鄭萬高鐵巫山特長隧道長風(fēng)室接力通風(fēng)污染物運移特征研究

焦紅衛(wèi)

(中鐵十八局集團第一工程有限公司, 河北 保定 072750)

0 引言

進入21世紀以來,中國隧道及地下工程得到了前所未有的迅速發(fā)展。中國已成為世界上隧道及地下工程數(shù)量最多、規(guī)模最大、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、修建技術(shù)發(fā)展速度最快的國家[1]。隨著中國鐵路隧道修建規(guī)模和速度不斷增加,特長隧道不斷涌現(xiàn),為了加快工程進度,優(yōu)化施工環(huán)境,往往需要開辟斜井、平行導(dǎo)坑和橫通道等輔助通道[2],實現(xiàn)“長隧短打”的修建模式。良好的作業(yè)環(huán)境是隧道施工的根本保證,也是隧道施工中以人為本理念的重要體現(xiàn)[3],在多個掌子面同時作業(yè)情況下,施工通風(fēng)所需風(fēng)量顯著提高,通風(fēng)阻力增大,導(dǎo)致污染物難以排出復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)[4],特長鐵路隧道施工環(huán)境問題日益突出。

目前,針對長大鐵路隧道施工通風(fēng)的研究主要集中在通風(fēng)系統(tǒng)模式及相關(guān)影響參數(shù)領(lǐng)域。Jalali等[5]基于隨機過程原理提出了一種評估長大隧道通風(fēng)系統(tǒng)可靠性的方法,以預(yù)測在射流風(fēng)機發(fā)生故障時備用射流風(fēng)扇可用性的置信區(qū)間。Costantino等[6]以縮尺模型探究了隧道壁面粗糙度對持續(xù)升壓過程風(fēng)流場的影響。楊磐石等[7]以計算流體動力學(xué)為基礎(chǔ),對比探討了不同通風(fēng)條件下的排污效率。蔡鵬飛[8]和何聰[9]詳細探討了通風(fēng)相關(guān)配設(shè)的參數(shù)取值。張云龍等[10]采用數(shù)值模擬方法研究了不同風(fēng)管出口與掌子面距離下隧道內(nèi)風(fēng)速場和瓦斯質(zhì)量濃度的分布規(guī)律。張恒等[11]采對外置條件參數(shù)進行細致的研究,對不同布設(shè)形式下的降塵、排污效率進行了統(tǒng)計對比。

此外,施工期污染物的運移特性一直是地下工程施工通風(fēng)技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點[12-13]。劉拓[14]、譚信榮等[15]分別對不同工程進行了施工通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測,結(jié)果表明: 一個施工循環(huán)內(nèi)從鉆孔到放炮再到出碴,掌子面附近的顆粒物及有害氣體先增后減;不同施工工序粉塵和有害氣體質(zhì)量濃度差異較大,噴漿工序粉塵質(zhì)量濃度最高,而爆破和出碴工序有害氣體質(zhì)量濃度較高。曹曉程[16]以施工人員呼出的CO2質(zhì)量濃度和電焊產(chǎn)生的煙塵質(zhì)量濃度為評價因子,研究了不同施工階段污染源的釋放位置及質(zhì)量濃度對隧道內(nèi)污染物分布的影響,研究發(fā)現(xiàn)污染源的釋放量對污染物的分布影響最大,污染源的釋放位置不同會對隧道內(nèi)污染物質(zhì)量濃度產(chǎn)生一定影響,其中最不利的工況位于隧道兩端。

新建鄭州至萬州高速鐵路重慶段巫山特長隧道施工過程中,因洞內(nèi)作業(yè)空間污染物產(chǎn)量大、新污風(fēng)置換效率低下、有害氣體局部集聚嚴重等一系列環(huán)境問題突出,采用了長風(fēng)室儲風(fēng)的巷道式通風(fēng)優(yōu)化布設(shè)形式。本文通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬方法,揭示風(fēng)流場穩(wěn)定風(fēng)速范圍,得到隧道單洞掘進、雙洞協(xié)同掘進下的施工期CO和粉塵等污染物動態(tài)運移規(guī)律,探究臺車對粉塵擴散的阻礙作用,以期為多輔助通道、多工作面特長隧道的施工通風(fēng)設(shè)計提供參考。

1 超長風(fēng)室接力通風(fēng)系統(tǒng)布設(shè)

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)布設(shè)

新建鄭(州)萬(州)鐵路巫山特長隧道位于重慶市巫山縣巫峽鎮(zhèn)、兩坪鄉(xiāng)和三溪鄉(xiāng)境內(nèi),最大埋深約730 m,全長16 570.5 m,海拔為927～1 124 m。隧道穿越巫山向斜和梁子上背斜兩翼,主要地層有三疊系中統(tǒng)巴東組3段泥質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r、頁巖,2段泥巖夾砂巖與1段白云巖、泥灰?guī)r夾泥巖等。

巫山隧道2號橫洞工區(qū)全長5 779 m。斜井?dāng)嗝孀畲髢魧?.5 m,最大凈高6.2 m;正洞斷面最大凈寬13.3 m,最大凈高11.0 m。通風(fēng)管布置在斷面?zhèn)壬戏轿恢?直徑2 m,出口距離掌子面20 m。隧道平面及斷面示意如圖1所示。

(a) 平面圖(單位: m)

(b) 橫洞斷面圖(單位: cm) (c) 正洞斷面圖(單位: cm) (d) 照片圖1 巫山隧道平面及斷面示意圖Fig. 1 Plan and cross-section of Wushan tunnel

巫山隧道屬特長隧道,搭配有斜井和平行導(dǎo)洞等大量輔助通道,具有“長洞室、無軌運輸、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、污染量大”等特點,隧道施工過程中新污風(fēng)置換效率低下、有害氣體聚集現(xiàn)象突出。隧道內(nèi)能見度情況如圖2所示。

(a)

為了解決巫山隧道施工通風(fēng)阻力過大、風(fēng)管漏風(fēng)等狀況導(dǎo)致的施工環(huán)境惡劣難題,本工程采用了基于超長風(fēng)室接力的施工通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化布設(shè)方案。該布設(shè)方案以平導(dǎo)段作為儲備風(fēng)室,以斜井進口—平導(dǎo)—正洞段從外至內(nèi)分別建立供風(fēng)、儲風(fēng)和分配系統(tǒng);洞室配設(shè)升壓射流風(fēng)機,提升末端環(huán)境壓強,增大風(fēng)室末端軸流風(fēng)機工作效率。

根據(jù)鄰近橫通道對掌子面進行命名分類,以開挖7#和10#掌子面為例,該系統(tǒng)布設(shè)與現(xiàn)場使用情況如圖3所示。

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

以圖3為例,考慮洞內(nèi)最大人數(shù)、稀釋和排出內(nèi)燃廢氣、稀釋炮煙等因素計算出各掌子面的需風(fēng)量如表1所示;根據(jù)管道直徑、風(fēng)管沿程摩阻、通風(fēng)距離和局部阻力損失計算出各掌子面風(fēng)壓如表2所示。

表2 風(fēng)壓計算結(jié)果Table 2 Wind pressure calculation results Pa

1.3 長風(fēng)室接力通風(fēng)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)巷道式通風(fēng)相比,長風(fēng)室接力通風(fēng)方式主要存在以下優(yōu)勢: 1)相較于傳統(tǒng)巷道式通風(fēng),超長儲備風(fēng)室通風(fēng)存在風(fēng)流二次接力過程,主風(fēng)機新風(fēng)來源不受洞內(nèi)施工環(huán)境影響; 2)傳統(tǒng)巷道式通風(fēng)污染物向外擴散過程中,會對主風(fēng)機造成二次污染,超長儲備風(fēng)室通風(fēng)由于其風(fēng)門緊跟主風(fēng)機,可有效規(guī)避該問題; 3)傳統(tǒng)巷道式通風(fēng)無法應(yīng)用到單斜井進洞,雙洞平行掘進時,僅單一進出風(fēng)口的情況下,無法達到巷道式通風(fēng)布設(shè)條件,而超長儲備風(fēng)室通風(fēng)由于其獨立的儲風(fēng)段,在該情況下仍然適用。

利用長洞室作為過渡引導(dǎo)新風(fēng),整體把控投入設(shè)備數(shù)量及功率,能極大程度地降低能源消耗,實現(xiàn)平導(dǎo)正洞良好工作環(huán)境下的同步施工,各施工階段銜接良好,提升單次循環(huán)工作效率,有效縮短施工工期。

2 現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 測試內(nèi)容及設(shè)備

為探明洞內(nèi)污染物時空分布特征及擴散規(guī)律,分別對施工爆破作業(yè)后洞內(nèi)施工段和襯砌臺車特殊位置處的風(fēng)速及粉塵污染物質(zhì)量濃度進行現(xiàn)場實時監(jiān)測。監(jiān)測設(shè)備如圖4所示。其中,DT-3880礦用電子式風(fēng)速表量程為0～30 m/s,精度為0.03; CCZ-1000直讀式測塵儀量程為0～1 000 mg/m3,精度為0.1。

圖4 監(jiān)測設(shè)備Fig. 4 Monitoring equipment

2.2 測試斷面及方法

施工過程中測試4#、7#、9#、11#共計4個掌子面,測試時間為2020年6月15日至7月15日;取距離掌子面50、100、200、300 m位置處斷面的風(fēng)速和粉塵質(zhì)量濃度進行監(jiān)測,4#、7#掌子面由于掘進距離不足,200 m范圍內(nèi)存在排污通道,因此僅監(jiān)測50、100 m斷面,共計12個監(jiān)測面;選取11#施工段二次襯砌臺車前端、中端和末端作為監(jiān)測斷面,分別監(jiān)測粉塵質(zhì)量濃度隨時間的變化情況,共計3個監(jiān)測斷面。監(jiān)測斷面布設(shè)計劃如表3所示,監(jiān)測斷面布置如圖5所示。

表3 監(jiān)測斷面布置Table 3 Monitoring section layout

(a) 掌子面范圍內(nèi)監(jiān)測斷面示意圖(以單個掌子面為例)

(b) 襯砌臺車處監(jiān)測斷面布置示意圖圖5 各監(jiān)測斷面布置示意圖(單位: m)Fig. 5 Layout of each monitoring section (unit: m)

DT-3880礦用電子式風(fēng)速表每隔5 min記錄1次風(fēng)速數(shù)據(jù),記錄30 min,共計6組數(shù)據(jù);CCZ-1000直讀式測塵儀每隔5 min進行1次數(shù)據(jù)記錄,記錄30 min內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù),共計6組數(shù)據(jù)。將斷面橫縱向分割為9塊區(qū)域,各區(qū)域中心設(shè)置1個監(jiān)測點,取其監(jiān)測結(jié)果平均值作為該斷面最終監(jiān)測數(shù)值,以隧道右下側(cè)為監(jiān)測點1,監(jiān)測點布置情況如圖6所示,共計布置9個監(jiān)測點。

圖6 斷面監(jiān)測點布置Fig. 6 Layout of cross-section monitoring points

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.3.1 風(fēng)流場分布特征分析

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),繪制4#、7#掌子面50、100 m斷面處風(fēng)速隨時間的變化曲線,如圖7所示。

(a) 4#掌子面作業(yè)段

(b) 7#掌子面作業(yè)段圖7 掌子面不同斷面風(fēng)速隨時間的變化曲線圖Fig. 7 Variation curves of wind velocity at different sections of tunnel face with time

4#和7#掌子面2個監(jiān)測斷面風(fēng)速在30 min內(nèi)的平均值為0.583 m/s和0.449 m/s。可以看出,同一斷面風(fēng)速以某一均值線為基準(zhǔn)呈現(xiàn)出不同程度的上下波動趨勢,波動幅度越小說明風(fēng)流場結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,越有利于洞內(nèi)污染物的排出。

為探究不同縱向回風(fēng)對風(fēng)流場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,引入平均偏差概念描述斷面風(fēng)流場的穩(wěn)定性趨勢。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果中斷面風(fēng)速峰值、谷值和均值計算出平均偏差,以評價風(fēng)速值對其平均數(shù)的離勢程度,進而分析同一斷面不同縱向回風(fēng)速率下的風(fēng)流穩(wěn)定性。提取各斷面風(fēng)速的平均偏差與風(fēng)速均值繪制曲線圖,如圖8所示。

圖8 平均偏差隨縱向風(fēng)速均值的變化趨勢Fig. 8 Variation trend of average deviation with average longitudinal wind speed velocity

由圖8可知,回風(fēng)風(fēng)速0.5～0.7 m/s段平均偏差值隨風(fēng)速的增大呈單峰值狀分布,該斷面最大回風(fēng)峰值為1.28 m/s,約為均值的2倍,此階段風(fēng)速波動較大,風(fēng)流場結(jié)構(gòu)相對不穩(wěn)定,不利于有毒氣體及污染物排出。實際工程中表現(xiàn)為由于風(fēng)速變化所帶來的氣壓梯度陡增、陡降,進而對周圍空氣產(chǎn)生擾動,致使污染物穩(wěn)定向外推移的形態(tài)被破壞,導(dǎo)致局部質(zhì)量濃度過高,易形成二次污染。

風(fēng)速大于0.7 m/s時,平均偏差值呈緩慢降低趨勢,最終趨于0.1。此階段,斷面風(fēng)速波動范圍減小,風(fēng)流結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定。推測原因為風(fēng)壓沿斷面縱向作用力效果越發(fā)明顯,有效克服了洞內(nèi)機械設(shè)施或人為的外因素干擾。

2.3.2 爆破粉塵質(zhì)量濃度場分布特征分析

分別以斷面均值質(zhì)量濃度與作業(yè)段均值質(zhì)量濃度分析作業(yè)段爆破粉塵質(zhì)量濃度隨時間的變化規(guī)律。選取9#、11#作業(yè)段300 m處(范圍內(nèi))斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,如圖9所示。可以看出,斷面粉塵質(zhì)量濃度隨時間的遞增呈現(xiàn)下降速率先快后慢的趨勢,通風(fēng)前20 min基本保持等質(zhì)量濃度梯度遞減,粉塵質(zhì)量濃度降低至20 mg/m3以下后,進入緩慢降低階段;在同一風(fēng)流場中,隨著時間的增大隧道作業(yè)段粉塵均值質(zhì)量濃度呈類線性降低趨勢,說明粉塵的整體擴散性較好,其降低速率會受風(fēng)速場局部擾動的影響,即與風(fēng)流場穩(wěn)定性相關(guān)。

(a) 斷面粉塵均值質(zhì)量濃度隨時間梯度的變化

(b) 作業(yè)段粉塵均值質(zhì)量濃度隨時間梯度的變化趨勢圖9 粉塵質(zhì)量濃度隨時間的變化曲線圖Fig. 9 Variation curves of dust concentration with time

為探究二次襯砌臺車對粉塵質(zhì)量濃度分布特征的影響,對比臺車前端、中部、末端3個位置不同通風(fēng)時間下的粉塵質(zhì)量濃度分布情況,如圖10所示。

圖10 襯砌臺車處粉塵質(zhì)量濃度曲線圖Fig. 10 Dust concentration curves at lining trolley

由圖10可知: 25 min內(nèi),臺車末端粉塵質(zhì)量濃度在小幅度增加后持續(xù)下降,臺車前端粉塵質(zhì)量濃度長時間緩慢上升; 25 min時,臺車前端粉塵質(zhì)量濃度開始驟降,末端粉塵質(zhì)量濃度驟升;中部粉塵質(zhì)量濃度一直趨于平緩波動狀態(tài)。由此看出,臺車對粉塵的擴散有明顯的阻礙作用,滯后粉塵向外擴散約25 min。通過計算,臺車前端與中部位置粉塵降低梯度(15.6、5.8 mg/m3)均明顯低于臺車末端(107 mg/m3),降塵率亦處于較低水平(24%、18%),過臺車段后迅速回升(60%)。說明除臺車前端對粉塵存在局部集聚現(xiàn)象外,整體臺車段均會造成粉塵擴散受阻,二次襯砌臺車段整體降塵率降低約42%。

3 污染物運移特性數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型及參數(shù)設(shè)置

采用SCDM(spaceclaim direct modeler)建立全尺寸隧道三維模型,模型縱向全長7 000 m,1號橫洞長137 m,2號橫洞長1 130 m,炮煙拋擲長度段為100.8 m,風(fēng)管直徑為2.0 m,風(fēng)管出口距離掌子面20 m。詳細尺寸見圖1,模型如圖11所示。

圖11 巫山隧道三維建模Fig. 11 3D modeling of Wushan tunnel

采用ICEM(integrated computer engineering and manufacturing)對三維模型進行網(wǎng)格劃分,考慮隧道各連通道位置相對復(fù)雜,采用混合網(wǎng)格,隧道整體區(qū)段采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格,各連通部位采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格處理進行劃分,對風(fēng)管出口面進行局部網(wǎng)格加密,整體網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.6以上。網(wǎng)格劃分情況如圖12所示。

圖12 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格示意圖Fig. 12 Schematic of structured grid

仿真求解軟件為FLUENT 19.0,為了模擬隧道內(nèi)粉塵的運移規(guī)律,使用離散項模型(deformable part model,DPM)模擬掌子面爆破后的粉塵顆粒。根據(jù)巫山隧道地質(zhì)勘察概況,參考文獻[17],根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件情況,按灰頁巖塵粒度質(zhì)量分布對模擬仿真DPM粒徑分布參數(shù)進行設(shè)置,如表4所示。

表4 隧道施工粉塵粒度質(zhì)量分布Table 4 Mass distribution of dust concentration in tunnel construction

基于長大隧道通風(fēng)除塵特征及隧道實時監(jiān)測數(shù)據(jù),結(jié)合FLUENT模擬及粉塵運動數(shù)學(xué)模型,確定長大隧道爆破期粉塵運移規(guī)律模擬所需粉塵顆粒參數(shù)如表5所示。

表5 粉塵噴射源參數(shù)設(shè)置Table 5 Parameter setting of dust jet source

模型壁面邊界條件除了模型底面設(shè)置為“捕捉(trap)”、模型出口設(shè)置為“逃逸(escape)”,其余壁面均設(shè)置為“反射(reflect)”。

3.2 求解器及邊界條件設(shè)置

1)求解器設(shè)置。 根據(jù)前期對隧道環(huán)境的分析,選擇壓力基瞬態(tài)求解器,采用SIMPLE算法求解壓力耦合方程組。

2)模型選擇。湍流模型選擇k-ε雙方程模型;動量方程、能量方程、湍流動能方程和渦流耗散方程均選擇二階隱式算法;分別開啟species transport(組分運輸)模型和deformable part model(離散項模型)模擬CO氣體和粉塵顆粒。

3)邊界條件設(shè)置。通風(fēng)機作為入口邊界條件并選用速度入口;隧道洞口作為出口邊界,出口壓力為0;垂直于壁面的壓力梯度歸零。

4)組分運輸模型設(shè)置。2種組分分別設(shè)置為空氣(air)和CO氣體;初始情況下炮煙拋擲長度段CO質(zhì)量濃度設(shè)置情況如表6所示,其余流域均設(shè)置為空氣(air)。

數(shù)值模擬邊界條件及部分參數(shù)取值如表6所示。

表6 數(shù)值模擬邊界條件及部分參數(shù)取值Table 6 Numerical simulation boundary conditions and some numerical parameters

3.3 模型驗證

為驗證模型的正確性,對比數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測斷面風(fēng)速和粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。以11#掌子面數(shù)據(jù)為依據(jù),現(xiàn)場監(jiān)測50、100、200、300 m共計4個斷面30 min內(nèi)的平均風(fēng)速,提取數(shù)值模擬風(fēng)流場穩(wěn)定后11#洞掌子面中心線上風(fēng)速均值,共計11點。模擬與實測風(fēng)速對比如圖13所示。可以看出,數(shù)值模擬與實測值基本貼合,分布規(guī)律相似,最大誤差為19.37%。同時,提取11#洞距離掌子面300 m處斷面的粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比,如圖14所示,經(jīng)過計算最大誤差為10%。模型計算與現(xiàn)場實際情況相符,該模型可用于進一步深入分析。

圖13 現(xiàn)場監(jiān)測風(fēng)速值與數(shù)值模擬風(fēng)速值對比Fig. 13 Comparison between on-site monitoring wind velocity and numerical simulation wind velocity

圖14 現(xiàn)場監(jiān)測粉塵質(zhì)量濃度與數(shù)值模擬粉塵質(zhì)量濃度對比Fig. 14 Comparison between on-site monitoring dust concentration and numerical simulation dust concentration

3.4 單洞掘進下的污染物運移特性

3.4.1 風(fēng)流場分布特征

單洞掘進下風(fēng)流場穩(wěn)定后的空間和水平縱斷面風(fēng)速分布如圖15所示,根據(jù)與掌子面距離可以分為3個階段: 1)0～30 m范圍,風(fēng)流場形態(tài)存在較大程度的變化,風(fēng)流以束狀形態(tài)由風(fēng)管處向外推進,經(jīng)掌子面阻擋作用,風(fēng)流束整體貼壁向掌子面左側(cè)發(fā)散,經(jīng)隧道左壁面阻擋,向隧道右壁面方向回彈一段距離后,逐步向外擴散,該段中心處形成環(huán)形漩渦; 2)30～60 m范圍,風(fēng)流場逐步向隧道中心線方向移動,由原本保持的束形分布開始向外發(fā)散,隧道頂部風(fēng)速明顯高于隧道底部,不利于實際工程中的排污; 3)60～200 m范圍,風(fēng)流場基本已無束狀形態(tài),以整體保持較為穩(wěn)定的形式沿縱向逐步遞減。

圖15 風(fēng)流場穩(wěn)定后掌子面200 m范圍內(nèi)風(fēng)速云圖Fig. 15 Contour of wind velocity within 200 m of tunnel face after wind flow field is stable

3.4.2 CO時空分布特征分析

為探明施工段CO時空分布特征,對比分析不同距離斷面CO質(zhì)量濃度隨時間的變化規(guī)律,取距離掌子面處5、10、50、100、200 m共計5個斷面平均CO質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進行擬合對比,如圖16所示。

圖16 不同距離斷面CO質(zhì)量濃度隨時間的變化曲線Fig. 16 Time varying curves of CO concentration at different distance sections

1號橫通道工區(qū)正洞掌子面炮煙拋擲長度為100.8 m,故前4個監(jiān)測斷面(距離掌子面最遠100 m)在0時刻CO質(zhì)量濃度均大于0。由圖16可知,5、10、50、100 m斷面處的CO初始質(zhì)量濃度相同,約為1 310 mg/m3,然后濃度曲線以斜率不斷減小的規(guī)律下降,最終趨于平緩;同時,200 m處斷面CO初始質(zhì)量濃度基本為0,在通風(fēng)后200 s左右開始呈近似線性規(guī)律上升,直至峰值1 308 mg/m3,隨后開始降低; 5、10 m斷面因為處于風(fēng)管出風(fēng)口前端,0 s后污染物開始向外擴散,斷面平均質(zhì)量濃度開始下降,60 s后,50 m處斷面CO開始在風(fēng)流耦合作用下向外擴散,120 s后,斷面100 m處CO開始在風(fēng)流耦合作用下向外擴散;洞內(nèi)CO在180 s左右擴散至200 m斷面處,200 m處CO質(zhì)量濃度陡升至峰值后開始下降。通風(fēng)900 s后洞內(nèi)CO質(zhì)量濃度除斷面200 m處為71 mg/m3外,其余斷面CO質(zhì)量濃度均滿足相關(guān)行業(yè)規(guī)定的允許質(zhì)量濃度值。

3.4.3 粉塵運移規(guī)律特征

風(fēng)流場耦合效應(yīng)下的粉塵擴散行為如圖17所示。爆破粉塵受近掌子面高速風(fēng)流影響,在短時間內(nèi)由初始團簇狀態(tài)整體向外推移,呈現(xiàn)“整體外移,局部擴散”的流動特征;在風(fēng)流耦合作用下,爆破粉塵受隧道右側(cè)布置風(fēng)管的風(fēng)流影響,開始向遠風(fēng)管端遷移,局部粉塵下沉,而后以一定傾角向上擴散,此時,粉塵仍然具有一定的聚集性;粒徑較大的顆粒與粒徑較小的顆粒存在分布上的差異,受環(huán)境重力加速度的影響,質(zhì)量較大的顆粒(即直徑較大的顆粒)豎向分布上低于輕質(zhì)顆粒,通風(fēng)10 s后,能夠看到明顯的按粒徑分布的分層現(xiàn)象。

圖17 風(fēng)流耦合效應(yīng)下的粉塵擴散行為Fig. 17 Dust diffusion behavior under wind flow coupling

通風(fēng)30 min內(nèi)掌子面200 m范圍粉塵分布示意如圖18所示。由圖可知,30 s內(nèi),爆破粉塵由團簇狀開始擴散分散,隨著時間的增加,粉塵質(zhì)量濃度開始下降,稀釋淡化并逐漸充斥整個施工200 m段;通風(fēng)300 s后粉塵質(zhì)量濃度逐漸下降,600 s時,洞內(nèi)懸浮顆粒粉塵數(shù)量急劇減少,部分粒徑較大的粉塵顆粒未排出掌子面施工段,下沉于隧道底部;通風(fēng)1 800 s時,掌子面200 m范圍內(nèi)的粉塵基本排出該范圍段,部分質(zhì)量較大的顆粒下沉于斷面附近或是該區(qū)段末尾處。

圖18 通風(fēng)30 min內(nèi)掌子面200 m范圍粉塵分布示意圖Fig. 18 Schematic of dust distribution within 200 m of tunnel face within 30 min of ventilation

3.5 平導(dǎo)正洞協(xié)同掘進下污染物運移特性

3.5.1 雙洞同步掘進下作業(yè)段風(fēng)流分布特征

雙洞同步掘進下風(fēng)流場穩(wěn)定后的空間分布如圖19所示。由圖可知,雙洞掘進下的風(fēng)流場分布形態(tài)與單洞掘進下掌子面附近的風(fēng)流場分布形態(tài)相似。風(fēng)管置于隧道右壁側(cè),風(fēng)流由風(fēng)管出口向掌子面方向以束狀形態(tài)高速流動,經(jīng)掌子面阻擋作用,風(fēng)流束整體貼壁向掌子面左側(cè)發(fā)散,經(jīng)隧道左壁面阻擋,向隧道右壁面方向回彈一段距離后逐步向外擴散,形成回風(fēng),漸漸趨于穩(wěn)定。可以看出,平導(dǎo)掌子面風(fēng)流紊亂段主要為橫通道至掌子面處,該段縱向風(fēng)速較低。值得注意的是,由于平導(dǎo)及正洞風(fēng)流在模型分岔處匯集,風(fēng)流主要在橫通道靠洞口方向壁面處匯聚,輔助橫通道位置處的風(fēng)速出現(xiàn)增大的趨勢,橫通道貼壁處的風(fēng)速相對較大。

1）土地利用程度綜合指數(shù)模型。土地利用程度綜合指數(shù)是計算區(qū)域內(nèi)的土地利用分級指數(shù)加權(quán)平均數(shù)，可用于綜合評價該區(qū)域土地利用程度。土地利用程度綜合指數(shù)值越大，人類活動對土地利用的程度就越大，反之，則說明該地區(qū)的土地利用有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖19 雙洞掘進段200 m范圍內(nèi)風(fēng)流場三維云圖Fig. 19 Three-dimensional contour of air flow field within 200 m of double-hole tunneling

3.5.2 雙洞同步掘進下CO運移規(guī)律分析

為探究雙洞掘進下CO的運移規(guī)律,分別繪制通風(fēng)900 s內(nèi)不同時間段CO的擴散云圖,如圖20所示。掌子面爆破后,正洞、平導(dǎo)炮煙拋擲范圍內(nèi)均充斥CO,正洞CO質(zhì)量濃度約為1 306 mg/m3,平導(dǎo)CO質(zhì)量濃度約為974 mg/m3。

圖20 雙洞掘進掌子面200 m范圍內(nèi)CO分布云圖Fig. 20 Contour of CO distribution within 200 m of tunnel face of double-hole tunneling

由圖20可知,通風(fēng)30 s后,正洞掌子面附近15 m范圍內(nèi)CO質(zhì)量濃度迅速下降,為655.9～983.7 mg/m3,該范圍內(nèi)同一時間,隧道左側(cè)污染物質(zhì)量濃度略小于右側(cè),炮煙拋擲段尾端污染物稀釋,隨風(fēng)流向外擴散,此時已有部分正洞內(nèi)CO進入輔助通道和平行導(dǎo)洞,正洞末端位置存在死角,CO未擴散至此處,可以看出平導(dǎo)段CO擴散速度明顯快于正洞段;通風(fēng)120 s,平導(dǎo)掌子面附近30 m CO基本已排出,與部分正洞CO交匯后擴散至200 m段,此時正洞段CO高質(zhì)量濃度段開始進入輔助橫通道,橫通道靠近掌子面一側(cè)CO質(zhì)量濃度明顯高于遠側(cè);通風(fēng)300 s,污染物主要集中在距離隧道約200 m及正洞段處,2個施工段炮煙拋擲段CO質(zhì)量濃度明顯被稀釋,掌子面附近CO質(zhì)量濃度降至114.6 mg/m3以下,CO整體質(zhì)量濃度均降低;通風(fēng)900 s后,各掌子面附近200 m范圍內(nèi)基本排污完成,取200 m段尾端與掌子面附近2個監(jiān)測點數(shù)據(jù)可知,此時末端CO質(zhì)量濃度約為54 mg/m3,仍存在輕微污染,正洞帶平導(dǎo)段掌子面附近CO質(zhì)量濃度約為7.233 mg/m3,平導(dǎo)段掌子面附近CO質(zhì)量濃度約為4.24 mg/m3。

3.5.3 雙洞同步掘進下粉塵擴散規(guī)律分析

雙洞同步掘進粉塵獨立擴散情況如圖21所示。由圖可知,通風(fēng)初期(0～180 s),平導(dǎo)正洞保持相同擴散規(guī)律,平導(dǎo)段粉塵擴散速率明顯快于正洞段,同樣呈現(xiàn)“整體外移,局部擴散”的流動特征;通風(fēng)300 s后,粉塵質(zhì)量濃度逐漸下降;600 s時,洞內(nèi)懸浮顆粒粉塵數(shù)量急劇減少,大量粉塵顆粒下沉于隧道底部;通風(fēng)1 800 s時,掌子面200 m范圍內(nèi)的粉塵基本排出該范圍段。

圖21 雙洞同步掘進粉塵擴散規(guī)律Fig. 21 Dust diffusion law of double tunnel synchronous tunneling

3.6 襯砌臺車對粉塵擴散的影響

3.6.1 臺車阻礙作用下的粉塵擴散

圖22 30 min內(nèi)作業(yè)段粉塵擴散軌跡云圖Fig. 22 Contour of dust diffusion trajectory in operation section within 30 min

從圖22中可以看出,相比與圖18中粉塵粒子平順的擴散過程,掌子面與臺車范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的不均勻擴散情況,隧道中上方空間已被臺車完全阻擋,擴散過程中僅有少量粉塵通過臺車。由此可知,無論是粉塵向洞外的擴散過程還是下沉過程,臺車均會造成較大的限制,應(yīng)當(dāng)采取其他除塵方式對遲滯粉塵進行處理。

3.6.2 臺車對降塵效率的影響

對比分析數(shù)值模擬中有無臺車2種情況下的臺車前端(距離掌子面200 m處)隧道斷面的降塵效率,如圖23所示。

從圖23中可以看出,存在臺車時,該斷面峰值質(zhì)量濃度明顯較高,約為186.2 mg/m3,說明臺車對作業(yè)段的粉塵擴散具有一定的滯后作用。以峰值質(zhì)量濃度降至最大允許質(zhì)量濃度2 mg/m3為降塵效率的標(biāo)準(zhǔn),存在臺車時粉塵峰值質(zhì)量濃度為186.2 mg/m3,出現(xiàn)在360 s,通風(fēng)1 180 s后開始下降至2 mg/m3以下,耗時820 s;無臺車情況下粉塵峰值質(zhì)量濃度為138.3 mg/m3,出現(xiàn)在270 s,通風(fēng)602 s后開始下降至2 mg/m3以下,耗時332 s。無臺車時,降塵效率約提升2.5倍。

4 結(jié)論與討論

1)隧道風(fēng)流場穩(wěn)定性受縱向回風(fēng)速度大小干擾。當(dāng)回風(fēng)速度為0.5～0.7 m/s時,風(fēng)流場波動幅度相對較大,不利于污染物排出;當(dāng)回風(fēng)速度>0.7 m/s時,風(fēng)流場波動范圍減小,風(fēng)流結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定。

2)CO擴散時,污染物主體后端低質(zhì)量濃度段范圍逐步擴大,并未表現(xiàn)出緊跟污染物主體的擴散規(guī)律,而是以整體質(zhì)量濃度降低的形式同步排出,實際工程中應(yīng)保持對掌子面施工作業(yè)處CO質(zhì)量濃度的實時監(jiān)測工作。風(fēng)機功率為2×175 kW,通風(fēng)風(fēng)速為15.2 m/s的條件下,單洞和雙洞掘進工況下通風(fēng)900 s可滿足掌子面200 m范圍內(nèi)CO容許質(zhì)量濃度要求。

3)風(fēng)流場耦合效應(yīng)下的粉塵由初始團簇狀態(tài)整體向外推移,保持“整體外移,局部擴散”的流動特征;未及時排出掌子面施工段的較大粉塵顆粒將下沉至隧道底部;無臺車情況下,通風(fēng)30 min可保證粉塵質(zhì)量濃度下降至2 mg/m3以下。

4)臺車對爆破粉塵的擴散具有明顯的阻礙作用,二次襯砌臺車段整體降塵率較無臺車施工段降低約42%;無臺車情況相較于有臺車情況下,降塵效率約提升2.5倍。

隨著交通運輸?shù)牟粩喟l(fā)展,越來越多的長大隧道投入建設(shè),對以鉆爆法結(jié)合無軌運輸作為主導(dǎo)的長大隧道來說,傳統(tǒng)通風(fēng)模式存在固有不足,在復(fù)雜長大隧道通風(fēng)中,極易造成能耗過大、污染物聚集明顯的問題,除塵作為施工“生命線”,對保障施工安全,凈化施工環(huán)境起著決定性作用。本文探究了污染物在隧道內(nèi)的運移擴散規(guī)律,研究了粉塵峰值質(zhì)量濃度變化以及粉塵聚集位置等,下一步會在此基礎(chǔ)上研究“通風(fēng)+防塵”模式,智能調(diào)控系統(tǒng)等局部防塵措施。