基于FLUENT的长大山岭隧道施工粉尘运移分布特征研究.pdf

岩土工程与地下工程四川建筑第43 卷第4期基于FLUENT的长大山岭隧道施工粉尘运移分布特征研究蒋小平，张军，唐潇，刘子正（四川路航建设工程有限责任公司一分公司，四川成都6 1 0 0 3 9）【摘要】采用钻爆法开挖长大山岭隧道时，极易产生大量粉尘，影响施工人员的健康。如何快速有效地引入新风稀释并排出隧道内的粉尘，保障施工人员的健康是长大山岭隧道施工中函待解决的问题。依托仁沐新高速五指山隧道，采用FLUENT软件模拟了不同施工通风条件下的粉尘分布运移规律，探明了隧道内粉尘的空间分布特征，并比较了2 种通风条件的通风效果。结果表明：采用单一压入式通风时，隧道内粉尘的扩散范围较小但局部位置粉尘浓度较高；采用压入式通风辅以射流风机进行通风时，隧道内粉尘扩散范围较大但平均浓度明显低于单一压入式通风，并且相同时间内的通风效果优于单一压入式通风。【关键词】长大山岭隧道；通风；计算流体动力学；数值计算；粉尘分布特征【中图分类号】U453.50引言随着国家经济的迅速发展，我国公路隧道的建设总量和规模持续增大。截至2 0 1 8 年底，我国境内已建成1 7 7 3 8 座公路隧道，里程总计1 7 2 3 6.1 kml。中国已然成为了世界上公路隧道规模最大、数量最多的国家2 。在公路隧道建设飞速发展的过程中，出现了一些长度超过1 0 km的长大山岭隧道，此类隧道在施工过程中往往面临安全隐患多、施工条件恶劣等难点一一尤其是以钻爆法施工为主的长大山岭隧道，由于隧道长度大，造成施工通风难度增大，施工中产生的粉尘会对作业人员的健康带来影响3-4。如何快速有效地引入新鲜风稀释并排出隧道内的粉尘是隧道施工通风的重要环节。谭信荣等5 基于施工现场空气质量监测数据分析了长大隧道的通风效果,并对依托工程的通风方式进行了优化。王应权6 结合实际工程分析了长大铁路隧道施工通风方案的选择及优化。上述研究在进行长大隧道通风研究时，均未从粉尘运移分布的角度去分析长大隧道的通风效果，而对于巷道内粉尘运移分布特征研究，曹正卯等7 指出该研究主要集中在煤矿领域，缺少针对公路隧道内粉尘分布运移规律的研究。因此，有必要对长大山岭隧道施工过程中粉尘在通风影响下的分布特征进行研究。1工程概况本文以仁沐新高速五指山隧道为依托工程，该隧道位于四川省宜宾市屏山县中都镇，隧道左线全长9 3 9 2 m，右线全长9 40 5 m，为双向4车道特长高速公路隧道，设计时速为8 0km/h。隧道主洞埋深为6 8 9 7 3 1 m,最大开挖宽度为1 1.0 6m，开挖高度为8.6 5 m，隧道主洞断面设计轮廓见图1。洞身围岩主要以灰白色细（粉）砂岩、粉砂质泥岩为主，采用钻爆法施工时极易产生大量粉尘。为解决隧道施工中的粉尘问题,拟采用单一压入式通风(下称方式一)与压人式通风辅以射流风机（下称方式二）2 种方式进行通风。2长大山岭隧道施工粉尘分布特征研究为研究长大山岭隧道施工过程中粉尘在通风影响下的124【文献标志码】A525100高福测量线112122图1 五指山隧道主洞断面设计轮廊（单位：cm)分布特征,本节以五指山隧道的第二工区为研究对象,基于FLUENT流体计算软件研究了该工区内在采用单一压入式通风与压入式通风辅以射流风机2 种通风方式通风5 0 min过程中的粉尘运移扩散规律。2.1数值模型建立本文在建立数值模型时，取z轴负方向为隧道掘进方向，掌子面位于z=0的-平面，模型范围为掌子面到隧道洞口，总长2 1 0 0 m；风管直径取1.8 m，设置在距掌子面5 m处的拱肩处。此外，为了更好地反映施工情况以及模拟施工通风条件下粉尘的扩散运移，本文在距离掌子面9 0 m处、720m处分别建立了二衬台车与横通道，数值模型见图2。2.2计算参数设置采用FLUENT流体计算软件进行分析求解,其主要步骤为计算模型设定、离散相参数设定、边界条件设定、粉尘源参数设定和求解参数设定。对于计算模型设定，本文采用非耦定稿日期 2 0 2 2 -0 4-2 1作者简介 蒋小平（1 9 8 4一），男，硕士，高级工程师，研究方向为土木工程管理。1815114%行车道中线整道中线R,=553R.=800设计高程点1%24729结构设计基线8751091106表4不同通风时间下的隧道横断面最大平均粉尘质量浓度（方式一）蒋小平，张军，唐潇，等：基于FLUENT的长大山岭隧道施工粉尘运移分布特征研究隧道右线30二衬台车风管隧道左线图2 五指山隧道数值计算模型合求解器进行求解，流模型用K-双方程，同时开启能量模型与离散相模型。模型离散相参数、边界条件见表1、表2。表1离散相参数DPM连续最大计离散相模型选代次数算步数选用参数10表2模型边界条件边界条件入口边界条件通风风管人口速度/(m/s)射流风机水力直径/m湍流强度/%出口边界类型DPM条件墙Shear条件对于粉尘源，本文采用面喷射的方式进行模拟，相关设定见表3。表3 粉尘源参数喷射选用参数粒子流数10粒径分布罗辛一拉姆勒分布最小粒径/m2 10 6最大粒径/m100 10 6平均粒径/m12 10 6传播系数1.93速度/(m/s)0总流量/(kg/s)0.0622流扩散随机跟踪跟踪次数1000时间刻度常数0.15注：根据现场粉尘测试最大粉尘浓度为1 2 0 mg/m,对应粉尘总流量为0.0 6 2 2 kg/s。2.3计算结果分析本文选取-z平面（坐标如图2 所示)y=1.5m处的截面为目标截面，对该截面处的粉尘质量浓度分布情况与隧道掘进方向横断面的平均粉尘质量浓度进行了分析。2.3.1单一压入式通风条件下的粉尘分布特征分析采用单一压人式通风时,对不同通风时间下的隧道横断面最大平均粉尘质量浓度进行了监测，结果如表4所示。掌子面步长电力定律200000.1选用参数速度人口19.4526.21.83.0压力出口捕提无滑移通风时间/min最大平均粉尘质量浓度/(mg/m)采用单一压人式通风1 0 min后目标截面粉尘质量浓度分布见图3,图中粉尘浓度单位均为mg/m，下同。由图3 可知，通风1 0 min时，隧道左右线的粉尘主要分布于距掌子面100550m的范围，局部最大粉尘浓度约为1 0 0 mg/m，并且粉尘浓度较高的区域相对集中成片;同时由表4可知,隧道掘球形进方向上横断面的最大平均粉尘质量浓度为 3 3 mg/m。图3 通风1 0 min时目标截面粉尘质量浓度分布云图（方式一）采用单一压入式通风2 0 min后目标截面粉尘质量浓度分布见图4。由图4与表4可知，通风2 0 min时，粉尘主要分布在距掌子面5 0 0 1 3 0 0 m的范围，隧道左线的粉尘已经通过横通道进人右线隧道，而右线隧道在掌子面至横通道的区域只有少量粉尘存在并且浓度较低，此时隧道断面平均粉尘浓度最大值约有2 3 mg/m。图4通风2 0 min时目标截面粉尘质量浓度分布云图（方式一）采用单一压入式通风3 0 min后目标截面粉尘质量浓度分布见图5。由图5 与表4可知，通风3 0 min时，粉尘主要分布在右线隧道距掌子面1 3 0 0 m至隧道洞口范围，左线隧道粉尘大部分通过横通道进入右线隧道，此时距隧道断面的最大平均粉尘浓度为2 2 mg/m。图5 通风3 0 min时目标截面粉尘质量浓度分布云图（方式一）采用单一压入式通风40 min后目标截面粉尘质量浓度分布见图6。由图可知,通风40 min时，大部分粉尘已经排出洞外,右线隧道在距离洞口5 0 0 m范围内存在少量粉尘，平均浓度最大值约有2.1 mg/m。图6 通风40 min时目标截面粉尘质量浓度分布云图（方式一）采用单一压入式通风5 0 min后目标截面粉尘质量浓度分布见图7。由图可知，通风5 0 min时，粉尘几乎全部排出洞外,隧道断面最大平均粉尘质量浓度为0.2 5 mg/m。图7 通风5 0 min时目标截面粉尘质量浓度分布云图（方式一）分析单一压入式通风条件下的粉尘分布特征可知,在通风过程中，粉尘的运动轨迹比较混乱，会向各个方向不断扩1251033202340222.10t.152500.25口流动，分散于整个洞室内。射流风机会产生明显的射流和岩土工程与地下工程散。在当前压入式通风条件下，风流从风管射出后到达掌子面，带动掌子面附近区域的粉尘颗粒运动，风流遇到掌子面后反射形成回流，造成粉尘往洞口流动，分散于整个洞室内。2.3.2压入式通风辅以射流风机通风条件下的粉尘分布特征分析对采用压入式通风辅以射流风机通风时的隧道横断面最大平均粉尘质量浓度进行了监测，结果如表5 所示。表5 不同通风时间下的隧道横断面最大平均粉尘质量浓度（方式二）通风时间/min50最大平均粉尘质量15.6浓度/(mg/m)采用压人式通风辅以射流风机通风1 0 min后目标截面粉尘质量浓度分布见图8。由图8 可知，通风1 0 min时，隧道左右线的粉尘主要分布于距掌子面1 0 0 6 5 0 m的范围，局部最大粉尘浓度约为7 0 mg/m,粉尘浓度较高区域相对分散；同时隧道断面平均粉尘浓度最大值为1 5.6 mg/m。图8 通风1 0 min时目标截面粉尘质量浓度分布云图（方式二）采用压入式通风辅以射流风机通风2 0 min后目标截面粉尘质量浓度分布见图9。由图9 可知，通风2 0 min时，粉尘主要分布在距掌子面46 0 1 5 0 0 m的范围，此时隧道左线的粉尘已经通过横通道进入右线隧道，而右线隧道在掌子面至横通道的区域存在局部浓度约为2 0 mg/m的粉尘，分布较为分散，隧道断面平均粉尘浓度最大值约为1 0.4mg/。图9 通风2 0 min时目标截面粉尘质量浓度分布云图（方式二）压入式通风辅以射流风机通风3 0 min后目标截面粉尘质量浓度分布见图1 0。由图1 0 可知，通风3 0 min时，粉尘主要分布在右线隧道距掌子面8 2 0 m至隧道洞口范围，左线隧道粉尘大部分通过横通道进入右线隧道，左线隧道几乎无粉尘,此时隧道右线洞口断面平均粉尘浓度最大,约5.5 mg/m。图1 0 通风3 0 min时目标截面粉尘质量浓度分布云图（方式二）采用压入式通风辅以射流风机通风40 min后目标截面粉尘质量浓度分布见图1 1。由图1 1 可知，通风40 min时，大部分粉尘已排出洞外，右线隧道在距掌子面8 2 0 m至隧道洞口范围内存在少量粉尘,平均浓度最大值约1.4 mg/m。图1 1 通风40 min时目标截面粉尘质量浓度分布云图（方式二）由图1 2 可知,压人式通风辅以射流风机通风5 0 min后目标截面粉尘质量浓度分布。通风5 0 min时，粉尘几乎全部排出洞外，仅部分位置存在平均浓度小于0.1 mg/m粉尘。126四川建筑第43 卷第4期0+0.1884.1107374345-43.48-4.108:0118.4128-413754图1 2 通风5 0 min时目标截面粉尘质量浓度分布云图（方式二）分析压人式通风辅以射流机通风条件下的粉尘分布特征可知，开启射流风机后粉尘的运动轨迹依旧比较混乱，会向各个方向不断扩散。在当前通风条件下，风流从风管射出后到达掌子面，带动掌子面附近区域的粉尘颗粒运动，风流遇到掌子面后反射形成回流，在风流回流的作用下粉尘往洞102010.4+00.7.475-002798+00-4115400.4.C51.478-411330405.51.40.1卷吸作用，促进了粉尘在隧道洞室内的扩散。对比2 种通风条件下隧道内粉尘的分布特征可知，横通道中间设置的射流风机，产生了明显的射流和卷吸作用，使得轴流风机前的空气幕帘与横通道之间，并没有出现在没有射流风机情况下的少部分粉尘聚集，粉尘的排出更加彻底。同时，在相同的通风时刻，射流风机开启的情况下，隧道各断面的粉尘平均浓度明显低于没有射流风机的情况，但粉尘在隧道洞室的存在范围要大，射流风机促进了粉尘的扩散。3结论本文以任沐新高速五指山隧道为工程依托，结合工程实际运用流体计算软件FLUENT对两种通风条件下的粉尘扩散和运移规律进行了模拟分析，主要结论：（1）隧道洞室内粉尘在单一压人式通风的扩散范围较小，局部位置粉尘浓度较高；在通风40 min时，隧道断面平均粉尘浓度最高值降至2 mg/m;同时在轴流风机前的空气幕帘与横通道之间区域会出现少量聚集，平均粉尘浓度约2.8 mg/m。(2)压入式通风辅以射流风机时，隧道洞室内粉尘扩散范围较大,但平均浓度明显低于单一压入式通风；在通风40min时,隧道断面平均粉尘浓度最高值降到1.4mg/m;隧道内粉尘几乎全部排出洞外，没有出现聚集。压入式通风辅以射流风机对促进粉尘扩散，降低隧道内粉尘浓度有较好效果。1洪开荣.我国隧道及地下工程近两年的发展与展望J.隧道建设,2 0 1 7,3 7(2):1 2 3-1 3 4.2易志伟水下公路隧道结构健康监测及安全评价系统研究D.成都：西南交通大学,2 0 1 9.3唐定胜.长大隧道施工通风降尘技术实践探讨J.绿色环保建材,2 0 2 1(4):1 2 4-1 2 5.4蒋仲安，王亚朋，门立国.基于数值模拟对隧道钻孔粉尘的通风控制研究（英文）J.Journal of Central South University，2021,28(5):1342-1356.5谭信荣，陈寿根，张恒.基于洞内空气质量测试的长大隧道施工通风优化J.现代隧道技术，2 0 1 2,49（6）：1 5 2-1 5 7.6王应权.长大铁路隧道施工通风方案选择及优化J.地下空间与工程学报,2 0 1 5,1 1（S1）：3 5 9-3 6 6.7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J.地下空间与工程学报，2 0 1 9,1 5（3）：9 2 7-9 3 5.参考文献