馬 賽/MA Sai

（中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211800）

抽水蓄能電站地下洞室群具有縱橫交錯、平斜豎相貫、作業(yè)面多等特點，隧洞爆破及機電設(shè)備工作時產(chǎn)生有害氣體，嚴(yán)重威脅施工人員的生命健康安全。如何改善施工通風(fēng)技術(shù)保護環(huán)境、促進行業(yè)發(fā)展已成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點問題。

林志勇等人對抽水蓄能電站機電安裝期地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)的施工通風(fēng)的規(guī)律和影響因素進行了研究；李宏宇等人對實際抽水蓄能電站的機電安裝期焊接煙塵的擴散與施工通風(fēng)方案進行了數(shù)值模擬；于洋采用的通風(fēng)系統(tǒng)布置方案使得施工掌子面的環(huán)境得到很大改善；鐘為等人研究不同負壓風(fēng)機風(fēng)量對獨頭掘進的長大隧洞施工有害氣體排放特性的影響；陳日偉等人為改善烏江渡水電站地下廠房通風(fēng)效果，通過建立發(fā)電機層洞室三維模型及計算流體力學(xué)（CFD）流場仿真模型。

本研究使用CFD 仿真模擬方法分析抽水蓄能電站地下洞室群施工通風(fēng)質(zhì)量影響因素，研究洞室內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)壓變化特性以及污染物擴散特性，分析其對通風(fēng)效果的影響，輔以現(xiàn)場驗證手段并提出合理施工方案，有效改善地下洞室群施工通風(fēng)效果。

1 地下洞室群施工通風(fēng)數(shù)值模擬方法

1）工程設(shè)計規(guī)劃 以績溪某抽水蓄能電站工程為對象，綜合考慮抽蓄電站地下洞室施工程序、施工通道及施工進度等因素，抽水蓄能電站工程大致情況如圖1 所示。

圖1 抽水蓄能電站工程示意圖

2）計算假設(shè) 地下洞室距離長、斷面小，其施工通風(fēng)過程為空氣動力學(xué)和污染源擴散問題的研究范疇，流態(tài)復(fù)雜。把氣體當(dāng)作不可壓縮流體，不考慮計算區(qū)域與外界發(fā)生的熱量交換，把其流動狀態(tài)視為紊流。

3）計算工況的確定 研究中側(cè)重分析尾調(diào)豎井施工進度、3#隧洞獨頭開挖及1#、3#尾水洞同時開挖對尾水隧洞施工通風(fēng)的影響，計算工況如表1。以各工況下隧洞斷面風(fēng)速及有害氣體濃度為主要監(jiān)測指標(biāo)。

表1 數(shù)值模擬計算工況

2 三維模型建立

如圖2 所示，本次研究中的各計算模型最少網(wǎng)格數(shù)48 萬個，最大網(wǎng)格數(shù)為129 萬個。均經(jīng)過網(wǎng)格獨立性驗證，即網(wǎng)格數(shù)量對數(shù)值模擬的關(guān)鍵結(jié)果不會產(chǎn)生較大影響，以保證CFD 仿真結(jié)果的可靠性。

圖2 兩種獨頭掘進施工方案三維模型圖

2.1 計算邊界條件設(shè)置

根據(jù)施工通風(fēng)設(shè)計方案，對應(yīng)風(fēng)機及通風(fēng)管參數(shù)如下表2 所示。進廠交通洞及5#施工支洞設(shè)置為速度入口（Velocity-inlet）條件；尾調(diào)豎井、進廠交通洞及5#施工支洞均設(shè)置為壓力出口（Pressure-outlet）條件。

表2 3#尾水隧洞獨頭掘進施工通風(fēng)風(fēng)機及風(fēng)管特性

假設(shè)工作面爆破后產(chǎn)生的炮煙瞬間均勻充滿于炮煙拋擲距離段內(nèi)的空間，由拋擲長度計算公式，得到各工況的炮煙初始濃度及炮煙拋擲長度。根據(jù)經(jīng)驗公式，炮煙拋擲長度b及CO 的初始濃度及分別按式（1）和式（2）計算。

其中，Q為總裝藥量，單位kg；b為炮煙拋擲長度，單位m；G為同時爆破的炸藥量，單位kg；γ為有毒氣體容重，對CO 氣體可取1.165kg/m3；A為斷面面積，單位m2；b1為每千克炸藥產(chǎn)生的有毒氣體體積，對CO 氣體可取0.04kg/m3。

2.2 現(xiàn)場驗證

為保證仿真模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用熱線式風(fēng)速儀及CO 檢測儀，現(xiàn)場選取5 個特征隧洞斷面進行測量的方法進行驗證，試驗實測值與仿真值比較結(jié)果如表3 所示，相對誤差在可允許的范圍內(nèi)。

表3 風(fēng)速及CO濃度的仿真值與實測值對比

3 尾調(diào)豎井開挖進度的影響分析

若尾調(diào)豎井滯后開挖，則無法設(shè)置負壓排風(fēng)設(shè)備，這對尾水隧洞施工的掌子面通風(fēng)影響較小，但對靠近尾調(diào)豎井的尾水隧洞洞內(nèi)流速和有害氣體排放產(chǎn)生較大影響。

3.1 通風(fēng)流場分析

如圖3 所示，尾調(diào)豎井投入使用前后，3#尾水隧洞施工掌子面及洞內(nèi)沿線流速分布變化明顯，此時1-1-1 工況下掌子面斷面平均流速為3.20m/s，而受風(fēng)壓衰減影響1-1-3 工況掌子面斷面平均流速2.30m/s。而1-1-2 與1-1-4 兩工況下與尾調(diào)豎井投入使用前的掌子面及洞內(nèi)沿線流速分布相比變化不大。如圖4 所示，尾調(diào)豎井投入使用前污風(fēng)經(jīng)進廠交通洞排出，存在洞內(nèi)沿程污染風(fēng)險。負壓排風(fēng)投入使用后，尾水洞內(nèi)風(fēng)速均有顯著提高，而5#施工支洞風(fēng)速有所減弱，開啟負壓排風(fēng)后可保證90%污風(fēng)進入尾調(diào)豎井排放，通風(fēng)效果有明顯改善。

圖3 尾調(diào)豎井投入使用前后掌子面斷面流速分布圖

圖4 尾調(diào)豎井投入使用前后支洞連接處流速分布圖

3.2 有害氣體擴散特性分析

圖5（a）為各工況掌子面CO 濃度擴散過程線圖，其中隧洞斷面CO 濃度為掌子面位置橫截面的CO 平均濃度，并換算成ppm 單位。尾調(diào)豎井投入使用前后，均能在10min 內(nèi)降低至施工規(guī)范內(nèi)規(guī)定值24ppm 以下，保證通風(fēng)環(huán)境的安全。

若尾調(diào)豎井未按期投入使用，如圖5（b），大量污風(fēng)約10min 擴散至3#隧洞與5#施工支洞連接處，CO 平均濃度高達536ppm 和447ppm。5#施工支洞斷面CO 平均濃度達到149ppm 和77ppm。

4 尾水隧洞開挖順序的影響分析

1#尾水隧洞與3#尾水隧洞同時施工時，2 個掌子面及洞內(nèi)的流速分布如圖6。洞內(nèi)沿線風(fēng)流流場未出現(xiàn)明顯漩渦，風(fēng)流流速分布均勻，1#尾水隧洞掌子面斷面平均流速1.24m/s，3#尾水隧洞掌子面斷面平均流速1.41m/s，較單獨施工時降低約50%，洞內(nèi)流速明顯降低，但仍達到0.6m/s，滿足規(guī)范要求。

圖6 隧洞掌子面斷面流速分布圖（1-1-5工況）

兩條尾水隧洞同時施工時，如圖7 所示，正壓送風(fēng)風(fēng)量不變，而負壓排風(fēng)風(fēng)機增加為2 臺，因此其污風(fēng)排放效果較好，全部污風(fēng)通過尾調(diào)豎井排放，不再進入5#施工支洞及進廠交通洞。

圖7 1.5m高平面流速局部分布圖（1-1-5工況）

如圖8 所示，兩條隧洞同時施工時，掌子面CO 氣體的擴散速度較單洞施工時略慢。3#尾水隧洞內(nèi)CO 氣體的斷面平均濃度完全降低至規(guī)范允許值所需的時間為35min，較單洞施工時增加17min。該工況下，所有的CO 直接經(jīng)1#和3#尾調(diào)豎井排放，可完全避免對5#施工支洞和進廠交通洞的污染。

圖8 1.5m高平面CO濃度分布圖（1-1-5工況）

綜上所述，尾調(diào)豎井投入使用設(shè)置負壓排風(fēng)后，大量有害氣體CO 從尾調(diào)豎井排放，有效減弱了對5#施工支洞和進廠交通洞的污染。

5 結(jié)論

1）若尾調(diào)豎井滯后開挖，無法設(shè)置負壓排風(fēng)設(shè)備會對靠近尾調(diào)豎井的洞內(nèi)流速和有害氣體的排放造成負面影響。

2）若尾調(diào)豎井未能按期投入使用，則大量污風(fēng)CO 緩慢擴散至5#施工支洞和主廠房交通洞。若經(jīng)多次爆破排煙，其施工環(huán)境條件將更加惡化。建議保證尾調(diào)豎井在尾水隧洞開挖前投入使用。

3）兩條尾水隧洞同時施工時，3#尾水隧洞掌子面斷面平均流速較其單獨施工時降低約50%。掌子面CO 氣體擴散速度較單洞施工時略慢，洞內(nèi)CO 氣體斷面平均濃度降低至規(guī)范允許值所需時間較單洞施工時增加17min。