基于大斷面高鐵隧道的施工通風時間理論預測方法研究

王明年， 鄧 濤， 于 麗, *

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

0 引言

隧道施工通風時間是指鉆爆法施工中自爆破完畢開始通風至掌子面附近有害氣體質量濃度降低到安全水平所需要的時間。在固定的風管出口風量條件下，通風時間太短會危及作業人員安全，太長則增大了通風費用和單循環施工作業時間。在隧道建造技術向機械化、快速化發展的今天，各施工工序作業時間的合理把控變得尤為重要[1-4]。確定合理的通風時間，以更高效、快速施工為目的，在滿足人員安全需要的同時最大程度減少該工序的作業時間，對機械化配套的隧道快速建造技術意義明顯。

如今，隧道修建數量一直保持快速增長趨勢，結合隧道工程實際的施工通風技術得到了廣泛的研究。賴滌泉等[5]對風管獨頭式送風和巷道輔助式送風方法進行了研究，并取得了良好的應用效果；古尊勇等[6]結合現場監測數據與數值分析方法為雪山梁特長隧道制定了合理的通風設備選型以及通風系統設置方案；李自強等[7]以虹梯關隧道為依托，利用數值分析方法在風管長度、風機選型、風機數量和風機位置等方面對聯合式通風方案進行了優化，實現了隧道通風的有效節能。

綜上所述，業界關于隧道施工通風系統設計優化方面的研究成果豐富，但針對隧道鉆爆法施工中通風時間的研究成果相對較少。《鐵路隧道工程施工技術指南》[8]中也未對通風時間進行相關規定，現場操作執行的彈性很大，這與目前隧道機械化、標準化及信息化施工需求不匹配。鄭萬高速鐵路是國家“十二五”規劃鄭渝鐵路的重要組成部分，線路起于河南鄭州，終于重慶萬州，沿線共分布 32.5 座隧道，隧線比約為 58.4%。鄭萬全線隧道均為雙線大斷面隧道，平均開挖斷面面積約150 m2，且線上隧道基本實現了機械化配套施工，這對隧道的施工效率及各工序的時間把控提出了很高的要求。基于該工程背景及本課題的業界研究現狀，本文以鄭萬線向家灣隧道為工程依托，對一種風管距離影響下的最少通風時間進行研究，目的在于明確風管距離對施工通風時間的影響規律，提出一種基于風管距離與風管出口風量的通風時間預測方法。

1 工程概況

1.1 工程簡介

向家灣隧道位于鄭萬高速鐵路線湖北段，為雙線鐵路隧道，設計運營速度為350 km/h。該隧道采用全斷面工法開挖且施工已經實現機械化配套。向家灣隧道橫向跨度達到14.7 m，隧道高度為12.23 m，斷面面積為147 m2。隧道橫斷面如圖1所示。

圖1 隧道橫斷面圖(單位： cm)

1.2 工程通風方案

1.2.1 通風布置

隧道施工通風大致可以分為2個階段。第1階段通風方案為獨頭壓入式通風，軸流風機位于隧道洞口，風量通過1.8 m直徑送風管引入至隧道掌子面附近；第2階段為巷道輔助式通風，該階段軸流風機位于平行導洞內，風量由1.8 m直徑風管通過聯絡通道引入至掌子面附近，軸流風機及聯絡通道位置會隨著掌子面的施工持續推進。2個階段通風方案如圖2所示。

(a) 進口段

(b) 洞身段

對比2個階段通風方案可知： 不論是進口段還是洞身段通風，隧道掌子面附近的通風環境是一致的。掌子面作業空間如圖3所示。

由圖3可知： 1)施工時掌子面前方45 m內為爆破出渣的主要工作區域，也是爆破完畢后的排煙主要考慮區域； 2)該區域主要由拋渣區、挖機裝渣區和渣車裝載區組成，其中爆破拋渣距離為20 m，挖掘機與裝載機裝渣作業區域長度為10 m，渣車裝載區域長度約為15 m。

1.2.2 通風量設計

該隧道內最大同時作業人員數量為40人，最大同時作業內燃機械功率為1 013 kW。綜合考慮人員新鮮風量需求、粉塵稀釋的最小通風風速要求及內燃機廢氣等[9-10]，計算得到的隧道通風風量設計標準如表1所示。

表1 通風風量控制標準

2 施工通風時間影響因素分析

掌子面爆破開挖后會產生炮煙，其主要成分為CO、CO2和NOx等有毒有害氣體以及粉塵，其中CO對人體的危害性最大，故爆破后的通風主要考慮對CO的稀釋。通風時間即是指自爆破完畢開始通風至掌子面附近CO質量濃度降低到安全水平所需要的時間。通常情況下，CO的控制質量濃度為30 mg/m3，當必須進入時可以將標準放寬至100 mg/m3，但工作時間不得超過30 min。

根據通風時間的定義可知，在任意通風風量條件下，只要通風時間足夠長，CO質量濃度總能被稀釋至安全水平以下。而在國內鐵路隧道施工指南中，稀釋炮煙所需要的總通風風量常被視為定值，該值與炸藥用量、隧道斷面面積以及通風長度有關。計算稀釋煙氣總風量的經驗公式如式(1)(沃洛寧公式的簡化變形)所示。

(1)

式中：Qb為稀釋炮煙所需要的通風風量，m3/min；t為通風時間，min；G為同時爆破的炸藥量，kg；A為隧道凈空斷面面積，m2；L0為通風長度，m，該值代表了爆破完畢后掌子面附近需要進洞作業的區域長度(結合圖3可知，該隧道L0可以取為45 m)。

向家灣隧道單次掘進進尺為3.5 m，炸藥用量為360 kg，結合隧道斷面面積可求得隧道內稀釋CO所需風量與通風時間之間的關系曲線，如圖4所示。

圖4 理論公式下的通風時間與通風風量關系曲線

Fig. 4 Curve of relationship between ventilation time and ventilation volume according to theoretical formula

利用上述經驗公式來預測通風時間會存在以下2個問題： 1)相關研究[11-13]表明沃洛寧推導礦井通風基本理論公式時其微分方程所選取的邊界條件存在較大問題，利用該公式求解稀釋煙氣總需風量的實際指導意義不大；2)即使沃洛寧公式切實可用，公式也僅適用于計算排煙總需風量，排煙所需的通風時間沒有切實的取值方法。實際通風中風由風管流出后在隧道內的流動狀態應該是極為復雜的，風管距離過小時風流撞擊掌子面之后會產生回旋，這部分回旋會使部分有害氣體滯留在掌子面附近區域，且該狀態持續時間難以預測；當風管距離過大時風量回旋效果會明顯降低，但是風管風流并不能直接作用于掌子面的污染氣體，這導致初期階段通風達不到有效稀釋炮煙的目的。綜合來看，爆破煙氣質量濃度變化與進入隧道內的新鮮風量以及風管距離有著較為復雜的作用關系，采用理論公式求解得到的稀釋炮煙所需總需風量與實際可能存在較大差異。為驗證這一點，本文假定通風時間是受風管距離和風管出口風量2個自變量影響的因變量進行分析。

3 施工通風時間預測方法

3.1 數值分析模型

為明確風管出口風量與風管距離對通風時間的影響規律，利用CFD計算軟件FLUENT15.0對不同風管出口風量與風管距離作用下的通風效果進行分析。1D風管距離數值計算模型如圖5所示。

計算分析一共包含1D、2D、3D、4D4種風管距離工況。每種工況下模型長度均取二次襯砌步距200 m。模型求解采用瞬態標準k-ε湍流模型[14-15]，并開啟組分運輸方程，模型詳細參數設置如下。

1)模型采用自由網格劃分，最大網格尺寸小于0.5 m。

(a) 模型整體圖

(b) 內部結構圖

L表示隧道內風管距離，m。

圖5 1D風管距離數值計算模型

Fig. 5 Calculation model for CFD simulation of ventilation pipe distance

2)風管出口邊界條件為風速入口邊界(velocity inlet)；隧道遠離掌子面端為壓力出口邊界(pressure outlet)；隧道側壁采用wall邊界且各項參數保持默認。

3)為還原爆破時煙氣的生成過程，掌子面的邊界條件設置包含2個階段。

①爆破階段。將掌子面的邊界條件定義為速度入口邊界，并設置CO為單一氣體組分，煙氣釋放時間持續1 s。該持續時間內CO送入量應與炸藥爆破生成量保持一致。工程采用全斷面工法開挖，開挖進尺約3.5 m，單次爆破用藥量為360 kg，考慮每千克炸藥爆破時的CO生成量為40 L時，單次爆破CO總生成量為14.4 m3，對應邊界風速值為0.097 9 m/s。

②通風排煙階段。將掌子面邊界條件更換為wall邊界，煙氣生成停止。

3.2 通風時間計算分析

計算分析考慮1D、2D、3D、4D4種風管距離，2 000、2 500、3 000、3 500 m3/min 4種風管出口風量，計算工況為16組。爆破完畢后，出渣機械最早進入隧道作業，根據隧道掌子面附近作業空間分布情況，出渣作業人員最大距離掌子面45 m，計算選取該斷面為監測面。當監測面CO質量濃度等于允許質量濃度100 mg/m3時的通風時間為最少通風時間。

1D風管距離，風管出口風量為3 500 m3/min時，掌子面附近的CO質量濃度隨通風時間的變化情況如圖6所示。

由圖6可知： 隨著通風時間的增加，爆破產生的CO逐漸向掌子面后方移動，且CO高質量濃度區域從拱頂位置逐漸向隧道斷面中下方移動。

圖6 掌子面附近CO質量濃度變化情況(單位： kg/m3)

Fig. 6 Concentration variation of CO near tunnel face (unit： kg/m3)

監測面上CO質量濃度云圖變化情況如圖7所示。

(a) 1 min最大質量濃度為5 215 mg/m3

(b) 5 min最大質量濃度為775 mg/m3

(c) 10 min最大質量濃度為691 mg/m3

(d) 17.8 min最大質量濃度為100 mg/m3

(e) 量值對照表 (單位： kg/m3)

Fig. 7 Statistics of concentration variation of CO on monitoring cross-section

由圖7可知： 當通風時間達到17.8 min時，監測面上CO最大質量濃度為100 mg/m3，等于允許進場作業的最低質量濃度要求。不同風管間距、不同風管出口風量條件下的最少通風時間如表2所示。

表2 通風時間統計表

3.3 通風時間預測分析

將不同風管出口風量下的最少通風時間分別繪制成曲線，并對繪制成的曲線進行多項式擬合，結果如圖8所示。

圖8 通風時間與風管距離關系曲線

Fig. 8 Curves of relationship between ventilation time and ventilation pipe distance

由圖8可知，風管距離與風管出口風量對通風時間的影響規律如下。

1)風管出口風量相同時，不同的風管距離下稀釋CO所需要的通風時間存在差異，且風量越小差別越顯著，這證明了通風時間受風管距離影響假設的正確性。

2)風管出口風量相同時，風管距離越大(1D、2D、3D、4D內)，通風時間越少，這表明對于通風排煙而言，并不是風管距離越小排煙越快。

3)風管距離相同時，風管出口風量越大通風時間越少，但通風時間與風管出口風量間并不呈線性關系。

結合圖8曲線規律，對于任意通風風量，其通風時間t與風管距離之間關系如式(2)所示。

ti=aix2+bix+ci。

(2)

式中：ti為第i種通風風量下的通風時間；ai、bi、ci分別表示第i種通風風量下，通風時間與風管距離間擬合多項式中的二次項、一次項、常數項系數；x代表風管距離，取值為1D、2D、3D、4D。

由式(2)可知： 各擬合公式中的ai、bi、ci僅與通風風量有關，即ai、bi、ci可表示為如式(3)所示的通風風量Q的函數。

(3)

為得到函數關系f(Q)、g(Q)、h(Q)，取通風風量為橫坐標，將各通風風量對應的擬合系數繪制成散點圖并再次進行多項式擬合，結果如圖9所示。

圖9 擬合系數與通風風量關系曲線

Fig. 9 Curves of relationship between fitting coefficients and ventilation volume

根據擬合結果，函數f(Q)、g(Q)、h(Q)如式(4)所示。

(4)

結合式(2)與式(4)，可以得到通風時間預測公式如式(5)所示。

t=f(Q)x2+g(Q)x+h(Q) 。

(5)

式(5)是基于實際風口出風量與風管距離2個因素的通風時間預測方法，考慮了風流從風管流出后在隧道內的實際流動狀態，認為通風時間受風管出口風量與風管距離的共同作用，而不僅取決于風管出口風量。

4 通風時間預測算例

結合向家灣隧道工程實際，假定將設計風口出風量3 039 m3/min代入前面所推導的通風時間預測式(4)和式(5)，對不同風管距離下的通風時間進行了預測，結果如表3所示。

表3 向家灣隧道通風時間預測

利用數值模型對4D風管距離工況的通風效果進行了模擬，通風12.2 min時監測面的CO質量濃度云圖如圖10所示。

圖10 預測時間下監測面CO質量濃度云圖(單位： kg/m3)

Fig. 10 Nephogram of concentration variation of CO in prediction time (unit： kg/m3)

由圖10可知： 通風時間為12.2 min時監測面上最大CO質量濃度為96.88 mg/m3，小于允許質量濃度值，這在一定程度上驗證了該預測方法的可行性。

5 結論與討論

1)鉆爆法施工隧道通風時間受風管距離與風管出口風量2個因素的影響。

2)風管距離相同時，風管出口風量越大稀釋掌子面附近有毒氣體至容許質量濃度所需要的時間越少，但是通風時間與風管出口風量間并不呈線性關系。

3)風管出口風量相同時，風管距離越大(1D、2D、3D、4D內)，通風時間越少，這表明對于通風排煙而言，并不是風管距離越小排煙越快。

4)通過多項式擬合發現，通風時間t與風管距離x之間關系可以表示為ti=aix2+bix+ci。

5)擬合公式中的ai、bi、ci是僅與風管出口風量有關的系數，通過擬合可以將各擬合系數表示為風管出口風量的函數，故可以將通風時間t表達為風管距離與風管出口風量的函數關系式t=f(Q)x2+g(Q)x+h(Q)。

本文研究成果結論對類似大斷面隧道工程施工通風時間的確定具有一定的參考意義和推廣應用價值。不過，目前的研究仍存在方法較為單一的問題，豐富研究方法、提高研究成果的準確性將是今后研究的重點方向。