蔣仲安　李鈿　張哲

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院　北京 100083)

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大氣污染治理

隧道鉆爆法施工風(fēng)流流場(chǎng)規(guī)律的數(shù)值模擬*

蔣仲安李鈿張哲

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院北京 100083)

為了解決公路隧道鉆爆法施工粉塵濃度高的問(wèn)題，以京昆高速公路辛莊隧道為研究背景，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)風(fēng)流流場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的風(fēng)速分布情況進(jìn)行對(duì)比分析，模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)基本一致。研究結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)筒出口風(fēng)速為20 m/s時(shí)，壓入式風(fēng)筒安裝的最佳距離是距離掌子面40～50 m，在這個(gè)范圍內(nèi)，最有利于粉塵的排出。

隧道通風(fēng)除塵風(fēng)流流場(chǎng)鉆爆法施工風(fēng)筒布置

0　引言

公路隧道鉆爆法施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，粉塵質(zhì)量濃度甚至能高達(dá)1 000 mg/m3以上[1]，不僅嚴(yán)重威脅施工工人的健康和安全，也加快了設(shè)備的磨損速度。降低隧道施工過(guò)程中的粉塵濃度刻不容緩，其中，通風(fēng)除塵是最簡(jiǎn)單有效的方法，因此，深入研究不同的通風(fēng)條件下風(fēng)流流場(chǎng)的變化，選擇出一個(gè)合適的方案，使在這種風(fēng)流流場(chǎng)條件下的通風(fēng)除塵達(dá)到最佳效果。

數(shù)值模擬被廣泛應(yīng)用于通風(fēng)除塵方面，但這些研究?jī)H揭示了特定條件下的風(fēng)流流場(chǎng)分布規(guī)律，未深入探討不同的風(fēng)筒安裝位置情況下風(fēng)流流場(chǎng)的分布規(guī)律對(duì)粉塵控制的影響。本文采用數(shù)值模擬的方法，研究公路隧道鉆爆法施工時(shí)的風(fēng)流流場(chǎng)的分布規(guī)律以及風(fēng)筒出口與掌子面在不同距離條件下流場(chǎng)分布規(guī)律的區(qū)別，經(jīng)過(guò)不同條件下風(fēng)流流場(chǎng)的對(duì)比，確定有利于粉塵控制的最佳工作條件，獲取風(fēng)筒的最佳安裝位置，為現(xiàn)場(chǎng)防塵工作提供理論指導(dǎo)。

1　數(shù)學(xué)模型的建立

京昆高速公路辛莊隧道設(shè)計(jì)的平均開(kāi)挖斷面面積為156.38 m2，其中最大開(kāi)挖寬度為17.46 m，最大開(kāi)挖高度為12.21 m，屬于大斷面隧道。開(kāi)展本次實(shí)驗(yàn)時(shí)，該隧道已經(jīng)施工至距離洞口約200 m處。

根據(jù)隧道內(nèi)的實(shí)際情況，為了方便模型的建立與計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，將工作面整體設(shè)計(jì)成直徑為16 m，長(zhǎng)度為200 m的半圓柱體空間，將圓柱體在水平面切割后只留下上半部分。隧道內(nèi)采用壓入式通風(fēng)，風(fēng)筒一開(kāi)始懸掛在隧道右側(cè)貼地的地方，將風(fēng)筒的主體尺寸設(shè)計(jì)成直徑為1.2 m的圓柱體，在接近掌子面50 m處，風(fēng)筒抬高到3 m，貼近隧道壁。此次設(shè)置風(fēng)筒出口距離掌子面40 m。由于實(shí)際開(kāi)鑿隧道的需要，在距離掌子面為50 m的地方，地面高度整體抬高了2 m。

使用GAMBIT軟件建立簡(jiǎn)化后的隧道施工時(shí)的三維幾何模型，然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)邊界條件進(jìn)行定義，最后將導(dǎo)出來(lái)的網(wǎng)格文件放入Fluent軟件中進(jìn)行計(jì)算。劃分后的網(wǎng)格示意圖如圖1所示。

圖1　網(wǎng)格劃分示意圖

根據(jù)隧道的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，設(shè)置相關(guān)參數(shù)如下：入口邊界類(lèi)型為速度入口，入口速度20 m/s，水力直徑1.2 m，湍流強(qiáng)度2.6%，出口邊界類(lèi)型為出流。

2　數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1隧道內(nèi)風(fēng)流流場(chǎng)分布規(guī)律

將GAMBIT軟件中導(dǎo)出的msh軟件讀入Fluent軟件中，通過(guò)Fluent的求解，得到隧道內(nèi)的風(fēng)流場(chǎng)模擬結(jié)果，其風(fēng)流矢量圖及主要斷面的流場(chǎng)梯度速度云圖如圖2和圖3所示。

圖2　流場(chǎng)矢量圖

圖3　流場(chǎng)梯度云圖

從圖2和圖3中可以看出，①經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，壓入式風(fēng)筒入口處風(fēng)速為20 m/s，風(fēng)筒距離掌子面為40 m。當(dāng)新風(fēng)從風(fēng)筒流出時(shí)，以逐漸擴(kuò)大的自由風(fēng)流射向工作面，沿軸線方向自由風(fēng)速逐漸降低，到掌子面后再反向流至隧道出口[2]；②公路隧道內(nèi)高速風(fēng)流自右側(cè)懸掛風(fēng)筒內(nèi)噴射而出，大部分風(fēng)流因受到掌子面的阻礙而被導(dǎo)向隧道左側(cè)，經(jīng)過(guò)一段距離的擴(kuò)散之后風(fēng)速趨于穩(wěn)定，并均勻分布于隧道整個(gè)斷面內(nèi)；③由于受到掌子面的影響，風(fēng)筒噴射而出的高速風(fēng)流在距離掌子面50 m范圍內(nèi)穩(wěn)定性較差，當(dāng)距離掌子面超過(guò)50 m后，風(fēng)流流場(chǎng)逐漸趨于穩(wěn)定分布，且其風(fēng)速基本保持在0.5 m/s左右[3]。

2.2隧道內(nèi)等速線分布規(guī)律

通過(guò)Fluent軟件的計(jì)算求解，可以得到隧道內(nèi)每一個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速，因此，讀取了比較典型的兩個(gè)斷面的風(fēng)速情況，如圖4和圖5所示。

圖4　x=190 m斷面上的等速線

由圖4可知：①畫(huà)出了風(fēng)速分別為8.3，6.7，5，3.3，1.7 m/s的等風(fēng)速曲線。在等速線上標(biāo)注的數(shù)字為該等速線的速度。能夠很明顯地看出風(fēng)流距離掌子面10 m(x=190 m)斷面上風(fēng)流流場(chǎng)的分布規(guī)律。由于不方便每一個(gè)斷面都進(jìn)行分析，鑒于此處風(fēng)流與掌子面的距離合適，所以分析此處風(fēng)流流場(chǎng)具有比較典型的意義；②從圖中可以看出斷面分成了左右兩個(gè)核心區(qū)域，以此兩個(gè)核心區(qū)域?yàn)橹行?，逐漸往外層時(shí)速度減小。這是因?yàn)橛覀?cè)一個(gè)是射流產(chǎn)生的流場(chǎng)，而左側(cè)一個(gè)是風(fēng)流遇到掌子面后，回流時(shí)產(chǎn)生的流場(chǎng)。兩個(gè)流場(chǎng)獨(dú)立存在，風(fēng)流方向相反，但是在邊界接觸后會(huì)相互影響；③對(duì)比兩個(gè)封閉的等速線區(qū)域，可以看出右側(cè)核心區(qū)域的最高速度大于左側(cè)核心區(qū)域的最高速度。右側(cè)達(dá)到了8.3 m/s，而左側(cè)最高速度只有6.7 m/s。這是因?yàn)橛覀?cè)是風(fēng)筒射流的區(qū)域，風(fēng)筒射出的風(fēng)流在很長(zhǎng)一段時(shí)間都保持著一個(gè)較高的速度，特別是在風(fēng)筒的中心區(qū)域?qū)?yīng)的斷面上。而回流區(qū)的風(fēng)速經(jīng)過(guò)了掌子面的損耗以及在流動(dòng)過(guò)程中的各種損失，速度已經(jīng)大幅下降，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于當(dāng)初射流區(qū)域的風(fēng)速。

圖5　y=3.6 m斷面上的等速線

由圖5可知：①畫(huà)出了風(fēng)速分別為8，6，4，2 m/s的等風(fēng)速曲線。能夠很明顯地看出風(fēng)流在人體呼吸高度(y=3.6 m)斷面上風(fēng)流流場(chǎng)的分布規(guī)律；②風(fēng)筒中心風(fēng)速最大，風(fēng)流沿右側(cè)拱頂形成“附壁射流”現(xiàn)象，并且卷吸周?chē)橘|(zhì)流動(dòng)，隨著沿程距離的增大，越接近掌子面，風(fēng)流斷面不斷擴(kuò)大，到某一距離時(shí)，風(fēng)流核心區(qū)域消失[4]；整個(gè)過(guò)程中風(fēng)速逐漸降低，當(dāng)?shù)竭_(dá)掌子面時(shí)遇到阻礙風(fēng)流方向發(fā)生折返，然后向洞口方向產(chǎn)生回流[5]；③在距離掌子面約60 m以后已經(jīng)沒(méi)有了風(fēng)速最小的等速線(即2 m/s)，表示洞內(nèi)流場(chǎng)分布基本趨于穩(wěn)定，小于2 m/s，在圖中不能顯示；④可以很明顯地看出，風(fēng)流在到達(dá)距掌子面約5 m時(shí)，速度急劇降低，由8 m/s急劇減為6 m/s，再減為4 m/s，最后減為2 m/s；到達(dá)掌子面時(shí)，速度<2 m/s，速度越小，對(duì)掌子面沖擊效果越弱[6]；但由于掌子面的平均風(fēng)速仍然大于規(guī)定的隧道最低風(fēng)速要求，所以是可行的。

2.3風(fēng)筒出口與掌子面距離不同時(shí)的流場(chǎng)分布

保持其他條件不變，改變風(fēng)筒的安裝位置，在風(fēng)筒出口距離掌子面30，40，50，60 m的4個(gè)地方分別安裝風(fēng)筒，用Fluent軟件計(jì)算出不同距離條件下隧道內(nèi)的風(fēng)流流場(chǎng)分布規(guī)律，截取呼吸帶高度(y=3.6 m)的風(fēng)速斷面云圖，如圖6～圖9所示。

圖6　風(fēng)筒距離掌子面30 m時(shí)，y=3.6 m截面云圖

圖7　風(fēng)筒距離掌子面40 m時(shí)，y=3.6 m截面云圖

圖8　風(fēng)筒距離掌子面50 m時(shí)，y=3.6 m截面云圖

圖9　風(fēng)筒距離掌子面60 m時(shí)，y=3.6 m截面云圖

從圖6～圖9可以看出：①隨著風(fēng)筒出口與掌子面距離的增大，到達(dá)掌子面的風(fēng)速逐漸減小[7];60 m時(shí)，風(fēng)筒距離掌子面過(guò)遠(yuǎn)，導(dǎo)致掌子面的風(fēng)速比較小，雖然平均風(fēng)速仍然大于要求的隧道最低風(fēng)速0.25 m/s，但是，與前3次相比，這時(shí)的通風(fēng)除塵效果大大減弱，不利于粉塵的流動(dòng)和排出，所以，風(fēng)筒出口與掌子面的距離應(yīng)該小于60 m。②30 m時(shí)，到達(dá)掌子面的風(fēng)速最大，由于風(fēng)速過(guò)大，導(dǎo)致了大量渦流的產(chǎn)生，渦流將粉塵卷入其中不斷循環(huán)，也不利于粉塵的排出，因此，風(fēng)筒出口與掌子面的距離應(yīng)該大于30 m[8]。③對(duì)比4個(gè)圖，得出風(fēng)筒安裝的最佳距離是距離掌子面40～50 m，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，沒(méi)有大量渦流產(chǎn)生，風(fēng)速也較大，最有利于粉塵的排出[9]。

3　模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

以距右側(cè)2 m(z=6 m)的沿程風(fēng)速為例，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖10所示。

圖10　距右側(cè)距離為2 m時(shí)風(fēng)速沿程變化圖

從圖中可以看出，雖然由于實(shí)驗(yàn)誤差以及模型簡(jiǎn)化的結(jié)果，所以二者的數(shù)值并不完全一致，但模擬結(jié)果風(fēng)速分布曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分布規(guī)律基本吻合，說(shuō)明用數(shù)值模擬的方法研究風(fēng)流流場(chǎng)的分布規(guī)律是可行的。

4　結(jié)語(yǔ)

(1)風(fēng)流流場(chǎng)的基本分布規(guī)律是：壓入式風(fēng)流從風(fēng)筒出口射出，此時(shí)風(fēng)筒中心風(fēng)速最大，風(fēng)流沿右側(cè)拱頂形成“附壁射流”，卷吸周?chē)橘|(zhì)流動(dòng)。隨著沿程距離的不斷增大，風(fēng)流斷面不斷擴(kuò)大，風(fēng)速逐漸降低，當(dāng)?shù)竭_(dá)掌子面時(shí)由于遇到阻礙風(fēng)流方向發(fā)生折返，然后向洞口方向產(chǎn)生回流。

(2)在京昆高速公路辛莊隧道內(nèi)，當(dāng)風(fēng)筒出口風(fēng)速為20 m/s時(shí)，壓入式風(fēng)筒安裝的最佳距離是距離掌子面40～50 m，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，沒(méi)有大量渦流產(chǎn)生，風(fēng)速也較大，最有利于粉塵的排出。

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Numerical Simulation of the Airlow Field Rules in Tunnel Drill Blasting Construction

JIANG Zhong’anLI TianZHANG Zhe

(SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijingBeijing100083)

In order to solve the high road tunnel drilling and blasting method of construction dust concentration problems ,regarding Jingkun Highway Xinzhuang Tunnel as study background, the Fluent software is applied to conduct numerical simulation for the distribution of airflow field, also it is conducted comparative analysis with field measurement of wind speed distribution and the simulation results are conform to the actual data. The study shows that, when the duct outlet velocity is 20 m/s, the optimal distance of push-duct installed is 40～50 m from the tunnel face and in this context, it is most conducive to the discharge of dust.

tunnelventilation and dust cleaningairflow fielddrill blasting constructionduct arrangement

國(guó)家自然科學(xué)基金(51274024)。

蔣仲安，男，1963年生，博士，教授，研究方向?yàn)榈V山安全技術(shù)、礦井通風(fēng)、職業(yè)危害與粉塵控制技術(shù)、災(zāi)害應(yīng)急信息管理、風(fēng)險(xiǎn)分析與安全評(píng)價(jià)。

2015-06-25)