特長隧洞施工高強度運輸尾氣排放通風仿真分析

羅汝洲

(中鐵十三局集團公司 第二工程公司，廣東 深圳 518083)

鑒于錦屏二級水電站引水隧洞長達16.67 km，鉆爆法施工獨頭掘進通風距離達到了12.5 km，TBM獨頭掘進通風距離達到了14.5 km。隨著隧洞掘進的不斷深入，洞身長度增加后，洞身段很可能會出現通風不暢、通風時間大幅度增加。并有可能發生整條隧洞長期處于污染或死風，嚴重影響工程建設進度和安全。

盡管對特長隧洞不同工作面以及洞身段通風方案及其參數可以采用較為詳細的理論計算和分析，但在實施過程中的通風效果到底如何?能否滿足實際隧洞掘進工作面和洞身段的通風需要，還需通過仿真分析和現場試驗進一步驗證說明。為此，本文針對理論分析結果，選出較難把握或在實際施工中可能會有問題的主要關鍵節點，運用大型分析系統軟件建立相應模型，對后期施工組織調整后的各條隧洞不同階段的主要關鍵節點的通風方案及其參數進行分析，以此為后續通風方案的完善提供有力基礎。

1 特長高污染隧洞通風方案及參數分析

選擇污染程度較大且通風強度要求較高的4#引水隧洞進行仿真分析。

1.1 洞內主要污染源

隧洞施工過程中的主要污染源為施工爆破中產生的炮煙和粉塵，運輸車輛產生的尾氣和煙塵。

1.2 通風方案分析

4#引水隧洞的通風分為兩個部分:一是隧洞掘進工作面的新鮮風供應，二是洞身段供風。對于工作面的通風，當4#引水隧洞貫通至排引2#施工支洞后，可取3#隧洞返程風，也可階段性從排水洞取風。但應盡量避免從排水洞取風，因必須確保排引2#、3#和施工排水洞的通風。對于洞身段通風，主要靠由工作面的返程風流維持。

1.3 通風參數

依實際監測數據知，4#引水洞內的車流量高達4 000輛/d，其排放污染物的總功率高達1 167 kW，總需風量5 403 m3/min。用于克服隧洞中的空氣阻力的風機總推力為41 100 N，射流風機的推力僅為1 650 N。

1.4 風機配置

基于上述理論分析，4#引水隧洞洞身段的排風主要包括高強度運輸尾氣污染后污風排放，按通風風量、風壓、環境條件以及推力等因素分析，采用每240 m布置一臺射流風機排出污濁空氣。4#引水隧洞污風排放風路及風機布置見圖1所示。

圖1 4#引水洞污風排放風路及風機布置(單位:m)

2 高強度通風系統仿真分析

按仿真分析技術對上述通風方案與參數進行仿真計算，以便更好地對4#引水洞洞身段污染空氣的射流加強排放方案做進一步研究。

2.1 物理模型

4#引水洞橫斷面面積137 m2，洞身長6 000 m，水力直徑13.2 m。采用射流風機將4#引水洞內污風沿隧洞排出。

為對4#引水隧洞洞身段通風進行仿真分析，在建模過程中采取了一定簡化措施，即隧洞橫斷面采用矩形，風管橫斷面采用方形。簡化準則為:隧洞模型橫斷面面積及寬度與原型一致，風管模型橫斷面面積與原型一致。

2.2 邊界條件

假定等溫通風，流體為不可壓縮、非穩態紊流，滿足Boussinesp假設;紊流黏性具有各向同性。以排引2#施工支洞與4#引水隧洞交叉口為風流進口，以4#引水洞出口為風流出口。模型邊界條件如下:①風流入口為質量入口邊界條件;②隧洞出口為壓力出口邊界條件(大小等于當地大氣壓);③隧洞壁面設為固壁邊界條件，并根據實際的粗糙度給定相應的壁面函數中的參數。另外，模型中給定風流入口流量(按理論計算所要排出的風量計算)、射流風機風壓，出口相對靜壓設置為0。經過仿真計算，可以得出整個隧洞內氣流的速度場和壓力場。數值仿真的物性參數和邊界條件見表1。

表1 數值仿真的物性參數和邊界條件

2.3 采用的仿真分析方法

采用等溫工況條件進行仿真分析，湍流模型采用RNGk-ε雙方程模型，近壁處理采用標準壁面函數，離散格式采用一階迎風格式，壓力項采用標準壓力修正方程，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。在風流入口處采用質量進口邊界條件，通過洞內風速、環境條件及車輛和設備的影響確定風機風壓。與大氣環境相連的出口采用壓力出口邊界條件，并指定壓力為零。

2.4 計算結果及分析

新鮮風流由進風口導入至工作面后，沿洞身段排出，為能更好地分析各位置的風流變化，分別在各射流風機射流附近設置監測點，并在風機前后10 m處共設置5個監測橫截面，即風流進口風機處2個，隧洞中間風機處2個，風流出口1個。每個橫截面處設置4個監測點，檢測點布置如圖2所示。在此主要對速度進行分析，以此確定射流排風方案的排風效果。

圖2 截面監測點布置(單位:m)

射流風機出風口處風速最大，為3.54 m/s左右，距離風機50 m左右風速達到平衡，風速在0.4～0.8 m/s之間。隧洞下部風速最小，在0.325～0.400 m/s之間，隧洞上部風速大于下部風速，隧洞上部排風效果要好于下部。各監測橫截面上的監測點的風速如圖3所示。

圖3 各監測點處風速

圖3中，V-6-8-5770，是指距隧洞橫斷面中心線6 m，距隧洞底8 m，距隧洞出口5 770 m處監測點的風速，其它意義類推。

由圖3可知，經過30 s之后，各監測點處風速達到穩定，各監測點的風速在0.42～0.62 m/s之間。

由以上仿真分析結果可得，按照研究出的4#引水隧洞射流高強度排污風方案布設風機，洞內最小風速為0.325 m/s，最大風速為3.54 m/s，滿足規范規定的洞內排風最小風速0.25 m/s，最大風速不超過5～6 m/s的要求。故按方案提出的射流風機配置能夠滿足4#引水洞洞身段排風要求。

3 結語

1)4#引水隧洞掌子面的炮煙、粉塵和洞身內高強度無軌運輸尾氣污染后的污風風量極大，對設計通風方案進行仿真分析十分必要，可進一步論證通風方案的實用效果;

2)仿真分析的計算結果與監測點的實測值比較吻合，說明采用240 m布置一臺射流風機排污風的方案，可以滿足4#引水洞掌子面掘進污風以及洞身內的高強度運輸尾氣的排放要求;

3)按當前生產條件，應清理4#引水隧洞洞內的路面及其他障礙物，盡量降低其對高強度運輸能力及通風效果的影響。

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