劉敦文，甘如魯，張聰，李波

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長沙410083)

隧道是相對封閉的受限空間，隧道施工過程中洞內(nèi)氣體擴散受到限制，機械設(shè)備及工程車輛排放的污染物易在洞內(nèi)積聚，尤其是CO，嚴(yán)重影響作業(yè)人員的健康與安全。國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定［1］，空氣中 CO最高允許濃度為30 mg/m3。目前，國內(nèi)外對隧道施工空氣環(huán)境的研究對象多以爆破后粉塵和有害氣體的稀釋為主［2－4］，而對施工環(huán)境同樣惡劣的出碴過程卻涉及較少。有研究表明:車輛排出的空氣污染物中，CO對人體健康與行為能力的影響最顯著。而國內(nèi)外對隧道內(nèi)CO的研究主要是CO的控制技術(shù)和對CO濃度限值，而對隧道內(nèi)CO的分布規(guī)律研究的較少。李孜軍等［5］對雙洞隧道掘進時CO擴散規(guī)律進行模擬研究;李鴻博等［6］應(yīng)用CFK模型分析CO濃度影響因素，并提出了不同條件下CO濃度設(shè)計限值;葉蔚等［7］分析了CO對人體健康的影響，并基于改進的CFK方程研究了隧道內(nèi)CO濃度的限值。隨著社會的發(fā)展，世界各組織對施工人員健康安全越來越重視，準(zhǔn)確評價隧道掌子面的作業(yè)環(huán)境對隧道的安全施工至關(guān)重要。本文基于流體力學(xué)理論，運用Fluent軟件對隧道出碴過程洞內(nèi)通風(fēng)流場的特性及CO濃度場的空間分布規(guī)律進行分析，確定影響掌子面區(qū)域CO濃度的主要因素，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測驗證模擬的可靠度;并綜合應(yīng)用Coburn－Forster－Kane(CFK)方程［8］，分析隧道出碴環(huán)境下，人體體內(nèi)羧絡(luò)(碳氧)血紅蛋白(Carboxyhemoglobin，簡寫為COHb)與隧道內(nèi)CO濃度及人體作業(yè)時間的關(guān)系，提出了合理的CO濃度限值及安全連續(xù)作業(yè)時間，為隧道安全施工及管理提供技術(shù)依據(jù)。

1 隧道出碴過程CO濃度現(xiàn)場監(jiān)測

某特長公路隧道巖石節(jié)理裂隙受構(gòu)造影響普遍發(fā)育，尤其破碎帶附近發(fā)育更甚，圍巖地下水類型主要為孔隙型潛水、基巖裂隙水。隧道建筑界限凈寬10.25 m，凈高5.0 m，采用射流風(fēng)機縱向通風(fēng)方式，風(fēng)筒直徑為1.2 m，出風(fēng)口距工作面距離為30 m。使用美國英思達(dá)T40便攜式CO檢測儀進行監(jiān)測。

沿隧道掘進方向，作業(yè)區(qū)域每5 m取一個監(jiān)測斷面，由于條件限制，每個斷面取高度y=2 m處監(jiān)測點3個，分別為中心點x=0，兩側(cè)點x=4和x=－4，也可分別表示為左中右3條監(jiān)測線。因出碴過程中挖掘機和自卸車主要作業(yè)區(qū)域為掌子面前方100 m內(nèi)，因此將所有監(jiān)測點設(shè)置在該100 m內(nèi)工作區(qū)間。監(jiān)測點坐標(biāo)見表1。

2 隧道出碴過程CO濃度數(shù)值模擬研究

2.1 物理模型構(gòu)建

本三維隧道模型按某特長公路隧道實際尺寸建立，隧道橫截面最大寬度12 m、高8 m，風(fēng)筒直徑1.2 m，位于隧道側(cè)壁中上部，風(fēng)筒至工作面距離30 m。工作面前一輛挖掘機和2輛重型自卸車進行出碴作業(yè)，用方體表示。通風(fēng)方式為壓入式通風(fēng)。模型如圖1所示。

圖1 掘進隧道的物理模型Fig.1 Physical model of heading face of tunnel

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 基本假設(shè)條件

(1)通風(fēng)氣流視為低速不可壓縮流體。(2)氣體在稀釋擴散過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及相變反應(yīng)，并假設(shè)壁面為等溫混凝土。(3)挖掘機與自卸車工作狀態(tài)中均無位移變化。

2.2.2 邊界條件

根據(jù)實際條件，以通風(fēng)風(fēng)筒口、車輛尾部分別為空氣進口邊界及CO進口邊界，距工作面100 m處截面為出口邊界，隧道施工作業(yè)車輛為長方體壁面邊界。具體設(shè)置如下:

(1)入口邊界:通風(fēng)風(fēng)流速度V1=10 m/s，結(jié)合工程實際作業(yè)面挖掘機與自卸車的CO排放量q1=24 m3/min，q2=18 m3/min。

(2)出口邊界［9］:，相對壓力 p=0。

(3)壁面邊界:壁面為無滑移邊界。

2.3 數(shù)值方法和結(jié)果分析

2.3.1 數(shù)值算法

使用Gambit軟件對圖1隧道物理模型劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖2所示。采用非定常隱式解法，選取RNG k－ε湍流模型，應(yīng)用組分傳輸模型，用分離求解的SIMPLE算法求解，經(jīng)多次迭代獲得收斂。

圖2 掘進隧道的網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid plotting of heading face of tunnel

2.3.2 風(fēng)流模擬及結(jié)果分析

經(jīng)Fluent和Tecplot后處理軟件分析數(shù)據(jù)得風(fēng)流場如圖3～圖4所示。

圖3 隧道X－Z平面(y=5 m)氣流場Fig.3 Airflow field in X － Z plane(y=5 m)of heading face of tunnel

圖4 隧道X－Z平面(y=2 m)氣流場Fig.4 Airflow field in X － Z plane(y=2 m)of heading face of tunnel

根據(jù)圖3～圖4分析得出:

(1)特長公路隧道有限空間內(nèi)受限附壁流場中附壁射流區(qū)、沖擊射流區(qū)、渦流區(qū)、回流區(qū)有較明顯的分界。

(2)氣體自風(fēng)筒沿壁流出做射流運動，因卷吸作用吸附周圍氣體，直到射流斷面達(dá)到最大值，之后受工作面與回流的影響停止卷吸作用，轉(zhuǎn)而從射流中析出，最終到達(dá)壁面的的射流沖擊壁面同時附壁形成回流，且回流區(qū)略大于射流區(qū)，射流區(qū)和回流區(qū)之間相互作用，在壁面前方中間帶形成渦流。

(3)作業(yè)車輛會增加壁面條件，使得流場更加復(fù)雜。氣流遇車體壁面發(fā)生分離，形成位移區(qū)，分離后部分氣流經(jīng)工作面回流作用與其他氣流作用，繼而產(chǎn)生渦流;在氣流方向車體背后出現(xiàn)了低壓區(qū)，即空腔區(qū);有回流的渦流區(qū)，還因動能損失，在氣流方向形成尾流區(qū)。

(4)由于渦流的作用，使得射流能量損失，風(fēng)速明顯降低，不利于CO的擴散和稀釋。

2.3.3 CO濃度模擬及結(jié)果分析

CO濃度場穩(wěn)定時的分布如圖5～圖8所示。

圖5 X－Z平面(y=5 m，y=2 m)CO濃度云圖(摩爾分?jǐn)?shù))Fig.5 CO concentration field in X － Z plane(y=5 m，y=2m)(mole fraction)

圖6 X－Z切面CO濃度云圖Fig.6 CO concentration field in X － Z plane

圖7 X－Y切面CO濃度云圖Fig.7 CO concentration field in X － Y plane

圖8 Y－Z切面CO濃度云圖Fig.8 CO concentration field in Y － Z plane

由圖5～圖8分析可得出:

(1)Y=5 m平面，距工作面10～30 m中間區(qū)域，此區(qū)域為多渦流作用帶，區(qū)內(nèi)氣體流速小，流線封閉，導(dǎo)致CO擴散不及時而積聚，因此CO濃度相對較高，最大濃度可高達(dá)80 mg/m3。而在Y=2 m平面，由于柴油機尾氣排放和車輛壁對氣流分流、阻滯等作用而形成較多回流和渦流區(qū)，因此作業(yè)車輛中間區(qū)域和車輛尾部CO濃度較高。

(2)分布于隧道兩側(cè)的射流風(fēng)與回流風(fēng)主體區(qū)域CO濃度較低，兩股風(fēng)流在中間帶交匯作用處濃度較高，風(fēng)筒側(cè)上部CO濃度較低，由于風(fēng)筒口附近射流起始范圍小，該側(cè)下部受到回流產(chǎn)生的渦流影響，CO在此滯留，濃度升高。

(3)由于CO密度較空氣密度稍低，在氣流作用下CO向拱頂處擴散較快。距掘進工作面越遠(yuǎn)，CO擴散越均勻，拱頂CO濃度逐漸增大，可較好的排出。

(4)從分析結(jié)果可以看出，工作區(qū)間渦流的作用為CO濃度較高的主要原因。

2.4 模擬結(jié)果的監(jiān)測驗證

左中右3條監(jiān)測線CO摩爾分?jǐn)?shù)隨距離變化的監(jiān)測值與模擬值的比較如圖9所示。

圖9 3條監(jiān)測線CO摩爾分?jǐn)?shù)的監(jiān)測值與模擬值的比較Fig.9 Comparison of monitoring data and simulation values of three inspecting lines

由圖9可以看出:實測點部分落在模擬曲線上，大部分實測點與曲線有偏差，但偏差較小，整體來說模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果吻合良好，說明本文采用Fluent軟件模擬隧道出碴過程CO的分布規(guī)律是有效的，結(jié)果可靠直觀，軟件模擬值可用作一般數(shù)值計算的依據(jù)。

3 COHb的CFK方程解及影響分析

3.1 CO對健康安全的影響

CO會對人體產(chǎn)生危害主要因為CO易與人體血液中的血紅蛋白結(jié)合生成羧絡(luò)(碳氧)血紅蛋白，從而降低人體血液的輸氧能力和氧氣濃度。醫(yī)學(xué)研究表明，COHb濃度達(dá)到2.5% ～3%即對人體產(chǎn)生不良影響，不同的血液中COHb濃度對人體行為的影響［10］見表2。

表2 血液中COHb濃度對人體行為的影響Table 2 Influence to human body of COHb concentration

3.2 血液中COHb濃度方程—Coburn－Forster－Kane方程

隧道施工中，人體吸收CO速率與人體血液中COHb濃度關(guān)系方程描述如下:

式中:VCO為人體產(chǎn)生CO速率;［COHb］和［O2Hb］為血液中碳氧血紅蛋白含量和氧合血紅蛋白含量，mL/mL;pO2為肺部氧氣分壓，mmHg;M為Haldane常數(shù);PCO為吸入的CO分壓力，mmHg;PB為大氣壓力，mmHg;PH2O為水蒸汽壓力，mmHg;DL為肺部質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，mL/(min·mmHg);VA為肺部的空氣交換律，mmHg。假定 d［CO］=Vbd［COHb］，積分解得:

3.3 方程解算結(jié)果分析

本文使用了Maple軟件解算CFK方程，部分參數(shù)選取依據(jù)世界衛(wèi)生組織(WMO)和相關(guān)文獻(xiàn)資料［11］。某特長公路隧道正常出碴作業(yè)時間為3～4 h，本文取t=4 h=240 min。作業(yè)區(qū)CO平均濃度通過Fluent軟件計算，為60～61 mg/m3。代入數(shù)據(jù)，解算 CFK方程得［COHb］=0.008 9 mL/mL，即 COHb占血紅蛋白百分比%COHb=4.45%(2.5% ～10%范圍內(nèi))，此COHb濃度會使視力減弱，警覺性下降，工作能力明顯受限。

運用Maple內(nèi)置畫圖模塊繪制3個變量關(guān)系如圖10～圖12所示。

圖10 COHb濃度隨作業(yè)時間變化曲線Fig.10 Variation curve of the COHb with working time

圖11 COHb濃度隨CO濃度變化曲線Fig.11 Variation curve of the COHb with CO concentration

圖12 CO濃度和作業(yè)時間關(guān)系曲線Fig.12 Relationship curve of the CO concentration and working time

根據(jù)圖10～圖12分析可得出:

(1)CO濃度為60 mg/m3的工況中，體內(nèi)COHb濃度上升迅速，最大值可達(dá)30 mg/m3時的2倍。

(2)連續(xù)作業(yè)時間分別為4，2和1 h情況下，體內(nèi)COHb濃度與環(huán)境CO濃度呈一次線性關(guān)系，且連續(xù)工作時間越久，CO濃度影響越顯著。

(3)隨著CO濃度的降低，體內(nèi)COHb濃度達(dá)到2.5%所用作業(yè)時間越長;CO濃度達(dá)到30 mg/m3，可連續(xù)作業(yè)4 h，完成出碴過程。

3.4 措施與建議

(1)在隧道出碴過程中，為保證施工人員健康安全不受洞內(nèi)CO危害，應(yīng)對作業(yè)過程進行控制，確保施工人員血液COHb濃度低于2.5%。

(2)一般情況下，CO濃度宜控制在30 mg/m3水平以下，單人可連續(xù)進行4 h的作業(yè)，即可完成整個出碴過程。本項目中CO濃度為60 mg/m3，根據(jù)CFK方程，在此環(huán)境濃度下，每人連續(xù)作業(yè)時間不能超過95 min，若單人連續(xù)作業(yè)班時超過95 min，宜采用多人輪崗操作。

4 結(jié)論

(1)通過對比隧道內(nèi)CO濃度實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果表明:Fluent模擬結(jié)果與實際流場相吻合，能有效揭示CO分布規(guī)律，結(jié)果可信、直觀、可視性強。同時確定了影響工作區(qū)通風(fēng)效果和CO擴散的主要因素為風(fēng)流作用產(chǎn)生的渦流。

(2)運用Fluent軟件計算得出主要工作區(qū)CO平均濃度達(dá) 60 mg/m3。結(jié)合世界衛(wèi)生組織(WMO)數(shù)據(jù)和CFK方程，解算出人體血液COHb濃度高達(dá)4.45%，將會影響人體行為能力，從而影響施工安全。依據(jù)血液COHb濃度、環(huán)境CO濃度和連續(xù)作業(yè)時間三者的關(guān)系曲線，得出CO濃度宜控制在30 mg/m3以下，并提出多人輪崗制措施。

(3)將實時監(jiān)測、Fluent數(shù)值模擬與CFK方程結(jié)合的方法應(yīng)用于隧道安全管理中，能有效控制安全事故，改善工作環(huán)境，為隧道施工過程空氣環(huán)境對作業(yè)人員危害影響研究提供了一條新途徑。

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