高速公路特长隧道施工通风技术研究.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言特长隧道施工工艺复杂、掘进长度大、施工条件恶劣，如果通风不畅，隧道内的粉尘、CO等有毒有害气体无法排出，容易造成工作人员呼吸困难，严重的可能导致人员窒息死亡。如何选择合理的隧道通风方式和参数是特长隧道施工需要解决的关键问题1。国内外很多学者通过数值模拟、现场监测等方法探讨了隧道施工通风措施和通风效果，但针对特长隧道的研究成果较少，且并未形成系统性规范标准来指导高速公路特长隧道的通风施工1。因此，进一步研究高速公路特长隧道施工通风方式、通风参数、通风效果等具有重要的工程价值。1 工程概况赤竹坪隧道位于广东省河源市东源县康禾镇至紫金县紫澄镇，进口位于康禾镇田心黄坑村，出口位于紫金县紫澄镇水澄村，呈170176 方向展布，上、下行分离并列布置，隧道左右线进口间距约 22 m、出口间距约 21.2 m，洞身段最大间距 35 m。左线隧道长 3 010 m（ZK137+090ZK140+100），右线隧道长2 994.5 m（K137+088.5K140+083），属特长隧道。该高速公路隧道建设标准为双向四车道，设计速度100 km/h，设计荷载为公路I级，设计洪水频率为1/100，所在区域地震基本烈度为VI度。行车隧道主洞建筑界限宽 11 m（0.75+0.25+0.5+23.75+1.0+1.0），净高5.0 m，内轮廓采用三心圆断面，拱部半径605 cm，边墙半径535 cm，最宽处1.77 m、最高处8.80 m；行车横洞建筑限界6.255.0 m，内轮廓设计为半径400、580、100 cm 的三心圆曲边墙断面，最宽处 8.0 m、最高处7.0 m，设计高程距内轮廓拱顶高度6.1 m；行人横洞建筑限界2.02.5 m，内轮廓采用直墙拱断面形式，拱部半径140 cm。2 特长隧道通风方式及通风参数计算2.1 通风方式选择根据是否需要机械设备，高速公路隧道通风方式可划分为自然式通风和机械式通风两类。在选择通风方式时可结合公路隧道通风设计细则（JTG/T D70/2-02-2014）中的经验公式，见式（1）2：LN 6 105（1）式（1）中：L为隧道长度；N为隧道设计小时交通量。代入赤竹坪隧道的设计参数后，拟选择机械通风方式。高速公路隧道的机械通风方式有纵向通风方式、横向通风方式、半横向通风方式、组合通风方式等。对于特长隧道，一般采用一种或多种纵向通风方式，不同隧道纵向通风方式的基本特点如表1所示：表1 隧道纵向通风方式特点分析通风特点适用长度/m噪声火灾处理技术难度管理和维护工程造价洞口环保全射流式5 000较大排烟不方便简单不便低不利洞口集中送入式3 000左右洞口噪声大排烟不方便一般方便一般不利通风井排出式5 000左右较小排烟较方便一般方便一般有利通风井送排式不受限较小排烟较方便复杂方便一般一般综合考虑各种通风方式的技术性和经济性，赤竹坪隧道拟选用全射流式通风方式。2.2 隧道通风阻力和需风量计算1）通风阻力在选择高速公路隧道通风设备前，需先计算隧道通风阻力pr，见式（2）：pr=(rLDr)+i2vr2（2）式（2）中：r为隧道沿程阻力系数，取0.02；Dr为隧道断面当量面积；为空气密度；i为隧道局部阻力系收稿日期：2023-02-12作者简介：陈仲军（1974），男，广东阳江人，工程师，从事高速公路机电三大系统管理工作。高速公路特长隧道施工通风技术研究陈仲军（广东省南粤交通河惠莞高速公路管理处，广东 广州 510000）摘要：为提升高速公路隧道通风水平，依托广东省赤竹坪隧道，探讨了通风方式的选择及通风阻力、需风量、风压等通风参数的计算方法。同时，利于有限元软件ANSYSWorkbench中的Fluent模块来模拟隧道主洞通风，评价了隧道的通风效果，研究成果可为类似隧道的通风方案制定提供理论指导。关键词：高速公路；特长隧道；通风方式；通风参数；有限元；通风效果中图分类号：U452文献标识码：B153总660期2023年第30期（10月 下）数，隧道入口处取0.5，隧道出口处取1.0；vr为隧道设计风速。需注意，隧道及通风井内的通风风速通常小于30.0 m/s，在计算隧道通风阻力时，可不考虑空气的压缩性。2）需风量在确定隧道需风量时，应综合考虑通风对烟尘、CO的排出效果，取两者之中的较大者作为设计需风量。隧道内的烟尘浓度与经历时间没有关系，即使经历时间很短，也要满足确保视距（能见度）的要求。故选用纵向通风方式时，稀释烟尘的需风量是按隧道出口或通风井排风口的“点浓度”计算的。而计算稀释隧道内CO的需风量时，既要考虑CO浓度，也要考虑经历时间，二者不可偏废。稀释隧道烟尘、CO的需风量Qreq（VI）和Qreq（CO）可按式（3）（4）：Qreq(VI)=QVIK（3）Qreq(CO)=QCOp0pTT0106（4）式（3）（4）中：QVI、QCO分别为隧道内烟尘、CO排放量；K为烟尘设计浓度，赤竹坪隧道设计速度为100km/h；为CO浓度；T0为标准气温，开尔文，取273；T为隧址夏季气温，开尔文。p0、p 分别为标准大气压（101.325）和隧址大气压。隧址大气压可从隧道项目可行性研究报告、隧道地勘等相关资料中查取，若无法取得此值，可根据当地海拔进行估算。2.3 通风设备选择隧道通风方式和需风量确定之后，应结合隧道断面面积确定通风管类型和直径，计算出通风阻力、漏风量等，最后计算选择风机的功率和台数，总的原则如下3：选用的通风机风量大于理论计算需风量；选用的通风机全压值大于通风管沿程总阻力；一般情况下，通风距离越长，隧道需风量越大，通风管直径也越大。通风管直径尽量取大值，以减少风量损耗。1）通风管选择风流经风机吹出后会沿着通风管输送到掌子面。风流在通风管内传输时，受接头或人为因素影响，会有一定量的风从通风管中漏出，造成风量损失。公路隧道通风设计细则（JTG/T D70/2022014）中利用“百米漏风率”来表示通风管的漏风强度。百米漏风率是指100 m长的风管在单位时间内所漏失的风量体积占总风量的比值，百米漏风率越小，通风管道中的风量损失越小，通风效果越好。2）风压计算新鲜空气吹到隧道掌子面时需要一定的速度，即动压。同时，风流速度会随着通风管路的增加不断降低，原因在于风流需要克服通风管道的阻力（静压）。因此，高速公路隧道通风系统总风压等于动压和静压之和。每台射流风机升压力pj可按式（5）计算：pj=vj2AjAr(1-vrvj)（5）式（5）中：vj为射流风机出口的风速；Ar为隧道净空面积；Aj为风机出口面积；为射流风机位置摩阻损失折减系数。当隧道同一断面布置1台射流风机时，可参考表2取值。否则，直接取0.7。表2 射流风机取值Z/D0.70.8510.871.50.913 特长隧道通风技术数值模拟3.1 赤竹坪隧道计算模型为验证隧道通风效果，利用有限元软件 ANSYSWorkbench中的Fluent模块来模拟隧道主洞通风，计算模型采用三维紊态湍流模型。同时，开启离散相模型，利用离散模拟粉尘、CO的扩散。1）假设条件综合考虑模型的计算准确性和计算效率，隧道通风模拟计算作出以下假设4：流动状态的空气具有一定的黏性，即空气分子存在内摩擦力，计算时假设空气是无黏性的；空气在压力作用下会被压缩，导致空气密度提高。但隧道中的空气压力一般变化不大，密度变化也不大，所以假设空气是不可压缩的；在各种因素影响下，隧道各个断面处的风速是动态变化的，但针对某一时间段而言，其风速是不变的，故假设隧道处于稳定的风流场中。2）三维模型建立赤竹坪隧道通风模拟针对左洞隧道，桩号为ZK137+090ZK140+100，其三维模型尺寸与设计文件中的断面尺寸完全一致，如图1所示：图1 赤竹坪隧道三维模型3）网格划分网格尺寸和数量会直接影响隧道通风计算结果的精确性和计算时间，网格尺寸越小，模拟精确度越高，计算时间越长。因此，隧道模型在利用“AutomaticMethod”自动生成网格后，又对模型局部区域采用154交通世界TRANSPOWORLD“Inflation”进行加密，共划分出22 865个网格，25 693个节点5。4）模型参数和边界条件模型超参数和边界条件也是影响隧道通风模拟结果的关键因素，但高速公路隧道在施工过程中，影响粉尘和CO扩散情况的因素较多，模拟参数和边界条件无法实现与实际完全一致，故本文对隧道的模型参数和边界条件进行适当简化，设定方法见表36：表3 隧道模型参数和边界模型参数求解器时间算法能量方程组分传输模型计算步数时间步长非耦合求解器非稳态隐式算法开启开启2 0001边界条件入口边界出口边界入口边界类型出口边界类型入口速度/（m/s）初始速度/（m/s）壁面边界通风管隧道洞口速度入口自由出流205隧道界限3.2 赤竹坪隧道通风效果评价1）监测点布置隧道模型计算时共在隧道中心线、高度1.8 m处上布置 4 个监测点（分别命名为 1#4#监测点），其中1#、2#、3#监测点分别距洞口500、300、100 m，均用于测量CO浓度；4#监测点位距洞口300 m，用于监测隧道内的粉尘。2）模拟结果分析以隧道内的CO浓度为例开展分析：1#监测点位于掌子面附近，初始状态下CO浓度为2 005 ppm，随着通风时间的增加，CO 浓度不断降低。当通风时间小于100 s时，CO浓度下降速率快，当通风时间大于100 s，CO浓度下降缓慢。通风时间达到300 s，CO浓度接近0；2#监测点位于隧道中部，在通风开始阶段，CO浓度为0，通风一定时间后，掌子面的CO被风流带到此区域，此时CO浓度快速提升，峰值可达1 800 ppm。继续通风后，CO浓度继续下降。通风时间在2 000 s左右，CO浓度接近0；3#监测点靠近洞口，其CO浓度变化趋势与2#监测点相似。3#监测点的CO浓度峰值小于2#监测点。3）模拟结果与监测结果对比在赤竹坪隧道建设期间，利用气体监测仪对隧道在通风30 min的CO浓度进行了检测。为验证数值模拟结果的可信性，将检测结果与数值模拟结果进行对比，如图2所示。由图2可知：赤竹坪隧道的CO浓度数值模拟结果和现场测试结果变化趋势基本一致。1#、2#、3#监测点的CO浓度差值分别为3.1、5.2、0.2 mg/m3。说明ANSYS一Workbench中的Fluent模块用于特长隧道通风监测中是可行的。4 结论本文以赤竹坪隧道为研究对象，分析了特长隧道通风方式和通风参数计算方法，并利用ANSYS软件模拟了隧道通风效果，主要得到以下几个结论：高速公路特长隧道应采用机械式通风，并对各种通风方案进行技术性和经济性比选；隧道通风方式确定后，应计算通风阻力和需风量，并选择合适的通风管，确定通风机功率和台数；有限元法模拟隧道通风时，要假设空气是无黏性且不可压缩的，并简化模型边界条件；随着通风时间的增加，隧道掌子面的CO浓度快速下降，而其他部分的CO浓度先增加后降低，且距离掌子面越远，峰值CO浓度越小。参考文献：1 刘江，喻兴洪，黄才明，等.特长高瓦斯公路隧道施工通风技术研究J.公路交通技术，2021，37（2）：101-107.2 张文坤.高海拔特长山岭隧道施工通风技术J.铁道建筑技术，2021（2）：127-131.3 黄显周，陈实，魏治国，等.澜沧江特长隧道混合式施工通风技术研究J.地下空间与工程学报，2020，16（S1）：353-359，382.4 王利宁，李平，张越，等.特长公路隧道施工中通风技术问题研究J.建筑技术开发，2020，47（14）：112-113.5 陈克奎.特长公路隧道施工通风技术方案设计研究J.黑龙江交通科技，2018，41（4）：157，159.6 李明，幸垚，刘农.雪山梁高原特长隧道施工通风关键技术三维数值模拟J.公路，2017，62（11）：284-289.图2 隧道通风后CO浓度对比155