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        某特長(zhǎng)公路隧道施工通風(fēng)數(shù)值模擬分析

        2024-12-10 00:00:00黃亞斌
        四川建筑 2024年5期
        關(guān)鍵詞:墻腳右洞風(fēng)管

        針對(duì)某特長(zhǎng)公路隧道各施工階段不同通風(fēng)方式下風(fēng)流場(chǎng)特征、污染物擴(kuò)散特性展開研究,通過數(shù)值模擬計(jì)算證明了長(zhǎng)距離通風(fēng)時(shí)風(fēng)管出口附近以及射流風(fēng)機(jī)附近會(huì)出現(xiàn)旋渦,減緩污染氣體的擴(kuò)散;CO主要集中在墻腳及風(fēng)管與隧道壁面的狹小位置處;在巷道式通風(fēng)方式中,由于隧道左洞的CO通過橫通道匯入隧道右洞,隧道右洞CO排出時(shí)間增加。

        特長(zhǎng)隧道; 數(shù)值模擬; 煙塵擴(kuò)散

        U453.5A

        [定稿日期]2023-02-20

        [作者簡(jiǎn)介]黃亞斌(1989—),男,本科,工程師,研究方向?yàn)闃蛄号c隧道工程施工與管理。

        0 引言

        通風(fēng)防塵是涉及人員生命健康的大事,是隧道施工水平的重要標(biāo)志,也是影響隧道施工方案選取的控制因素之一[1]。施工通風(fēng)效果的好壞,直接關(guān)系到隧道內(nèi)作業(yè)人員的健康和施工效率、工程進(jìn)度與施工安全[2]。在長(zhǎng)大隧道施工中,洞內(nèi)通風(fēng)和空氣凈化問題更為突出[3-5]。目前長(zhǎng)大隧道通風(fēng)系統(tǒng)存在布置和通風(fēng)設(shè)計(jì)方案單一,通風(fēng)管漏風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重,通風(fēng)系統(tǒng)布局不合理,隧道現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)管理水平較落后等問題,亟需探尋合理的解決方法[4-5]。

        本文利用流體計(jì)算軟件Fluent對(duì)特長(zhǎng)公路隧道各施工階段風(fēng)流場(chǎng)及污染物擴(kuò)散進(jìn)行模擬分析,通過為特長(zhǎng)公路隧道施工通風(fēng)提供借鑒參考。

        1 工程概況

        某公路隧道隧道工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)路線里程7 970 m,最大埋深約619 m,隧道單洞凈寬15.59 m,凈高8 m,設(shè)置一個(gè)斜井輔助施工。隧道進(jìn)口工區(qū)承擔(dān)隧道施工長(zhǎng)度2 626 m;斜井輔助正洞施工長(zhǎng)度2 072 m;出口工區(qū)承擔(dān)隧道施工長(zhǎng)度3 272 m,獨(dú)頭掘進(jìn)距離長(zhǎng)。長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)往往伴隨著工作環(huán)境惡劣、低工作效率降低、高通風(fēng)成本、施工進(jìn)度緩慢等問題。當(dāng)隧道獨(dú)頭掘進(jìn)施工長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí),可采取開鑿輔助通風(fēng)巷道或設(shè)置輔助通風(fēng)井,形成巷道式通風(fēng)系統(tǒng)。

        圖1為隧道各階段施工方案,隧道第一階段為壓入式通風(fēng),在未開挖到第一個(gè)車行橫洞之前,用軟管直接送風(fēng)至離掌子面30~50 m處,向掌子面壓入新鮮空氣。在第一個(gè)車行橫道貫通后采用巷道式通風(fēng);第二階段根據(jù)設(shè)計(jì)要求,為第一個(gè)車行橫道貫通后和第二個(gè)車行橫道未貫通前;第三階段為掌子面開挖到第二個(gè)車行橫洞之后直至開挖結(jié)束,將其他車行橫洞及其他人行橫洞、送風(fēng)通道、橫洞變電所全部封閉。

        2 模型建立

        數(shù)值模型的建立參照工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,正洞工區(qū)壓入式通風(fēng),隧道左線長(zhǎng)度2 000 m,隧道右線長(zhǎng)度1 995 m,風(fēng)管末端距掌子面30 m,風(fēng)管1.8 m。按照上述參數(shù)取距離掌子面2 000 m范圍建立數(shù)值計(jì)算模型,將建好的模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中劃分網(wǎng)格,根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分,網(wǎng)格類型為Tetra/Mixed,掌子面附近網(wǎng)格劃分如圖2所示。

        模擬邊界條件:

        (1)隧洞內(nèi)壁為墻面wall。

        (2)隧道左洞口采用pressure-inlet邊界條件,右洞口采用pressure-outlet邊界。

        (3)風(fēng)管進(jìn)出風(fēng)口為入口邊界,設(shè)置為Velocity-inlet,參考本工程中需風(fēng)量,出口速度取15.6 m/s。

        (4)風(fēng)管與射流風(fēng)機(jī)壁面設(shè)為固體邊界。

        (5)射流風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口為入口邊界,設(shè)置為Velocity-inlet,速度取35.7 m/s。

        3 模擬結(jié)果及分析

        3.1 通風(fēng)第一階段

        圖3為隧道左線中心線軸向速度分布,可以看出,掌子面附近的區(qū)域風(fēng)速波動(dòng)較大,超過一定距離后軸向速度較為穩(wěn)定,軸向速度在0.4 m/s左右,滿足隧道施工通風(fēng)最小風(fēng)速要求,風(fēng)管出口射流碰到掌子面后,貼附掌子面向下形成一條高速氣流帶,接觸到隧道底部形成回流,后遇到新進(jìn)入的氣流,在風(fēng)管出風(fēng)口前方形成渦流區(qū),渦流區(qū)內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)作有旋運(yùn)動(dòng),對(duì)污染物的擴(kuò)散起阻礙作用,使得該區(qū)域污染物容易聚積。

        從圖4可以看出,在初始通風(fēng)階段,CO質(zhì)量濃度分布在風(fēng)管側(cè),集中在墻腳及風(fēng)管與隧道壁面的狹小位置處,隨著距掌子面距離的增加,CO體積分?jǐn)?shù)開始向遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)轉(zhuǎn)移,集中在遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)的墻腳部位。通風(fēng)60 min時(shí),掌子面后500 m范圍內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)幾乎為0,在距掌子面550 m處的風(fēng)管與隧道壁面之間的區(qū)域存在約2×10-6的CO,在隧道洞口靠近風(fēng)管側(cè)的墻腳處,CO體積分?jǐn)?shù)最高約為13×10-6。由此可知,在通風(fēng)過程中CO的稀釋由風(fēng)管側(cè)向遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)發(fā)展。

        3.2 通風(fēng)第二階段

        由圖5可知,左、右洞掌子面附近的區(qū)域風(fēng)速波動(dòng)較大,超過一定距離后軸向速度較為穩(wěn)定,軸向速度在0.4 m/s左右,射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口射流貼附隧道壁面形成一條高速氣流帶,造成隧道兩側(cè)速度分布不均,在射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口側(cè)前方形成渦流區(qū),渦流區(qū)內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)作有旋運(yùn)動(dòng),對(duì)污染物的擴(kuò)散起阻礙作用,使得該區(qū)域污染物容易聚積。

        由圖6可以看出,在初始通風(fēng)階段,CO體積分?jǐn)?shù)在風(fēng)管側(cè)較高,主要集中在墻腳及風(fēng)管與隧道壁面的狹小位置處,逐漸遠(yuǎn)離掌子面,CO體積分?jǐn)?shù)開始向遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)轉(zhuǎn)移,集中在遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)的墻腳部位。通風(fēng)60 min時(shí),左右洞距掌子面200 m范圍內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)幾乎為0,在右洞洞口靠近風(fēng)管側(cè)的墻腳處,CO體積分?jǐn)?shù)最高約為1.2×10-6,其余位置CO體積分?jǐn)?shù)均小于1×10-6。在通風(fēng)過程中CO的稀釋由風(fēng)管側(cè)向遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)發(fā)展。

        3.3 通風(fēng)第三階段

        由圖7可以發(fā)現(xiàn),新鮮風(fēng)從風(fēng)管出口射出后,碰到掌子面回流形成渦流區(qū)所致。超過一定距離后軸向速度較為穩(wěn)定,軸向速度在0.4 m/s左右。射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口射流貼附隧道壁面同樣形成一條高速氣流帶,造成隧道兩側(cè)速度分布不均,在射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口側(cè)前方形成渦流區(qū),對(duì)污染物的擴(kuò)散起阻礙作用。

        從圖8可以看出,在初始通風(fēng)階段,CO體積分?jǐn)?shù)在風(fēng)管側(cè)較高,主要集中在墻腳及風(fēng)管與隧道壁面的狹小位置處,逐漸遠(yuǎn)離掌子面,CO體積分?jǐn)?shù)開始向遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)轉(zhuǎn)移,集中在遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)的墻腳部位。通風(fēng)30 min后,左洞整體CO體積分?jǐn)?shù)處于較低水平,右洞距掌子面1 600~2 100 m段的CO體積分?jǐn)?shù)較高。通風(fēng)60 min后,左洞整體CO體積分?jǐn)?shù)均小于1×10-6,右洞掌子面至掌子面前方1 700 m范圍內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)小于1×10-6,洞口附近CO體積分?jǐn)?shù)最高有2.2×10-6,左右洞均符合施工通風(fēng)要求。在通風(fēng)過程中,橫斷面上CO體積分?jǐn)?shù)最高處均位于靠近風(fēng)管側(cè),CO的稀釋由風(fēng)管側(cè)向遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)發(fā)展。

        4 結(jié)論

        (1)不同施工階段的通風(fēng)方式在風(fēng)流穩(wěn)定后的風(fēng)速均滿足施工通風(fēng)要求的最低風(fēng)速。風(fēng)流場(chǎng)在風(fēng)管出口附近以及射流風(fēng)機(jī)附近會(huì)出現(xiàn)旋渦,使得該位置風(fēng)速較大波動(dòng),減緩污染氣體的擴(kuò)散。

        (2)CO體積分?jǐn)?shù)在風(fēng)管一側(cè)較高,主要集中在墻腳及風(fēng)管與隧道壁面的狹小位置處,逐漸遠(yuǎn)離掌子面,CO體積分?jǐn)?shù)開始向遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)轉(zhuǎn)移,集中在遠(yuǎn)離風(fēng)管側(cè)的墻腳部位。

        (3)在壓入式通風(fēng)方式中,CO排出較快;在巷道式通風(fēng)方式中,由于隧道左洞的CO通過橫通道匯入隧道右洞,使得隧道右洞CO排出時(shí)間增加。各工況均可以在通風(fēng)30 min時(shí)達(dá)到CO體積分?jǐn)?shù)安全標(biāo)準(zhǔn)值以下。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 王應(yīng)權(quán).長(zhǎng)大鐵路隧道施工通風(fēng)方案選擇及優(yōu)化[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2015,11(S1):359-366.

        [2] 王莉. 長(zhǎng)大鐵路隧道施工通風(fēng)案例分析[D].蘭州:蘭州交通大學(xué),2018.

        [3] 肖勇,徐林生,陳永權(quán),等.特長(zhǎng)公路隧道施工通風(fēng)若干技術(shù)問題研究[J].四川建筑,2016,36(6):195-197.

        [4] 蔡鵬飛.覺巴山高海拔特長(zhǎng)公路隧道施工通風(fēng)優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2021,58(S1):156-161.

        [5] 張睿,周凱歌,姚志剛,等.米倉(cāng)山特長(zhǎng)公路隧道關(guān)鍵施工技術(shù)應(yīng)用分析[J].隧道建設(shè)(中英文),2021,41(S2):664-674.

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