鐘宜宏, 王林峰*, 李鳴, 冉楗, 張繼旭, 夏萬春

(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 400074;2.中交路橋建設(shè)有限公司, 北京 101100)

近年來隨著現(xiàn)代隧道技術(shù)的發(fā)展,近期隧道建設(shè)工程伴隨著“長大深”等難點,傳統(tǒng)的通風技術(shù)面臨著諸多挑戰(zhàn)[1-4]。隧道建設(shè)過程中,爆破、噴混凝土、排渣等工序會產(chǎn)生大量粉塵,爆破還會產(chǎn)生CO等大量有毒氣體,嚴重威脅著施工人員的健康。

為了減小煙塵對于隧道作業(yè)區(qū)人員的危害,中外學者對減少煙塵帶來的危害展開了研究[5-10]。Yang等[11]研究了煤塵的擴散范圍以及污染區(qū)的形成時間,并提出了一種新型濕式降塵技術(shù)有效減少了施工環(huán)境中的煤塵濃度;趙樹磊等[12]對米拉山隧道中粉塵、CO的擴散運移規(guī)律進行了研究,并提出了CO和粉塵隨時間變化的關(guān)系式。薛永慶[13]通過Fluent數(shù)值模擬軟件與現(xiàn)場試驗相結(jié)合,研究了敞開式引漢濟渭秦嶺輸水隧洞內(nèi)隧道掘進機(tunnel boring machine,TBM)粉塵的濃度變化規(guī)律,并對風管布置進行了優(yōu)化,有效提高了除塵效率;曹正卯等[14]通過研究阿朗山高海拔隧道確定了不同海拔高度下粉塵濃度的變化情況,并提出了不同高度下粉塵濃度的海拔修正系數(shù)計算公式;Huang等[15]采用計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)三維數(shù)值模擬軟件研究了高原礦山開挖爆破后CO不同工況下的時空演化特征,并利用灰色關(guān)聯(lián)法分析得出通風管直徑是影響CO分布的主要因素;Liu等[16]研究了不同風幕抽壓比對除塵效果的影響,研究得出抽壓比為1.2時風幕的除塵效果最好。

綜上,目前中外學者在施工除塵技術(shù)方面和除塵凈化器方面開展了大量研究,通過以上手段大量減少了煙塵在隧道環(huán)境中的擴散,但由于除塵凈化器位置的固定其作用范圍也受到一定約束,因此仍需要一種能夠根據(jù)煙塵聚集位置進行抽排的可移動式通風排煙系統(tǒng)。因此,本文研究提出一種可跟隨式有害氣體抽排系統(tǒng)與抽排方法,旨在針對隧道中粉塵及有害氣體大量聚集的位置進行抽排并加速煙塵排出,通過CFD數(shù)值模擬軟件驗證裝置抽排效果,研究結(jié)果可為改善隧道環(huán)境提供一種新型通風裝置及研究思路。

1 依托工程概況

雞鳴隧道屬于重慶城口(陜渝界)至開州高速公路第KSCJ2合同段B1段,雞鳴隧道左洞起訖樁號ZK59+707～ZK67+142.2,長7 435.2 m,右洞起訖里程K59+698～K67+150,長7 452 m,雞鳴隧道屬于特長隧道。雞鳴隧道各級圍巖長度及所占比例如表1所示。

本次模擬采用隧道掘進至III級圍巖階段,該階段下隧道穿越志留系紗帽組(S2s)地層,主要為薄-中厚層狀砂巖夾薄層頁巖。爆破方式采用全斷面爆破,每循環(huán)進尺1.2 m,掌子面爆破會產(chǎn)生大量粉塵及CO。通風方式采取壓入式通風,隧道內(nèi)通風情況、現(xiàn)場施工及通風示意圖如圖1所示。根據(jù)雞鳴隧道的地質(zhì)情況及現(xiàn)場通風需求,采用如下通風方案。

表1 隧道各級圍巖長度及圍巖所占比例

圖1 雞鳴隧道通風情況Fig.1 Ventilation condition of Jiming Tunnel

(1)軸流風機型號選用SDDY-1N014A/2×185 KW,最高轉(zhuǎn)速下可達1 450 r/min,全速風量為3 133～4 166 m3/min,風壓5 300～7 000 Pa。

(2)風管選用Φ2 000 mm軟質(zhì)風管雙抗(抗燃燒、抗靜電)風管,百米漏風率保持在3%以下,為避免污風循環(huán)風機裝設(shè)在洞外30 m以外。

(3)考慮雞鳴隧道屬于高瓦斯隧道,應將隧道掌子面及工人作業(yè)范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛认♂尩?.5%以內(nèi),同時洞口配備同等性能的備用風機,保證作業(yè)時間內(nèi)通風不間斷。

2 可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置

以往傳統(tǒng)的隧道“隔塵、組塵”系統(tǒng)往往是固定在隧道空間內(nèi)某個位置,具有不可移動的局限性,對于隧道空間內(nèi)有害氣體的集聚并不能起到有效的作用,這也給施工人員的安全帶來了隱患。本文提出的可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置[17]具有可跟隨性、可調(diào)控性,能夠根據(jù)有害氣體傳感反饋積聚位置進行針對性抽排?？筛S式隧道有害氣體抽排系統(tǒng)整體由抽出式風機系統(tǒng)和移動式鋼架系統(tǒng)組成。抽出式風機系統(tǒng)包括可調(diào)控抽出式風筒、抽出式風機、氣體儲集箱以及抽排系統(tǒng);移動式鋼架系統(tǒng)包括可移動式鋼架、支撐滑輪、防爆電機。該裝置整體設(shè)計如圖2所示。

該裝置整體采用拼接滑軌,能夠根據(jù)不同隧道大小進行高度與寬度調(diào)節(jié),以雞鳴隧道為例,該裝置應用到雞鳴隧道中尺寸為11 m×8 m,通過縮短拼接滑軌能實時調(diào)節(jié)裝置的整體寬高至8 m×5 m,使裝置通過隧道內(nèi)襯砌臺車等固定設(shè)備。底部滑輪也能使裝置根據(jù)隧道掘進長度進行實時跟隨,抽出式風管采用軟質(zhì)材料,便于靈活調(diào)節(jié),并且風管內(nèi)固定有數(shù)字信號活動桿,能夠根據(jù)監(jiān)測到的有害氣體積聚位置進行針對性抽排。有害氣體抽排進入氣體儲集箱內(nèi),儲集箱內(nèi)傳感器能夠準確測量出氣體的濃度,便于管理人員針對現(xiàn)場情況進行施工進程調(diào)節(jié),能夠有效提高施工安全性,進而提高施工效率。

圖2 可跟隨式有害氣體抽排裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of portable harmful gas exhaust device

3 計算模型

3.1 基本假設(shè)條件

針對雞鳴隧道內(nèi)煙塵的運移及排出過程做出以下假設(shè)條件[18]:①不考慮隧道內(nèi)部人員及器械運作產(chǎn)生的熱量,壁面粗糙度采用同一固定值;②隧道內(nèi)的有害氣體只考慮CO,并且CO在計算出的理論拋擲距離內(nèi)均勻分布;③壓入式通風條件下的隧道空間內(nèi)氣流視為三維黏性不可壓縮氣流。

3.2 數(shù)學模型

根據(jù)隧道內(nèi)煙塵的運動符合氣-固兩相流理論,遵循質(zhì)量守恒定律和牛頓第二方程,鑒于隧道內(nèi)的氣體流動屬于紊流,湍流模型采用標準k-ε方程,開啟組分傳遞模型。粉塵的運動則按照離散相模型進行拉格朗日軌跡計算,其中包括了與連續(xù)相的耦合。相關(guān)方程[19-20]如下。

(1)連續(xù)性方程為

(1)

(2)動量守恒方程為

(2)

(3)質(zhì)量守恒方程為

(3)

式(3)中:μx、μy、μz為x、y、z方向上的速度分量,m/s;ρ為密度,kg/m3;t為時間,s。

3.3 物理模型

以雞鳴隧道左洞掘進至III級圍巖階段作為研究對象,模型長度選取100 m,壓入式風筒出口距掌子面15 m,離地面高度4.8 m,可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置距掌子面30 m,抽出式風管根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置在遠離壓入式風筒的一側(cè),風筒直徑均為2 m,隧道斷面面積87 m2,根據(jù)工人臺車施工作業(yè)位置設(shè)置了5條測線來監(jiān)控煙塵的變化,如圖3所示。

圖3 隧道模型及測線布置圖Fig.3 Tunnel model and survey line layout

利用Solidworks軟件建成隧道三維模型將其導入ANSYS ICEM軟件進行網(wǎng)格劃分,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(Tetra/Mixed),并對通風裝置進行局部性加密,為提高模擬精度,模型中未考慮臺車及風筒固定設(shè)施。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 隧道模型網(wǎng)格劃分Fig.4 Tunnel model meshing

3.4 邊界條件及工況設(shè)置

隧道中煙塵濃度值與爆破開挖炸藥量成正相關(guān)[21],根據(jù)隧道實際情況,炮煙拋擲長度及CO初始濃度的計算公式為

(4)

(5)

式中:b為煙塵拋擲長度,m;G為總裝藥量,kg,根據(jù)《雞鳴隧道鉆爆施工方案》取184.6 kg;C0為CO初始濃度,mg/m3;γ為有毒氣體容重,N/m3,取值1.165 N/m3;b1為每千克炸藥產(chǎn)生的有毒氣體體積,m3/kg,取值0.04;A為隧道斷面面積,m2,A=87 m2,根據(jù)計算得出炮煙拋擲長度為52 m,CO初始濃度為1 901 mg/m3。根據(jù)相關(guān)資料,每噸炸藥將產(chǎn)生54.2 kg粉塵,粉塵的質(zhì)量流率計算公式為

S=cvA

(6)

式(6)中:S為粉塵的質(zhì)量流率,kg/s;c為塵源處的粉塵濃度,kg/m3;v為隧道內(nèi)的風速,m/s;A為隧道斷面面積,m2。按式(6)計算得出,粉塵的初始質(zhì)量流率為2.07 kg/s。

具體邊界條件設(shè)置如表2和表3所示。

表2 隧道邊界條件設(shè)置

表3 離散相參數(shù)設(shè)置

本次模擬共設(shè)置了兩組工況,其中一組為常規(guī)壓入式通風條件下,另一組為壓入式通風條件組合可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置。通過對比兩種工況煙塵的運移情況,從而驗證可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置的效果。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

采用CFD進行通風數(shù)值模擬時,網(wǎng)格數(shù)量直接影響著網(wǎng)格質(zhì)量,而網(wǎng)格質(zhì)量直接影響了模擬結(jié)果的精度和效率,因而需要選擇合適的網(wǎng)格數(shù)量并對其進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。利用網(wǎng)格劃分軟件ICEM(integrated computational engineering and manufacturing,ICEM)將模型劃分為3個不同質(zhì)量的網(wǎng)格,包括粗網(wǎng)格(773 536個單元)、細網(wǎng)格(1 352 993個單元)、中網(wǎng)格(1 096 930個單元)。選擇XY面上(0,0)坐標點從掌子面至隧道出口上的風速作為無關(guān)性驗證的參數(shù),其驗證結(jié)果如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性驗證Fig.5 The independence verification of grid

從圖5可以看出,三種網(wǎng)格質(zhì)量的風速十分接近,這表明本次模擬的網(wǎng)格無關(guān)性得到驗證,為了節(jié)約計算資源和提高計算效率,本次模擬選取單位網(wǎng)格為四面體的網(wǎng)格數(shù)量適中的網(wǎng)格,其網(wǎng)格質(zhì)量最高為0.99,最低為0.36,網(wǎng)格質(zhì)量大于0.45占比86.279%。

4.2 壓入式通風條件下煙塵運移規(guī)律

風流從風筒進入隧道后具有很強的貼壁性,受限于掌子面的阻擋在掌子面附近流場內(nèi)形成回流,從圖6可見,在靠近掌子面區(qū)域出風口處的風流大小明顯大于另一側(cè)回流風流大小。距掌子面距離超過風筒出風口后5 m,遠離風筒側(cè)的風速值大于靠近風筒側(cè)的風速值,風速最大值可達7.88 m/s;遠離掌子面40 m后風速最大值逐漸往隧道頂部偏移,風速最大值為4.32 m/s;距離掌子面超過60 m后風速最大值處于風筒側(cè)壁,最大值為3.28 m/s。風速最大值的偏移說明隧道內(nèi)的風流流場是極其紊亂的。

圖6 XY面間隔20 m隧道風流流場云圖Fig.6 Cloud picture of tunnel airflow field at 20 m intervals on XYsurface

風筒出風口處20 m范圍內(nèi)的風流矢量圖如圖7所示,從圖7可以看出風流自風筒射出后到達掌子面的流速最大可達11.13 m/s,并且距離掌子面越遠風速值大小急劇下降,直至趨于穩(wěn)定。由于隧道壁面的限制以及射流與回流的相互作用,極易在隧道掌子面與出風口之間形成阻礙粉塵和CO的排出的渦流,渦流在隧道中的分布如圖8所示。如圖8所示,渦流區(qū)中心位于掌子面前5 m附近,根據(jù)不同位置處風速大小及風流矢量紊亂程度將隧道平面劃分為3個區(qū)域[22],根據(jù)圖6和圖7所示的速度流場及風流矢量將本隧道內(nèi)流場劃分為渦流區(qū)(掌子面前25 m內(nèi))、渦流影響區(qū)(掌子面前25～70 m)、穩(wěn)定區(qū)(掌子面前70～100 m)。

圖7 出風口處風流矢量圖Fig.7 Flow vector diagram at the outlet

圖8 Y=0平面風流矢量圖Fig.8 Plane air flow vector graph of Y=0

粉塵在隧道內(nèi)部的運移主要是受風流影響,為了便于分析,本文研究選取了距離掌子面5 m的XY面上的5個測點,測點坐標如圖9所示,各個測點在距掌子面5 m的XY面上的坐標分別為:測點1(-5,0)、測點2(-3,4)、測點3(0,5)、測點4(3,4)、測點5(5,0)。

圖9 壓入式通風下測點布置圖Fig.9 Layout of measuring points under pressure ventilation

《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660—2020)要求工作場所空氣中總粉塵濃度低于8 mg/m3,各測點處粉塵濃度變化如圖10所示。從圖10可以看出,爆破后0～20 s粉塵濃度達到最高。隨著通風持續(xù)進行,風流攜帶粉塵流出隧道洞口,通風60 s后掌子面前的粉塵逐步被稀釋至0。

圖10 各測點處粉塵濃度變化圖Fig.10 Change of dust concentration at each measuring point

測點4由于渦流的卷吸作用以及粉塵碰撞壁面反彈,粉塵顆粒在通風10 s時刻運動回靠近風筒側(cè),同時在通風過程中粉塵濃度達到最高值855 mg/m3;測點1則因為處于遠離風筒出風口處的貼近隧道壁面位置,其粉塵濃度峰值低于各測點,粉塵濃度峰值為350 mg/m3;各測點上粉塵濃度在通風50 s后就低于規(guī)范要求粉塵濃度。

由于測點4處粉塵峰值濃度最高,選取測點4研究其沿隧道長度的粉塵濃度變化,如圖11所示。從圖11中可見測點4上粉塵在隧道空間中的空間運移情況,通風10 s時粉塵主要聚集在掌子面附近,粉塵濃度在距離掌子面18 m時達到峰值2 160 mg/m3。粉塵的排出主要受到隧道空間內(nèi)回流的作用,在通風120 s后粉塵基本排出隧道空間。

圖11 測點4粉塵濃度變化圖Fig.11 Change of dust concentration on survey line 4

圖12為隧道Y=0平面上CO濃度隨時間的變化情況,從圖12中可以看出,爆破后炮煙拋擲區(qū)范圍內(nèi)完全充滿CO,之后跟隨風流逐步排出隧道;在通風初期CO整體在平面上分布較為規(guī)律,呈中間濃度高兩端濃度低的梯度狀。通風60 s后,掌子面40 m范圍內(nèi)的CO濃度分布開始紊亂,高濃度的CO主要聚集在洞口附近。在通風120 s左右,掌子面50 m范圍內(nèi)的CO濃度已趨近于0,洞口處仍有高濃度CO聚集,大約通風600 s后隧道空間內(nèi)的CO已全部排出。選取測線1通風5 min內(nèi)的CO濃度變化進行分析,如圖13所示。

圖12 Y=0平面CO濃度云圖Fig.12 Cloud image of CO concentration in Y=0 plane

圖13 測點1 CO濃度變化圖Fig.13 Change diagram of CO concentration on survey line 1

由圖13可知,測點1上CO濃度在爆破后瞬間達到峰值濃度1 901 mg/m3,通風10 s后掌子面30 m內(nèi)的CO濃度逐漸被稀釋排出,通風300 s后CO濃度降低至規(guī)范允許濃度30 mg/m3以下。從通風10 s時可以看出,此時CO的濃度呈左高右低的臺階狀分布,中間的CO濃度高于兩側(cè)濃度,最高CO峰值濃度達1 900 mg/m3。通風60 s時整個隧道空間內(nèi)的CO分布比較均勻,平均CO濃度為696 mg/m3。通風150 s后,掌子面40 m內(nèi)的CO濃度已降低至安全濃度,但洞口附近的CO濃度仍大于200 mg/m3。通風超過5 min后整條測線上的CO濃度均達到安全濃度范圍。

4.3 加入有害氣體抽排裝置煙塵運移規(guī)律

可跟隨式有害氣體抽排裝置加入隧道后與原有壓入式通風條件形成混合通風條件,其流場內(nèi)風流跡線及風流矢量圖如圖14所示。

圖14 掌子面附近風流跡線圖及矢量圖Fig.14 Wind flow diagram and vector diagram near the palm surface

由圖14(a)可以看出,風筒出風口到掌子面范圍內(nèi)風流極其紊亂,風流從出風口射出撞擊到掌子面,隨后部分風流隨抽排裝置抽排進入抽排管內(nèi)。從圖14(b)可以看出,壓入式風筒出風口處產(chǎn)生的射流風速值最大可達25 m/s,射流碰撞到掌子面產(chǎn)生的回流速度已急劇減小,隨后部分風流被抽出式風筒吸入抽排管內(nèi)。

圖15 Y=0平面隧道風流矢量圖Fig.15 Y=0 plane tunnel airflow vector diagram

選取Y=0平面查看其上風流矢量圖如圖15所示,從Y=0平面風流矢量圖可以看出,加入可跟隨式有害氣體抽排裝置后,隧道空間內(nèi)渦流數(shù)量明顯增多,y=0平面上的3個渦流中心分別位于掌子面前6、17、32 m處,渦流數(shù)量的增多一定程度上會增加隧道空間內(nèi)流場的紊亂程度。在沿隧道長度方向上,回流經(jīng)過裝置后的風流紊亂程度大幅降低,同圖8相比加入裝置后的回流平均速度更小。

選取壓入式通風條件下同樣位置處的5個測點分析其粉塵濃度的變化規(guī)律,測點位置如圖16所示,各測點處粉塵濃度變化如圖17所示。從圖17可以看出,可跟隨式有害氣體抽排裝置的加入使得掌子面附近的流場更加紊亂,粉塵濃度的變化起伏程度大,粉塵的排出至安全濃度以下的所需的時間有一定程度的增加。但由于裝置的抽排作用,粉塵濃度最高的測點1上通風10 s時的峰值濃度為235 mg/m3,僅為壓入式通風條件下粉塵峰值濃度的27.48%,同時測點5處通風10 s時可達到的峰值濃度最低,這是因為回流的挾帶作用加上裝置的抽排加速了粉塵的排出過程,說明該裝置能夠迅速降低掌子面附近的粉塵濃度,并且通風110 s左右就能使粉塵濃度降低至規(guī)范允許的安全濃度范圍以下。

圖16 加入裝置后測點布置圖Fig.16 Layout of measuring point after adding device

選取分別加入可跟隨式有害氣體抽排裝置前后,在X=0平面上的粉塵濃度沿隧道長度的變化情況進行分析,粉塵濃度變化情況如圖18所示。對比通風時間t=2 s和t=5 s可以看出,加入可跟隨式有害氣體抽排裝置后同一時間上粉塵在隧道中的擴散速度更快,且粉塵濃度下降速度更快。比較通風時間t=30 s和t=60 s可以看出,同一時間點上加入裝置后粉塵沿隧道分布比較分散,沒有出現(xiàn)壓入式通風條件下的粉塵大面積聚集現(xiàn)象,并且由于裝置的抽排作用,大量粉塵不會全程擴散到隧道空間環(huán)境,而是經(jīng)由可跟隨式抽排裝置的抽排管抽排出隧道環(huán)境,一定程度上緩解了短時間內(nèi)工人吸入大量粉塵的問題,從而降低了工人患塵肺病的概率。

圖17 各測點處粉塵濃度變化圖Fig.17 Change of dust concentration at each measuring point

圖19為加入裝置后隧道Y=0平面CO的濃度變化圖,從圖19可以看出,加入裝置后CO濃度同圖15相比變化趨勢一致,都是隨著通風時間的增加CO濃度逐漸降低。但是同圖15比較,加入可跟隨式有害氣體抽排裝置后,相同時間點上CO濃度值更低。特別是對比通風10、60、120 s等時間點,加入抽排裝置后的CO濃度同壓入式通風相比更低,達到安全濃度所需的時間也就越短,這說明了可跟隨式有害氣體抽排裝置能夠加速排出隧道環(huán)境中的CO等有害氣體。

分別對比兩種通風條件下測點1和測點4在不同通風時刻的CO濃度變化,結(jié)果如圖20所示。從圖20可以看出,同一空間相同時間點下距離掌子面60 m范圍內(nèi),隧道內(nèi)加入可跟隨式有害氣體抽排裝置后的CO濃度明顯低于壓入式方式。

從圖20可以看出,通風剛進行時,在炮煙拋擲區(qū)范圍內(nèi)初始CO濃度比較高,裝置的抽排作用比較明顯,兩條測線上的CO濃度有170～450 mg/m3的降幅。通風60 s后,兩測線上CO濃度差值起伏降低,風流作用下掌子面附近的CO濃度略低于隧道洞口處CO濃度,兩測線上20 m附近處由于渦流影響CO濃度發(fā)生抖降;抽排裝置的加入對CO濃度有明顯的降低作用,同一位置處加入抽排裝置前后CO濃度最高降幅可達71.43%。測線4距掌子面15 m處于壓入式風筒出口附近,因而粉塵濃度會出現(xiàn)靠近風筒出風口造成濃度驟降,隨著離出風口距離的增加,各截面上的風流速度趨于平均,引起粉塵濃度回升;通風120 s時,在掌子面60 m范圍內(nèi)由于加入裝置后橫斷面上的風流流向改變,CO易積聚于隧道底部;但超過掌子面60 m以后風流不受裝置抽排影響,風流逐漸平穩(wěn),CO主要積聚于隧道頂部。故加入抽排裝置后在掌子面60 m范圍內(nèi),測點1上CO濃度低于未加入抽排裝置時,測點4上CO濃度高于未加入抽排裝置時;通風600 s后,兩測線上加入裝置前后CO濃度均處于安全濃度范圍內(nèi)。

圖18 X=0平面粉塵濃度變化圖Fig.18 Change of dust concentration in X=0 plane

圖19 Y=0平面CO濃度云圖Fig.19 Cloud image of CO concentration in Y=0 plane

圖20 兩工況下兩測線不同時刻CO濃度變化圖Fig.20 Change of CO concentration in line 1 and 4 at different times under two working conditions

對各測點處加入裝置后的CO濃度變化進行擬合如圖21所示,各測點處CO濃度伴隨通風進行濃度逐漸下降,下降趨勢滿足:

(7)

式(7)中:C為CO濃度,mg/m3;t為通風時間,s。

CO濃度C隨時間t變化趨勢整體呈單指數(shù)函數(shù)變化,從圖21可以看出,在通風時間200 s內(nèi)CO濃度下降幅度最大,超過200 s后降幅明顯變緩。通風110～130 s,各測點處的CO濃度已降低至安全濃度范圍內(nèi),這相較于壓入式通風條件下掌子面范圍內(nèi)達到安全濃度的時間更短。

5 結(jié)論

借助雞鳴隧道工程,利用數(shù)值模擬軟件Fluent建立隧道三維模型開展可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置除塵、降塵有效性研究,得出如下結(jié)論。

(1)粉塵及CO的排出主要是受風筒噴射出的射流碰撞掌子面形成的回流控制,隧道通風過程中形成的渦流會阻礙粉塵及CO的排出過程,根據(jù)渦流影響區(qū)域?qū)⑺淼绖澐譃闇u流區(qū)(掌子面前25 m內(nèi))、渦流影響區(qū)(掌子面前25～70 m)、穩(wěn)定區(qū)(掌子面前70～100 m)。

(2)可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置會使隧道掌子面附近流場更加紊亂,隧道空間內(nèi)形成多個渦流,加大了粉塵在掌子面附近擴散的紊亂程度,不會出現(xiàn)粉塵在隧道中大量聚集在空間中某一處的現(xiàn)象。

圖21 各測點處CO濃度變化擬合曲線圖Fig.21 Fitting curve of CO concentration change at each measuring point

(3)可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置能夠加速粉塵及CO的排出,特別是通風60 s左右降低粉塵及CO濃度效果最明顯,并且加入裝置后CO在掌子面30 m范圍內(nèi)集中于靠近隧道底部擴散。

(4)加入可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置,在掌子面附近CO濃度變化趨勢呈現(xiàn)單指數(shù)函數(shù)變化,通風200 s時間內(nèi),CO濃度下降幅度最大,隨通風時間增加CO濃度下降逐漸減緩,通風110～130 sCO濃度已降低至安全濃度范圍內(nèi)。

利用數(shù)值模擬軟件對可跟隨式有害氣體抽排裝置的應用進行模擬分析,由于篇幅有限,本次可跟隨式有害氣體抽排裝置可行性研究只考慮了一種工況,并未對該裝置風筒不同傾斜角度及不同風筒直徑等影響因素展開詳細研究,后續(xù)會對該裝置的優(yōu)化及應用場景展開進一步的研究。