王林峰，冉楗，鐘宜宏，李玲玉，李鳴

(1.重慶交通大學山區(qū)公路水運交通地質(zhì)減災重慶市高校市級重點實驗室，重慶 4000742.中交路橋建設有限公司，北京 101121)

鉆爆開挖法因較強的地質(zhì)條件適應性、進度快、開挖成本低而廣泛用于隧道開挖；但爆破所產(chǎn)生的一氧化碳(CO)等有害氣體彌漫在隧道內(nèi)，會對施工人員的健康產(chǎn)生影響，并且會影響施工工作的開展[1]。因此，隧道施工過程中的通風就顯得格外重要。在隧道施工過程中進行通風就是向開挖工作面輸送新鮮空氣，將有害氣體進行稀釋并排出到隧道外、為工作人員創(chuàng)造舒適施工環(huán)境，研究者們針對這一問題開展了大量研究[2-6]；但施工過程中難免會造成風筒壁面破損，從而使得風筒內(nèi)的氣體在運動過程中會從破損處漏出；這將直接導致實際到達開挖工作面附近區(qū)域內(nèi)的氣體量小于設計風量；氣體在風筒內(nèi)運動時產(chǎn)生的靜壓差垂直作用于風筒壁面，風筒內(nèi)的氣體會在靜壓差的作用下產(chǎn)生與孔洞區(qū)域垂直向外的速度，該速度將對孔口周圍的流場造成影響，使得隧道內(nèi)的流場進一步紊亂，從而影響通風效果。因此，進行風筒破損對隧道爆破后通風稀釋CO的影響研究具有極其重要的實際意義。

Khosro等[7]對城市隧道施工過程中的CO分布規(guī)律進行了研究；Peter等[8]等以減少運營投入為目的，通過優(yōu)化風機和風管配置對隧道通風系統(tǒng)進行了升級；Yang[9]以CO氣體為追蹤氣體，對隧道施工過程中在壓入式通風條件下污染物的運移規(guī)律展開研究，并得知壓入式通風效果隨阻塞比和風筒出口與開挖工作面距離的增加而變差；Ridley[10]對隧道施工通風過程中汽車尾氣排放情況、新鮮氣體量、污染物濃度之間的動態(tài)響應關系進行了研究；Dindorf[11]通過研究管道中泄漏流量與受管道約束流量的關系，得知泄漏流量與風管壁兩側的靜壓差有關；李科祥等[12]依托瀾滄江特長隧道進行了現(xiàn)場測試，結果發(fā)現(xiàn)左線與右線風管百米漏風率分別達到33.92%和15.53%，并提出了針對性的優(yōu)化方案；李琦等[13]基于風管孔口流量理論對高海拔施工過程中的漏風率進行了研究，推導得到了高海拔地區(qū)風管漏風率的修正系數(shù)；劉祥[14]通過理論推導對高海拔地區(qū)的漏風率進行分析，通過數(shù)值模擬驗證并對高海拔漏風率進行了修正；馮旻等[15]以數(shù)值模擬的方式對局部通風風管的漏風率進行了研究，結果表明風筒漏風率與孔口寬度、孔口與出口側的距離和破損數(shù)量均有關系，并隨著三者的減小而呈下降趨勢；蔡鵬飛[16]對覺巴山隧道施工通風條件下的隧道風速和風管風速等參數(shù)進行了現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)風管破損嚴重，平均漏風率達到17.61%，并在此基礎上提出了優(yōu)化方案改善通風效果。

上述學者們通過理論推導、現(xiàn)場實驗和數(shù)值模擬的方式，對漏風進行了研究，卻鮮有學者對風筒破損條件下風筒內(nèi)流速、孔口位置等因素對通風稀釋CO的影響程度展開研究。在既定風筒布置參數(shù)前提下，送風量的變化將導致氣體流動速度、漏風率等一系列參數(shù)變化。在風筒破損面積一定的前提下，孔口的數(shù)量可能有多個，孔口的位置也非固定的，這些因素都將會對隧道施工通風的效果產(chǎn)生影響。為此，依托實際工程，根據(jù)孔口流量理論計算各送風量對應的風筒百米漏風率，基于送風量對應的百米漏風率，通過流體力學軟件Fluent進行數(shù)值模擬，設置正交試驗量化分析各送風量對應的風筒內(nèi)流速、孔口與開挖工作面距離、孔口數(shù)量對隧道爆破施工后通風稀釋CO效果的影響，并根據(jù)模擬結果就盡可能降低風筒破損所導致的負面影響提出建議。

1 開挖工作面需風量計算

根據(jù)重慶城口(陜渝界)至開州高速公路雞鳴山隧道現(xiàn)場情況，隧址處圍巖級別主要是Ⅳ級，并以全斷面爆破的方式進行開挖，開挖斷面面積A=62 m2，循環(huán)掘進尺度L=2.4 m，同時爆破的炸藥量G=105.4 kg，炮煙拋擲長度和通風長度的計算公式為[17]

(1)

L0=k0Lt

(2)

式中：Lt為炮煙拋擲長度，m；G為同時爆破的炸藥量，kg；L0為通風長度，m；k0為安全系數(shù)，取1.20。

因此，該工況下的炮煙拋擲長度為36.08 m；通風長度為43.30 m。

根據(jù)沃洛寧公式，當風筒出口到工作面的距離不大于時有[14]

(3)

式中：Qb為開挖工作面處的需風量，m3/min；t為通風時間，min；b為每千克炸藥產(chǎn)生的CO量，取40 L/kg；A為隧道開挖斷面積，m2；Pq為通風區(qū)段內(nèi)末端和初端風量之比；Ca為要求達到的CO濃度，取0.008%。

爆破后拋擲區(qū)域內(nèi)CO初始濃度計算公式為

(4)

式(4)中：C0為拋擲區(qū)域內(nèi)初始CO濃度，%，C0=0.189%。

《隧道鉆爆法掘進施工安全操作規(guī)程》規(guī)定爆破后必須經(jīng)過不少于15 min的通風排煙后方能進入開挖工作面，同時考慮到現(xiàn)場施工進度，擬設定預通風時長為15～30 min。

由式(3)計算得到各通風時長條件下開挖工作面需風量如表1所示。

表1 不同通風時長下開挖工作面需風量Table 1 Air demand of working face under different ventilation time

2 漏風率計算和正交試驗設計

2.1 漏風率計算

圖1(a)為氣體在風筒中運動會產(chǎn)生動壓和靜壓差，圖1(b)為壓力作用下產(chǎn)生的流速，流速與壓力的關系如式(5)、式(6)所示。由于從孔口泄露的氣體同時存在速度靜壓差產(chǎn)生的流速和動壓產(chǎn)生的流速，所以其實際流速與動壓差產(chǎn)生的流速之間存在夾角α，二者關系如式(7)所示[11]。

圖1 氣體泄漏示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas leakage

靜壓差產(chǎn)生的流速可表示為

(5)

動壓產(chǎn)生的流速可表示為

(6)

式中：Pj為氣體流動產(chǎn)生的靜壓；Pd為氣體流動產(chǎn)生的動壓，Pa；ρ為空氣密度，取1.29 m3/kg。

孔口處實際流速可表示為

(7)

孔口處損失的風量可表示為

q=60μfv=60μf0vj

(8)

式(8)中：q為損失風量，m3/min；μ為孔口流量系數(shù)，取0.63；f為孔口在氣流速度垂直方向上的面積；f0為孔口面積，根據(jù)現(xiàn)場情況，取0.032 m2。

漏風率可表示為

(9)

式(9)中：Q為風機提供的送風量，m3/min，通常取Q=Qb。

根據(jù)風管孔口流量理論和能量守恒定律得知，風筒沿程中第i個截面處的動壓Pdi和靜壓差Pji之和等于第i+1個截面處的動壓Pdi+1、靜壓差Pji+1和從第i個截面到第i+1個截面過程中產(chǎn)生的沿程風壓損失hf(i～i+1)以及局部風壓損失hx(i～i+1)之和，即

Pdi+Pji=Pdi+1+Pji+1+hf(i～i+1)+hx(i～i+1)

(10)

(11)

(12)

式中：Pdi、Pji分別為第i個截面處的動壓、靜壓，Pa；Pdi+1、Pji+1分別為第i+1個截面處的動壓、靜壓，Pa；hf(i～i+1)、hx(i～i+1)分別為氣體從第i個截面到第i+1個截面過程中的沿程風壓損失和局部風壓損失，Pa；hf為風筒沿程風壓損失，Pa；λ為摩擦系數(shù)，取0.013；d為風筒直徑，m；β為風筒百米平均漏風率，取2%；L為研究區(qū)域內(nèi)風管長度，取100 m；Q為風機送風量，m3/s；ζ為局部阻力系數(shù)，取0.10；hx為風筒局部風壓損失，Pa；vd為動壓產(chǎn)生的流速，m/s。

根據(jù)現(xiàn)場風機的送風量和風壓參數(shù)，計算得到所研究各通風時長對應的通風量下漏風率如表2所示。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可知：送風量由1 115.71 m3/min增大到2 231.41 m3/min的過程中，漏風率始終伴隨著送風量的增大而增加。

表2 漏風率計算Table 2 Air leakage rate calculation

2.2 正交試驗設計

考慮到實際施工過程中會根據(jù)需要調(diào)整送風量，使得風筒內(nèi)流速發(fā)生變化，而破損孔口的位置、孔口數(shù)量也存在不同的情況。依托實際工程，考慮風筒內(nèi)流速、孔口位置、孔口數(shù)量，研究3個因素對爆破后隧道區(qū)域內(nèi)通風排煙效果的影響?？紤]的因素水平值如表3所示，正交試驗方案如表4所示。

表3 正交試驗因素水平表Table 3 Factors and Levels of Orthogonal Experiment

表4 正交試驗方案Table 4 Orthogonal test scheme

3 風筒破損對CO分布的影響

運用流體力學軟件Fluent對開挖長度為300 m的隧道進行模擬，對比分析風筒破損對稀釋CO所產(chǎn)生的影響。

3.1 開挖工作面處CO分布情況

預計通風時長分別為15、25、30 min，風筒未破損和風筒破損條件下，開挖工作面處CO濃度隨通風時間變化如圖2所示。

如圖2所示，在隧道爆破后通風稀釋CO初期，由于新鮮氣體向開挖工作面運動過程中與拋擲區(qū)域內(nèi)的CO發(fā)生混合并將其攜帶到開挖工作面處，導致在通風初始階段開挖工作面處的CO濃度高于拋擲區(qū)域內(nèi)的初始CO濃度0.189%。通風1 min后，風筒未破損條件下的CO濃度約為2.0%，風筒破損前提下的濃度則高達3.5%左右。在預計通風時長為15 min時，開挖工作面處的CO濃度重新達到初始狀態(tài)的耗時分別為3.8、4.1 min；預計通風時長為25 min時，兩種情況對應的時間分別為4.7 min和5.2 min；預計通風時長為30 min則分別為6 min和10 min。由此可知，送風量越大，風筒破損對于開挖工作面處的CO稀釋效果的影響越小。

圖2 不同預計通風時長下開挖工作面處CO濃度變化曲線Fig.2 Variation of CO at working face with different ventilation duration

根據(jù)圖2中曲線變化情況可知，預計通風時長為15 min時，若風筒未出現(xiàn)破損，通風時長為6 min時隧道開挖工作面處的CO濃度低于限值0.008%；而在風筒有破損時，通風7 min后開挖工作面的CO濃度也滿足要求。預計通風時間為25 min和30 min時，風筒未破損和風筒破損情況下開挖工作面處CO濃度滿足要求的通風時長分別為8、10、11、14 min。

綜上所述，隧道爆破后通風時長為1 min時開挖工作面處的CO濃度明顯增大并且遠高于初始濃度；風筒破損會對開挖工作面處CO氣體的稀釋產(chǎn)生滯后影響，并且送風量越小滯后效應越明顯。

3.2 隧道沿程CO分布情況

預計通風時長為15 min對應通風量條件下，爆破后通風時長為5、10、15 min時隧道沿程中CO濃度分布曲線如圖3所示。

圖3 通風過程中隧道沿程CO分布Fig.3 CO distribution along the tunnel with different duration

如圖3(a)中的CO濃度曲線所示：通風5 min時，CO氣體分布區(qū)域已經(jīng)由最初的拋擲區(qū)域變成了整個隧道洞身段。在風筒未出現(xiàn)破損時，CO主要集中在距開挖工作面100～300 m區(qū)域，距開挖工作面約240 m處濃度高達3.82%。而風筒破損的情況下，CO濃度最高至出現(xiàn)在距開挖工作面140 m處；此時隧道洞口處的CO濃度低于0.008%，即CO尚未排除到隧道以外。CO氣體在隧道洞身段先增大后減小的，是因為CO都還處于向隧道洞口運動的過程中，CO主體部分已經(jīng)離開了拋擲區(qū)域而尚未到達隧道洞口，并主要集中分布在距開挖工作面100～240 m范圍。

由圖3(b)中曲線變化情況可知：通風時間達到10 min后，CO氣體大部分已經(jīng)排出到了隧道外，隧道內(nèi)的CO濃度大幅降低，而隧道洞口已為CO最集中的地方，風筒未破損的情況下洞口CO濃度為0.528%，而風筒破損時則為1.544%。風筒未破損時開挖工作面前180 m范圍的CO濃度已經(jīng)滿足要求；而風筒破損的情況下，僅有開挖工作面前40 m范圍內(nèi)滿足要求。

根據(jù)圖3(c)中的曲線可知：通風15 min后，風筒完好情況下的隧道整體空間均滿足施工要求，此時距隧道洞口50 m范圍內(nèi)仍分布有較為零散的CO氣體，但其濃度最大值僅為0.002 4%，遠低于限值。而風筒破損的情況下，距隧道洞口約15 m范圍內(nèi)的CO濃度仍未達到要求，并且洞口處濃度達到峰值，為0.013 0%。

綜上所述，風筒破損會對CO的稀釋與排出產(chǎn)生滯后效應，以至于進行預計時間通風后隧道洞口附近仍不滿足要求；CO在擴散作用和引入氣體共同作用下自開挖工作面向隧道洞口運動，因此呈現(xiàn)出在沿程中濃度逐步上升的情況。

4 正交試驗數(shù)據(jù)分析

極差值R能直觀地反映所研究的因素對于試驗指標的影響程度，R值越大則說明該因素對試驗指標的影響越大[17]。

4.1 通風長度區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)分析

由Fluent進行數(shù)值模擬試驗所得到的數(shù)據(jù)可知：風筒未破損時，通風時長分別為15、25、30 min的條件下，隧道區(qū)域內(nèi)CO濃度平均值分別為0.000 002 4%、0.000 006 4%和0.000 002 7%。風筒破損條件下的試驗結果極差分析如表5所示。

根據(jù)表5中數(shù)據(jù)可知，在通風量和通風時長均滿足條件的前提下，即使風筒破損會影響CO的稀釋，但通風長度區(qū)域內(nèi)的CO濃度仍然遠低于規(guī)范限值0.008%。由極差值R可知，所考慮的3個因素極差值R之比為1.31∶1.27∶1，因此對通風長度區(qū)域內(nèi)CO稀釋情況影響程度依次為：風筒內(nèi)流速(X)>孔口與開挖工作面距離(Y)>孔口數(shù)量(Z)。各因素水平條件下，通風長度區(qū)域內(nèi)CO平均濃度曲線如圖4所示。

表5 通風長度區(qū)域CO濃度極差分析Table 5 Range analysis of CO concentration in ventilation length area

由圖4中曲線變化情況可知：在通風長度區(qū)域，考慮風筒存在破損的條件下，影響最小組合為X2Y3Z1，最不利組合則為X1Y2Z2。風筒破損不會影響該區(qū)域在預計時間內(nèi)達到施工條件；但當風筒出現(xiàn)破損時應該及時進行送風量調(diào)整和風筒壁修復工作。以25 min為預計通風時間為宜；若多個位置同時出現(xiàn)風筒破損，則應該率先修復通風長度區(qū)域內(nèi)的孔洞，其次是拋擲區(qū)域最后是二者以外的孔洞。

圖4 通風長度區(qū)域內(nèi)各因素對CO濃度影響趨勢Fig.4 Trend of influence of various factors on CO concentration in ventilation length area

4.2 整體隧道區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)分析

由試驗數(shù)據(jù)可知：在風筒未破損時，通風時長分別為15、25、30 min時，隧道內(nèi)CO濃度平均值為0.000 384 3%、0.000 669 1%和0.000 591 1%。但風筒出現(xiàn)破損之后情況就變得復雜，如表6所示。

表6 整體隧道區(qū)域CO濃度極差分析Table 6 Range analysis of CO concentration in whole tunnel area

整體隧道區(qū)域內(nèi)各因素水平對CO濃度的影響趨勢如圖5所示。

圖5 隧道區(qū)域內(nèi)各因素對CO濃度影響趨勢Fig.5 Trend of influence of various factors on CO concentration in tunnel area

根據(jù)圖5中曲線變化情況：在風筒出現(xiàn)破損的情況下，3個因素對整體隧道內(nèi)CO稀釋的影響程度依次為：風筒內(nèi)流速(X)>孔口與開挖工作面距離(Y)>孔口數(shù)量(Z)。其中影響最小組合為X1Y3Z1，最不利組合為X3Y1Z3。此時，應盡可能增大風筒內(nèi)流速；而在進行孔洞修復時，則應該率先對距離開挖工作面近和孔洞數(shù)量較多的區(qū)域進行修復。

4.3 正交試驗結論驗證

為驗證正交試驗結論的正確性和有效性，以通風時長為15 min為例，考慮風筒破損情況下的影響最小和最不利工況進行數(shù)值模擬，并將結果與風筒未破損時的CO濃度進行比較，如表7所示。

由表7可知：通風長度區(qū)域內(nèi)，風筒破損且影響最小組合(X2Y3Z1)的CO濃度略高于風筒未破損時的濃度，遠低于最不利組合(X1Y2Z2)；整體隧道區(qū)域內(nèi)，風筒破損且影響最小組合(X1Y3Z1)的CO濃度明顯高于風筒未破損時的濃度，但遠低于最不利組合(X3Y1Z3)。所得結論與正交試驗所得結論相同，研究所的結論的正確性和有效性得到了驗證。

表7 各工況下CO濃度Table 7 CO concentration under various working conditions

5 結論

(1)根據(jù)孔口流量理論，在風筒壁破損情況相同的條件下，風管漏風率隨送風量的增加而增大。

(2)爆破后通風1 min內(nèi)開挖工作面處的CO濃度顯著增大，其峰值約為3.5%；風筒破損會對開挖工作面處的CO稀釋產(chǎn)生滯后效應，滯后時間為1～3 min，并且送風量越小滯后效應越明顯。

(3)CO在擴散作用和導入氣體的共同作用下自開挖工作面向隧道洞口運動；經(jīng)風筒壁面泄露的氣體會沖擊周圍流場，使其更加紊亂、復雜，阻礙了CO的排出，最終導致達到預計通風時間后距洞口約15 m范圍內(nèi)的CO濃度仍高于規(guī)范要求。

(4)在通風長度范圍內(nèi)，風筒內(nèi)流速、孔口與開挖工作面距離和孔口數(shù)量3個因素中，對該區(qū)域的CO稀釋影響程度依次為：風筒內(nèi)流速(X)>孔口與開挖工作面距離(Y)>孔口數(shù)量(Z)；從節(jié)能方面考慮，通風設計時應該選擇適中的通風長，并且應該率先修復位于拋擲區(qū)域外、通風長度區(qū)域內(nèi)的孔洞，其次是拋擲區(qū)域內(nèi)的孔洞，最后是二者之外的孔洞。

(5)在隧道整體空間內(nèi)，三因素對CO稀釋的影響依次為：風筒內(nèi)流速(X)>孔口與開挖工作面距離(Y)>孔口數(shù)量(Z)，而且風速越快、破損位置距開挖工作面越遠、孔洞數(shù)量越少就越利于CO的稀釋；所以在進行通風設計時盡可能縮短通風時長；修復孔洞時宜率先修復距離開挖工作面近和孔洞數(shù)量較多的區(qū)域。