馬希平
(中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司 山西太原 030024)
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對交通需求的急劇增加,直接推動(dòng)我國隧道建設(shè)取得前所未有的成就,但由于我國地質(zhì)條件的復(fù)雜性,加之線路線形的確定,不可避免地涌現(xiàn)出大量特長隧道的工程案例[1]。在特長隧道修建過程中,斜井施工也是其中關(guān)鍵的一環(huán),斜井反井法施工在當(dāng)前得到大量推廣及應(yīng)用,其施工通風(fēng)問題也隨之得到各界學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究。
斜井反井法施工,是從主洞與斜井交叉口向斜井洞口方向掘進(jìn)的施工方法[2]。在斜井掘進(jìn)過程中,洞內(nèi)污染氣體、煙塵等有害氣體沿斜井縱坡向上匯集,破壞洞內(nèi)施工環(huán)境。同時(shí),掌子面位置要高于交叉口,存在高程差,且掌子面附近因機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)而導(dǎo)致空氣溫度較高,致使交叉口與掌子面存在熱位差,對洞內(nèi)的風(fēng)流造成影響,增加了通風(fēng)難度[3-5]。因此,有必要對反井法施工過程中通風(fēng)問題進(jìn)行研究,保證洞內(nèi)施工空氣質(zhì)量,進(jìn)而保障隧道施工安全。
本文依托雅康高速公路二郎山特長隧道,采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法,在考慮熱位差的條件下,研究熱位差對斜井反井法施工通風(fēng)的影響,并對反井法施工通風(fēng)阻力計(jì)算公式進(jìn)行修正,研究成果可為隧道施工過程中的施工通風(fēng)提供參考和經(jīng)驗(yàn)。
二郎山特長隧道是雅安至康定高速公路重點(diǎn)控制性工程,隧道長約13.4 km。采用四斜井三區(qū)段分段縱向式通風(fēng)[6],康定端排風(fēng)斜井長1 734 m,康定端送風(fēng)斜井長1 716 m,坡度分別為11.09%和10.56%。斜井與主洞交叉口距離左洞、右洞洞口分別為4 484.2 m、4 445 m。斜井采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)[7],斜井左、右線各配置1臺軸流風(fēng)機(jī)、兩臺軸流風(fēng)機(jī),均放置在與主洞右線相連的聯(lián)絡(luò)風(fēng)道內(nèi),并在與主洞左線相連的聯(lián)絡(luò)風(fēng)道內(nèi)設(shè)置1臺射流風(fēng)機(jī),引導(dǎo)風(fēng)流,將斜井污風(fēng)排向主洞(注:主洞與斜井改進(jìn)型巷道式通風(fēng)中,右線為新鮮風(fēng)送風(fēng)道,左線為污風(fēng)排風(fēng)道)。
依據(jù)二郎山特長隧道斜井掘進(jìn)現(xiàn)場實(shí)際情況,運(yùn)用FLUENT軟件建立與現(xiàn)場實(shí)際相符的幾何分析模型,對壓入式通風(fēng)爆破粉塵的擴(kuò)散運(yùn)移情況進(jìn)行數(shù)值模擬[8-10]。由于影響巷道內(nèi)風(fēng)流流動(dòng)的因素較多,為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,引入如下假設(shè)進(jìn)行適當(dāng)簡化:(1)風(fēng)流在井下巷道流動(dòng)過程中,可忽略壓縮性的影響;(2)巷道側(cè)壁、頂板和底板表面平整、密閉,不漏風(fēng);(3)掌子面掘進(jìn)迎頭端面為粉塵射流源,爆破后,粉塵從迎頭端面沿Z軸負(fù)方向(巷道掘進(jìn)反方向)以6 m/s的速度向洞身范圍擴(kuò)散,X軸、Y軸方向上速度為 0;(4)忽略爆破粉塵間的相互作用[11-12]。
簡化后的幾何模型尺寸如下:掘進(jìn)巷道長約1 000 m,坡度為10%,無支護(hù),斷面形式接近三心拱,凈寬度9 m,拱高7.2 m,凈面積56 m2,送風(fēng)管道中心點(diǎn)距地面高3.5 m,風(fēng)管出風(fēng)口處風(fēng)速為10 m/s。斜井模型正視圖如圖1所示,斜井模型三維圖如圖2所示。
圖1 斜井模型正視圖
圖2 斜井模型三維圖
幾何模型網(wǎng)格劃分利用GAMBIT軟件進(jìn)行,網(wǎng)格類型為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,Elements項(xiàng)選擇 Tet/Hybrid形式,Type項(xiàng)選擇TGrid形式。劃分網(wǎng)格后的幾何模型如圖3、圖4所示。
圖3 斜井掌子面附近網(wǎng)格劃分
圖4 斜井橫斷面網(wǎng)格劃分
任何流體動(dòng)力學(xué)特性都可運(yùn)用三大守恒定律來求解,不同的流體求解得到的結(jié)果之所以不同,是因?yàn)楦髁黧w域設(shè)置的邊界條件不同。對于巷內(nèi)爆破粉塵擴(kuò)散及濃度分布的模擬,主要采用的邊界條件為入口邊界、出口邊界、壁面邊界,見表1至表5。
表1 計(jì)算模型設(shè)定
表2 離散相模型設(shè)定
表3 邊界條件設(shè)定
表4 操作條件參數(shù)設(shè)定
表5 射流源參數(shù)設(shè)定
當(dāng)塵粒與幾何模型邊界(如壁面、出口、入口)相交時(shí),塵粒通過CFD使用離散邊界條件來規(guī)定,以滿足此界面的條件。
(1)Reflect邊界條件
表示塵粒到達(dá)該邊界面時(shí)將發(fā)生彈性或非彈性碰撞。
(2)Trap邊界條件
表示塵粒到達(dá)該邊界面時(shí)將被捕捉。揮發(fā)性顆粒將在此處被釋放到氣相中,而非揮發(fā)性顆粒軌道則在此處終止,軌跡模擬結(jié)果被標(biāo)記為“Trapped”。
(3)Escape邊界條件
表示塵??纱┻^該邊界面發(fā)生逃逸,軌道的計(jì)算在此處終止,軌跡模擬結(jié)果被標(biāo)記為“Escaped”。
(4)Interior邊界條件
表示塵粒穿越該邊界面后,進(jìn)入其內(nèi)部流動(dòng)區(qū)域,如多孔介質(zhì)斷面。
對于該幾何模型,壓入式通風(fēng)風(fēng)筒出風(fēng)口、巷道出口離散相邊界條件均設(shè)置為“Escape”,巷道的底板、頂板、側(cè)壁設(shè)置為“Reflect”。
考慮到實(shí)際工程中,二郎山特長隧道斜井掌子面與斜井交叉口之間存在溫度差異,可能對洞內(nèi)的風(fēng)流造成影響,故在模擬中開啟自然對流模型,掌子面附近溫度根據(jù)現(xiàn)場資料設(shè)置為30℃,斜井入口處溫度設(shè)置為25℃。
經(jīng)過模擬得到爆破粉塵在通風(fēng)不同時(shí)間擴(kuò)散及濃度分布情況,截取各時(shí)刻高度為Y=1.5 m平面的濃度分布云圖進(jìn)行分析,如圖5所示。
(1)爆破發(fā)生后,爆破粉塵從迎頭端面高速噴出,在自身動(dòng)量作用下向周圍迅速擴(kuò)散,但由于呼吸性粉塵粒徑較小,受到空氣阻力較大,速度衰減快,所以擴(kuò)散距離很短,作業(yè)面空間粉塵濃度瞬間變大,T=10 s時(shí),掌子面附近最大粉塵濃度為4 621 mg/m3。
(2)當(dāng)壓入式通風(fēng)射流從風(fēng)筒出口高速射出后,將以貼壁射流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律發(fā)展,不斷卷吸周圍的空氣及粉塵,作業(yè)面被新鮮風(fēng)流沖洗,附近空間粉塵濃度逐漸降低,射流體內(nèi)空氣的含塵濃度不斷升高,T=300 s時(shí),掌子面附近最大粉塵濃度為2 391 mg/m3。
(3)在通風(fēng)1 500 s后,隨著通風(fēng)時(shí)間增大,洞內(nèi)粉塵在風(fēng)流引導(dǎo)下沿壁面向洞外排出,此時(shí)可以明顯看出1.5 m高度處的粉塵主要集中在隧道左側(cè),即風(fēng)流向外的一側(cè),但是由于掌子面附近存在風(fēng)流渦流區(qū),導(dǎo)致少部分粉塵漂浮至隧道右側(cè)。
(4)通風(fēng)2 100 s后,巷道內(nèi)的粉塵基本被排出,濃度達(dá)到規(guī)范中工作面粉塵濃度要求,可允許工人進(jìn)入作業(yè),此時(shí)掌子面附近粉塵濃度為12.4 mg/m3。
為了研究熱位差對通風(fēng)系統(tǒng)的影響,通過計(jì)算忽略熱位差時(shí)洞內(nèi)的粉塵濃度,并對比考慮熱位差時(shí)洞內(nèi)的粉塵濃度計(jì)算結(jié)果,得到熱位差在反井施工通風(fēng)中的影響。
模擬時(shí)關(guān)閉自然對流模型,不考慮斜井交叉口與掌子面處的溫度差,計(jì)算完成后仍提取距掌子面附近30 m處斷面的粉塵濃度結(jié)果,并與考慮熱位差時(shí)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,繪制不同條件下的粉塵濃度計(jì)算結(jié)果對比曲線,如圖6所示。
由圖6可知:在忽略熱位差條件下進(jìn)行計(jì)算時(shí),距掌子面30 m處的粉塵濃度值在不同時(shí)刻相較于考慮熱位差條件下的計(jì)算結(jié)果要低,但總體趨勢兩者相似。分析其原因,是由于掌子面與斜井交叉口存在高程差以及溫度差,最終使得斜井交叉口與掌子面存在向洞內(nèi)方向的熱位差,且與污風(fēng)風(fēng)流出流方向相反,在通風(fēng)系統(tǒng)中起到阻力的不利作用,不利于洞內(nèi)污染物的排出,故在反井法施工通風(fēng)設(shè)計(jì)中,計(jì)算沿程阻力時(shí),應(yīng)考慮熱位差對洞內(nèi)風(fēng)流的影響。
圖6 距掌子面30 m處粉塵濃度結(jié)果對比
通過對比分析隧道內(nèi)爆破施工粉塵濃度測試結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果,驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。
(1)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)
測試距離掌子面附近30 m處爆破施工過程中不同時(shí)間段的粉塵濃度,測試結(jié)果如表6所示。
表6 爆破工序粉塵濃度測試結(jié)果
(2)對比分析
對數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行繪圖,結(jié)果如圖7所示。
由圖7可知:數(shù)值模擬結(jié)果在300 s時(shí)計(jì)算得到的粉塵濃度略大于實(shí)測斷面粉塵濃度;在900 s、1 500 s、2 100 s時(shí),數(shù)值模擬結(jié)果比實(shí)測結(jié)果相對較小,但數(shù)值模擬結(jié)果的粉塵濃度變化曲線與實(shí)測濃度曲線的變化趨勢非常接近,可以認(rèn)為數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可靠。
圖7 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比曲線
斜井洞口與交叉口存在高差,如果斜井內(nèi)氣溫高于斜井洞口氣溫,則斜井內(nèi)空氣密度比斜井洞口的空氣密度小,斜井洞口處空氣有流入斜井內(nèi)的趨勢,即浮升效應(yīng);反之,則斜井內(nèi)空氣有從斜井內(nèi)流出斜井洞口的趨勢,即沉降效應(yīng)。這種由于斜井內(nèi)外的氣溫差及兩處的高程差所引起的空氣流動(dòng)的壓力差稱為熱位差。
假設(shè)掌子面附近氣溫為T0,洞口處氣溫為T1,對應(yīng)的空氣密度為ρ0、ρ1,洞口與掌子面的高程差為H,如圖8所示。根據(jù)上述假設(shè)及流體靜力學(xué)方法,當(dāng)斜井內(nèi)與斜井口處空氣密度確定后,熱位差ΔP熱僅與斜井口與斜井內(nèi)的高差H有關(guān),呈正比關(guān)系,可按下式計(jì)算:
圖8 熱位差作用示意
式中:ρ0為掌子面附近的空氣密度(kg/m3);ρ1為洞口附近的空氣密度(kg/m3);H為洞口與掌子面之間的高程差(m)。
通過前文分析,斜井由于洞口與掌子面存在熱位差,其對于目前的反井通風(fēng)是作為阻力存在的,則在對洞內(nèi)配置射流風(fēng)機(jī)時(shí),計(jì)算隧道沿程阻力應(yīng)考慮熱位差對風(fēng)流的影響,否則可能導(dǎo)致通風(fēng)設(shè)計(jì)達(dá)不到預(yù)期要求。
《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》中射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)阻力計(jì)算公式為[13]:
但對于采用斜井反井施工通風(fēng),在射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)阻力計(jì)算時(shí),應(yīng)將熱位差也考慮在內(nèi),則斜井反坡施工射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)阻力計(jì)算公式應(yīng)為:
式中:Pi為射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)阻力(N/m2);ξi為隧道局部阻力系數(shù);λi為隧道段沿程阻力系數(shù);Li為隧道各段長度(m);di為隧道各段當(dāng)量直徑(m);vi為隧道各段風(fēng)速(m/s);ρ為隧道內(nèi)平均空氣密度(kg/m3)。
依托雅康高速二郎山特長隧道,對隧道斜井反井法施工過程中遇到的施工通風(fēng)問題進(jìn)行研究,得到如下結(jié)論:
(1)采用數(shù)值模擬的方法,對考慮熱位差和忽略熱位差兩種工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明:熱位差的存在不利于洞內(nèi)污染物的排除,在通風(fēng)系統(tǒng)中起到阻力的作用,因此在反井法施工通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算沿程阻力時(shí),應(yīng)考慮熱位差對斜井內(nèi)風(fēng)流的影響。
(2)通過現(xiàn)場測試分析,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)相差較小,且其變化趨勢極為吻合,驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的可靠性。
(3)在特長隧道斜井反井法施工通風(fēng)中,考慮熱位差的阻力效應(yīng),對反井法施工射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)阻力計(jì)算公式進(jìn)行了修正。