天然氣過江隧道施工過程通風排污數值的模擬

曹曉程

上海市安裝工程集團有限公司 上海 200080

隧道通風分為自然通風和機械通風兩大類。自然通風是通過氣象因素形成的隧道內空氣流動，以及機動車從洞外帶入新鮮空氣來實現隧道內外空氣交換。機械通風是通過風機作用使空氣沿著預定路線流動來實現隧道內外空氣交換[1]。對于截面小、長度長的隧道宜選擇機械通風。

在隧道施工過程中，由于內燃機設備的尾氣、焊接產生的煙塵、有機物氧化等因素，導致一些有害物質產生。這些有害物質包括電焊煙塵、沸石煙塵CO、NO、NO2、SO2、丙烯醛等物質。當這些有害物質被人吸入后，呼吸道受到刺激的同時可能形成氣溶膠進入肺深部，使得毒性在原有的基礎上增加數倍[2]。隧道施工通風規范中為保護安全生產和人員健康對空氣中粉塵容許濃度及空氣中有毒物質容許濃度進行了規定，一般認為在施工的過程中只要低于規范中允許的有害物質濃度即可。

王東偉等[3]以南昌紅谷隧道為例，研究了隧道洞口CO濃度值、NOx濃度值的分布特點；楊清海等[4]通過模擬試驗的方法得出了通風射流風機與車輛流動對污染氣體濃度分布的影響規律；張逸敏等[5]以青島第二隧道為例，利用CFD軟件得到了最優通風參數及相應的局部阻力系數；賈雪峰等[6]利用CFD軟件研究了某高大封閉焊接車間內焊接煙塵的濃度場分布規律；許雷挺等[7]基于污染物的對流擴散方程，構建了縱向通風隧道頂部排風口對環境影響的理論模型。本文以某工程天然氣主干管過江隧道為例，以計算流體動力學為基礎，通過構建CFD模型對污染物的擴散進行預測分析，研究了在燃氣管道安裝的過程中污染源的釋放位置及濃度對隧道內污染物分布的影響。

1 工程概況

本工程天然氣主干管過江隧道A線長度約8 237 m，如圖1所示。燃氣管道安裝完成后，隧道內部進行水封處理，因此該隧道的通風主要用于滿足安裝施工過程中的需要。在天然氣管道安裝敷設的過程中，由于隧道內部空氣流動性較差，因此采用一端送風，射流風機接力的方式，對隧道進行通風。隧道內主要的污染源為施工人員呼出的CO2氣體以及焊接時產生的電焊煙塵，因此選取了二者作為評價因子來研究通風系統的性能。

圖1 過江隧道平面示意

2 隧道施工通風衛生標準及設計方案

2.1 隧道施工通風設計標準

隧道施工過程污染物容許濃度取自JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術規范》[8]。規范中對空氣中污染物容許濃度有兩種標準，分別是時間加權平均容許濃度（PCTWA）、短時間接觸容許濃度（PC-STEL）。由表1可知，隧道內施工人員允許在15 min以內接觸較高濃度的CO2氣體，而電焊煙塵則不能。即使CO2在生活中無處不在，但是當CO2濃度高時，會造成呼吸中樞麻痹，危害人體健康。

表1 施工隧道內的污染物容許濃度單位：mg·m－3

2.2 過江隧道通風設計方案

本工程天然氣主干管過江隧道全長8 237 m，斷面直接約3.4 m，具有距離長、斷面小、埋設深等特點，隧道內的空氣幾乎處于靜止狀態，若不采用通風設備則無法形成有效的循環流動，空氣中沉積的有害物質無法排除，對工作人員的健康將帶來不利的影響。本工程利用隧道掘進時已敷設的送風系統和直徑3.4 m的隧道作為一個整體風管，后每隔700 m設置1臺射流風機，依靠射流風機的帶動作用，采用壓入式施工通風與移動式焊接煙塵凈化器相結合的方式，滿足施工過程所需要的新風和排煙要求，通風系統設計方案如圖2所示。

圖2 施工隧道通風系統示意

2.3 隧道通風設計參數

隧道全長8 237 m，截面面積9.1 m2，隧道內通風設備參數見表2。施工過程中的工人數量共20人，分為2組由隧道兩端進入，每組10人同步施工。

表2 通風設備參數

根據《2017 ASHRAE Handbook Fundamentals (SI Edition)》[9]人體在重體力勞動下CO2呼出量為8 L/min，單位轉化為0.00238 kg/s（10人）。給定的電焊機煙塵釋放量為500～600 mg/min，進行單位轉化后有電焊煙塵釋放量為10 mg/s。CO2的容許濃度9 000mg/m3，通過單位轉換，相當于4 581.82 mg/kg。施工過程中采用局部空氣凈化設備收集電焊煙塵，凈化效率為99.99%，但考慮到凈化器捕集煙塵的效率受到現場操作的影響，綜合考慮了捕獲效率為30%、60%、90%這3種工況，則實際電焊煙塵實際釋放到空氣中的量對應為7、4、1 mg/s。

隧道內送風管長800 m，在送風管之后每隔700 m設置1臺軸流風機，共10臺。軸流風機的具體位置為距隧道入口1 500、2 200、2 900、3 600、4 300、5 000、5 700、6 400、7 100、7 800 m處。施工人員每天從隧道兩側向隧道中心運送2根長24 m的預制燃氣管道，按照運送7.5 d的位置來設置污染源（表3）。

表3 不同施工階段人員及污染物位置

3 數值模擬控制方程

在送風管加射流風機的接力送風方案下，不同的污染源釋放量和釋放位置均會對隧道內污染物的分布產生不同的影響，因此根據該工程的通風方案構建數學模型。在流動與傳熱問題中，所需要求解的主要變量的控制方程都可以表示成如式（1）所示的通用形式。

表4 通用控制方程各符號的具體形式

由于隧道內流動狀態為湍流，需要借助湍流模型對流場和濃度場進行模擬。在工程中常用雷諾時均法來進行湍流模擬，其中RNGk-ε模型具有較好的適用性[10]。RNG是Renormalization Group的縮寫，意為重正化群，相比Standardk-ε模型，RNGk-ε模型考慮了流動中的旋轉和旋流流動對湍流的影響，對湍流黏度進行了修正；另外還在方程ε中增加了一項Eij，用來反映主流時均應變率；通過上面兩項的處理，使得RNGk-ε模型可以更好地適應流線彎曲程度比較大的湍流流動。k方程和ε方程的具體表達如下所示。

4 通風性能數值模擬

4.1 隧道通風模型建立

本文利用CFD數值模擬軟件Fluent和網格劃分軟件ICEM對隧道進行全尺寸建模，本模型形狀較為規則，但結構復雜。因此，在網格劃分時使用非結構化網格，在保證計算準確的情況下盡可能地減少網格數量，并在射流風機及污染源散發處進行局部加密處理，劃分網格如圖3所示。

圖3 局部網格劃分示意

模型邊界條件：隧道入口、隧道出口與大氣相連，分別設置為壓力入口、壓力出口，保證隧道內的空氣處于自然流動狀態；送風管道入口、射流風機入口均設置為速度入口；按表3確定污染源位置，設為混合污染源速度入口。

模擬計算方法為穩態方法，湍流模型選用RNGk-ε模型，開啟能量方程，壓力-速度耦合算法采用的是SIMPLE算法[11]，壓力離散采用二階格式，其余項均采用二階迎風格式，迭代收斂判據為10－5，運算約3 000步后達到收斂。

4.2 污染源位置對污染物分布的影響

通過迭代計算可以得到凈化器處捕集30%的電焊煙塵的速度場和濃度場，則不同污染源釋放的位置對污染物分布的結果如圖4所示。

圖4 污染源附近污染物濃度（凈化器捕集效率30%）

由圖4可知：當在隧道內部任意位置釋放電焊煙塵時，均會超過標準的容許濃度，對人體產生不可估量的危害。隧道內CO2的濃度達到標準要求的容許濃度。不同工況下隧道內污染物平面濃度云圖如圖5～圖7所示。

圖5 隧道平面CO2濃度云圖（單位：mg·m－3）

由圖5和圖6可知：隧道內的CO2和電焊煙塵主要集中于隧道底部，與焊接人員的工作高度相近，考慮到隧道施工時是由隧道中部向兩端推進，因此隧道后半部分的工作人員面臨的危害更加嚴重。在污染源釋放位置的前端沒有檢測出污染物，而在污染源釋放位置后端檢測出存在較高的濃度。因此，污染物在新風的作用下向前流動，沒有出現回流的現象。此時送入隧道的新風既給人提供了新鮮的空氣，又滿足了排風的需要。

圖6 隧道平面電焊煙塵濃度云圖（單位：mg·m－3）

由圖7可知：CO2與電焊煙塵在隧道中的分布較為相似，只是實際濃度相差較大。隧道頂部位置均未檢測到污染物。工況1、工況2、工況3的污染物集中分布在隧道底部，且濃度遠超過標準要求的容許濃度。工況4、工況5、工況6相比于其他工況污染物覆蓋的區域更廣、擴散得更好，污染物濃度高的地方主要集中在隧道施工兩側，對人員危害較低。這表明在隧道中部施工時，產生的污染物更易隨著新風向前流動，而在隧道前端和末端施工時，污染物濃度較高，因此可適當采取措施來加快污染物的流動。

圖7 隧道截面污染物濃度云圖（單位：mg·m－3）

4.3 不同煙塵捕獲效率下的污染物分布

凈化器捕獲60%、90%的電焊煙塵這2種工況下，運用CFD數值模擬獲得隧道內的速度場和濃度場，在不同施工階段考慮污染源釋放的位置不同，污染物濃度分布的詳細結果如圖8、圖9所示。

圖8 污染源附近污染物濃度（凈化器60%）

由圖8、圖9可知：在凈化器能處理60%的污染物時，污染源附近平面的CO2濃度均低于CO2的容許濃度，滿足規范要求；而電焊煙塵的濃度值均高于電焊煙塵的容許濃度值，不滿足規范要求，依然會對施工人員產生危害。在凈化器能處理90%的污染物時，污染源附近平面的CO2濃度、電焊煙塵濃度滿足規范要求，對人體危害較低。

圖9 污染源附近污染物濃度（凈化器90%）

4.4 污染物濃度

模擬結果如表5所示，例如工況1、2、3分別為煙塵捕獲比例90%、60%和30%時的對比。

表5 不同煙塵捕獲效率各處的污染物濃度

由表5可知，在煙塵捕獲效率為90%的情況下，僅電焊煙塵的濃度滿足要求，故煙塵的捕獲效率對隧道內污染物濃度影響較大，可通過提高凈化器的效率來減少污染物的危害。因此可考慮增大射流風機的流速、增加射流風機數量的方式來加快污染物運動速度，從而降低污染物濃度。

5 結語

1）采用隧道口送風加射流風機，在該縱向長隧道中形成了有效的貫通流，排除施工過程中的空氣污染。隧道內污染源釋放的位置對污染物的分布影響比較大。在隧道兩端及中部施工時，污染物濃度較大，而在其他位置施工時，污染物濃度較低。

2）污染源的凈釋放速率對污染物的分布影響最大。通過對比凈化器處理30%、60%、90%的污染物時，污染源濃度是污染物在隧道內濃度的決定性因素。因此，該隧道需要在施工處對污染物進行更加有效的局部處理，例如將凈化器更靠近施工部位、增加局部排風裝置等，可有效地提高隧道內空氣質量，保證了施工人員的安全。