特長鐵路隧道風倉式施工通風效果的數值分析

周水強

(中鐵隧道局集團一處有限公司,重慶 410000)

由于通風困難導致隧道施工效率降低，進度緩慢，己經成為影響工期、質量、安全、效益的關鍵因素。在無法實現巷道式通風的情況下，由于受長度、斜井限制，采用壓入式通風難以滿足施工要求[1-3]。國內相關學者針對這一問題進行了一定的研究，辛國平[4]從通風系統布置、斜井供風巷道的分隔與密封、風倉的設置與密封等幾個關鍵技術入手，介紹了適合長大隧道斜井工區的長距離獨頭通風技術。陳海峰[5]對不同工況下風倉內部流場進行三維數值模擬，通過計算分析，確定了風倉及軸流風機布置的最佳形式。豆小天[6]從方案比選、通風設計、效果監測等方面系統闡述了羅家理斜井施工通風技術，并對大風室接力通風在羅家理斜井的成功應用進行詳細說明。劉國平[7]設計了小風室接力通風方案，經過相應的供風計算，從理論上分析小風室接力通風的可行性，通過工序優化及輔助通風措施的應用，科學合理地優化了通風方案。趙東坡[8]為解決單斜井雙正洞多開挖面平行施工通風難題，介紹一種新型隧道施工隔板風道通風技術。孫三祥[9]分析了斜井設置中間隔板情況下風機串、并聯對應的速度場，比較了串聯或并聯的通風效果，提出了中間隔板及風機出口與工作面距離建議值。張恒[10]依托錦屏引水隧洞，從理論研究結合現場通風測試，探討了在目前能代表國內通風最好硬件下壓入式通風的極限通風距離。由于采用風倉式這種新型通風方式的工程實例較少，可借鑒的工程經驗有限，因此有必要對長大隧道風倉式施工通風效果進行研究。

1 依托工程概況

衢寧鐵路起自滬昆鐵路衢州站，終于沿海鐵路寧德站，正線全長379.169 km。衢寧鐵路鷲峰山一號隧道設計為160 km/h單線鐵路隧道，全長16 646 m，隧道最大埋深為791.5 m，為Ⅰ級風險隧道，是全線重點控制工程。設置斜井2處、橫洞1處，如圖1所示。其中，桃源斜井長2 622 m、娜洋坪斜井2 028 m、橫洞315 m，綜合坡度分別為9.47 %、8.36 %、-5.35 %，隧道采用鉆爆法開挖，采用雙車道無軌運輸方式。施工通風根據施工進度采用不同的通風方式，進出口采用風管壓入式通風。隧道內風量根據爆破及人員作業所需新風設計，全斷面開挖時施工通風風速不小于0.15 m/s，風機及風管根據施工進度進行配置，當通風環境變差時，在隧道內增設風機，加快空氣流動。兩座斜井進入正洞后均設進出口兩個工作面，斜井之間為關鍵線路，獨頭掘進長度分別為5.7 km、6.0 km，無巷道式通風條件，施工通風壓力極大。

圖1 隧洞斜井、橫洞布置情況

2 風倉式施工通風方案

為了解決壓入式通風無法突破其通風長度的瓶頸問題，提出了長大隧道風倉式施工通風。斜井采用分隔材料將其分為上下兩半，上半部為進風道，隔一定距離設置射流風機將洞口新鮮空氣壓入，下半部分為出風道，將污風排出。斜井與正洞交叉口位置設置封閉的風倉，將軸流風機放在風倉兩側，根據需要分別向各掌子面供風的通風方式，如圖2所示。采用風倉式接力通風后，隧道兩端的通風距離大幅度減少，桃源斜井進入正洞后往衢州方向的最長通風距離為1 018 m，而隧道出口方向最長通風距離為3 381 m。

(a)橫剖面

(b)縱剖面圖2 風倉式通風方案示意

2.1 數值模型及相關參數

2.1.1 邊界條件設置

計算中采用流體動力學計算軟件FLUENT的三維非穩態組分輸運模型進行求解，湍流模型采用標準k-ε雙方程模型。依據實際工程情況，設定邊界條件如下：

(1)隧道內壁為墻面wall，根據隧道超欠挖實際情況及支護措施，壁面粗糙度常數Rc取0.57，壁面平均粗糙高度Rh取0.09 m[11]。

(2)隧道出口采用outflow出口邊界條件。

(3)軸流風機出風口為速度入口邊界，設置為Velocity-inlet；110 kW軸流風機，出口速度取14.6 m/s；132 kW軸流風機，出口速度取15.6 m/s。

(4)軸流風機與射流風機壁面設為固體邊界。

(5)射流風機進出風口為速度入口邊界，設置為Velocity-inlet，出口速度取41.4 m/s；進風口為質量入口邊界，設置為mass-flow-inlet，進風量46.7 m3/s。

2.1.2 初始CO濃度計算

根據每個開挖循環所用的炸藥用量確定拋擲距離、CO初始濃度，炮煙拋擲距離經驗公式為：

L=15+G/5

(1)

式中：L為炮煙拋擲長度，即爆破后炮煙彌漫區域的長度(m)；G為爆破炸藥用量(kg)。

初始濃度計算公式為：

(2)

式中：c為CO初始濃度；G為爆破炸藥用量(kg)；L為炮煙拋擲長度(m)；b為每kg炸藥產生的有毒氣體(m3/kg)，取0.04；A為隧道開挖斷面面積(m2)。

隧道斷面的主要計算尺寸及CO初始濃度計算結果如表1所示。

表1 隧道斷面尺寸及爆破后CO初始濃度

2.2 計算結果分析

2.2.1 原壓入式施工通風效果

斜井掘進到井底后，斜井口安裝1臺2×160 kW和1臺2×200 kW通風機，兩趟φ1.8 m軟風管，襯砌臺車與掌子面間采用φ1.5 m軟風管，一趟向進口方向供風，一趟向出口方向供風。數值計算按照最不利工況考慮進行，即鷲峰山進口方向按照2 622 m(斜井長度)+1 018 m(正洞長度)=3 640 m；出口方向按照2 622 m(斜井長度)+3 381 m(正洞長度)=6 003 m，三維數值計算局部模型圖3所示。為了掌握在采用壓入式通風的情況下，隧道內部特別是掌子面附近工作區域(300 m范圍)的污染物分布情況，通過監測掌子面附近300 m范圍內的斷面，按照每50 m設置一個監測斷面(沿Z方向分布，為了顯示效果，已適當擴大了該方向的比例)。壓入式通風隧道進口、出口方向掌子面300 m范圍內CO濃度分布情況如圖4和圖5所示。

圖3 三維數值計算模型(局部)

(a)通風時間300s

(b)通風時間600s圖4 隧道左掌子面300m范圍內CO濃度分布

(a)通風時間300s

(b)通風時間600s圖5 隧道右掌子面300m范圍內CO濃度分布

從國內外重要隧道鉆爆法施工通風長度統計以及工程實際實施情況，由于壓入式通風自身的缺陷(無法突破長度瓶頸)，且受現場布置及施工方式所限，它在通風距離超過4 000 m就很難滿足施工條件的需要，無法達到規定的洞內作業環境條件。從圖3和圖4的CO濃度分布云圖可以看出，在壓入式通風條件下，由于隧道進口方向通風距離相比出口方向短很多，約為出口方向的一半；隨著通風時間的不斷增加，高濃度的CO區域也在向斜井方向不斷推移，CO濃度在通風600 s后工作區域有200 m范圍已經降到了國家規范規定的30 mg/m3，最高濃度在距離掌子面300 m位置處，最大值為325 mg/m3。由于斜井與正洞采用垂直連接，風管的布置必然會在交叉口位置出現大角度的彎折，不可避免的存在較大的能量損失。因此，隧道出口方向的通風距離6 003 m已經遠遠超出了目前壓入式通風件條件下的極限通風距離，工作區域僅50 m范圍內CO濃度降到了國家規范規定值，其最高濃度在距離掌子面250 m位置處，最大值為1 190 mg/m3。

圖6為壓入式通風條件下6個時間(10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、35 min)CO濃度的運移特性。隨著通風時間的不斷增加，隧道進口與出口方向的污染物都向斜井方向轉移。由于斜井正洞交叉口位置距離進口方向的距離為1 018 m約為到出口方向的1/3，因此進口方向的高濃度CO首先到達斜井位置，25 min后基本由斜井排除，其濃度能夠達到國家規范規定的安全標準值。但隧道出口方向的通風距離長達6 003 m，因此通風35 min后，高濃度的CO運移至距離斜井1 000 m位置，其最高濃度達到963 mg/m3。可見，在隧道爆破之后，采用壓入式的通風方式不能將正洞內的污染物在規定的時間內排除到洞外。

圖6 不同通風時間隧道中線CO分布

圖7 斜井正洞交叉口風倉三維模型

(a)通風時間300s

(b)通風時間600s圖8 風倉式通風進口方向掌子面300m范圍內CO濃度分布

(a)通風時間300s

(b)通風時間600s圖9 風倉式通風出口方向掌子面300m范圍內CO濃度分布

2.2.2 風倉式施工通風效果

斜井與正洞交叉口位置設置的封閉的風倉，三維計算模型見圖7。風倉式通風隧道進口、出口方向掌子面300 m范圍內CO濃度分布情況見圖8和圖9。在壓入式通風條件下，由于隧道進口方向通風距離相比出口方向短很多(計算過程中進口配1.5 m風管，出口方向配1.8 m風管)。隨著通風時間的不斷增加，高濃度的CO區域也在向斜井方向不斷推移，CO濃度在通風600 s后工作區域300 m范圍基本已經降到了國家規范規定的30 mg/m3，最高濃度在距離掌子面300 m位置處，最大值為75.1 mg/m3。由于獨頭通風距離大幅度減少，隧道出口方向工作區域250 m范圍內CO濃度降到了國家規范規定值，其最高濃度在距離掌子面300 m位置處，最大值為91.3 mg/m3。在同樣的通風時間下，風倉式通風的效果遠好于全壓入式通風，有利于污染物快速的向斜井方向排出。

圖10為風倉式通風條件下不同通風時間情況主洞內CO濃度分布曲線圖。從圖中可以看出，隨著通風時間的不斷增加，隧道進口與出口方向的污染物都向斜井方向轉移，圖10計算了6個時間(10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、35 min)CO濃度的運移特性。由于斜井正洞交叉口位置距離進口方向的距離為1 018 m約為到出口方向的1/3，因此進口方向的高濃度CO首先到達斜井位置，20 min后基本由斜井排除，其濃度能夠達到國家規范規定的安全標準值。而隧道出口方向由于設置風倉其通風距離也大幅度減少，30 min左右出口方向的高濃度污染物已運移至斜井位置，35 min左右其濃度完全可以達到國家規范規定的安全值。可見，在隧道爆破之后，采用風倉接力的通風方式能夠將正洞內的污染物在規定的時間內排除到洞外。

3 結論

(1)由于壓入式通風無法突破長度瓶頸的缺陷，并受限于現場布置及施工方式，當通風距離超過4 000 m后就很難滿足施工條件的需要，無法達到洞內作業環境規定的條件。

(2)采用風倉式通風后，桃源斜井所承擔的正洞進口方向通風20 min后CO基本由斜井排除，出口方向通風35 min洞內CO濃度能夠達到國家規范規定的安全標準值。可見，風倉式通風對于洞內CO濃度控制優于壓入式通風。

圖10 不同通風時間隧道中線CO分布

(3)對于無巷道式通風條件且獨頭掘進長度長的單線特長隧道，在正洞與斜井交叉部位的拱部設置密封的風倉，形成風倉式接力通風，該方式能大幅度延長通風距離，提高通風效率，改善洞內空氣質量，為長大隧道施工通風開辟了新的途徑。