張國梁 蔣仲安 王睿

摘 ? 要：為解決高海拔施工隧道出渣過程的排氣排放物污染，改善通風排污效果，基于海拔環(huán)境參數(shù)變化和紊流擴散理論，構(gòu)建了高海拔隧道氣體擴散模型. 以海拔3 200 m的川藏鐵路某隧道為研究背景，對洞內(nèi)的環(huán)境參數(shù)和CO分布進行測定，利用SolidWorks和ANSYS建立施工隧道掌子面出渣模型，采用Fluent中的組分輸運方程，對不同海拔高度的有害氣體運移規(guī)律和質(zhì)量分數(shù)分布進行動態(tài)模擬. 結(jié)果表明，隧道中內(nèi)燃機械作業(yè)時，在靠近工作面迎頭位置，CO分布不均勻，極差值較大. 在靠近隧道出口方向，CO分布逐漸趨于平穩(wěn). CO質(zhì)量分數(shù)隨海拔的升高而增加，而CO質(zhì)量濃度卻呈相反的變化趨勢. 從0 m到6 km，CO質(zhì)量分數(shù)上升了96%;由于環(huán)境參數(shù)變化對CO質(zhì)量濃度影響的權(quán)重大于CO排放量，導致CO質(zhì)量濃度下降了18%. 在保證隧道內(nèi)CO質(zhì)量分數(shù)不變的條件下，需風量隨海拔高度呈非線性增加. 根據(jù)得到的需風量計算模型，在海拔3 200 m時，需風量約為4.95 m3/（kW·min）.

關鍵詞：高海拔隧道;需風量;氣體擴散;內(nèi)燃機械;流體模擬

中圖分類號：U25 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Analysis of CO Distribution and Air Demand during

Slagging in High Altitude Tunnel

ZHANG Guoliang1，JIANG Zhong’an1?，WANG Rui2

（1. School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;

2. Sichuan-Tibet Railway Co，Ltd，Chengdu 610047，China）

Abstract：To solve the air pollution in the process of slagging in the high-altitude construction tunnel and improve the effect of ventilation， a high-altitude tunnel gas diffusion model was constructed based on the changes in environmental parameters at altitude and the theory of turbulence diffusion. Taking a tunnel of Sichuan-Tibet Railway at an altitude of 3 200 m as the research background， the environmental parameters and carbon monoxide （CO）concentration in the tunnel were measured. A construction tunnel slagging model was established by SolidWorks and ANSYS softwares. The component transport equation in Fluent was used to dynamically simulate the law of harmful gas migration and mass concentration distribution at different altitudes. The results show that when the internal combustion engine is operated in the tunnel， the CO distribution is uneven and the range is large near the tunnel working face head-on. Near the exit of the tunnel， the CO distribution gradually stabilized. The CO mass fraction in the tunnel increases with the increase of altitude， but the CO mass concentration shows an opposite trend. From 0 m to 6 000 m， the CO mass fraction increased by 96%， but the influence of environmental parameter changes on the CO mass concentration is more important than the CO emissions， resulting in a decrease of 18% in the CO mass concentration. As a result， the air demand increases non-linearly with altitude while keeping the CO mass fraction constant in the tunnel. According to the obtained air demand calculation model， when the altitude is 3 200 m， the air demand is about 4.95 m3/（kW·min）.

Key words：high altitude tunnel;air demand;diffusion in gases;internal combustion engines;flow simulation

隨著西部地區(qū)的快速發(fā)展，對交通網(wǎng)絡的需求日益增加，川藏和青藏等高海拔地區(qū)的盤山公路已不能滿足經(jīng)濟的發(fā)展需求，建設穿越大山的高海拔隧道尤為重要. 近年來，海拔超過3 km的隧道在快速增多，僅川藏鐵路全線設計隧道就多達198座，隧線比高達70.2%. 海拔升高，低壓低氧、寒冷干燥的氣候特點會給隧道建設帶來新的挑戰(zhàn)，其中施工過程中有害氣體濃度上升就是重要問題之一.

由于地下空間工程的有限性和相對密閉性，產(chǎn)生的污染物會嚴重影響作業(yè)人員的健康安全，因此國內(nèi)外學者對地下空間的空氣流動和污染物擴散進行了大量研究. 國外研究較早，且主要集中于對運營隧道和礦井的研究[1-3]. Kanaoka等[4]對施工隧道內(nèi)的風流流動、粉塵濃度分布和顆粒運動特性進行模擬計算，研究了氣流速度、風管結(jié)構(gòu)和顆粒尺寸對通風效果的影響;Hargreaves等[5]模擬了掘進面切割和支護作業(yè)過程對流場的影響. 由于近幾十年我國基礎設施建設的快速發(fā)展，對地下空間安全性的研究逐漸增多[6-8]，其中對礦井和隧道內(nèi)污染物的排放、濃度限值以及控制措施進行了相應的研究[9-12]. 隨著CFD技術的發(fā)展，數(shù)值模擬方法被逐漸推廣到各種工程作業(yè)的流體研究領域中[13-15]. 劉釗春等[16]對施工隧道內(nèi)CO隨時間的擴散進行動態(tài)分析. 同時，隨著大量高海拔隧道的修建，國內(nèi)對高原環(huán)境下的隧道通風展開了一定的研究;受限于地理環(huán)境的原因，國外對高原環(huán)境影響下的隧道通風和污染物擴散研究較少. 孫三祥等[17]針對不同的排氣排放位置，研究了自卸車出渣過程中CO對隧道施工環(huán)境的影響;曹正卯等[18]對不同海拔隧道內(nèi)有害氣體和粉塵的運移特性及濃度分布進行了數(shù)值模擬分析;王峰等[19]、嚴濤等[20]對高海拔隧道施工和運營過程中CO濃度變化的海拔系數(shù)控制標準進行了分析. 目前的研究主要是關于CO質(zhì)量濃度隨海拔的變化以及海拔系數(shù)的計算，對于出渣過程中CO各種濃度之間的定量分析和隨海拔變化的原因研究較少，且目前規(guī)程規(guī)定的隧道內(nèi)燃機械需風量并沒有考慮海拔上升的影響.

本文依托川藏鐵路某在建隧道，根據(jù)海拔上升后黏性流體運動擴散特性變化，對不同海拔高度隧道出渣過程CO質(zhì)量分數(shù)（W

mf（CO））和質(zhì)量濃度（W

mc（CO））變化的影響因素和需風量進行研究，為高海拔隧道施工通風設計提供理論依據(jù).

1 ? 高海拔隧道內(nèi)氣體擴散模型構(gòu)建及CO分

布測定

在高海拔地區(qū)，環(huán)境的氣壓、氣體密度、溫度和氧含量等物理參數(shù)會發(fā)生顯著變化，從而影響人員工作和設備運行. 在高海拔地區(qū)作業(yè)，特別是隧道掘進、礦山開采等勞動強度較大的作業(yè)種類，必須考慮環(huán)境參數(shù)變化的影響. 考慮到溫度的變化，在大氣對流層，氣溫下降幅度約每1 000 m下降6.5 ℃，根據(jù)氣體多狀態(tài)方程，大氣壓隨海拔下降的計算公式如式（1）所示. 在常溫低壓條件下，空氣可近似看作理想氣體，符合Clapeyron方程. 隨著海拔上升，氣壓和溫度下降，氣體密度相應降低.

p = p01 -

（1）

式中：p0為標準大氣壓，101 325 Pa;μ為空氣的摩爾質(zhì)量，29 g/mol;g為重力加速度，9.8 m/s2;R0為通用氣體常數(shù)，8.314 kJ/（kmol·K）;T為空氣的絕對溫度，K;H為海拔高度，km;根據(jù)地學基本數(shù)據(jù)手冊取n =1.234 962.

在開闊環(huán)境中氧氣的體積分數(shù)始終為20.9%，不隨海拔高度變化，氧分壓為0.209p. 當大氣壓隨海拔升高而降低后，氧分壓和氧含量會相應降低，出現(xiàn)缺氧癥狀. 同時，在有限空間內(nèi)，由于氧含量下降，內(nèi)燃機械燃燒不充分，機動車產(chǎn)生的有害氣體增多，特別是CO和氮氧化物，會嚴重影響作業(yè)安全.

1.1 ? 高海拔隧道內(nèi)氣體擴散模型構(gòu)建

在隨流擴散條件下，施工隧道掌子面有害氣體的運動，除了分子擴散，還存在紊流擴散和沿隧道走向的縱向彌散，導致氣體會沿橫向、縱向和豎向進行摻混，并隨風流充滿整個隧道. 由于紊流擴散系數(shù)和彌散系數(shù)要遠大于分子擴散系數(shù)，所以分子擴散系數(shù)可忽略. 其中，縱向彌散系數(shù)為Ex，紊流擴散系數(shù)為Dx、Dy、Dz，但Ex >>Dx，結(jié)合文獻[21]，得到掌子面氣體擴散微分方程為：

+vx=Ex+Dy+Dz ? ? （2）

對于隧道作業(yè)，若設定污染源為坐標原點，則可求得瞬時點源有害氣體隨時空變化微分方程的一般解：

式中：c為空間某點的氣體質(zhì)量濃度，mg/m3;M為單位時間氣體的產(chǎn)生量，mg/s;v為掌子面平均風速，m/s;t為時間，s.

根據(jù)高斯擴散定律，研究隧道內(nèi)氣體擴散規(guī)律，近似采用鏡像法計算氣體質(zhì)量濃度，即污染源在隧道四周有對應的虛擬點源. 空間內(nèi)某點P（x，y，z）的氣體質(zhì)量濃度可看作是實源和虛源的疊加. 設污染源位于地面，且距左右壁面距離為l，距隧道頂部距離為h，則左右壁面鏡像的虛擬源坐標為（0，2l，0）、（0，-2l，0），頂部虛擬源為（0，0，2h），地面的實源和虛源坐標相同. 在紊流擴散和縱向彌散作用下，空間任意點在t時刻的氣體累積質(zhì)量濃度為：

根據(jù)紊流擴散理論[22]，在隧道傳質(zhì)過程中式（4）的紊流擴散系數(shù)Dy、Dz和縱向彌散系數(shù)Ex分別為：

Ex = 204.937av ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

Dy = 0.356 6avRe-0.04 ? ?（6）

Dz = 0.356 6avRe-0.04 ? ?（7）

式中：a為隧道斷面水力半徑，m;α為壁面摩擦阻力系數(shù);Re為雷諾數(shù);ry、rz分別為y和z方向距隧道中心點距離，m.

從前面的分析可以看出：高原環(huán)境對施工隧道內(nèi)氣體擴散模型的影響，一是由于氧含量下降，隧道內(nèi)機械設備排放的廢氣量M顯著增大;二是在紊流狀態(tài)下α = λρ/8，當海拔升高后，空氣密度ρ下降，而流體處于紊流粗糙管區(qū)時，沿程阻力系數(shù)λ不變，因此α隨ρ同比例降低，對應的Ex、Dy和Dz也降低. 因此，海拔上升會對隧道內(nèi)氣體擴散產(chǎn)生明顯影響.

1.2 ? 隧道內(nèi)CO分布測定

川藏鐵路某隧道設計全長21 km，入口段軌面高度3 200 m，最大埋深1 235 m，鉆爆法施工，采用無軌運輸與皮帶結(jié)合的運輸方式. 采用TSI多參數(shù)儀和Drager Pac5500檢測儀進行測定. 其中，隧道正洞、輔助坑道和主要掌子面位置出渣時的大氣壓力、溫濕度和風速測定結(jié)果如表1所示. 由表1可知，環(huán)境大氣壓力和密度明顯降低，僅為標準環(huán)境的67%，導致隧道內(nèi)內(nèi)燃機燃燒不充分，出現(xiàn)CO質(zhì)量濃度超過規(guī)定值（30 mg/m3）、O2質(zhì)量分數(shù)低于20%的現(xiàn)象.

對整個施工隧道正洞、輔助坑道和掌子面的CO和O2質(zhì)量分數(shù)進行測定，共測定34個位置. 監(jiān)測得到CO高于規(guī)定值的點有13個，約占38.2%;O2低于規(guī)定值的點有10個，約29.4%，其中不符合規(guī)程的位置主要集中在隧道獨頭掘進段. 由于機械設備運轉(zhuǎn)，隧道掌子面施工環(huán)境較差，存在不適宜長期作業(yè)的區(qū)域.

隧道內(nèi)污染物濃度超標的主要原因是機械設備的運行所產(chǎn)生的排放物和爆破煙塵導致. 掌子面爆破后，隧道內(nèi)主要的機械設備有挖掘機、自卸車、臺車、水泥罐車和濕噴機械手等，施工過程中設備并不是一直處于運轉(zhuǎn)狀態(tài). 1#掌子面現(xiàn)場施工機械設備種類及功率如表2所示. 使用率高的設備為挖掘機和自卸車，臺車、濕噴機械手和水泥罐車的使用率較低. 最終計算得到出渣過程設備的總運行功率約為560 kW.

《鐵路隧道設計規(guī)范》規(guī)定，隧道中內(nèi)燃機械作業(yè)時，需風量不小于3 m3/（kW·min）. 由于1#掌子面作業(yè)的機械設備總功率為560 kW，因此風量應不低于1 680 m3/min. 為滿足最小需風量，調(diào)整入口風機頻率，在掌子面風流穩(wěn)定區(qū)對斷面風速進行測定，測得9個點的平均風速為0.32 m/s，滿足需風量要求.

為分析掌子面內(nèi)的W

mf（CO），對1#掌子面出渣時W

mf（CO）進行測定. 測點布置如圖1所示，在隧道同一截面位置測定3個點. 出渣10 min后，掌子面呼吸帶高度W

mf（CO）沿程變化如圖1所示. 由圖1可知，隧道同一截面位置W

mf（CO）相差較小;在掌子面掘進段位置，由于挖掘機和自卸車的持續(xù)運行導致W

mf（CO）較高，最高達0.012%;在靠近掌子面出口位置，W

mf（CO）逐漸下降，但依然在0.005%左右，明顯高于規(guī)定值.

由以上實測和分析可知，對于高海拔隧道出渣過程中有害氣體質(zhì)量分數(shù)及需風量的變化需進一步研究. 隧道內(nèi)機動車排氣排放物含有多種有害氣體，但CO和氮氧化物的含量較高，且對人體危害較大. 因此，施工隧道通風設計中規(guī)定，對于內(nèi)燃機械產(chǎn)生的有害物質(zhì)排放的衛(wèi)生標準以稀釋CO為主，必要時考慮NO2. 因此，本文以CO為主要研究對象，對其在不同海拔下的動態(tài)擴散進行研究.

2 ? 施工隧道幾何模型的建立與求解

2.1 ? 幾何模型和網(wǎng)格劃分

為研究施工隧道掌子面出渣過程海拔高度對有害氣體擴散的影響，以該隧道為背景，建立幾何模型. 為得到可靠的模擬結(jié)果，建立的模型需符合現(xiàn)場情況，但完全復制現(xiàn)場細節(jié)較難，且隧道內(nèi)有些設施和活動對結(jié)果影響較小. 因此，在綜合考慮計算機性能和模擬精度的基礎上，采用SolidWorks按1 ∶ 1建立該隧道1#掌子面施工模型，如圖2所示. 隧道尺寸10 m×9 m×230 m，掘進段附近設置一臺挖掘機和兩臺自卸車進行出渣作業(yè);采用壓入式通風，風筒懸掛于隧道右側(cè)，出口距工作面迎頭30 m. 其中風筒直徑1.8 m，距地面6 m，供風管和供水管直徑均為0.15 m，仰拱施工段和二次襯砌澆筑臺車距迎頭分別為40 m和50 m. 將建好的模型導入ANSYS Workbench中進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，如圖2所示.

在數(shù)值模擬試驗中，網(wǎng)格獨立性驗證是重要的一步. 在研究不同橫向風速下隨流氣體擴散運動時，氣流是影響模擬結(jié)果的主要載體，因此將風速設定為網(wǎng)格獨立性驗證的主要參數(shù). 采用Meshing將模型劃分出3種不同數(shù)量的網(wǎng)格，即方案1（696 876）、方案2（818 326）、方案3（1 105 478）. 針對3種不同的網(wǎng)格，分別進行獨立性檢驗，結(jié)果如圖3所示. 由圖3可知，雖然3種方案劃分的網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量不同，但隧道內(nèi)風速的模擬結(jié)果差異性較小，滿足獨立性驗證. 考慮到計算機性能和網(wǎng)格質(zhì)量，采用方案2劃分的網(wǎng)格，其平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.84，最大為1，最小為0.70.

2.2 ? 計算模型參數(shù)和邊界條件確定

根據(jù)Fluent中湍流和組分輸運模型的設定要求，對模擬的邊界條件和求解參數(shù)進行設置，求解在不同海拔高度和風速下CO的運移情況. 采用CFD-post和Origin對模擬結(jié)果進行處理與分析，得出施工隧道的流場分布、氣體運移軌跡和空間分布.

1）基本簡化及假設. ①忽略隧道內(nèi)設備、人員和圍巖與風流的熱交換，默認施工隧道內(nèi)風流為低速不可壓縮流體;②排放的有害氣體在擴散過程中不發(fā)生化學反應以及相變反應;③不考慮隧道內(nèi)人員和車輛的隨機運動對CO擴散的影響，僅考慮固定安裝且具有特定功能的設備，車輛在模擬過程中無位移變化.

2）邊界條件. ①入口邊界：風筒出口為速度入口，風筒風量為1 680 m3/min;②出口邊界：設置為自由出流（outflow）;③壁面邊界：隧道壁面采用絕熱無滑移壁面，平均粗糙高度Rh為0.09 m，粗糙常數(shù)Rc為0.6;④求解器選擇壓力基，湍流模型為Realizable k-ε，求解方法為Simple，離散格式為二階迎風.

3）初始條件. 隧道內(nèi)機動車排放的尾氣包含多種有害物質(zhì)，其中CO、HC和NO2對人體危害較大. 根據(jù)《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法》，柴油機在標準狀態(tài)下排放CO的限值為2.1 g/（kW·h）. 在高海拔地區(qū)由于低壓低氧環(huán)境影響，燃燒不充分，排放的有害氣體增加. 《公路隧道通風設計細則》中對內(nèi)燃機有害氣體排放量的海拔高度修正系數(shù)（fge）進行了規(guī)定，見式（8），其中h為海拔高度（km）.

fge = h/1.8 + 7/9 ? ? ? （8）

當隧道海拔為3 200 m時，fge約為2.56. 機械設備的總功率為560 kW，將其折合成一輛挖掘機和兩輛自卸車作業(yè)，如圖2所示. 在挖掘機和自卸車排氣管設置流量入口，CO具體排放量和功率如表3所示.

3 ? 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 ? 掌子面出渣過程CO的動態(tài)擴散

隧道內(nèi)污染物分布與流場和壓力場密切相關， 根據(jù)隧道施工方案，對掌子面流場分布進行模擬. 隧道的空氣動力黏度分布為1.70×10-5 Pa·s，CO擴散系數(shù)為1.74×10-5 m2/s，風筒風量為1 680 m3/min. 模擬得到隧道內(nèi)流線與風速體如圖4所示. 由圖4可知，風筒射流經(jīng)出口排出后，與邊界層發(fā)生動量交換，形成錐形氣流場;同時，向前運動過程中，隨著帶動的擾動氣流增多，射流半徑擴大，風速降低. 在風筒的另一側(cè)會形成回流區(qū)，兩種氣流相遇，發(fā)生沖擊、摻混和整合;再加上施工機械、臺車等的影響，會形成渦流，風速分布極不均勻;但繼續(xù)向前一定距離，風速的極差值逐漸降低;在臺車后，流場分布逐漸均勻，穩(wěn)定在0.30 m/s附近.

在流場模擬的基礎上，對高海拔隧道內(nèi)CO的擴散進行分析，模擬出渣時機動車尾氣對隧道的污染效應. 采用組分輸運模型在排氣管位置設置污染源，其中擴散物為CO，得到CO隨時間的運動軌跡如圖5所示. 由圖5可知，CO由排氣管產(chǎn)生后，逐漸充滿整個斷面，并在橫向風流的作用下向出口方向擴散，約210 s后達到穩(wěn)定;由于渦流的影響，CO除了向出口方向擴散，也會迅速充滿掘進段附近區(qū)域. 挖掘機和自卸車排放的CO在自卸車前方相遇，導致該區(qū)域W?mf（CO）較高;且在風筒射流的卷席作用下，CO會向右上方擴散;通過臺車后，隨著流場的穩(wěn)定，CO分布也逐漸均勻.

由以上分析可知，在海拔3 200 m的環(huán)境下，由于機動車排放量的增加和環(huán)境參數(shù)的變化，隧道內(nèi)CO的量遠高于平原地區(qū). 因此，對于高原地區(qū)的在建隧道，必須考慮海拔上升后對隧道內(nèi)污染物濃度的影響，保障隧道內(nèi)長期作業(yè)人員的健康與安全.

3.2 ? 現(xiàn)場測定及數(shù)值模擬結(jié)果驗證

為檢測模擬結(jié)果的準確性，將現(xiàn)場測定的同一截面呼吸帶高度的W

mf（CO）取平均值，與模擬結(jié)果進行對比分析，如圖7所示.

1）靠近掘進段附近由于挖掘機和自卸車的持續(xù)運行，導致W

mf（CO）較高，高于規(guī)定值;但沿著出口方向，W

mf（CO）逐漸下降，穩(wěn)定在0.005%附近.

2）模擬結(jié)果與實測結(jié)果整體變化規(guī)律相近，特別是臺車到出口位置的W

mf（CO）更為相近. 但在掘進段位置存在一定的差別，模擬結(jié)果變化幅度較大，而實測值在10 m后整體呈下降趨勢.

由于臺車后側(cè)穩(wěn)定區(qū)的模擬結(jié)果與實測值基本吻合，且研究主要基于穩(wěn)定區(qū)的W

mf（CO）進行分析. 因此，在該邊界條件設置下得到的結(jié)果，可進一步用于對其他海拔高度的研究.

3.3 ? 不同海拔施工隧道出渣時氣體擴散情況分析

當海拔上升時，環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化，隧道內(nèi)氣體濃度都會存在明顯差異. 選取t = 250 s時隧道內(nèi)CO分布進行定量分析，此時CO分布達到穩(wěn)定狀態(tài). 沿CO擴散軌跡截取距迎頭距離分別為5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120、140、160、180、200和220 m共17個截面，計算其平均濃度. 模擬在1 680 m3/min風量下，海拔分別為0、2、4和6 km環(huán)境下的W

mc（CO）和W

mf（CO）沿隧道走向的變化趨勢. 不同海拔的環(huán)境參數(shù)設置如表4所示.

隧道內(nèi)CO運移規(guī)律隨海拔高度變化的主要原因有兩個. 一是海拔上升，環(huán)境壓力下降，相同質(zhì)量的有害物質(zhì)，其體積增加;二是在高原低壓低氧環(huán)境下，柴油機燃燒不充分，排放量增加. 根據(jù)以上分析，進行模擬，得到不同海拔下W

mf（CO）和W

mc（CO）分別如圖8和圖9所示，從圖中看出：

1）隧道內(nèi)CO分布達到穩(wěn)定狀態(tài)后，不同海拔環(huán)境下，沿隧道走向的W

mf（CO）分布趨勢相近;但隨著海拔升高，其數(shù)值逐漸增大，且增大的幅度越來越快. 在隧道出口CO穩(wěn)定區(qū)，從0 m到6 km，W

mf（CO）從0.002 8%增加到0.005 5%，增加幅度R1、R2、R3分別為23%、51%和96%.

2）隧道內(nèi)W

mc（CO）沿隧道走向的變化趨勢與W

mf（CO）基本一致. 在掘進段和襯砌支護段W

mc（CO）較大，且不穩(wěn)定;但繼續(xù)向隧道出口方向運動，W

mc（CO）分布逐漸趨于平穩(wěn).

3）與W

mf（CO）相反，隧道內(nèi)W

mc（CO）隨著海拔高度升高呈下降趨勢. 雖然機動車排放量增加，但由于環(huán)境壓力降低，CO體積擴大，導致單位空間的CO質(zhì)量下降. 從0 m上升到6 km，W

mc（CO）下降約18%.

3.4 ? 排放量與環(huán)境參數(shù)對W

mf（CO）和W

mc（CO）的影響

根據(jù)海拔上升隧道內(nèi)CO分布的模擬結(jié)果，采用相同的方法，針對海拔上升后環(huán)境參數(shù)改變和機動車CO排放量（MCO）增加對隧道內(nèi)有害氣體運移規(guī)律的影響，分別模擬單因素（只改變環(huán)境參數(shù)或MCO）和多因素（同時改變環(huán)境參數(shù)和MCO）條件下，隧道內(nèi)W

mf（CO）和W

mc（CO）的空間分布規(guī)律變化. 根據(jù)模擬結(jié)果，對各海拔高度下不同斷面的平均濃度進行分析，發(fā)現(xiàn)距工作面迎頭75 m后的區(qū)域變化較穩(wěn)定. 計算其與海拔0 ?m時的比例系數(shù)，并取平均值，得到如表5和圖10所示的結(jié)果.

1）只改變MCO時，隧道內(nèi)W

mf（CO）和W

mc（CO）都隨海拔上升而增加，且增加的幅度基本相同. 但在風流的混合和稀釋作用下，其增加幅度要遠小于MCO的增加幅度.

2）只改變環(huán)境參數(shù)時，隧道內(nèi)W

mf（CO）和W

mc（CO）隨海拔上升呈現(xiàn)出不同的變化趨勢;W

mf（CO）隨海拔升高呈增大趨勢，但W

mc（CO）卻呈下降趨勢. 這是由于海拔上升，單位體積內(nèi)氣體的摩爾數(shù)和CO質(zhì)量下降，導致W

mc（CO）降低;但由于MCO固定，所以單位體積內(nèi)CO所占的質(zhì)量分數(shù)卻在增加.

3）同時考慮環(huán)境參數(shù)和MCO變化時，隧道內(nèi)W

mf（CO）和W

mc（CO）隨海拔上升依舊呈相反的變化趨勢. 這是由于MCO增加導致的結(jié)果，與只改變環(huán)境參數(shù)相比，隧道內(nèi)W

mc（CO）下降幅度變小，W

mf（CO）的上升幅度變大.

將模擬得到的多因素條件下W

mf（CO）和W

mc（CO）隨海拔變化的比例系數(shù)進行曲線擬合，如式（9）和式（10）.

fmf = 0.015 5 h2 + 0.053 h + 1.005 4 ? ? ? （9）

fmc = 0.002 1 h2 - 0.034 h + 0.988 7 ? ? ? （10）

4 ? 不同海拔施工隧道內(nèi)燃機械作業(yè)需風量計

算模型

在高原地區(qū)，氧分壓和氧含量下降，人體呼吸頻率變化較小. 為彌補氧含量的降低，人體會通過增加呼吸深度來進行適應性調(diào)整，即增大潮氣量. CO對人體的影響主要取決于吸入空氣中的W

mf（CO）大小. 為使吸入的CO不對人體造成傷害，應保證環(huán)境中W

mf（CO）不超過人體承受限度. 雖然普通隧道作業(yè)規(guī)定W

mc（CO）不超過30 mg/m3;但海拔升高后，在相同質(zhì)量濃度條件下，W

mf（CO）會增加. 由前面的模擬結(jié)果可知，海拔上升后，機動車CO排放量增加，會導致隧道內(nèi)W

mf（CO）增大. 目前，為降低隧道內(nèi)空氣中有害氣體的濃度，除了在源頭進行控制（降低機動車排放量），主要方法是增加風量，加強洞內(nèi)氣體流通.

為準確得到不同海拔內(nèi)燃機作業(yè)需風量，在各海拔環(huán)境下，保持機械設備總功率560 kW不變，在規(guī)定的3 m3/（kW·min）需風量基礎上，增大風筒入口風量，觀察隧道內(nèi)W

mf（CO）變化;并與海拔0 m、通風量3 m3/（kW·min）時的模擬值進行對比. 模擬得到在海拔1 ～ 6 km環(huán)境下，不同通風量時的隧道內(nèi)W

mf（CO）變化，如圖11所示，從圖中可以看出：

1）隨著通風量的增加，隧道內(nèi)有害物質(zhì)的排出速率加快，導致穩(wěn)定狀態(tài)下的W

mf（CO）降低. 因此，可通過增加風量解決由海拔上升引起的W

mf（CO）超標問題.

2）在各個海拔高度下，當通風量分別為3.28、3.86、4.82、5.78、7.23和8.67 m3/（kW·min）時，穩(wěn)定區(qū)的W

mf（CO）與海拔0 m、通風量3 m3/（kW·min）條件下的模擬值大致相同，穩(wěn)定在0.003 4%附近. 在該狀態(tài)下，海拔升高，人體吸入空氣中的CO所占比例不變，不會危及隧道作業(yè)人員的安全.

根據(jù)得到的不同海拔的需風量繪制散點圖，如圖12所示. 可以看到，內(nèi)燃機械的需風量隨海拔的上升呈非線性增大趨勢. 因此，為方便不同海拔施工隧道進行通風設計，進行曲線擬合，得到任意海拔高度下的需風量計算模型，如式（11）所示. 同時，計算得到川藏鐵路該隧道的內(nèi)燃機械需風量應為4.95 m3/（kW·min）.

Qh（h） = 0.120 8 h2 + 0.233 2 h + 2.963 8 ? ? ? （11）

根據(jù)得到的不同海拔隧道的需風量進行模擬，得到隧道W

mc（CO）變化，如圖13所示. 可以看出，當不同海拔隧道內(nèi)W

mf（CO）保持不變時，W

mc（CO）隨海拔上升而均勻下降，從0 m到6 km，下降幅度高達50%. 考慮到CO對人體的影響主要是吸入的氣體中W

mf（CO）. 因此，為保證海拔上升后隧道內(nèi)W

mf（CO）不發(fā)生變化，同時降低通風難度，W

mc（CO）限值不應為定值，而應隨海拔高度的升高而降低.

5 ? 結(jié) ? 論

1）內(nèi)燃機械產(chǎn)生的CO在橫向風流的影響下，除了向隧道出口方向擴散，也會擴散到掘進段附近，但W

mf（CO）相對較低. 在前50 m范圍內(nèi)（掘進段和襯砌支護段），由于渦流的影響，W

mf（CO）分布不均勻，極差值較大. 但繼續(xù)向隧道出口方向運動，CO分布逐漸趨于平穩(wěn).

2）不同海拔環(huán)境下，沿隧道走向W

mf（CO）分布趨勢相近;海拔升高后，其數(shù)值逐漸增大，且增大的幅度越來越快. 在掌子面出口附近的CO穩(wěn)定區(qū)，從0 m到6 km，W

mf（CO）從0.002 8%增加到了0.005 5%.

3）海拔升高后，隧道內(nèi)W

mf（CO）和W

mc（CO）呈相反的變化趨勢，從0 m到6 km，W

mf（CO）上升了96%，W

mc（CO）下降18%. W

mf（CO）和W

mc（CO）發(fā)生變化的主要因素是環(huán)境參數(shù)的改變和CO排放量的增加;但環(huán)境參數(shù)的權(quán)重要大于CO排放量，導致雖然機動車排放量在增加，但隧道內(nèi)的W

mc（CO）卻在下降.

4）在保證不同海拔隧道內(nèi)W

mf（CO）不變的條件下，需風量呈非線性增大趨勢，其中該隧道海拔3 200 m，需風量為4.95 m3/（kW·min）;但W

mc（CO）卻在下降，海拔從0 m到6 km，W

mc（CO）下降幅度達50%.

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收稿日期：2020-08-11

基金項目：中國國家鐵路集團有限公司資助項目（P2019G001），China National Railway Group Co，Ltd（P2019G001）;國家自然科學基金資助項目（51874016），National Natural Science Foundation of China（51874016）;國家重點研發(fā)計劃資助項目（2016YFC0801700），National Key Research and Development Program of China （2016YFC0801700）

作者簡介：張國梁（1994—），男，山西朔州人，北京科技大學博士研究生

通信聯(lián)系人，E-mail：jza1963@263.net