曹曉程

上海市安裝工程集團(tuán)有限公司 上海 200080

隧道通風(fēng)分為自然通風(fēng)和機械通風(fēng)兩大類。自然通風(fēng)是通過氣象因素形成的隧道內(nèi)空氣流動，以及機動車從洞外帶入新鮮空氣來實現(xiàn)隧道內(nèi)外空氣交換。機械通風(fēng)是通過風(fēng)機作用使空氣沿著預(yù)定路線流動來實現(xiàn)隧道內(nèi)外空氣交換[1]。對于截面小、長度長的隧道宜選擇機械通風(fēng)。

在隧道施工過程中，由于內(nèi)燃機設(shè)備的尾氣、焊接產(chǎn)生的煙塵、有機物氧化等因素，導(dǎo)致一些有害物質(zhì)產(chǎn)生。這些有害物質(zhì)包括電焊煙塵、沸石煙塵CO、NO、NO2、SO2、丙烯醛等物質(zhì)。當(dāng)這些有害物質(zhì)被人吸入后，呼吸道受到刺激的同時可能形成氣溶膠進(jìn)入肺深部，使得毒性在原有的基礎(chǔ)上增加數(shù)倍[2]。隧道施工通風(fēng)規(guī)范中為保護(hù)安全生產(chǎn)和人員健康對空氣中粉塵容許濃度及空氣中有毒物質(zhì)容許濃度進(jìn)行了規(guī)定，一般認(rèn)為在施工的過程中只要低于規(guī)范中允許的有害物質(zhì)濃度即可。

王東偉等[3]以南昌紅谷隧道為例，研究了隧道洞口CO濃度值、NOx濃度值的分布特點；楊清海等[4]通過模擬試驗的方法得出了通風(fēng)射流風(fēng)機與車輛流動對污染氣體濃度分布的影響規(guī)律；張逸敏等[5]以青島第二隧道為例，利用CFD軟件得到了最優(yōu)通風(fēng)參數(shù)及相應(yīng)的局部阻力系數(shù)；賈雪峰等[6]利用CFD軟件研究了某高大封閉焊接車間內(nèi)焊接煙塵的濃度場分布規(guī)律；許雷挺等[7]基于污染物的對流擴散方程，構(gòu)建了縱向通風(fēng)隧道頂部排風(fēng)口對環(huán)境影響的理論模型。本文以某工程天然氣主干管過江隧道為例，以計算流體動力學(xué)為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建CFD模型對污染物的擴散進(jìn)行預(yù)測分析，研究了在燃?xì)夤艿腊惭b的過程中污染源的釋放位置及濃度對隧道內(nèi)污染物分布的影響。

1 工程概況

本工程天然氣主干管過江隧道A線長度約8 237 m，如圖1所示。燃?xì)夤艿腊惭b完成后，隧道內(nèi)部進(jìn)行水封處理，因此該隧道的通風(fēng)主要用于滿足安裝施工過程中的需要。在天然氣管道安裝敷設(shè)的過程中，由于隧道內(nèi)部空氣流動性較差，因此采用一端送風(fēng)，射流風(fēng)機接力的方式，對隧道進(jìn)行通風(fēng)。隧道內(nèi)主要的污染源為施工人員呼出的CO2氣體以及焊接時產(chǎn)生的電焊煙塵，因此選取了二者作為評價因子來研究通風(fēng)系統(tǒng)的性能。

圖1 過江隧道平面示意

2 隧道施工通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計方案

2.1 隧道施工通風(fēng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

隧道施工過程污染物容許濃度取自JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[8]。規(guī)范中對空氣中污染物容許濃度有兩種標(biāo)準(zhǔn)，分別是時間加權(quán)平均容許濃度（PCTWA）、短時間接觸容許濃度（PC-STEL）。由表1可知，隧道內(nèi)施工人員允許在15 min以內(nèi)接觸較高濃度的CO2氣體，而電焊煙塵則不能。即使CO2在生活中無處不在，但是當(dāng)CO2濃度高時，會造成呼吸中樞麻痹，危害人體健康。

表1 施工隧道內(nèi)的污染物容許濃度單位：mg·m－3

2.2 過江隧道通風(fēng)設(shè)計方案

本工程天然氣主干管過江隧道全長8 237 m，斷面直接約3.4 m，具有距離長、斷面小、埋設(shè)深等特點，隧道內(nèi)的空氣幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)，若不采用通風(fēng)設(shè)備則無法形成有效的循環(huán)流動，空氣中沉積的有害物質(zhì)無法排除，對工作人員的健康將帶來不利的影響。本工程利用隧道掘進(jìn)時已敷設(shè)的送風(fēng)系統(tǒng)和直徑3.4 m的隧道作為一個整體風(fēng)管，后每隔700 m設(shè)置1臺射流風(fēng)機，依靠射流風(fēng)機的帶動作用，采用壓入式施工通風(fēng)與移動式焊接煙塵凈化器相結(jié)合的方式，滿足施工過程所需要的新風(fēng)和排煙要求，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 施工隧道通風(fēng)系統(tǒng)示意

2.3 隧道通風(fēng)設(shè)計參數(shù)

隧道全長8 237 m，截面面積9.1 m2，隧道內(nèi)通風(fēng)設(shè)備參數(shù)見表2。施工過程中的工人數(shù)量共20人，分為2組由隧道兩端進(jìn)入，每組10人同步施工。

表2 通風(fēng)設(shè)備參數(shù)

根據(jù)《2017 ASHRAE Handbook Fundamentals (SI Edition)》[9]人體在重體力勞動下CO2呼出量為8 L/min，單位轉(zhuǎn)化為0.00238 kg/s（10人）。給定的電焊機煙塵釋放量為500～600 mg/min，進(jìn)行單位轉(zhuǎn)化后有電焊煙塵釋放量為10 mg/s。CO2的容許濃度9 000mg/m3，通過單位轉(zhuǎn)換，相當(dāng)于4 581.82 mg/kg。施工過程中采用局部空氣凈化設(shè)備收集電焊煙塵，凈化效率為99.99%，但考慮到凈化器捕集煙塵的效率受到現(xiàn)場操作的影響，綜合考慮了捕獲效率為30%、60%、90%這3種工況，則實際電焊煙塵實際釋放到空氣中的量對應(yīng)為7、4、1 mg/s。

隧道內(nèi)送風(fēng)管長800 m，在送風(fēng)管之后每隔700 m設(shè)置1臺軸流風(fēng)機，共10臺。軸流風(fēng)機的具體位置為距隧道入口1 500、2 200、2 900、3 600、4 300、5 000、5 700、6 400、7 100、7 800 m處。施工人員每天從隧道兩側(cè)向隧道中心運送2根長24 m的預(yù)制燃?xì)夤艿?，按照運送7.5 d的位置來設(shè)置污染源（表3）。

表3 不同施工階段人員及污染物位置

3 數(shù)值模擬控制方程

在送風(fēng)管加射流風(fēng)機的接力送風(fēng)方案下，不同的污染源釋放量和釋放位置均會對隧道內(nèi)污染物的分布產(chǎn)生不同的影響，因此根據(jù)該工程的通風(fēng)方案構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。在流動與傳熱問題中，所需要求解的主要變量的控制方程都可以表示成如式（1）所示的通用形式。

表4 通用控制方程各符號的具體形式

由于隧道內(nèi)流動狀態(tài)為湍流，需要借助湍流模型對流場和濃度場進(jìn)行模擬。在工程中常用雷諾時均法來進(jìn)行湍流模擬，其中RNGk-ε模型具有較好的適用性[10]。RNG是Renormalization Group的縮寫，意為重正化群，相比Standardk-ε模型，RNGk-ε模型考慮了流動中的旋轉(zhuǎn)和旋流流動對湍流的影響，對湍流黏度進(jìn)行了修正；另外還在方程ε中增加了一項Eij，用來反映主流時均應(yīng)變率；通過上面兩項的處理，使得RNGk-ε模型可以更好地適應(yīng)流線彎曲程度比較大的湍流流動。k方程和ε方程的具體表達(dá)如下所示。

4 通風(fēng)性能數(shù)值模擬

4.1 隧道通風(fēng)模型建立

本文利用CFD數(shù)值模擬軟件Fluent和網(wǎng)格劃分軟件ICEM對隧道進(jìn)行全尺寸建模，本模型形狀較為規(guī)則，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此，在網(wǎng)格劃分時使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在保證計算準(zhǔn)確的情況下盡可能地減少網(wǎng)格數(shù)量，并在射流風(fēng)機及污染源散發(fā)處進(jìn)行局部加密處理，劃分網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 局部網(wǎng)格劃分示意

模型邊界條件：隧道入口、隧道出口與大氣相連，分別設(shè)置為壓力入口、壓力出口，保證隧道內(nèi)的空氣處于自然流動狀態(tài)；送風(fēng)管道入口、射流風(fēng)機入口均設(shè)置為速度入口；按表3確定污染源位置，設(shè)為混合污染源速度入口。

模擬計算方法為穩(wěn)態(tài)方法，湍流模型選用RNGk-ε模型，開啟能量方程，壓力-速度耦合算法采用的是SIMPLE算法[11]，壓力離散采用二階格式，其余項均采用二階迎風(fēng)格式，迭代收斂判據(jù)為10－5，運算約3 000步后達(dá)到收斂。

4.2 污染源位置對污染物分布的影響

通過迭代計算可以得到凈化器處捕集30%的電焊煙塵的速度場和濃度場，則不同污染源釋放的位置對污染物分布的結(jié)果如圖4所示。

圖4 污染源附近污染物濃度（凈化器捕集效率30%）

由圖4可知：當(dāng)在隧道內(nèi)部任意位置釋放電焊煙塵時，均會超過標(biāo)準(zhǔn)的容許濃度，對人體產(chǎn)生不可估量的危害。隧道內(nèi)CO2的濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的容許濃度。不同工況下隧道內(nèi)污染物平面濃度云圖如圖5～圖7所示。

圖5 隧道平面CO2濃度云圖（單位：mg·m－3）

由圖5和圖6可知：隧道內(nèi)的CO2和電焊煙塵主要集中于隧道底部，與焊接人員的工作高度相近，考慮到隧道施工時是由隧道中部向兩端推進(jìn)，因此隧道后半部分的工作人員面臨的危害更加嚴(yán)重。在污染源釋放位置的前端沒有檢測出污染物，而在污染源釋放位置后端檢測出存在較高的濃度。因此，污染物在新風(fēng)的作用下向前流動，沒有出現(xiàn)回流的現(xiàn)象。此時送入隧道的新風(fēng)既給人提供了新鮮的空氣，又滿足了排風(fēng)的需要。

圖6 隧道平面電焊煙塵濃度云圖（單位：mg·m－3）

由圖7可知：CO2與電焊煙塵在隧道中的分布較為相似，只是實際濃度相差較大。隧道頂部位置均未檢測到污染物。工況1、工況2、工況3的污染物集中分布在隧道底部，且濃度遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)要求的容許濃度。工況4、工況5、工況6相比于其他工況污染物覆蓋的區(qū)域更廣、擴散得更好，污染物濃度高的地方主要集中在隧道施工兩側(cè)，對人員危害較低。這表明在隧道中部施工時，產(chǎn)生的污染物更易隨著新風(fēng)向前流動，而在隧道前端和末端施工時，污染物濃度較高，因此可適當(dāng)采取措施來加快污染物的流動。

圖7 隧道截面污染物濃度云圖（單位：mg·m－3）

4.3 不同煙塵捕獲效率下的污染物分布

凈化器捕獲60%、90%的電焊煙塵這2種工況下，運用CFD數(shù)值模擬獲得隧道內(nèi)的速度場和濃度場，在不同施工階段考慮污染源釋放的位置不同，污染物濃度分布的詳細(xì)結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 污染源附近污染物濃度（凈化器60%）

由圖8、圖9可知：在凈化器能處理60%的污染物時，污染源附近平面的CO2濃度均低于CO2的容許濃度，滿足規(guī)范要求；而電焊煙塵的濃度值均高于電焊煙塵的容許濃度值，不滿足規(guī)范要求，依然會對施工人員產(chǎn)生危害。在凈化器能處理90%的污染物時，污染源附近平面的CO2濃度、電焊煙塵濃度滿足規(guī)范要求，對人體危害較低。

圖9 污染源附近污染物濃度（凈化器90%）

4.4 污染物濃度

模擬結(jié)果如表5所示，例如工況1、2、3分別為煙塵捕獲比例90%、60%和30%時的對比。

表5 不同煙塵捕獲效率各處的污染物濃度

由表5可知，在煙塵捕獲效率為90%的情況下，僅電焊煙塵的濃度滿足要求，故煙塵的捕獲效率對隧道內(nèi)污染物濃度影響較大，可通過提高凈化器的效率來減少污染物的危害。因此可考慮增大射流風(fēng)機的流速、增加射流風(fēng)機數(shù)量的方式來加快污染物運動速度，從而降低污染物濃度。

5 結(jié)語

1）采用隧道口送風(fēng)加射流風(fēng)機，在該縱向長隧道中形成了有效的貫通流，排除施工過程中的空氣污染。隧道內(nèi)污染源釋放的位置對污染物的分布影響比較大。在隧道兩端及中部施工時，污染物濃度較大，而在其他位置施工時，污染物濃度較低。

2）污染源的凈釋放速率對污染物的分布影響最大。通過對比凈化器處理30%、60%、90%的污染物時，污染源濃度是污染物在隧道內(nèi)濃度的決定性因素。因此，該隧道需要在施工處對污染物進(jìn)行更加有效的局部處理，例如將凈化器更靠近施工部位、增加局部排風(fēng)裝置等，可有效地提高隧道內(nèi)空氣質(zhì)量，保證了施工人員的安全。