海底隧道長距離多作業面施工通風技術

劉 斌

（中鐵發展投資有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

為了保障施工作業人員的健康安全，在隧道施工過程中要確保洞內有足夠多的新鮮空氣。隧道施工通風是在施工期間，利用洞內外氣壓差或使用風機設備通入新鮮空氣，排除污染空氣，改善勞動條件，創造良好施工環境的必要手段。隧道施工通風有多種方式，采用什么樣的通風方式使通風合理、高效，是隧道施工通風設計的主要問題。通風方式應根據隧道的自身特點來選擇，考慮施工方法、設備條件、隧道路線及開挖長度、掘進坑道斷面形狀及大小等因素，且應有利于快速施工。研究施工通風的方法主要有原位測試、小比例模型實驗、數值模擬等[1]，其中利用CFD軟件模擬施工通風，掌握隧道通風流場特性，是研究施工通風的重要方法。

大量學者運用數值模擬方法對隧道施工通風進行了研究。為了獲取準確的水電工程引水隧洞施工通風瞬態流場信息并且提高計算效率，王曉玲，劉長欣，等[2]基于Realiza-ble k-ε兩方程湍流模型建立引水隧洞施工通風三維非穩態混合LES/RANS模型，并結合某引水隧洞施工通風過程進行數值模擬，借助現場實測風速數據對數值模擬結果進行驗證；朱忠榮，李新哲,等[3]為了解決傳統方法不能準確模擬隧洞中風流方向和溫度分布的問題，提出一種引水工程深埋長隧洞施工中通風特性數值模擬方法；康小兵，丁睿，等[4]采用計算流體動力學軟件(簡稱CFD軟件)對紫坪鋪高瓦斯隧道施工通風處理效果進行模擬，數值模擬方法與實際情況相符；基于計算流體力學理論，王軍周[5]采用k-ε紊流模型，運用ANSYS Fluent軟件對卡魯瑪水電站尾水隧洞10號支洞施工通風布置方案進行了三維非穩態模擬，驗證了ANSYS Fluent軟件用于隧洞通風模擬的可行性。

基于以上研究成果，本文提出一種隧道施工通風特性數值模擬與分析方法。首先，計算滿足要求條件的通風風量、風速、風壓，然后，在滿足隧道施工通風作業環境衛生標準的條件下，對青島地鐵8號線海域段進行通風設計，最后進行數值模擬計算，驗證通風效果。

1 隧道施工通風作業環境及衛生標準

隧道施工環境影響因素必須滿足鐵路隧道施工規范（TB10204—2002），在隧道施工中，作業環境應符合下列衛生及安全標準（見表1）。

表1 施工通風控制標準（TB10204—2002）

2 施工通風方式

2.1 風管式通風

選擇通風方式的基本原則：在現場施工中，由于有害物質的發生多種多樣，而且隧道內的作業地點（如上半斷面、下半斷面、檢底鋪底、鋪設防水板、二次襯砌作業等）也很多，編制通風計劃時要考慮的環境因素也越加復雜，因此，應根據隧道規模（斷面積、長度等）、施工方法、施工條件等，來選擇最合適的通風方式，可有效、經濟地利用風管等通風設備。

2.2 巷道式通風

巷道式通風指在施工中，隧道本身能形成通風回路，可代替風管進行有效通風。巷道式通風又分為集中式和串聯式(或分散式)通風，通過通風風機的臺數及其位置、風管的連接方法來區分。巷道式通風是通過由互相配合的多個主風流和局部風流的系統而達到通風目的。其中主風流由隧道本身(包括成洞、導坑、及擴大地段)或輔助坑道(如平行導坑)組成。巷道式通風一般適用于3000m以上隧道。且巷道式通風施工時間長，投資大。風管通風法和巷道通風法的比較見表2。

表2 風管通風和巷道通風的比較

3 隧道施工通風方案設計

隧道施工通風設計的主要研究方向：（1）隧道施工通風既要根據風壓計算、風機選型、漏風率計算以及現場經驗對通風線路、通風需風量、通風時間等方面進行設計，又要根據流體力學原理對通風流動特性進行深入研究，使通風效果得到科學的把控。（2）基于隧道通風影響因素對隧道施工通風進行模擬，結合工程現場實際問題展開研究。對通風模擬結果與現場實際效果進行分析比較，驗證模擬并反饋模擬結果到施工通風現場。（3）隧道施工通風是一個動態過程，因此，不同施工方法和施工進度下通風方式也應該隨之調整，使通風方案與整個隧道掘進施工過程緊密聯系，提供合理的通風環境。（4）隧道施工通風應考慮現場條件，對通風方案進行宏觀把控，合理優化，保障洞內施工人員的健康、安全，機械設備的正常運行，保證施工進度，減少施工成本，通過科學的方法保證通風方案的合理性、經濟性。

隧道施工通風面臨著掘進開挖面不斷推進，不同開挖進度的施工通風需風量以及通風強度有較大的區別，比如隨著時間的推移，斜井、豎井、聯絡通道的逐步貫通和利用，將改善隧道施工通風路線和通風方式，提高施工通風的效果。因此，在隧道掘進整個過程中，施工通風的條件和通風要求是動態變化的，不同的施工進度，其通風方案也有所不同，應根據現場施工進度，制定不同的通風方案。

在施工通風階段，平行導坑掘進完畢，可作為新風的主要流通巷道，污染空氣經左右線由斜井排出洞外。為了加快施工進度，增加開挖面時，可利用橫通道輔助通風，布設通風網絡，設置通風回路，增加射流風機進行引流并加強洞內風速，加快洞內污染空氣的擴散和流出。新鮮空氣由豎井處取風，由軸流風管投送至工作區域，保證洞內良好的施工環境，見圖1。

圖1 施工通風方案示意圖（第二階段）

4 通風數值模擬及分析

4.1 幾何網格（見圖2）

圖2 CFD模型網格

4.2 模型計算參數

模型計算參數見表3所示。

表3 模型參數及邊界條件

4.3 Fluent 軟件模擬結果及分析

采用巷道式通風，利用平導作為新鮮空氣流入，左右線為主要的污染空氣排出風道，在局部增設射流風機，管道出風口速度設為10m/s，計算結果顯示其通風效果基本上滿足要求。在掌子面附近區域風速較小，表明此處空氣流通較慢，這對施工作業是不利的；左線空氣速度較大，而右線空氣速度較小。可推測左線離斜井距離較短，且線路形式簡單，線路交叉點較少，在射流風機局部增壓驅動下，且未受到障礙物阻擾的情況下，左線空氣流通較快，有利于污染空氣的迅速排出。因此，可采取減小風管出風口到掌子面距離來加強掌子面附近空氣流動；近豎井巷道的空氣流通最快，可推測此處空氣來源充足，風流量較大。

第二階段模擬計算結果見圖3。

圖3 第二階段模擬計算結果（通風15min）

5 結束語

為了滿足隧道施工通風作業環境衛生標準，對青島地鐵8號線進行通風方案設計，根據施工進度將通風方案分為兩個階段，分別進行數值模擬計算及通風效果分析。

（1）第一階段通風計算結果表明，在管道出風口速度為10m/s時，計算結果顯示，其通風效果基本上滿足要求，但在掌子面附近區域風速較小，表明此處空氣流通較慢，這對施工作業是不利的。因此，可采取減小風管出風口到掌子面距離來加強掌子面附近空氣流動；回流速度仍然緩慢，部分區域空氣不流動。可采取增加射流風機通過局部風壓驅動風流“死區”（風流速度為0m/s），改善局部通風效果。

（2）第二階段通風計算結果表明，采用巷道式通風，利用平導作為新鮮空氣流入，左右線為主要的污染空氣排出風道，在局部增設射流風機，管道出風口速度設為10m/s，計算結果顯示其通風效果基本上滿足要求。在掌子面附近區域風速較小，表明此處空氣流通較慢，這對施工作業是不利的；左線空氣速度較大，而右線空氣速度較小。可推測左線離斜井距離較短，且線路形式簡單，線路交叉點較少，在射流風機局部增壓驅動下，且未受到障礙物阻擾的情況下，左線空氣流通較快，有利于污染空氣的迅速排出。因此，可采取減小風管出風口到掌子面距離來加強掌子面附近空氣流動。近豎井巷道的空氣流通最快，可推測此處空氣來源充足，風流量較大。