特长隧道斜井施工段通风优化_王朋.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（；）作者简介：王朋（），男，陕西渭南人，高级工程师，：。通讯作者：任锐（），女，陕西渭南人，副教授，工学博士，：。第 卷第期 年月长安大学学报（自然科学版）（）王朋，潘红伟，程锋，等特长隧道斜井施工段通风优化长安大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：特长隧道斜井施工段通风优化王朋，潘红伟，程锋，贾润枝，贵珊，任锐，龙葳（中铁北京工程局集团第一工程有限公司，陕西 西安 ；长安大学 公路学院，陕西 西安 ）摘要：为解决特长隧道斜井施工段存在的主洞粉尘浓度高、作业环境差等问题，以中兰（中卫兰州）铁路香山特长隧道工程为依托，在斜井施工段小里程方向开展现场测试，采集主洞内各测试断面的风速、风流方向和不同工况下的粉尘浓度，反映现场实际通风情况；利用 软件建立斜井施工段压入式通风的三维数值模型，研究各作业工况下主洞内风流场特征和粉尘扩散规律；并结合通风数值计算，优化斜井施工段通风结构，提出相应改善措施。研究结果表明：原设计通风系统送风量不足，隧道洞身段平均风速较低，仅为 ，且在二衬台车处和主洞与斜井交叉口处存在大量涡流区，出渣作业和喷混作业产生的粉尘大量滞留在隧道主洞内，粉尘聚集现象明显；出渣作业时洞内粉尘浓度最高，可吸入式粉尘浓度和全尘浓度最大值为 和 ，喷混作业次之，立架作业时洞内粉尘浓度较低，可吸入式粉尘浓度和全尘浓度最大值为 和 ，种工况下洞内粉尘浓度均超过规范允许值且达到人体可呼吸到的高度；二衬台车处和斜井与主洞交汇处风流组织混乱，存在大量涡流区，粉尘颗粒在上述地点聚集，无法顺利排出洞外；针对上述问题，采用增设送风接力风机、射流引导风机和防尘帘等措施，增大风管送风量，提高隧道内回风风速，引导风流排出洞外。关键词：隧道工程；施工通风；现场测试；数值模拟；通风优化中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，（），：；引言随着中国交通基础设施投资持续增长和高速铁路建设的蓬勃发展，特长山岭隧道的建设规模日益增加。据统计，截至 年底，长度超过 的特长公路隧道已建成 座，在建 座。铁路隧道的建设也正处于高峰期，截至 年底，在建高速铁路特长隧道总长约 ，处于规划阶段的高速铁路特长隧道总长约 。在特长山岭隧道的建设中，为缩短工期，加快施工进度，多采用竖井、斜井或平行导洞等开辟多个辅助工作面，以实现长隧短打。目前在建的新疆天山胜利特长公路隧道，采用隧道掘进机（）超前施工平行中导洞并开辟主洞辅助工作面，进、出口高峰期均保持个主洞工作面同时施工。施工通风作为特长隧道施工的关键组成部分，国内外很多学者进行了大量研究。目前隧道施工通风方式有独头压入式、抽出式、巷道式和混合式等，其中独头压入式通风是隧道施工通风中使用最为广泛的通风方式。在压入式通风参数计算方面，等假设风沿着管道是均匀泄露的，并对管道内空气压力和体积流量的常微分方程进行推导和求解，从而得出了风沿着风管泄漏路径阻力系数的精确表达式。等通过对辅助通风系统缓解掘进通风有效性评价的数据结果进行研究，建立稳态计算流体力学（）模型，并将模拟结果与某巷道内通风试验所得到的数据进行比较，验证了 模型在研究工作面掘进循环中通风系统通风特性的适用性。仇玉良等依托秦岭终南山特长公路隧道，采用高精度压差法对喷射混凝土的通风阻力系数进行现场测试，并基于此提出了喷射混凝土衬砌通风阻力系数。谭信荣等对兰渝（兰州重庆）铁路座高瓦斯隧道的通风参数进行现场测试，验证了穿山甲风机配合螺旋式风管可适用于长距离独头压入式施工通风。王明年等采用 数值模拟和多项式拟合数值分析方法，对施工中风管出口到掌子面的距离，以及风管出口风量对施工通风时间的影响规律进行了研究。李琦等利用风管开口处流量理论和能量守恒原理推导出高海拔地区风管漏风率修正系数。骆阳等采用三维数第期王朋，等：特长隧道斜井施工段通风优化值模拟建立“风机风管隧道”施工通风系统模型，计算了不同半径、不同风速条件下的曲线隧道及风管沿程阻力损失系数。等采用考虑浮力效应的 数值模型，评估了初始岩石温度、隧道的隔热性能和室外空气温度对热压通风效果的影响。除此以外，隧道施工期间粉尘的迁移特性和分布规律也是研究人员关注的重点。雷帅等以南大梁高速公路华蓥山隧道为工程背景，利用 软件研究了隧道内的通风流场，以及隧道穿越煤矿采空区时硫化氢涌出情况下，有毒有害气体在隧道内的分布。赵树磊等依托米拉山特长隧道，采用现场测试和数值模拟等方法，研究了独头压入式通风极限距离下的 、粉尘等通风污染物的运移规律，研究表明粉尘扩散距离与通风时间满足三次函数关系，气体扩散距离与通风时间呈线性关系。张欣等依托米拉山高海拔隧道，对施工过程中氧气含量及通风风速进行现场测试，并基于测试数据提出相应的优化措施。曹正卯等采用 软件，对高海拔隧道施工期间粉尘质量浓度在隧道内的分布特性及其浓度随海拔高度变化规律进行了分析。等利用 作为示踪气体模拟污染迁移的特性，通过小比例尺模型研究了阻塞率和出风口与掌子面之间的距离对压入式通风效果的影响，还讨论了隧道几何形状、斜井与施工段之间的夹角、斜井坡度等对风机能耗的影响。等采用数值模拟、现场实测和爆破通风模型试验等相结合的研究方法，分析了地铁隧道压入式通风下人员呼吸区粉尘的扩散特征，并深入研究了不同粉尘浓度下送风流量和炸药总质量对通风时间的影响。为解决特长隧道压入式通风距离长、粉尘浓度过大的问题，工程技术人员引入了中继风仓系统和细水雾降尘系统。等开发了一种新型的风仓通风系统，并通过建立 数值模型，讨论了风仓长度、隔板长度和风机布置等对轴流通风机通风效率的影响。为了利用切煤机除尘风机实现采煤作业面的有效抑尘，等首先对综采作业面气流扬尘规律进行了数值模拟，然后将仿真结果、室内测试试验和现场试验相结合，研制了一种新型水力轴流式采煤除尘风机，现场实测表明，使用该除尘风机可有效降低综采作业面粉尘浓度。等建立了在液压支架之间安装喷淋系统，对综采作业面进行降尘降温，并建立了试验平台进行喷雾降尘试验，确定了喷淋系统最经济的水温和有效冷却距离分别为 和，并相应提出了多组喷淋系统。综上，目前，采用数值模拟和工程类比法，在一定程度上解决了隧道主洞施工通风中一些规律性问题。但由于隧道斜井施工段通风结构复杂，独头通风距离过长，现场情况冗杂不一，受限于模型的简化和计算参数选取的理想化，在施工通风效果的研究中，仅依靠数值模型计算难以得出准确的结果。本文依托香山特长隧道，针对斜井施工段在施工过程中存在的主洞内污染物浓度高、作业环境差等问题，对主洞内风速、风流方向、可吸入式粉尘浓度和全尘浓度进行现场测试，并建立数值模型，研究特长隧道斜井施工段独头压入式通风下，主洞内风流场分布规律以及粉尘运移特性，并依据研究结果提出相应的通风改善建议，为特长隧道斜井施工段独头压入式通风方案的设计提供参考。工程概况香山隧道位于宁夏回族自治区中卫市沙坡头区，穿越香山山脉，是中卫兰州高速铁路项目的控制性工程，起讫里程为 ，全长 ，为双线单洞隧道，最大埋深约 。为满足工期需要，香山隧道共设座斜井，其中号斜井全长 ，位于线路前进方向右侧，受隧址区地形地质条件的影响，香山隧道斜井整体向兰州（出口）方向偏移 ，与线路右线交叉对应里程为 ，与线路中卫端方向平面夹角 ，斜井小里程方向独头通风距离为 。斜井开挖面采用钻爆法开挖，独头压入式通风方式，洞口外设置咸阳风机厂产 轴流风机，配置功率为 ，配置直径 抗静电柔性风管，斜井与主洞交汇处设置咸阳风机厂产 型射流风机，如图所示。现场初步观测结果显示，隧道主洞内整体风速较小，粉尘浓度较高，喷混和出碴作业时主洞内能见度较低，作业环境整体较差。香山隧道斜井通风现场测试 通风测试方案 测试项目及测点布设针对香山隧道斜井施工通风中所遇到的问题，现场测试的主要内容为隧道内各断面的风速、风流方向、呼吸性粉尘浓度和全尘浓度。此次现场测试沿程设置 个测试断面，如图所示。掌子面挂布台车区域每 设置个测试断面（），二衬台车后每 设置个测试断面（）。考虑到掌子面处和台车附近作业人数较多，分别在长安大学学报（自然科学版）年图斜井通风设备 距掌子面、和 处增设个测试断面（、）。根据现场实际情况，在斜井与主洞交叉口位置增设个测试断面（、）。每个测试断面内布设个测点，测点高度选定为，测点布设情况如图所示。测试仪器所有测试仪器均满足防爆要求，可在含有易燃易爆气体的环境中进行测试。风速测试采用 便携式风速计，每个测点的测试时间为，测试记录该测点 的平均风速。呼吸性粉尘及全尘测试采用 型直读式粉尘浓度测试仪，流量为 ，各测点采样时间为 。考虑到隧道内粉尘的主要危害是对现场施工人员的影响，故将测定高度选定为。采样流程为：先将滤膜固定在夹片上，滤膜安装完成后分别安装呼吸性粉尘测试探头和全尘测试探头，随后打开粉尘仪电源开关，选择“定时测试”，时间设定为 ，测试结束后记录采样结果，每次测试均需更换滤膜，测试仪器如图所示。测试工况为减轻施工车辆行驶对风流场测试的影响，风速和风向测试选取掌子面处立架作业时进行，此时图测点布设示意 图测试断面布设示意 隧道内施工作业车辆较少，风流方向相对稳定。粉尘浓度测试共分为个工况：喷混工况、立架工况和出碴工况。为减轻上一工序施工作业对测试工况测量结果的影响，粉尘浓度测试分别在种工况开始作业后进行，图为测试现场。测试结果分析 隧道内各测点风速现场测试结果表明，隧道风管出风口风速约为 。风速沿程变化曲线如图所示。可见：条测线风速沿程变化规律基本一致，隧道掌子面附近 范围内风速变化较大，风流分布杂乱，风速变化范围为 ；随着距掌子面距离的增第期王朋，等：特长隧道斜井施工段通风优化图测试仪器 图通风测试现场 加，风速分布整体呈沿程降低的趋势，主洞洞身段风速基本稳定在 ；斜井与主洞交汇处，风流组织混乱，风速无明显变化。隧道内风流组织形式对隧道内风流方向进行测试，得到了隧道内风流组织形式，如图所示。可见，隧道主洞和斜井洞洞身段风流方向比较固定，方向均为从掌子面流向洞外。斜井与主洞交汇处风流组织混乱，从掌子面流出的风流在此处发生分流现象，部分污染风流形成涡状循环。隧道内粉尘浓度图为种工况下各测点的粉尘浓度分布。从图中可以看出，呼吸性粉尘与全尘的浓度变化规律基本一致，粉尘浓度整体较大，高于隧道内粉尘最大容许浓度 。在风管出风口到掌子面间，随着距掌子面距离的增大，粉尘浓度整体呈快速下降的趋势。喷混工况下，在风管出风口之后，粉尘浓度随着距掌子面距离的增大而逐渐增大，在二衬台车附近图隧道内风速分布 图隧道内风流方向 发生浓度剧烈增加的现象，随后粉尘浓度基本上趋于平稳增加的趋势，分析原因主要是风管出风口（距离掌子面）之后的隧道断面排风风速较小，无法将洞内粉尘排出洞外，且二衬台车附近施工设备较多，影响粉尘的顺利排出。支护工况下，洞内粉尘浓度相较其他工序是最低的，呼吸性粉尘浓度最高为 ，全尘浓度最高为 。粉尘浓度整体变化趋于平稳，沿程波动性较小。分析其原因主要是该工序下洞内产尘量较小，施工作业机械较少，引起的二次扬尘浓度也较低。出碴工况下，与其他工况相比，洞内粉尘浓度在风管出风口后至斜井与主洞交汇处的整个沿程上，粉尘浓度相对较大，分析其原因主要是出碴车作业所引起的二次扬尘与风流中粉尘的叠加耦合作用，导致洞内粉尘浓度总体较高。在此工况下，斜井与主洞交汇处粉尘浓度急剧减小，可能是运渣车行驶产生的交通风携带部分粉尘排出洞外。通风数值模拟 数值模型及边界条件 数值模型与网格划分几何模型按照香山隧道斜井施工段实际尺长安大学学报（自然科学版）年图粉尘浓度分布 图通风数值模型 图 隧道及斜井横断面示意 寸建立，如图所示。主洞长度为 ，斜井长度为 ，风管直径为，风管安装在隧道拱肩的位置，风管出口风速为。隧道及横通道横截面尺寸如图 所示。使用 进行网 格 划 分，其 中 网 格 节 点 万 个，单 元 万个。边界条件依照实际隧道施工通风情况确定 模型边界条件，具体参数设置如表表所示。具体设置如下：（）隧道内风管出风口处设置为入口边界（），速度 ，离散项模型的壁面条件设置为反射（）；（）隧道衬砌壁面、隧道掌子面、风机壁面、二次衬砌台车壁面及风管壁面均设置为满足无滑移条件的固壁边界（），离散项模型的壁面条件设置为反射（）；（）斜井远离隧道主洞一侧设置为压力出口边界（），离散项模型的壁面条件设置为逃逸（）。主洞风流场分析隧道内空气的流动情况是评价通风方式的一个重要根据，风流场的特征直接影响粉尘的扩散和洞内作业环境。选取高度为 的水平面进行风流场分析，与现场测点高度保持一致。隧道内风流场的主要流向为：新鲜风流由斜井洞口处轴流风机通过送风管道压入至掌子面处，清洗掌子面后携带粉尘的污染风流沿“主洞斜井”方向排出洞外。图 为主洞内二衬台车处风流场。可见，在隧道施工通风过程中，由于受到挂布台车和二衬台车的阻碍，在台车前部形成与整体风流方向相反的回流区，同时风流方向不同的气流相互碰撞在挂布台车前部形成局部涡流区。同时，台车下方风流面积突然减小，根据流体力学基本原理，风量一致时，断面面积越小，风速越大，因此台车下方风速相对于周围风速较高。气流在扩散的同时，与隧道两侧及上第期王朋，等：特长隧道斜井施工段通风优化表边界条件设置 边界条件条件设定入口边界类型速度入口入口速度（）水力直径 湍流强度 出口边界类型出流底板 边界捕获剪切边界无滑移表离散相模型设置 离散相模型模型设定连续相关开启相间耦合频率步 计算步数步 时间步长 阻力特征球形颗粒（非稳态粒子跟踪）开启表粉尘源参数设置 喷射源参数参数设定喷射源类型组喷射颗粒流数量 湍流扩散模型随机轨道模型粒径分布分布粉尘中位粒径 粉尘最小粒径 粉尘最大粒径 分布指数 质量流率（）图 二衬台车处风流场 方流速较慢的空气发生能量交换，不同速度的气流在台车附近形成大量杂乱的涡流区。图 为主洞与斜井交接处风流场。可见，在斜井与主洞交接处，主洞内的风流大部分流入斜井排出洞外，然而有一部分风流在主洞内持续向后移动，当受到另一侧掌子面阻挡时，风流方向发生转变，回流至斜井处，并在此处形成涡流。图 主洞与斜井交接处风流场 粉尘运移特征分析当隧道进行喷射混凝土作业时，掌子面处作业人员多、工序产尘量大且持续时间长，隧道内沿程粉尘浓度较其他工况更高。因此，本研究采用喷射混凝土工况进行模拟。模拟时将假设颗粒持续从喷混面持续入射。本次模拟假定喷射混凝土持续时间为 ，后颗粒停止入射且保持风流入口处风速不变，对其进行进一步计算，直至粉尘浓度达到规范值范围之内。喷混工况下粉尘扩散分布如图 所示。可见，掌子面处进行喷混作业时，粉尘颗粒逐渐向斜井处移动，粉尘颗粒在 左右到达斜井与主洞交界处附近，随后通过斜井逐渐向出口处移动，在 左右粉尘从斜井出口处流出。颗粒持续入射阶段，粉尘聚集现象主要集中在台车附近，粉尘沿程浓度相对较高。当喷混作业停止后，随着新鲜风的持续送入，隧道内粉尘浓度随通风时间增加逐渐减小，由于无新粉尘颗粒补充，台车附近粉尘浓度逐渐减小但仍存在粉尘聚集现象；斜井与主洞交界处仍有粉尘颗粒持续补充，随着时间的推移该处粉尘浓度仍会继续升高，粉尘聚集现象明显。在隧道主洞内粉尘扩散过程中，由于二衬台车处和斜井与主洞交界处的涡流，进入该区域的粉尘难以顺利排出，导致大量粉尘在上述个地点发生明显的聚集现象，且随着喷射混凝土作业时间的增加，上述两处的粉尘浓度会持续增加。同时，由于主洞内整体风速较低，不能有效推动粉尘快速排出洞外，导致主洞内粉尘沿程浓度较高。与现场测试和实际施工中发现的主洞内粉尘浓度过高现象保持一致。长安大学学报（自然科学版）年图 喷射混凝土工况粉尘颗粒扩散分布 持续通风过程中，受限于二衬台车处大量施工设备和台车的阻碍使得风流面积突然减小。根据流体力学基本原理，风量一致时，断面面积越小，风速越大，台车下方风速相对于周围风速较高，气流在扩散的同时，会带动隧道两侧及上方流速较慢的空气流动，并与之发生能量交换，从而在台车附近形成大量涡流，粉尘进入后难以排出；斜井与主洞交界处，由于隧道后方为封闭断面，大部分风流从主洞直接进入斜井，这部分风流会带动交叉口后方气体向斜井内流动，并在交叉口后方形成涡流，使得进入该区域的粉尘难以排出。因此在实际施工过程中，台车附近及斜井与主洞交接处附近会产生粉尘聚集现象。通风改善措施根据现场测试和通风数值模拟结果，结合通风计算与现场情况实际分析，提出以下几点隧道通风改善措施：（）优化隧道内通风结构。现场测试表明，现有通风设备供风量小于理论计算需风量。根据施工实际进度，增设或台风机，增大送风风压，满足掌子面处需风量，具体布置如图 所示。（）为解决斜井与主洞交汇处风流组织混乱，污染风流无法顺利排出的问题，在主洞大里程处设置风帘，如图 所示。同时在主洞和斜井内分别增设射流风机，引导污染风流排出洞外。（）对通风管道进行检修，漏风处及时修补，减少漏风。对隧道内存在的通风障碍物进行及时清理，增大通风面积。结语（）通风现场测试表明，现阶段通风方案中送风量不足，主洞沿程风速较小，导致大量粉尘滞留洞图 通风结构方案优化 图 安装防尘帘 内，粉尘浓度高于规范允许值，洞内作业环境较差。（）二衬台车处和主洞与斜井交叉口处流场复杂，存在大量涡流区，当掌子面进行出渣和喷混作业时，由于涡流区的影响，粉尘聚集现象明显。第期王朋，等：特长隧道斜井施工段通风优化（）结合数值计算结果，优化通风结构。根据施工具体进度，增设或台轴流送风机，同时通过设置风帘和增设射流风机的方式引导污染风流顺利排出洞外。（）本文在模拟粉尘运移规律时，未考虑实际施工中由于施工车辆行驶引起的二次扬尘现象，因此与现场测试结果存在一定偏差。今后可采用动网格数值模拟，深入研究考虑施工车辆行驶下的粉尘扩散迁移规律。参考文献：中国公路学报 编辑部中国交通隧道工程学术研究综述 中国公路学报，（）：，（）：王帅帅，毛锦波，张斌斌，等乌尉高速天山胜利隧道总体施工技术方案现代隧道技术，（）：，（）：，（）：，：，（）：赵宁雨，吕陈伏，陈弘杨，等 高海拔长大隧道压入式施工通风的合理长度研究 重庆交通大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，：，（）：，：，：，（）：仇玉良，李宁军，谢永利 喷射混凝土衬砌隧道通风阻力系数 测 试研 究 中国 公路学报，（）：，（）：谭信荣，陈寿根，周泽林钻爆法施工隧道空气质量现场测 试 地 下 空 间 与 工 程 学 报，（）：，（）：王明年，邓涛，于丽基于大断面高铁隧道的施工通风时间理论预测方法研究隧道建设（中英文），（）：，（）：李琦，于丽，严涛，等高海拔隧道施工通风风管漏风率研究 铁道学报，（）：，（）：骆阳，王英学，宋相帅，等 曲线隧道施工通风沿程阻力损失数值模拟 地下空间与工程学报，（增）：，长安大学学报（自然科学版）年 ，（）：，：，（）：雷帅，方勇，刘静，等 南大梁高速公路华蓥山隧道施工通风优化研究现代隧道技术，（）：，（）：赵树磊，王海洋，赵宁雨，等米拉山隧道独头极限通风距离下污染物运移规律研究 隧道建设（中英文），（增）：，（）：张欣，黄志军，周国宁，等高寒高海拔隧道施工通风设施性能现场测试及优化资源信息与工程，（）：，（）：曹正卯，刘晓，牛柏川高海拔公路隧道施工期粉尘运移特性 研 究地 下 空 间 与 工 程 学 报，（）：，（）：，：，：，：，：，：，：，工作场所有害因素职业接触限值 第部分：物理因素 ，：第期王朋，等：特长隧道斜井施工段通风优化