特長隧道標準化施工通風設計數(shù)值模擬研究

摘 要：為了解決高鐵特長隧道標準化施工通風量小、污風淤積在隧道與橫洞交界處無法排出的問題。依托池黃高鐵某特長隧道工程，建立了三維數(shù)值計算模型，對比分析三種通風方案的通風流場特征及優(yōu)缺點，從而對隧道標準化施工通風方案進行了優(yōu)化。結果表明：加強掌子面以及橫正洞交界處的通風可有效稀釋污染物，避免污染物的堆積；在隧道橫正洞交界處增設射流風機能夠加快污染物在隧道內(nèi)的流動速度，提高污風排出效率。

關鍵詞：特長隧道，數(shù)值模擬，隧道通風，方案優(yōu)化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.06.033

1 引 言

特長隧道距離長，內(nèi)部空氣流通緩慢，施工產(chǎn)生的熱量及有毒有害物質(zhì)極易滯留在隧道內(nèi)，導致施工過程中會形成高溫、多煙、能見度低、空氣污染嚴重的施工環(huán)境。當污染物濃度積累達到某一臨界值時，會嚴重威脅隧道內(nèi)工作人員的身體健康，降低施工過程中隧道內(nèi)的能見度，影響施工進程[1-2]。因此，選擇科學、合理的通風方案在隧道標準化施工中尤為重要。

各國學者針對大長隧道通風問題開展了大量的研究。王應權[3]分析了鐵路隧道施工期通風方式的選擇依據(jù)、通風量的計算方法，并對橫通道形狀、夾角進行了通風優(yōu)化分析。雷帥等[4]采用流體力學軟件Fluent建立了射流巷道式通風的三維數(shù)值模型，探明了巷道式通風的流場及污染物分布特征，結果表明，增加對掌子面供風量和設置局扇可以消除低風速區(qū)。駱陽[5]等人建立施工通風系統(tǒng)模型，對不同半徑、不同風速條件下，曲線隧道及風管沿程阻力損失進行計算，為曲線隧道施工通風沿程阻力損失系數(shù)的選取提供參考。綜上可知，現(xiàn)有隧道通風的研究主要集中在獨頭開挖隧道，對雙向掘進隧道的通風方案及效果研究較少[6-7]。與獨頭開挖方式不同，特長隧道施工為了加快建設進度，在隧道中部設置橫洞或豎井進入正洞后向兩頭掘進，增加作業(yè)面。橫洞、正洞內(nèi)各種機械交通運輸繁忙，其交界處氣流紊亂，互擾嚴重。因此，本文依托池黃高鐵某特長隧道，采用數(shù)值模擬方法對雙向掘進特長隧道標準化施工通風方案進行優(yōu)化研究，對改善施工環(huán)境、優(yōu)化通風系統(tǒng)的設計方案等具有指導意義。

2 隧道施工通風優(yōu)化數(shù)值模擬方法

2.1 工程概況

池黃高鐵某特長隧道全長10.8 km，最大埋深約500 m。隧道中部設置橫洞，全長945 m，橫洞與隧道正洞呈60°夾角。隧道平面如圖1所示。

初始通風方案采用壓入式通風，風機布置在橫洞洞口，風管直徑為2 m，布置高度為3 m。由于風損過大，在隧道掌子面距離橫洞15 m處出現(xiàn)了污風無法通過橫洞排出的現(xiàn)象，造成污風淤積在隧道。因此，施工通風方案需要進行優(yōu)化設計。

2.2 通風方案

方案1為現(xiàn)有的隧道通風方案，風管設置在正洞與橫洞交界處。

方案2將風管延伸至正洞施工的掌子面。方案3在方案2風筒布置的基礎上，在橫洞與正洞交界處增設一臺射流風機。

2.3 數(shù)值模型建立

利用COMSOL Multiphysics仿真軟件建立三維有限元模型，物理模型根據(jù)隧道開挖實際尺寸建立，如圖2所示。

模型網(wǎng)格選用常規(guī)網(wǎng)格大小，并對模型進行局部細化，單元尺寸縮放因子選用0.35。各方案的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

模型分析模塊選擇流體流動的湍流k-ε模型和粒子追蹤模型的多物理場耦合板塊。根據(jù)隧道開挖實際情況及支護情況，設置壁面粗糙度常數(shù)為0.55，壁面平均粗糙高度為0.09 m。設置湍流入口為橫洞的入口風扇位置，根據(jù)本工程中的需風量，考慮到風管阻力以及百米漏風率的情況選擇風管輸出速度5 m/s，設置出口為橫洞截面。設置風管為內(nèi)壁，不設置壁粗糙度。研究步驟選擇穩(wěn)態(tài)分析步驟和雙向耦合粒子追蹤，根據(jù)求解收斂性選擇容差以及迭代次數(shù)。

3 結果分析

通過有限元模型計算，可得到不同通風方案的風速云圖，如圖4-圖6所示。

由圖4可知，方案1由風管將外部風流傳至正洞與橫洞交界處，當風流進入隧道正洞后，左側風管的風流向正洞的左右兩端分流，風速迅速減小，到達左側掌子面風速約為1.2 m/s，再進行渦流回旋。由于右側風管和正洞存在一定的夾角，部分風流在左側風流的影響下未進入正洞而直接從橫洞排出，造成風力的嚴重損耗。由于兩個風管的存在，污風無法有效地及時從正洞排出，外部風流甚至會帶著污風流在正洞作業(yè)面繼續(xù)進行渦流循環(huán)，造成污風流大量的淤積。

由圖5可知，方案2的風管由橫洞延伸至正洞掌子面。在不考慮風管阻力以及百米漏風率的情況下，能夠保證通到掌子面的風速達到4 m/s左右。左側風管延伸至掌子面，風流在抵達掌子面后進行渦流循環(huán)，污風回流至橫洞與正洞交界處。右側風管延伸至右側掌子面，風流抵達掌子面后進行右側渦流循環(huán)，在正橫洞交界處與左側風流匯合在一起向橫洞排出。該方案雖然需要延伸風管，但是通風效果明顯要優(yōu)于方案1，左右渦流循環(huán)方向相反。最后，污風流在橫洞與正洞交界處匯聚排向橫洞，小部分的污風渦流循環(huán)也會隨整體的強風逐漸排出隧道。

上圖中，方案3是在方案2的基礎上進行改進，方案2中的風速隨距掌子面的距離增加而逐漸降低，當?shù)竭_橫正洞交界處時，風速僅0.5 m/s。左側和右側掌子面風流匯聚后難以從橫洞排出，因此需要在橫正洞交界處增加射流風機將匯聚的污風渦流從橫洞排出。由上圖橫正洞交界處的風流場可知，方案3中的射流風機能夠吸收兩側的污風流，防止污風流繼續(xù)加入渦流循環(huán)，通過射流風機對污風流增加風速，從而將污風流從橫洞排出。

截取隧道正洞中心風場速度云圖及風速距掌子面距離的風速變化曲線對方案3的通風效果進一步分析，如圖7所示。

由圖7可知，在隧道正洞和橫洞的交界處安裝一臺射流風機后，在射流風機出口很小范圍內(nèi)，氣流靜壓快速降到最小，隨著與掌子面距離的增大，靜壓增加，并且可以看出隨著風速的增加，風機后方升壓范圍增加。射流風機將后方的污風流吸收，施加一定的速度向橫洞排出。增設射流風機后，交界處風速會增大，風機旁邊污風流風速降低，隧道平穩(wěn)速度為0.6 m/s左右。

綜上可知，通過將風筒設置在隧道開挖掌子面，然后在正洞和橫洞交界處設置射流風機可以顯著提高通風效率。

由圖7可知，在隧道正洞和橫洞的交界處安裝一臺射流風機后，在射流風機出口很小范圍內(nèi)，氣流靜壓快速降到最小，隨著與掌子面距離的增大，靜壓增加，并且可以看出隨著風速的增加，風機后方升壓范圍增加。射流風機將后方的污風流吸收，施加一定的速度向橫洞排出。增設射流風機后，交界處風速會增大，風機旁邊污風流風速降低，隧道平穩(wěn)速度為0.6 m/s左右。

綜上可知，通過將風筒設置在隧道開挖掌子面，然后在正洞和橫洞交界處設置射流風機可以顯著提高通風效率。

4 結 語

本文采用三維有限元數(shù)值模擬軟件，模擬不同通風方案下特長隧道在橫洞處雙向掘進的施工通風效果，對標準化施工通風方案進行優(yōu)化，主要得出以下結論：

（1）特長隧道掌子面的通風效果對于通風效率有較大影響，通風方案設計時應該加強掌子面通風，避免污染物在掌子面堆積。

（2）特長隧道施工通風的關鍵區(qū)域在橫洞與正洞交界部位，該區(qū)域的通風設計對于隧道雙向掘進匯聚的污風流排出具有重要作用，射流風機能夠加快污染物在隧道內(nèi)的流動速度，在橫正洞交界處增設射流風機可顯著提高污風流排出效率。

參考文獻

《中國公路學報》編輯部.中國交通隧道工程學術研究綜述·2022[J].中國公路學報，2022，35（4）：1-40.

劉敦文，唐宇，李波，等.瓦斯隧道施工通風風筒優(yōu)化數(shù)值模擬及試驗研究[J].中國公路學報，2015，28（11）：98-103+142.

王應權.長大鐵路隧道施工通風方案選擇及優(yōu)化[J].地下空間與工程學報，2015，11（S1）：359-366.

雷帥，方勇，劉靜，等.南大梁高速公路華鎣山隧道施工通風優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代隧道技術，2019，56（2）：194-200.

駱陽，王英學，宋相帥，等.曲線隧道施工通風沿程阻力損失數(shù)值模擬[J].地下空間與工程學報，2020，16（S2）：897-903+933.

喬力偉，蔣葛夫.雙向掘進隧道游離SiO2粉塵擴散規(guī)律模擬與分析[J].環(huán)境科學研究，2019，32（6）：1043-1051.

陳建民.山嶺公路隧道標準化鉆爆施工技術研究[J].中國標準化，2022（16）：205-208.

作者簡介

張瑞平，本科，工程師，研究方向為土木工程施工項目管理。

邱偉超，本科，高級工程師，研究方向為橋梁與隧道工程施工技術與管理。

王瑋，本科，工程師，研究方向為隧道工程。

唐宇，通信作者，博士，助理研究員，研究方向為橋梁與隧道工程。

陳皓斐，碩士研究生，研究方向為隧道工程。

（責任編輯：劉憲銀）