羅汝洲

(中鐵十三局集團(tuán)公司 第二工程公司，廣東 深圳 518083)

鑒于錦屏二級(jí)水電站引水隧洞長達(dá)16.67 km，鉆爆法施工獨(dú)頭掘進(jìn)通風(fēng)距離達(dá)到了12.5 km，TBM獨(dú)頭掘進(jìn)通風(fēng)距離達(dá)到了14.5 km。隨著隧洞掘進(jìn)的不斷深入，洞身長度增加后，洞身段很可能會(huì)出現(xiàn)通風(fēng)不暢、通風(fēng)時(shí)間大幅度增加。并有可能發(fā)生整條隧洞長期處于污染或死風(fēng)，嚴(yán)重影響工程建設(shè)進(jìn)度和安全。

盡管對(duì)特長隧洞不同工作面以及洞身段通風(fēng)方案及其參數(shù)可以采用較為詳細(xì)的理論計(jì)算和分析，但在實(shí)施過程中的通風(fēng)效果到底如何?能否滿足實(shí)際隧洞掘進(jìn)工作面和洞身段的通風(fēng)需要，還需通過仿真分析和現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證說明。為此，本文針對(duì)理論分析結(jié)果，選出較難把握或在實(shí)際施工中可能會(huì)有問題的主要關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用大型分析系統(tǒng)軟件建立相應(yīng)模型，對(duì)后期施工組織調(diào)整后的各條隧洞不同階段的主要關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的通風(fēng)方案及其參數(shù)進(jìn)行分析，以此為后續(xù)通風(fēng)方案的完善提供有力基礎(chǔ)。

1 特長高污染隧洞通風(fēng)方案及參數(shù)分析

選擇污染程度較大且通風(fēng)強(qiáng)度要求較高的4#引水隧洞進(jìn)行仿真分析。

1.1 洞內(nèi)主要污染源

隧洞施工過程中的主要污染源為施工爆破中產(chǎn)生的炮煙和粉塵，運(yùn)輸車輛產(chǎn)生的尾氣和煙塵。

1.2 通風(fēng)方案分析

4#引水隧洞的通風(fēng)分為兩個(gè)部分:一是隧洞掘進(jìn)工作面的新鮮風(fēng)供應(yīng)，二是洞身段供風(fēng)。對(duì)于工作面的通風(fēng)，當(dāng)4#引水隧洞貫通至排引2#施工支洞后，可取3#隧洞返程風(fēng)，也可階段性從排水洞取風(fēng)。但應(yīng)盡量避免從排水洞取風(fēng)，因必須確保排引2#、3#和施工排水洞的通風(fēng)。對(duì)于洞身段通風(fēng)，主要靠由工作面的返程風(fēng)流維持。

1.3 通風(fēng)參數(shù)

依實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)知，4#引水洞內(nèi)的車流量高達(dá)4 000輛/d，其排放污染物的總功率高達(dá)1 167 kW，總需風(fēng)量5 403 m3/min。用于克服隧洞中的空氣阻力的風(fēng)機(jī)總推力為41 100 N，射流風(fēng)機(jī)的推力僅為1 650 N。

1.4 風(fēng)機(jī)配置

基于上述理論分析，4#引水隧洞洞身段的排風(fēng)主要包括高強(qiáng)度運(yùn)輸尾氣污染后污風(fēng)排放，按通風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)壓、環(huán)境條件以及推力等因素分析，采用每240 m布置一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)排出污濁空氣。4#引水隧洞污風(fēng)排放風(fēng)路及風(fēng)機(jī)布置見圖1所示。

圖1 4#引水洞污風(fēng)排放風(fēng)路及風(fēng)機(jī)布置(單位:m)

2 高強(qiáng)度通風(fēng)系統(tǒng)仿真分析

按仿真分析技術(shù)對(duì)上述通風(fēng)方案與參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，以便更好地對(duì)4#引水洞洞身段污染空氣的射流加強(qiáng)排放方案做進(jìn)一步研究。

2.1 物理模型

4#引水洞橫斷面面積137 m2，洞身長6 000 m，水力直徑13.2 m。采用射流風(fēng)機(jī)將4#引水洞內(nèi)污風(fēng)沿隧洞排出。

為對(duì)4#引水隧洞洞身段通風(fēng)進(jìn)行仿真分析，在建模過程中采取了一定簡化措施，即隧洞橫斷面采用矩形，風(fēng)管橫斷面采用方形。簡化準(zhǔn)則為:隧洞模型橫斷面面積及寬度與原型一致，風(fēng)管模型橫斷面面積與原型一致。

2.2 邊界條件

假定等溫通風(fēng)，流體為不可壓縮、非穩(wěn)態(tài)紊流，滿足Boussinesp假設(shè);紊流黏性具有各向同性。以排引2#施工支洞與4#引水隧洞交叉口為風(fēng)流進(jìn)口，以4#引水洞出口為風(fēng)流出口。模型邊界條件如下:①風(fēng)流入口為質(zhì)量入口邊界條件;②隧洞出口為壓力出口邊界條件(大小等于當(dāng)?shù)卮髿鈮?;③隧洞壁面設(shè)為固壁邊界條件，并根據(jù)實(shí)際的粗糙度給定相應(yīng)的壁面函數(shù)中的參數(shù)。另外，模型中給定風(fēng)流入口流量(按理論計(jì)算所要排出的風(fēng)量計(jì)算)、射流風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，出口相對(duì)靜壓設(shè)置為0。經(jīng)過仿真計(jì)算，可以得出整個(gè)隧洞內(nèi)氣流的速度場和壓力場。數(shù)值仿真的物性參數(shù)和邊界條件見表1。

表1 數(shù)值仿真的物性參數(shù)和邊界條件

2.3 采用的仿真分析方法

采用等溫工況條件進(jìn)行仿真分析，湍流模型采用RNGk-ε雙方程模型，近壁處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，離散格式采用一階迎風(fēng)格式，壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)壓力修正方程，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。在風(fēng)流入口處采用質(zhì)量進(jìn)口邊界條件，通過洞內(nèi)風(fēng)速、環(huán)境條件及車輛和設(shè)備的影響確定風(fēng)機(jī)風(fēng)壓。與大氣環(huán)境相連的出口采用壓力出口邊界條件，并指定壓力為零。

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

新鮮風(fēng)流由進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)入至工作面后，沿洞身段排出，為能更好地分析各位置的風(fēng)流變化，分別在各射流風(fēng)機(jī)射流附近設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，并在風(fēng)機(jī)前后10 m處共設(shè)置5個(gè)監(jiān)測橫截面，即風(fēng)流進(jìn)口風(fēng)機(jī)處2個(gè)，隧洞中間風(fēng)機(jī)處2個(gè)，風(fēng)流出口1個(gè)。每個(gè)橫截面處設(shè)置4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，檢測點(diǎn)布置如圖2所示。在此主要對(duì)速度進(jìn)行分析，以此確定射流排風(fēng)方案的排風(fēng)效果。

圖2 截面監(jiān)測點(diǎn)布置(單位:m)

射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處風(fēng)速最大，為3.54 m/s左右，距離風(fēng)機(jī)50 m左右風(fēng)速達(dá)到平衡，風(fēng)速在0.4～0.8 m/s之間。隧洞下部風(fēng)速最小，在0.325～0.400 m/s之間，隧洞上部風(fēng)速大于下部風(fēng)速，隧洞上部排風(fēng)效果要好于下部。各監(jiān)測橫截面上的監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)速如圖3所示。

圖3 各監(jiān)測點(diǎn)處風(fēng)速

圖3中，V-6-8-5770，是指距隧洞橫斷面中心線6 m，距隧洞底8 m，距隧洞出口5 770 m處監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)速，其它意義類推。

由圖3可知，經(jīng)過30 s之后，各監(jiān)測點(diǎn)處風(fēng)速達(dá)到穩(wěn)定，各監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)速在0.42～0.62 m/s之間。

由以上仿真分析結(jié)果可得，按照研究出的4#引水隧洞射流高強(qiáng)度排污風(fēng)方案布設(shè)風(fēng)機(jī)，洞內(nèi)最小風(fēng)速為0.325 m/s，最大風(fēng)速為3.54 m/s，滿足規(guī)范規(guī)定的洞內(nèi)排風(fēng)最小風(fēng)速0.25 m/s，最大風(fēng)速不超過5～6 m/s的要求。故按方案提出的射流風(fēng)機(jī)配置能夠滿足4#引水洞洞身段排風(fēng)要求。

3 結(jié)語

1)4#引水隧洞掌子面的炮煙、粉塵和洞身內(nèi)高強(qiáng)度無軌運(yùn)輸尾氣污染后的污風(fēng)風(fēng)量極大，對(duì)設(shè)計(jì)通風(fēng)方案進(jìn)行仿真分析十分必要，可進(jìn)一步論證通風(fēng)方案的實(shí)用效果;

2)仿真分析的計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測值比較吻合，說明采用240 m布置一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)排污風(fēng)的方案，可以滿足4#引水洞掌子面掘進(jìn)污風(fēng)以及洞身內(nèi)的高強(qiáng)度運(yùn)輸尾氣的排放要求;

3)按當(dāng)前生產(chǎn)條件，應(yīng)清理4#引水隧洞洞內(nèi)的路面及其他障礙物，盡量降低其對(duì)高強(qiáng)度運(yùn)輸能力及通風(fēng)效果的影響。

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