極寒地區大型地下洞室利用射流風機除水霧模擬研究

中圖分類號：U453.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）20-0103-04

Abstract：Inviewofthewinterventilationproblemofcomplexcaverngroupswithmultipleshaftsinasevere cold environment，thesewagedischargepathwaschangedtotheconstructiontunnelentranceinwinterconstruction，usingtheheat flowinthetunneltopreventcoldairfrompenetrating，butthenaturalconvectionattheentrancewasenhancedandthewater mistincreased.Inordertoensurethemechanicaloperationofpersonelandvehicles，throughtheoretical，numericalsimulation andfieldtesting，aparaleljetfanlayoutschemeisproposedtoremovewatermistandimprovevisibilityThesimulationresults showthatitcanimprovetheproblemoffogremovallowvisibilityandoptimizeventlationsafetybyincreasingthewindspeed ofthefan，adjustingthepositionandquantityofthefan.Finally，thejetfanlayoutplanincludingmodellocationandqantity isgiven and similar projects are provided for reference.

Keywords：complexcavemconstruction;constructionventilation;numericalsimulation；winterconstruction；coldenviroment

施工通風的優劣不僅對工程進度有著顯著的影響，同時也直接影響到施工人員的呼吸安全與健康1]。因此，如何在有效節約成本的前提下，利用自然通風并合理設置機械通風以確保足夠的通風時間和通風量，進而滿足相關設計要求，保障大型地下洞室施工工期已經成為大型地下水封洞庫亟需解決的問題]。地下洞庫群于能源儲備意義重大，然施工通風技術在寒冷地區挑戰重重。通風關乎工程進度與人員安全，需在控成本下借助自然與機械通風達到設計要求。圓筒式洞室群施工靠礦山法，通風差危及工人，有害作業人員安全健康[3-5]。

本文針對某位于高緯度嚴寒地區的石油儲備地下水封洞庫工程，冬季氣溫可達 -40^°C 該工程為國內在建最大單體地下水封洞庫，施工面臨大規模洞挖、大斷面、高強度作業及極端氣候的挑戰。探討了施工過程中的通風難題。該工程規模龐大、施工強度高，且面臨零下 40°C 的極端氣候條件。冬季施工巷道洞口嚴重凍害，造成水霧影響視距，危及施工安全。針對冬季多豎井復雜洞室群施工中的通風難題，結合理論計算和數值模擬，將排污出口由豎井改為巷道洞口，通過熱流阻擋冷風進入，確保地下空間溫度穩定。通過理論分析、仿真與測試，提出采用并聯射流風機方案去除水霧，改善溫度場，從而確保施工安全。

1 現場測試

地下洞庫施工巷道段溫度受外界氣象影響大，洞外溫度影響洞口進風及壁面初始溫度，是結冰凍害主因。依冬季通風路徑，對通風豎井口、施工巷道洞口、工藝豎井底部與出口風速風溫進行現場監測，為極端環境下洞庫風流研究提供數據支撐。監測斷面及監測點具體布設示意及現場監測如圖1所示。由于施工巷道洞口設置了保溫段，以保溫段洞口處為監測斷面1，截取保溫段中部為監測斷面2，施工巷道洞口斷面為監測斷面3，設置3個監測斷面。以豎直高度 3m 將監測斷面劃分為上、下兩部分，分別選橫向中心線上高3.75、3、2m 為監測點1、監測點2及監測點3。

分析現場風速、風溫監測數據，如圖2所示，施工巷道洞口設立延伸段保溫棚，工藝豎井進行封閉，新鮮風流由通風豎井壓入至工作掌子面，污風由施工巷道排出。施工巷道洞口-保溫棚整體縱向風速隨外界環境溫度降低而降低，保溫段出口溫度最終降 0% 以下，洞外環境接近零下 20% 時，保溫段中段下部分受自然對流影響，溫度降至 0% 以下，但整體斷面混合溫度 0% 以上，施工巷道洞口溫度變化不明顯，溫度維持較好。

2洞口驅水霧段射流風機數值模擬

隨著溫度降低、洞室開挖面增大，理論射流風機布設臺數也隨之增多，最極端工況，即主洞室底層開挖，洞外環境達 ，此時射流風機理論布設臺數接近3臺。根據現場實際，由于洞口保溫斷面過大，保溫棚橫斷面尺寸為 20m×11m ，左右側各放置一臺 45kW 射流風機，共2臺射流風機進行除水霧工作。為動態模擬施工巷道洞口利用射流風機除水霧過程，其斷面主要分為保溫棚段及部分施工巷道段，由于與外界環境直接相連部分為保溫棚斷面，因此主要關注保溫段面內水霧去除過程。采用SCDM全尺寸建立施工巷道洞口段三維模型，主要包括保溫段 75m 及主施工巷道段 20m 。

基于多豎井長距離復雜洞室聯動通風實時監測數據，結合FLUENT模擬及流體運動數學模型，從而確定射流風機布設洞口除水霧段模擬所需的邊界條件及模擬參數，其數據見表1。模擬工況設為瞬態自然對流場已穩定，保溫棚混合溫度為 0% ，室內溫度為5°C ，根據現場實測，從主施工巷道進人保溫段的空氣溫度約為 7% 。由于洞室內滲流活動較強，擬定參與自然對流場熱空氣為飽和空氣，含水量為 100% ，后續風流含水量為 20% 。查閱相關資料結合工程實際，設定保溫棚段內含濕量為 6.21g/kg 。

3巷道洞口除水霧模擬結果分析

3.1自然除水霧與利用射流風機除水霧對比

施工巷道洞口水霧的產生來源于洞內外風流自然對流現象，洞內熱空氣受到洞外冷空氣的影響，溫度逐漸下降，從而致使水霧現象的產生。自然對流現象穩定后，在洞室內排風的作用下，水霧會隨著風流作用排出。然而，水霧現象的產生會對出渣車輛與施工作業人員行駛造成較大的安全隱患，主要體現在能見度的反應上。為了驗證射流風機能有效改善洞口進出環境，故進行自然除水霧與利用射流風機除水霧模擬對比分析，其分析結果云圖如圖3所示。可以看出，在自然風流影響下，通風 900s 也無法消除洞口處水霧（ 15min ），這是由于洞內熱空氣溫度略高，風流向上運動，水霧密度較重，會下降沉于底部，自然通風300s后，除水霧速率顯著下降。通過加入射流風機，利用射流風機升壓作用，對整體保溫段內風流起到了引導作用，風流不再集中于上層空間，排水霧效果顯著提高。通風 480s 后，保溫棚前端水霧已基本排除干凈，由于密度降至保溫棚底端的水霧也會在射流風機高速氣流的作用下逐漸排出洞口，通風 600s 后，整體保溫段含水量低于 1.56g/kg ，因此，增添射流風機能有效保證洞口環境安全，解決安全隱患。

3.2射流風機布設位置模擬結果分析

為了對比射流風機布設位置對射流風機除水霧效率的影響，設計射流風機位于保溫段尾部（即施工巷道洞口處）工況進行對比，以 Z 為 2m 截的 X-Y 平面含濕量云圖進行分析，對比結果如圖4所示。由圖4可以看出，當風機位于保溫斷面尾端（即施工巷道洞口處），除水霧效率明顯低于射流風機布設在保溫段中部，這是由于尾端壁面阻擋，該阻擋對射流風機出口的高速氣流形成較大的局部阻力，會大大降低射流風機的通風效果，因此，將射流風機布設于保溫段中部，能更好地發揮射流風機排霧效率。

4施工洞口除水霧段射流風機布設

將 45kW 射流風機2臺橫向布設于地下洞庫保溫段，因斷面大，橫向射流風機兩股氣流相互卷吸、干擾至合二為一后與洞室氣流混合穩定。按細則，風機邊緣與建筑限界凈距不小于 150cm ，同斷面布2臺時，相鄰凈距不小于 1.1m 。風機間距增大，損失系數因出口氣流相互影響變小而增大；間距過大，與洞壁損失又增大，規范顯示橫向間距 3～4m （中心距）較合適，能獲得較大升壓力。考慮現場出渣車輛 2.5～3.5m 寬及安全預留距離，射流風機布設在距洞室中線左、右各 4m 處。根據洞室內空氣流動和水霧擴散特性（水霧略重于空氣），結合理論分析數值計算，豎向對射流風機的損失折減效率有較大影響，風機的損失折減效率隨 L/D （對應的風機軸線與拱頂之間的距離 L 射流風機直徑 D ）的增大而增大，因此，射流風機應盡量布置于遠離拱頂的位置。風機處于斷面中下部位布置時的升壓力數值結果相對較大。

綜上分析，保溫段縱向距洞口 37.5m 處斷面布設射流風機。橫向布設為距中線 4m 左、右各一臺射流風機。斷面豎向布設為放置于斷面底部。布設如圖5所示。

5結論

本文通過理論分析、數值仿真和現場測試，提出并聯射流風機布設去除水霧。自然對流條件下，經過900s通風后洞口的水霧無法完全消除。由于溫差較大，使得自然除水霧效率300s后顯著下降。使用射流風機后，其升壓作用使風流在保溫段有效引導，大幅提升排水霧效率。480s時保溫棚前端水霧基本排凈，600s整體保溫段含水量降至 1.56g/kg 以下，解決了洞口環境與能見度問題。經數值模擬與現場結合，因洞口保溫斷面大，左右各設一臺 45kW 射流風機。又分析得知，尾端壁面會阻礙射流風機出口氣流導致通風效果降，而將其布設于保溫段中部可提升排霧效率，增強施工洞安全性與能見度。

最終給出射流風機布設方案，于保溫段縱向距洞口 37.5m 處的斷面，斷面底部距中線 4m 左、右各一臺 45kW 的射流風機。考慮了風流的相互影響、安全距離、豎向位置對效率的影響等多個因素，以確保在提高洞口處氣流速度和排除水霧的同時，也能保證施工車輛和人員的安全性。

參考文獻：

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