雙洞隧道獨頭掘進CO擴散效應(yīng)模擬分析＊

李孜軍，林曉光，李明，張王杰，饒寶文

(1．中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙410083;2．中鐵二十局集團第二工程有限公司，北京100142)

國內(nèi)外學者針對鉆爆法施工過程中產(chǎn)生的CO和其他有害氣體擴散效應(yīng)開展了多方面的研究。王海橋等［1］研究了獨頭巷道有限空間受限貼附射流通風規(guī)律。Chow［2］利用CFD模擬了公路隧道CO擴散效應(yīng);劉釗春等［3－4］研究了隧道內(nèi)有害氣體濃度隨時間的變化規(guī)律;王曉玲等［5］模擬了引水隧道獨頭掘進CO擴散和風流組織;以上這些研究都只針對于CO在單洞隧道內(nèi)的擴散。張恒等［6］用Fluent定性描述了雙洞隧道射流風機的布置對CO排出的影響。對于雙洞隧道，每隔一定距離要設(shè)計人行橫道或車行橫道，以方便行人和車輛在穿越隧道途中轉(zhuǎn)向和應(yīng)急。在施工過程中，雙洞隧道的某一掌子面爆破后，施工人員往往會加大通風功率，以盡快將炮煙排出，造成2個隧道之間通風功率不等，在這種情況下，隧道間會產(chǎn)生串通風流，CO隨串通風流污染相鄰隧道。本文用Fluent模擬了關(guān)虎沖公路隧道施工通風狀態(tài)，定量描述雙洞隧道爆破后CO擴散過程。后提出通風管理措施，防止CO污染相鄰隧道。

1 工程概況和模型建立

關(guān)虎沖隧道位于湖南省懷化市辰溪縣境內(nèi)，為雙洞單向四車道交通隧道，左線(隧道A)全長4 918 m，右線(隧道B)全長4 970 m。關(guān)虎沖隧道采用分別從兩端上下行線獨頭掘進到分界里程的施工方案，其中懷化端最遠獨頭掘進2 410 m。掌子面每爆破一次炸藥用量為240 kg。懷化端掘進500 m時，雙洞隧道打通了第1個人行橫道，距離洞口280 m，在笛卡爾坐標系下對隧道建立三維模型，隧道結(jié)構(gòu)和坐標如圖1所示。隧道A(Tunnel A)和隧道B(Tunnel B)中心線距離為43 m，雙洞隧道入口(Entrance)位于平面z=0上，掌子面(Heading)位于平面z=500上。隧道橫截面面積為65 m2，隧道橫截面結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，P1，P2和P3為模擬過程中CO質(zhì)量分數(shù)監(jiān)測點。人行橫道(Crossing)長度為32 m，橫截面結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，人行橫道與2條隧道正交。該隧道采用柔性長管路壓入式通風，選用半徑為0．75 m的高強拉鏈式膠皮風管，懸掛高度為1．6 m，與隧道墻壁相切，如圖2(a)所示。風管長度為470 m，風管末端是新鮮空氣出口，即三維模型的速度入口，距離掌子面距離為30 m。該隧道選用了山西候馬鑫豐康風機有限公司生產(chǎn)的SDF(C)－No13型軸流風機，每個洞口分別使用2臺風機串聯(lián)。該風機有高、中、低3個檔位，隧道掘進500 m時，正常施工時風機開低檔就能滿足通風要求。當掌子面爆破之后，施工人員為了加快CO排出速度，將風機開高檔。因此，該模型中正常施工時和掌子面爆破后，風機通風功率不同。

圖1 三維隧道模型和坐標Fig．1 3D model and coordinate of tunnels

圖2 隧道和人行橫道斷面圖Fig．2 Sectional plan of tunnel and crossing

2 數(shù)學模型

2．1 基本假設(shè)［7］

(1)忽略流體黏性作用引起的耗散熱;

(2)通風氣流可視為三維黏性不可壓縮流體;

(3)壁面絕熱，恒溫通風;

(4)初始時刻CO只分布在爆破面附近的爆破拋擲范圍內(nèi)，其余空間CO質(zhì)量分數(shù)為0;

(5)忽略隧道內(nèi)機動車、施工器械對流場的影響，忽略洞口自然風的影響。

2．2 物理模型

基于上面假設(shè)，掘進巷道采用基于Navier－Stokes方程的風流模型，并采用RNG k－ε湍流模型使方程組封閉。隧道內(nèi)空氣湍流流動與氣體擴散用到的控制方程［8］有質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、濃度擴散方程、湍流動能k方程、湍流動能耗散率ε方程。

2．3 邊界條件

(1)每個隧道均有1個風管，因此模型有2個速度入口。隧道A掌子面爆破后風機調(diào)至高檔，現(xiàn)場實測風管出口速度為v1=28．83 m/s，方向與風管平行。隧道B正常施工，風機調(diào)至低檔，實測得到v2=14．593 m/s，方向與風管平行。2個速度入口送入的都是新鮮空氣，既CO質(zhì)量分數(shù)為0。湍流動能紊流動能耗散率 εin=，其中 θin為常數(shù)，取 0．005;vin為速度入口風速;Cμ為試驗常數(shù)，取0．09;R為風管半徑，單位m。

(2)爆破發(fā)生在隧道A的掌子面，炮煙拋擲距離的經(jīng)驗公式為

式中:L拋為炮煙拋擲距離(m)，即掌子面爆破后CO瞬間彌漫的空間長度;爆破所用炸藥質(zhì)量G=240 kg。

(3)爆破瞬間產(chǎn)生的CO在炮煙拋擲范圍內(nèi)均勻分布。爆破后炮煙拋擲范圍內(nèi)CO質(zhì)量分數(shù)(質(zhì)量分數(shù))為

式中:b為每千克炸藥爆炸時產(chǎn)生的CO氣體體積，取0．04 m3/kg;A為隧道橫截面積，為65 m2;計算得出CO質(zhì)量分數(shù)為 C=0．002 26，相當于2 712 mg/m3。

(4)出口邊界條件［1］，隧道A和隧道B的施工入口就是三維數(shù)值模型的自由流出口，滿足:

式中:u，v和w分別是出口速度在x，y和z方向上的分量;Pout為外部環(huán)境壓強。

(5)隧道邊壁和掌子面均為無滑動邊界。采用標準壁函數(shù)法［9］。

2．4 求解方法

采用了Patankar［10］提出的有限體積法離散方程，對流項采用一階迎風差分格式近似，SIMPLE算法求解。對圖1所示隧道模型進行網(wǎng)格劃分，共得到852 790個節(jié)點和806 015個單元。隧道網(wǎng)格劃分如圖3所示。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

依據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》［11］，CO 最高容許質(zhì)量濃度(以下簡稱TWA)為20 mg/m3，短時間接觸容許質(zhì)量濃度(以下簡稱STEL)為30 mg/m3。

圖3 隧道的網(wǎng)格劃分Fig．3 Grid plotting of tunnel

從三維隧道模型圖(圖1)的隧道A上截取6個面 z為 500，400，300，400，100 和 0，這 3 個面距掌子面的距離分別為 0，100，200，300，400 和 500 m，在這6個面上分別取3個點P1，P2和P3，3個點為位置如圖2(a)所示。3個點距離地面距離為1．6 m，是人類的呼吸高度，存在于這個高度上的CO最容易被人吸收。以各個面上，這3個點CO質(zhì)量分數(shù)平均值作為該面CO質(zhì)量分數(shù)。從爆破發(fā)生時刻(既t=0 s)開始計時，通風過程中監(jiān)測得到各個面CO質(zhì)量分數(shù)隨時間的變化特征如圖4所示。與掌子面距離0 m處，CO質(zhì)量分數(shù)隨著通風時間迅速下降，其他5個面都經(jīng)歷了CO質(zhì)量分數(shù)上升和下降2個階段，距離隧道A掌子面距離越大，CO擴散到來的時間越晚。

圖4 距隧道A掌子面不同距離CO質(zhì)量分數(shù)變化曲線Fig．4 The variation curve of CO concentration in different distance with heading of tunnel A

從隧道三維模型圖(圖1)的人行橫道上截取平面x為12，27和42。在Fluent求解過程中監(jiān)測人行橫道內(nèi)CO質(zhì)量分數(shù)變化，如圖5所示，3個面的CO質(zhì)量分數(shù)變化較一致。以平面x=12上CO質(zhì)量分數(shù)變化為例。從圖5可以看出:從t=230 s開始，其CO質(zhì)量分數(shù)開始迅速增加，t=360 s時人行橫道內(nèi)CO質(zhì)量分數(shù)達到最高，CO質(zhì)量分數(shù)數(shù)為0．001 4，相當于 1 680 mg/m3，是 TWA 的 84倍和STEL的56倍。通風800 s后，平面x=12上的CO才逐漸降低到安全范圍以內(nèi)。因此，爆破作業(yè)之后人行橫道內(nèi)不能有人停留。

圖5 人行橫道內(nèi)CO質(zhì)量分數(shù)隨時間的變化關(guān)系Fig．5 The variation curve of CO concentration with the ventilation time in crossing

在三維隧道模型(圖1)中截取平面z=280，該面為人行橫道的中間面。圖6和圖7所示分別反映了平面z=280通風t=400 s時CO濃度云圖和流場速度矢量云圖。從圖6可以看出:隧道A內(nèi)含有CO的氣流通過人行橫道向隧道B擴散，污染了隧道B內(nèi)潔凈空氣。從圖7可以看出:隧道A的流速高于隧道B的流速，通風功率不同，促使2條隧道間產(chǎn)生貫通風流，加重了CO對隧道B的污染。氣流從隧道A進入人行橫道后，由于人行橫道斷面較隧道斷面小，形成狹管效應(yīng)，流速略有上升。

圖6 通風400 s時CO在平面z=280上的濃度云圖Fig．6 CO concentration field in crossing at t=400 s

在三維隧道模型圖(圖1)中截取平面y=1．6，該平面離地1．6 m，是人的呼吸面，存在于這個平面上的CO最容易被人呼吸進入體內(nèi)，所以，將此平面作為研究重點。圖8所示為t=400 s時平面y=1．6上CO濃度云圖。從圖8可以看出:CO在隧道內(nèi)呈團狀分布，該圖也進一步展示了隧道A內(nèi)的CO會沿著人行橫道向隧道B擴散。圖9所示為人行橫道和隧道B的交叉口處的流線圖，來自人行橫道的氣流和B隧道的氣流在此交匯，隧道B內(nèi)原有流線受到擠壓偏斜，2個氣流產(chǎn)生了1個渦流區(qū)域。此時CO在隧道B內(nèi)主要分布在z=230至z=280之間的區(qū)域。在隧道A中，CO已經(jīng)離開爆破后初始分布區(qū)域，主要分布于z=180至z=440之間。氣團核心區(qū)域CO質(zhì)量分數(shù)最高，氣團兩邊CO質(zhì)量分數(shù)較低。

圖7 通風400 s時平面z=280上的速度矢量云圖Fig．7 Velocity magnitude field in crossing at t=400 s

圖8 通風400 s時CO在平面y=1．6上的濃度云圖Fig．8 CO concentration field in surface y=1．6 at t=400 s

圖9 交叉口附近流線圖Fig．9 Streamtraces around jounction at t=400 s

如圖10所示，當t=500 s時，在平面y=1．6上CO在隧道B內(nèi)主要分布于z=130至z=280之間的區(qū)域，相對于t=400 s時隧道B受污染的程度加重。隧道A內(nèi)CO區(qū)域主要分布在z=70至z=370區(qū)域內(nèi)。相對于t=400 s時，隧道A內(nèi)CO氣團向隧道外部移動，且分布區(qū)域變大，CO氣團核心區(qū)域質(zhì)量分數(shù)降低。說明CO在隧道A和隧道B內(nèi)排出的過程中不斷地被稀釋。

圖10 通風500 s時CO在平面y=1．6上的濃度云圖Fig．10 CO concentration field in surface y=1．6 at t=500 s

在三維隧道模型圖(圖1)中，從隧道B上截取平面 z為 280，210，140，70 和 0，以每個平面上取 3個點P1，P2和P3，用這3個點CO質(zhì)量分數(shù)平均值作為相應(yīng)隧道斷面的CO質(zhì)量分數(shù)。在Fluent求解過程中，監(jiān)測得到每個斷面上CO質(zhì)量分數(shù)隨時間變化如圖11所示。從圖11可以看出:當t=200 s時，隧道B內(nèi)平面z=280上CO質(zhì)量分數(shù)迅速增加，其CO質(zhì)量分數(shù)最高達到0．000 44，相當于528 mg/m3，是 TWA 的26．4倍和 STEL 的17．6倍;CO進入隧道B后，迅速由人行橫道斷面向隧道B的整個斷面擴散，因此，其他4個面CO質(zhì)量分數(shù)極大值比平面z=280的小。從圖11可以看出:z為210，140，70和0這4個面CO質(zhì)量分數(shù)極大值緩慢降低，這說明CO氣團在隧道B內(nèi)向隧道外移動的同時也在慢慢稀釋。這4個面CO質(zhì)量分數(shù)極大值介于0．000 16～0．000 19之間，相當于 192～228 mg/m3，是 TWA 的9．6～11．4倍和 STEL 的6．4～7．6倍;通風1 500 s后，隧道B內(nèi)CO質(zhì)量分數(shù)才能降低到安全允許范圍之下。隧道B受重度污染時間長達1 250 s。

4 通風管理措施

為保證隧道B的正常施工和人員的健康安全，必須改進通風管理措施。首先可以采取主動防護策略，在人行橫道中設(shè)置氣流擋板，阻止2個隧道間形成串通氣流;或者采取抽出式施工通風［8］，這樣可以從根本上防止爆破后CO的擴散。爆破后通風排煙過程中，隧道A和隧道B應(yīng)當保持相同的通風速度，如果為了加大排煙速度而調(diào)大了隧道A的通風功率，則隧道B也應(yīng)當增加到相同的通風功率，既雙洞等功率通風，這樣可以防止隧道A內(nèi)的CO隨串通風流進入隧道B。在隧道三維模型圖(圖1)中截取平面y=1．6，爆破后隧道A和隧道B的風機同時開高檔，二者具有相同的通風速度，通風400 s后，CO濃度云圖如圖12所示。與圖8對比可知:CO不再向隧道B擴散。這種方法也能有效避免CO污染隧道B。

圖11 隧道B內(nèi)CO質(zhì)量分數(shù)時間變化圖Fig．11 The variation curve of CO concentration with the ventilation time in tunnel B

圖12 通風管理措施優(yōu)化后，t=400 s時CO在平面y=1．6上的濃度云圖Fig．12 CO concentration field in surface y=1．6 at t=400 s after optimization of ventilation measure

此外采取被動防護策略，調(diào)整施工工藝，在人行橫道打通前，完成CO擴散影響區(qū)域的施工任務(wù)，禁止人員上下班時徒步穿越CO擴散影響區(qū)域，禁止載人車輛在CO影響區(qū)域停留，加強安全教育，讓作業(yè)人員具有識別危險源的能力，同樣可以防止CO中毒事件。

5 結(jié)論

(1)隧道掌子面爆破后，在通風排煙過程中，CO污染氣體在隧道內(nèi)以氣團的形式存在，氣團中心CO濃度高，氣團兩邊CO濃度低。氣團隨著通風時間不斷往隧道外移動，在移動過程中，氣團變大，CO濃度隨之降低。

(2)雙洞隧道系統(tǒng)中，某一隧道爆破后，如果單方面加大通風功率，2個隧道之間會產(chǎn)生串通風流，CO隨串通風流污染人行橫道和相鄰隧道。

(3)通過設(shè)置氣流擋板、雙洞等功率通風、抽出式通風等措施，能有效避免CO污染相鄰隧道。

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