵效果變差。原因是縱向脈動速度頻率越大時周期變化越明顯，對主風流產生干擾越大，因此，頻率過大不利于粉塵隨主風流擴散。

3.4 小結

螺旋隧道線型特殊，對通風技術要求更高。通過數值模擬方法，模擬脈動通風方式應用于螺旋隧道中排除爆破后CO氣體和噴漿粉塵2個過程，其結果與理論分析高度吻合。脈動通風爆破后排出CO氣體效果不大，原因是CO氣體為瞬時污染源，且其密度與空氣幾乎一樣，應用脈動通風效果不明顯。但是，對于持續污染源噴漿期粉塵而言，效果卻很明顯，粉塵懸浮顆粒易積聚在隧道中下部的渦流區內，定常流通風時螺旋隧道內存在大量渦流區，影響施工威脅人員安全，采用脈動通風能讓隧道中下部粉塵濃度降低12%左右。

對脈動通風的關鍵參數脈動幅值v1和頻率f進行控制變量法研究，對脈動通風幅值v1=2.27，4.54，6.81 m/s，f=2，4，6，8，10，30，50 Hz情況分別進行數值計算，最終確定取較低幅值v1=2.27 m/s，頻率f=4 Hz左右即可達到最佳效果。

4 現場驗證

數值模擬結果表明最優工況為脈動通風的幅值v1=2.27 m/s，頻率f=4 Hz，為驗證數值模擬結果的準確性，分別測量在脈動通風最優工況下和定常流通風模式下，進行噴漿工序時，粉塵濃度積累至1個較為穩定的狀態后，距離掘進工作面不同距離處的粉塵濃度對比結果如圖13所示。

圖13 不同通風模式下距離掘進工作面不同距離處的粉塵濃度Fig.13 Dust concentration at different distances from the tunnel face under different ventilation modes

由圖13可知，數值模擬所確定的最優工況能夠有效降低粉塵濃度，比常用的單一定常流通風模式在噴漿后更值得應用。

5 結論

1)定常流通風時渦流區范圍較大，掘進工作面附近主風流走向呈“S”型；采用脈動通風可改變通風流場，縮小渦流區，優化風流結構。

2)脈動通風應用于螺旋隧道中可以使渦流區產生縱向脈動擴散，且增強主風流橫向脈動擴散效果。

3)數值模擬結果表明脈動通風對爆破后排CO氣體效果不理想，但大大提高了噴漿工序降塵效果。現場應用時可根據工序實時調整通風方式，爆破后采用定常流通風，噴漿過程打開脈動風機提供脈動風速，減少能耗改善施工環境。

4)數值模擬結果表明污染物排放效果與幅值大小關系不大，且頻率越高，排污效果減弱。建議脈動通風實際應用時，僅需根據實際供風風速，設置1個較小的幅值和頻率即可。對于風筒供風速度23 m/s左右的隧道，取幅值2 m/s，頻率4 Hz左右的脈動通風可達到最佳通風效果。幅值過大浪費電能，頻率過大反而干擾降塵，效果不佳。