小半徑曲線隧道施工通風(fēng)粉塵遷移規(guī)律研究

謝全敏，黃昆 （武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

1 引言

近年來，隨著我國西部山區(qū)公路建設(shè)的快速發(fā)展，有大量的隧道工程需要建設(shè)，由于山區(qū)各種復(fù)雜地形地質(zhì)條件的限制，為滿足公路線型等級(jí)設(shè)計(jì)及安全要求，曲線隧道應(yīng)用也越來越廣泛。在曲線隧道施工，尤其是小半徑曲線隧道施工過程中，由于隧道的沿程阻力大，通風(fēng)排塵較一般隧道難度更大，因此，急需加強(qiáng)小半徑曲線隧道施工的粉塵遷移規(guī)律進(jìn)行研究。本文依托五阱明隧道項(xiàng)目，研究在小半徑曲線隧道施工通風(fēng)中，風(fēng)管布置對(duì)粉塵遷移的影響機(jī)制，為小半徑曲線隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 氣固兩相流模型的描述

隧道內(nèi)粉塵顆粒在連續(xù)風(fēng)流場中的運(yùn)動(dòng)屬于典型的兩相流運(yùn)動(dòng)，目前在對(duì)兩相流運(yùn)動(dòng)分析最主要的處理辦法是歐拉法和拉格朗日法。歐拉法將分散相作為連續(xù)介質(zhì)；拉格朗日法將氣體作為連續(xù)項(xiàng)，流場中其他粒子作為離散相。針對(duì)粉塵運(yùn)輸問題，綜合粉塵在流體中的運(yùn)動(dòng)特性，可不考慮顆粒碰撞及顆粒所占體積，應(yīng)用DPM模型（Discrete phase model）較為合適，屬于拉格朗日法的范疇。

2.2 基本假定

①隧道內(nèi)氣體為不可壓縮的連續(xù)介質(zhì)；

②假定隧道壁面絕熱，并忽略因風(fēng)流粘性力做功散熱；

③隧道施工作業(yè)期間忽略行車交通風(fēng)、自然風(fēng)壓和其他設(shè)備對(duì)空氣流場的影響。

2.3 數(shù)學(xué)模型的控制方程

在流體運(yùn)動(dòng)過程中，由于粉塵顆粒濃度很低，顆粒間的相互作用可不考慮。同時(shí)，粉塵顆粒運(yùn)輸主要是氣相作用運(yùn)輸導(dǎo)致的，應(yīng)用拉格朗日法時(shí)，數(shù)學(xué)模型可以適當(dāng)簡化。

2.3.1 質(zhì)量守恒方程

2.3.2 動(dòng)量方程

2.3.3 能量方程

其中，αp為顆粒箱體積分?jǐn)?shù)(%)；ρp為顆粒密度(g/cm3)；U為氣體速度分量(m/s)；Up為顆粒速度分量(m/s)；Γp為顆粒相濃度變化速率(g/cm3·s)；tp為時(shí)間(s)；f為施加到顆粒單位質(zhì)量上的體積力向量(N)；τΥp為顆粒運(yùn)動(dòng)弛豫時(shí)間(s)；Cp顆粒比熱容（J Kg·℃）；Tp為顆粒溫度(℃)；JEp為單位體積內(nèi)熱輻射所產(chǎn)生的熱量(J)；QAp為通過氣體與顆粒的界面所傳遞的熱量(J)。

3 數(shù)據(jù)模型建立和計(jì)算

3.1 工程概況

五阱明隧道位于麗江市古城區(qū)七河鎮(zhèn)大龍?zhí)洱堫^村北邊，為一座分離式隧道，左幅隧道長3465m，位于R=805m的右轉(zhuǎn)圓曲線上；右幅隧道長3410m，位于775m的右轉(zhuǎn)圓曲線上。隧道施工方式為雙向爆破施工、全斷面開挖，采用壓入式通風(fēng)。

3.2 計(jì)算模型建立與網(wǎng)格劃分

基于施工現(xiàn)場施工尺寸，利用gambit建立施工斷面的三維數(shù)值分析模型，隧道計(jì)算長度為100m，隧道模型橫截面及風(fēng)管直徑與隧道施工現(xiàn)場一致，風(fēng)管出口風(fēng)速與實(shí)際通風(fēng)風(fēng)速一致為20m/s，為探究風(fēng)管布置因素對(duì)小半徑曲線隧道施工通風(fēng)的影響情況，設(shè)定隧道曲率半徑為300m，建立風(fēng)管不同布置部位的工況見下表所示。

模型表

進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，由于隧道風(fēng)管與掌子面部分存在渦流區(qū)，粉塵顆粒在風(fēng)渦流的作用下產(chǎn)生回流現(xiàn)象，粉塵在此區(qū)域內(nèi)遷移具有一定復(fù)雜性，需要對(duì)這部分區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。同時(shí)為保證計(jì)算的收斂性及穩(wěn)定性，采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸為0.3m，網(wǎng)格總數(shù)約為240000。

3.3 邊界條件及參數(shù)設(shè)定

隧道所處區(qū)段內(nèi)第四系全新統(tǒng)殘坡積和坡崩積粉質(zhì)黏土、黏土為弱膨脹土，爆破產(chǎn)生粉塵的主要成分為SiO2顆粒，密度約為2300kg/m3。計(jì)算模型為瞬態(tài)模型，離散相參數(shù)、噴射源參數(shù)及邊界條件設(shè)定等部分，參考國內(nèi)外已開展的計(jì)算參數(shù)取值。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 懸掛位置對(duì)風(fēng)流場的影響

在隧道施工期通風(fēng)過程中，靠近掌子面部分受到射流區(qū)和回流區(qū)的共同作用，距掌子面一定距離外，隧道風(fēng)流場由回流區(qū)構(gòu)成。為充分分析不同區(qū)段流場的特點(diǎn)，將掌子面處、不同斷面風(fēng)速云圖及人呼吸高度（距地面1.6m）平面組合分析共同作用段流場特點(diǎn)。回流區(qū)風(fēng)速利用風(fēng)速分布曲線進(jìn)行對(duì)比分析。圖1為不同工況射流區(qū)和回流區(qū)共同作用段速度云圖；圖2、圖3為距掌子面30m、60m處人呼吸高度處的橫向風(fēng)速分布。

射流區(qū)和回流區(qū)共同作用段速度云圖，見圖1所示，此部分流場受射流風(fēng)支配。掌子面風(fēng)速最大值部位在風(fēng)管布置處，與風(fēng)管懸掛因素?zé)o關(guān)，此時(shí)掌子面的最大風(fēng)速約為6.5m/s。當(dāng)風(fēng)管布置在隧道拱頂時(shí)，由于隧道曲率存在，外界空氣經(jīng)射流風(fēng)機(jī)加速進(jìn)入隧道，射流區(qū)流場為典型的附壁射流流場，而回流區(qū)流體受隧道曲率導(dǎo)致的摩擦阻力，風(fēng)流場發(fā)生改變，開始呈現(xiàn)非對(duì)稱性，回流風(fēng)向隧道外側(cè)偏轉(zhuǎn)，核心區(qū)由拱頂趨向于外側(cè)拱肩，對(duì)應(yīng)射流低速區(qū)由仰拱中部向內(nèi)側(cè)拱腳移動(dòng)。由于此階段距離較短，隧道曲率對(duì)風(fēng)流場影響不明顯，當(dāng)風(fēng)管布置在隧道的不同位置時(shí)，風(fēng)流場呈現(xiàn)一定的對(duì)稱性，風(fēng)管布置在內(nèi)側(cè)的風(fēng)流場與相對(duì)應(yīng)位置風(fēng)管的風(fēng)流場對(duì)稱。

圖1 不同工況射流區(qū)和回流區(qū)共同作用段速度云圖

圖2展示了距掌子面30m處，人呼吸高度處的橫向風(fēng)速分布。從各工況風(fēng)速橫向分布來看，當(dāng)射流發(fā)展到距掌子面30m處，風(fēng)管布置在隧道兩側(cè)時(shí)的各部分風(fēng)速均小于其他工況，同時(shí)具有明顯的康達(dá)效應(yīng)，部分風(fēng)流在附壁效應(yīng)的作用下緊靠隧道壁發(fā)展；風(fēng)管布置在拱頂時(shí)，主要受隧道曲率影響，存在一定的核心區(qū)偏移現(xiàn)象；風(fēng)管布置在隧道兩側(cè)拱肩時(shí)，受隧道曲率因素和懸掛位置因素綜合影響；當(dāng)風(fēng)管位于內(nèi)側(cè)拱肩時(shí)，兩因素疊加影響導(dǎo)致隧道外側(cè)風(fēng)速遠(yuǎn)大于隧道內(nèi)側(cè)風(fēng)速；風(fēng)管位于外側(cè)拱肩時(shí)，兩因素相互平衡，總體上呈現(xiàn)橫向風(fēng)速較為一致。

圖2 距掌子面30m處橫向風(fēng)速分布

圖3展示了距掌子面60m處，人呼吸高度處的橫向風(fēng)速分布。風(fēng)管布置在拱頂處，射流在此處以發(fā)展充分，隧道內(nèi)外側(cè)風(fēng)流較為平均，僅因?yàn)樗淼狼蚀嬖谑沟猛鈧?cè)風(fēng)速略高于內(nèi)側(cè)風(fēng)速，同時(shí)當(dāng)風(fēng)管布置在隧道內(nèi)側(cè)拱肩時(shí)，能量損失現(xiàn)象嚴(yán)重，在隧道外側(cè)存在明顯的低速區(qū)。另外，風(fēng)管布置在外側(cè)時(shí)的橫向最大風(fēng)速及平均風(fēng)速均優(yōu)于其他工況。

4.2 粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)遷移規(guī)律分析

在粉塵遷移過程中，風(fēng)流場的卷吸效應(yīng)帶動(dòng)粉塵顆粒遷移，因此隧道爆破施工粉塵遷移規(guī)律受風(fēng)流場及粉塵顆粒性質(zhì)綜合影響。現(xiàn)對(duì)人呼吸高度平面粉塵結(jié)果進(jìn)行分析，圖4為隧道爆破通風(fēng)作業(yè)開始后，不同工況下不同時(shí)刻人呼吸平面處粉塵顆粒分布圖。

從圖4的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出：

圖4 不同工況下，不同時(shí)刻y=1.6m處粉塵顆粒分布圖

①在射流風(fēng)機(jī)的作用下，隧道內(nèi)爆破產(chǎn)生粉塵顆粒在射流風(fēng)的卷吸作用下向洞口移動(dòng)，在掌子面處，射流風(fēng)對(duì)掌子面沖擊回流形成渦流區(qū)，進(jìn)而形成旋轉(zhuǎn)氣流，抑制粉塵顆粒向外遷移，導(dǎo)致粉塵在渦流區(qū)內(nèi)滯留，爆破產(chǎn)生的粉塵在遷移過程中，受重力影響，粉塵顆粒不斷沉降，使得隧道下部粉塵濃度高于隧道頂部；

②在隧道內(nèi)風(fēng)流場中，當(dāng)風(fēng)管布置在隧道頂部時(shí)，隧道內(nèi)側(cè)粉塵遷移速率高于外側(cè)，與風(fēng)流場中風(fēng)速分布規(guī)律一致，但隧道施工通風(fēng)過程中，斷面風(fēng)速不斷下降，對(duì)粉塵顆粒運(yùn)輸能力也不斷下降，同時(shí)由于風(fēng)流與隧道壁面間的摩擦阻力，壁面處風(fēng)速較慢，導(dǎo)致粉塵在壁面處移動(dòng)速度較隧道中部慢，因此爆破產(chǎn)生的粉塵在曲線隧道運(yùn)輸過程中，受風(fēng)流場和隧道環(huán)境綜合影響，當(dāng)射流風(fēng)速大于隧道壁面影響時(shí)，此處空間常位于靠近掌子面處，受風(fēng)流支配，隧道兩側(cè)粉塵分布存在較大差異，當(dāng)風(fēng)流到達(dá)內(nèi)部風(fēng)流穩(wěn)定區(qū)后，粉塵顆粒呈U形分布形態(tài)向洞口排出；

③當(dāng)風(fēng)管布置在不同隧道部位時(shí)，外界空氣經(jīng)射流風(fēng)機(jī)加速進(jìn)入隧道，因此在射流風(fēng)直接沖擊的空間，粉塵顆粒較少，在隧道的其余空間，風(fēng)流到達(dá)穩(wěn)定區(qū)之前，可以看出當(dāng)風(fēng)管布置在隧道外側(cè)及外側(cè)拱肩時(shí)，粉塵遷移速率略高于其他工況，并且粉塵分布較其他工況更為平均，當(dāng)風(fēng)管布置與隧道內(nèi)側(cè)時(shí)，粉塵顆粒進(jìn)一步向隧道內(nèi)側(cè)聚集，與風(fēng)流場特性接近，在進(jìn)入風(fēng)流穩(wěn)定區(qū)之后，粉塵遷移速率接近，整體均呈U形分布，與風(fēng)管布置因素?zé)o關(guān)。

5 結(jié)論

本文基于五阱明隧道通風(fēng)工況，小半徑曲線隧道中風(fēng)管布置因素對(duì)風(fēng)流場及粉塵遷移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

①小半徑曲線隧道施工通風(fēng)過程中，隧道風(fēng)流場在隧道曲率半徑的影響下，核心區(qū)向隧道外側(cè)偏移，使隧道外側(cè)風(fēng)速高于隧道內(nèi)側(cè)風(fēng)速；

②風(fēng)管布置因素能人為控制隧道內(nèi)風(fēng)流場，當(dāng)風(fēng)管布置在一側(cè)，對(duì)側(cè)風(fēng)速較高，因此在小半徑曲線隧道施工通風(fēng)過程中，為保證隧道內(nèi)的風(fēng)流場平均，風(fēng)管應(yīng)靠隧道外側(cè)布置；

③小半徑曲線隧道施工通風(fēng)過程中，風(fēng)流場與粉塵遷移規(guī)律相關(guān)，在靠近掌子面處，風(fēng)流場特性與粉塵移動(dòng)軌跡接近，在進(jìn)入風(fēng)流穩(wěn)定區(qū)之后，粉塵遷移速呈U形分布。