壓入式通風模式下高原隧道有害氣體分布特征研究

張玉偉，謝永利,2，賴金星,2,3, 李又云,2

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.長安大學 特殊地區公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；3. 南洋理工大學 土木與環境工程學院防護技術研究中心, 新加坡 639798)

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壓入式通風模式下高原隧道有害氣體分布特征研究

張玉偉1，謝永利1,2，賴金星1,2,3, 李又云1,2

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.長安大學 特殊地區公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；3. 南洋理工大學 土木與環境工程學院防護技術研究中心, 新加坡 639798)

針對高原隧道特點，進行風機選型研究，利用現場監測手段得到粉塵和CO的分布特征，結合流體力學原理推導有害氣體沿隧道軸向變化規律及工作區處隨通風時間的變化規律，建立隧道中有害氣體時空分布模型，并對現場測試數據和模型預測進行對比驗證。結果表明：有害氣體濃度沿隧道軸向呈線性增長分布，掌子面工作區濃度隨通風時間呈指數下降變化；不同施工工序CO和粉塵濃度差異較大，應根據不同工序合理選擇風機功率，通風距離和通風時間關系著CO和粉塵濃度，可根據理論預測值合理選擇不同工序下的風機風量及通風時間。最后建議針對高原隧道施工環境的綜合措施。

高原隧道；壓入式通風；有害氣體濃度；監測；分布特征

2. Shanxi Provincial Major Laboratory for Highway Bridge & Tunnel, Chang’an University, Xi’an 710064, China；3. Visiting Researcher of Protective Technology Research Centre (PTRC),School of Civil and Environmental Engineering , Nanyang Technological University, Singapore 639798)

高原與平原環境差異巨大，對于隧道工程而言，施工環境直接制約著施工進度和技術人員的身體健康。高原隧道空氣成分和氣壓變化使得施工通風設計與平原存在差異[1-4]。由于缺乏對高原隧道施工中有害氣體分布規律的認識，高原通風常常依據平原通風經驗進行，普遍存在通風效果不佳現象[5]。平原隧道通風已多有研究，鄧祥輝等[6]基于CFD理論，對壓入式通風氣流運動采用三維紊態RNG k-ε湍流模型進行三維數值模擬，得到了施工期隧道內流場和濃度場隨時間在洞內的分布變化規律；王曉玲等[7]采用PISO算法求解非穩態的風流組織和CO濃度場，應用計算流體力學軟件STAR-CD對云南南汀河引水隧洞獨頭掘進工作面通風進行了模擬分析；劉釗春等[8]采用ADINA對壓入式通風條件下掘進隧道的有害氣體濃度擴散進行了三維空間數值模擬，得到了有害氣體濃度隨通風時間的變化規律；劉敦文等[9]運用 Fluent 軟件模擬分析隧道出碴過程洞內流場及 CO 濃度分布，得出了隧道出碴過程洞內通風流場特性及 CO 濃度場空間分布規律；梁文灝等[10]研究了烏鞘嶺長大隧道通風方案的可行性；Klemens等[11]對海底隧道粉塵運移規律進行了研究，優化了通風方式；譚信榮等[12]依托長大隧道工程通風現狀提出了施工通風優化措施。可以看出，上述研究多針對于平原區隧道，對于高原區隧道施工通風的研究尚顯不足，且現有研究多采用數值模擬的方法，缺乏現場實測資料的支持，鑒于此，采用現場實測手段揭示高原隧道施工中的有害氣體濃度分布規律，選擇合理的通風方式并評價通風效果具有重要意義。本文以施工中的雞丑山隧道為依托，基于高原區隧道特點進行風機選型設計，結合流體力學假設氣流為理想氣體，計算掌子面工作區有害氣體濃度分布及沿隧道軸向分布，給出壓入式通風模式下有害氣體濃度分布規律；利用現場測試手段，采用濾膜測塵法和便攜式CO檢測儀，對不同施工工序粉塵和CO濃度進行跟蹤監測，得到沿隧道軸向、通風時間的時空分布規律，并與理論分析進行對比，掌子面工作區處有害氣體濃度隨通風時間呈指數下降，隨隧道軸向基本呈線性規律增長，可以利用文中公式對不同斷面，不同時間時有害氣體濃度預測，為選擇通風風量及通風時間提供參數。最后結合測試結果綜合分析通風距離、通風時間對通風效果的影響，并建議了環境優化措施，可為高原隧道施工環境控制提供參考。

1　雞丑山隧道通風方案

1.1工程概況

雞丑山隧道位于四川省甘孜州，為克服高差避開冰雪及霧期較長的路段，采用2 745 m的長隧道，隧道進口位于杜庫溝左岸土質斜坡，里程為K114+970，地面標高4 200 m，隧道出口位于克希隆右岸土質斜坡，里程為K117+706，地面標高為4 199.21 m。隧道施工按新奧法實施，主要采用機械化作業，臺階法開挖，出渣全部采用無軌運輸方式，通風方式為壓入式通風。該地區海拔高，氣溫低，氣壓低，氧氣含量低，根設計據資料，海平面地區氧分壓為21.15 kPa，隧址區氧分壓只有12.64 kPa，環境條件惡劣，因此必須做好施工通風設計，嚴格控制隧道內施工環境。

1.2通風設計及風機選型

1.2.1高原隧道特點

平原地區氧氣充足，施工機械排放的有害氣體濃度少，洞內環境主要受到出渣揚塵和炮煙控制，但高原地區，氣壓低，氧分壓低，環境溫度低，在強負荷條件下導致施工機械的功率下降，CO等有害氣體的排放明顯增加，已成為高寒隧道施工通風的控制因素[13-15]，高原區特殊的環境條件對于風機選型也有一定影響[16]。

表1　高原隧道與平原隧道差別Table 1 Difference of plateau tunnel and plain tunnel

1.2.2風量計算

按高原隧道內最多工作人數計算需風量：

Q1=Nmax×K×q1

(1)

式中：Nmax為隧道內同時工作最大人數；K為高海拔風量備用系數；q1為每人每分鐘供給風量。

按炸藥用量計算所需風量：

(2)

式中：A為一次爆破最多炸藥量；L為最大排煙距離；S為隧道開挖面積；Kv為重率高程校正系數。

按隧道內同時工作機械設備排煙計算：

Q3=q3K1K2∑Ni

(3)

式中：q3為內燃機每千瓦所需風量；∑Ni為內燃機功率之和；K1為內燃機高海拔工作折減系數；K2為高海拔廢氣排量增加系數。

根據設計資料和設計規范，風量備用系數、每人每分鐘供給風量、重率校正系數、內燃機工作折減系數以及廢氣排量系數等均需考慮海拔因素影響，考慮高海拔修正后的計算參數見表2。結合公式(1)～(3)和海拔修正計算參數可得考慮不同因素下Q1，Q2和Q3的需風量分別為441.6，1 600.13和1 588 m3/min。

表2　需風量計算參數Table 2 Calculation parameters of air

1.2.3風機選型

所需風機風量和風壓可由下式計算：

(4)

h=h1+h2+h3

(5)

(6)

式中：Qmax為不同因素下需風量的最大值；L為通風距離；η為百米漏風系數；h1動壓損失取50 Pa；h2沿程阻力損失；h3局部阻力損失取0 Pa；α為摩擦阻力系數；L1為風筒長；U為風筒周長；S1為風筒斷面積。風筒參數均由常規風機配套風筒確定，計算參數見表3。

表3　風量和風壓計算參數Table 3 Calculations of air volume and pressure

結合式(4)～(6)計算可得風機風量和風壓分別為1 924.46 m3/min和2 240.52 Pa。通過對比選用一臺DP№12.5/2×55型對旋式隧道通風機，風機風量為1 015～1 985 m3/min，風壓為624～4 150 Pa，2極變速，通風方式采用壓入式通風。

2　現場監測分析

2.1監測方案及控制標準

2.1.1監測方案

現場共布置了8個測試斷面，斷面里程為K117+680至K117+330，斷面間隔50 m，依次記為斷面1至斷面8，方案布置如圖1。測試內容主要包括2部分，第1部分為打鉆、爆破、噴漿、出渣各工序下粉塵和CO沿隧道軸向分布規律；第2部分為典型施工工序下(粉塵選取噴漿工序，CO選取出渣工序)，典型斷面下(斷面7和斷面8)分別測試粉塵和CO隨通風時間的變化規律，并對測試結果進行匯總分析。

圖1　壓入式通風模式及測試方案布置Fig.1 Forced ventilation mode and test plan arrangement

2.1.2控制標準

目前，關于高原隧道施工CO和粉塵濃度規范涉及不全面，公路隧道施工技術規范中只提及了施工中CO濃度(見表4)，對于粉塵濃度只做了一般情況規定(平原區隧道)。對于高原隧道施工環境限值有一些初步研究，如謝尊賢等[17]參考國內外對于環境衛生標準研究了高原隧道施工環境指標限值，提出CO濃度限制為50 mm/km[18]；粉塵為含10%以上游離二氧化硅不得大于2 mg/m3，10%以下游離二氧化硅礦性粉塵不得大于4 mg/m3。

表4　CO濃度限值Table 4 CO concentration limit　mg/m3

注：MAC-時間加權平均容許濃度(8 h)；TWA-最高容許濃度；STEL-短時間接觸容許濃度(15 min)

2.2粉塵分析

圖2為不同施工工序粉塵濃度沿隧道軸向分布規律，圖3為噴漿作業工作區斷面7和斷面8粉塵濃度隨通風時間的變化規律。

圖2　不同施工工序粉塵濃度沿隧道軸向分布Fig.2 Dust concentration along the tunnel axis of different construction process

圖3　噴漿工序斷面7和8粉塵濃度隨通風時間的變化Fig.3 Section 7, 8 dust concentration change with ventilation time in spray process

由圖2可以看出，總體上粉塵濃度沿隧道軸向基本呈線性增加，越靠近掌子面工作區粉塵濃度越高；但不同施工工序粉塵濃度差異較大，其中出渣和噴漿2個施工工序粉塵濃度較高，其中噴漿時工作區最高達5.5 mg/m3，這是由于噴漿采用的是干噴混凝土技術，導致掌子面工作區處粉塵濃度積聚；結合圖3可以知，噴漿工序對于掌子面工作區斷面7和斷面8濃度較高，隨著通風時間的增加，粉塵濃度呈指數規律逐漸降低，保持通風可使粉塵濃度迅速降低，3 min后可低于2 mg/m3，滿足規范容許值，但隨著通風時間的進一步增加，降塵效果不明顯，工作區仍會有部分粉塵存留。

2.3CO分析

圖4為不同施工工序CO濃度沿隧道軸向分布規律，圖5為出渣作業斷面7和斷面8 CO濃度隨通風時間的變化規律。

圖4　不同施工工序CO濃度沿隧道軸向分布規律Fig.4 CO concentration along the tunnel axis of different construction process

圖5　出渣作業斷面7和8CO濃度隨通風時間變化規律Fig.5 Section 7, 8 CO concentration change with ventilation time in spray process

分析圖4可知，總體趨勢上CO濃度變化基本與粉塵相同，沿隧道軸向線性增加，不同施工工序，CO濃度差異表現更明顯，出渣是最高的施工工序，工作區濃度最高達401 mm/km，而打鉆和噴漿作業CO濃度均保持在較低水平，即使在掌子面處也能滿足規范要求，這是因為隧道出渣方式采用無軌運輸，自卸汽車在出渣過程中不斷排放CO造成濃度積聚過高，而噴漿和打鉆時基本沒有CO 排放，因此全隧道均保持在較低水平；因此選擇通風時應對不同工序有針對性選擇。由圖5知，對于CO濃度最高的出渣工序，隨著通風時間的增加，CO濃度也呈指數規律顯著降低，且開始一段時間效果明顯，時間越長越不明顯，當通風時間超過5 min時，CO濃度達到較低水平基本滿足要求。

3　有害氣體濃度擴散分析與對比驗證

3.1基本假設

由于有害氣體在空氣中所占比例相對較小，故按連續介質假設把空氣視為理想流體，通風系統中，空氣流動主要是沿著縱向運動，因此可忽略其他2個方向的運動簡化為一維理想流體連續運動，且作如下假設：1)空氣為不可壓縮流體；2)忽略摩擦力的影響，忽略溫度變化影響；3)有害氣體濃度均勻分布在掌子面工作區，顆粒相在空間中有連續的速度、溫度和體積分數分布。

理想流體的流動滿足連續性方程：

(7)

式中：u，v和w分別為流體在x，y和z方向上的速度分量。

在不可壓縮的流體一維穩定運動中，各斷面的流量均相同：

Q1=Q2=C

(8)

式中：Q1和Q2為不同斷面的流量，m3/s；C為常數。

3.2壓入式通風分析

壓入式通風方式如圖1，設通風換氣長度為L，通風管出風口至掌子面的距離為L0，設隧道的斷面面積為Sz，風管面積為Sd，風速為v，則工作區間的容積為V=Sz·L0，設工作區間內有害氣體的初始濃度為N0，通風時間為t時濃度為Nt，把通風時間分為n個時間段Δt。

由理想氣體的連續性可知：

Qz=Qd,Szvz=Sdvd

(9)

當通風時間為Δt后，排出工作區間含有害氣體的污染空氣體積為QdΔt，同時有QzΔt的新鮮空氣進入工作區間，那么工作區間內的濃度可表示為[8]：

(10)

(11)

式(11)為掌子面工作區的有害氣體濃度隨通風時間的變化規律。根據現場監測資料，粉塵和CO濃度沿隧道軸向呈近似線性分布，因此假設有害氣體濃度沿隧道軸向是線性關系：

(12)

式中，l為任意斷面距風管出風口的距離。由式(11)和式(12)可以描述壓入式通風模式下，有害氣體濃度在隧道內的時空分布規律，即有害氣體濃度沿隧道軸向呈線性增加分布，掌子面工作區處隨通風時間呈指數規律下降，圖6為不同風量時工作區有害氣體濃度隨通風時間的變化過程。

圖6　不同風量下工作區有害氣體濃度變化Fig.6 Harmful gas concentration changes in workspace under different airflow

3.3對比分析

圖7～8分別為CO和粉塵沿隧道軸向的計算值與實測值的對比。計算值N0取斷面8處的平均值，進而通過式(12)計算得到軸向濃度分布，實測值為斷面處不同工序的平均值。可看出，CO和粉塵濃度沿隧道軸向近似線性分布，計算值與實測值吻合較好，可以用計算公式(12)近似預測沿隧道軸向的有害氣體濃度分布。

圖7　隧道軸向CO濃度對比Fig.7 Comparison of CO along tunnel axial

圖8　隧道軸向粉塵濃度對比Fig.8 Comparison of dust along tunnel axial

圖9～10為掌子面工作區斷面8處CO和粉塵濃度隨通風時間的變化對比。計算值由式(11)求得，N0取斷面8實測初始值，實測值為斷面8隨時間的實際變化平均值。可看出有害氣體在掌子面工作區隨通風時間呈指數規律降低，計算值與實測值吻合較好，通過式(11)能夠預測不同監測斷面有害氣體濃度隨時間的變化規律，可確定通風風量選擇更合適的通風方式的提供依據。

圖9　工作區CO濃度對比Fig.9 Comparison of CO in workplace

圖10　工作區粉塵濃度對比Fig.10 Comparison of dust in workplace

3.4綜合優化措施

基于以上分析知，通風距離和通風時間關系著CO和粉塵濃度，通風距離越長CO和粉塵越以及時排除而造成超標；同一斷面處濃度通風時間呈指數降低效果明顯，通風是降低有害氣體濃度的有效措施，式(11)～(12)能夠預測有害氣體沿隧道軸向分布、任意斷面隨時間的分布，通過預測值我們可以選擇合理的風機風量和通風時間。

然而雖然通風是降低有害氣體的有效措施，但是正如實際測試結果一樣，僅僅依靠通風難以徹底消除CO和粉塵，在通風一段時間后不會像理論計算值一樣完全排出，仍然會有一定存留。對于高原隧道苛刻的環境要求應考慮采用綜合措施，如灑水降塵、彌散供氧等，另外條件允許還可考慮施工技術優化，如采用濕式鑿巖技術、濕噴混凝土技術等，多采用電動或風動機械，少用或不用內燃機械，從源頭上降低污染物的濃度，降低對施工通風的要求，形成整體的高海拔寒區隧道施工環境控制體系，從而更容易達到隧道環境衛生標準。

4　結論

1)結合高原隧道特點，考慮海拔因素進行風機選型研究，利用現場測試手段，得到CO和粉塵沿隧道軸向分布基本呈線性增長規律，掌子面工作區處隨通風時間的呈指數下降規律。

2) 基于流體力學假設分析壓入式通風模式下有害氣體沿隧道軸向變化及任意斷面處隨通風時間變化，進而得到隧道中有害氣體時空分布特征。并對計算值和實測值進行對比分析，兩者吻合較好，可用計算公式近似得到預測值，作為通風參數選擇的依據。

3)實測結果表明，不同施工工序，粉塵和CO 濃度差異巨大，施工通風必須針對不同工序合理選擇需風量；對于高原隧道除加強通風外，還應采取灑水降塵，彌散供氧，濕噴混凝土技術等綜合措施，保證高原區隧道施工環境要求。

[1] 王星華.高原多年凍土隧道工程研究[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

WANG Xinghua. Plateau permafrost tunnel engineering research[M]. Beijing: China Railway Press，2007.

[2] 李孜軍, 林曉光, 李明, 等．雙洞隧道獨頭掘進CO擴散效應模擬分析[J]．鐵道科學與工程學報，2013，10(4):82 -87．

LI Zijun，LIN Xiaoguang，LI Ming，et al．Simulation analysis of CO diffusion for double tube tunneling excavatedfrom single end[J]. Journal of Railway Science and Engineering,2013,10(4):82-87.

[3] 陳衛忠,郭小紅,曹傳林,等．公路分岔隧道循環風相互影響及其對策研究[J]．巖石力學與工程學報,2008,27(6):1137-1147.

CHEN Weizhong, GUO Xiaohong, CAO Chuanlin, et al. Research on interrelationship of exhaust air of highway forked tunnel and counter measures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008,27(6):1137-1147.

[4] Parra M T, Villafruela J M, Castro F. Numerical and experimental analysis of different ventilation systems in deep mines[J].Building and Environment, 2006, 41(2):87- 93.

[5] 謝尊賢,朱永全,陳紹華.高原隧道長距離施工通風方法研究[J].現代隧道技術,2011,48(3):112-116.

XIE Zunxian, ZHU Yongquan, CHEN Shaohua, et al. Research on ventilation for long distance construction of tunnels in plateau[J].Modern Tunnelling Technology, 2011,48(3):112-116.

[6] 鄧祥輝,劉釗,劉釗春.兩河口長隧道獨頭掘進壓入式施工通風三維數值模擬[J]. 土木建筑與環境工程, 2014,36(2):35-41.

DENG Xianghui, LIU Zhao, LIU Zhaochun. 3D numerical simulation on forced construction ventilation of long single head tunnel of lianghekou[J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2014,36(2):35-41.

[7] 王曉玲,陳紅超,劉雪朋.引水隧洞獨頭掘進工作面風流組織與CO擴散的模擬[J].水利學報,2008,39(1):121-127.

WANG Xiaoling, CHEN Hongchao, LIU Xuepeng, et al. Simulation on ventilation air flow and CO diffusion in leading face of excavation in tunnel[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2008,39(1):121-127.

[8] 劉釗春,柴軍瑞,賈曉梅. 壓入式通風掘進面有害氣體濃度擴散數值模擬[J].巖土力學,2009,30(增2):536-539.

LIU Zhaochun, CHAI Junrui, JIA Xiaomei. Numerical simulation of concentration diffusion of harmful gas in heading face with forced ventilation[J]. Rock and Soil Mechanics,2009,30(Suppl 2):536-539.

[9] 劉敦文，甘如魯，張聰，等.隧道出碴過程 CO 濃度監測與模擬研究及應用[J].鐵道科學與工程學報，2014,11(5):90-95.

LIU Dunwen，GAN Rulu，ZHANG Cong，et al. Research and application of CO concentration monitoringand simulation under tunnel mucking process[J] Journal of Railway Science and Engineering, 2014,11(5):90-95.

[10] 梁文灝,苑郁林.烏鞘嶺特長鐵路隧道施工通風方案研究[J].現代隧道技術,2004,41(4):38-44.

LIANG Wenhao, YUAN Yulin. Study on the scheme of construction ventilationin wushaoling extra-long railway tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology, 2004,41(4):38-44.

[11] Klemens R, Sinski P KO, Wolanski P, et al. Numerical study of dust lifting in a channel with vertical obstacles[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2001,14(6):469-473.

[12] 譚信榮,陳壽根,張恒.基于洞內空氣質量測試的長大隧道施工通風優化[J].現代隧道技術,2012,49(6):152-157.

TAN Xinrong, CHEN Shougen, ZHANG Heng. Optimization of ventilation during the construction of a large tunnel based on air quality testing in the tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology, 2012,49(6):152-157.

[13] 謝尊賢,朱永全.高原隧道施工工程機械有害氣體排放特性[J].長安大學學報(自然科學版),2011,31(6):105-110.

XIE Zunxian, ZHU Yongquan. Emission characteristics of harmful gas from engineering machinery under tunnel construction in plateau regions[J]. Journel of Chang’an University(Natural Science Edition),2011,31(6):105-110.

[14] Alan Vardy.On semi-transverse ventilation systems[C]// 7th International Symposium on the Aerodvnamics and Ventilation and Ventilation of Vehicle Tunnels, 1991:629-646.

[15] Staehlinj, Schlapferk. Emission factors from roadtraffic from a tunnel study. part1:concept and first result[J]. Sci Total Environ,1995,169(1):141-147.

[16] 茍紅松,李永生,羅占夫.高海拔地區隧道施工通風風量計算及風機選型研究[J].隧道建設,2012，32(1):53-56.

GOU Hongsong, LI Yongsheng, LUO Zhanfu. Study on air volume calculation and fan selection for tunnel ventilation in plateau area[J]. Tunnel Construction, 2012,32(1):53-56.

[17]謝尊賢,朱永全,陳紹華，等.高原地區隧道施工作業環境衛生標準研究[J]. 西安建筑科技大學學報(自然科學版),2011,43(2):247-252.

XIE Zunxian, ZHU Yongquan, CHEN Shaohua, et al. Research on environmental health standard of tunnel construction in plateau[J]. Journal of Xi′an University of Arch & Tech(Natural Science Edition),2011,43(2):247-252.

[18]JTG F60—2009，公路隧道施工技術規范[S].

JTG F60—2009， Technical specifications for construction of highway tunnel[S].

Distribution of harmful gas concentration ofplateau tunnel under the forced ventilation mode

ZHANG Yuwei1，XIE Yongli1,2，LAI Jingxing1,2,3，LI Youyun1,2

(1.School of Highway, Chang'an University, Xi’an 710064, China；

According to the characteristics of plateau tunnel, the change-law of harmful along the tunnel axis is deduced. The time and space characteristics of harmful gas are then obtained with the time change-law and fluid mechanics principle. The distribution of CO and dust are obtained by using field test method and made comparisons with theoretical analysis. The results show that the harmful gas concentration is linearly distributed along the tunnel axis and the concentration in workplace changed exponentially with ventilation time. The concentration of CO and dust is different obviously in different construction progress, and different ventilation power should be used in different construction progress. The distance and time of ventilation are related to the concentration of CO and dust, and reasonable air volume and time should be selected according to theory value in different construction progress. Finally, comprehensive measures of plateau tunnel construction environment are suggested.

plateau tunnel; forced ventilation mode; harmful gas concentration; monitoring; distribution characteristics

2015-12-17

四川省交通廳科技項目(2012C5-3)；交通運輸部應用基礎研究項目(2015319812140)

張玉偉(1989-)，男，山東淄博人，博士研究生，從事隧道工程研究；E-mail：1032659676@qq.com

U45

A

1672-7029(2016)10-1994-07