基于FLUENT的長大山嶺隧道施工粉塵運(yùn)移分布特征研究

摘要 采用鉆爆法開挖長大山嶺隧道時，極易產(chǎn)生大量粉塵，影響施工人員的健康。如何快速有效地引入新風(fēng)稀釋并排出隧道內(nèi)的粉塵，保障施工人員的健康是長大山嶺隧道施工中亟待解決的問題。依托仁沐新高速五指山隧道，采用FLUENT軟件模擬了不同施工通風(fēng)條件下的粉塵分布運(yùn)移規(guī)律，探明了隧道內(nèi)粉塵的空間分布特征，并比較了2種通風(fēng)條件的通風(fēng)效果。結(jié)果表明：采用單一壓入式通風(fēng)時，隧道內(nèi)粉塵的擴(kuò)散范圍較小但局部位置粉塵濃度較高；采用壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)時，隧道內(nèi)粉塵擴(kuò)散范圍較大但平均濃度明顯低于單一壓入式通風(fēng)，并且相同時間內(nèi)的通風(fēng)效果優(yōu)于單一壓入式通風(fēng)。

關(guān)鍵詞 長大山嶺隧道; 通風(fēng);" 計(jì)算流體動力學(xué); 數(shù)值計(jì)算; 粉塵分布特征

中圖分類號 U453.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國公路隧道的建設(shè)總量和規(guī)模持續(xù)增大。截至2018年底，我國境內(nèi)已建成17 738座公路隧道，里程總計(jì)17 236.1 km［1］。中國已然成為了世界上公路隧道規(guī)模最大、數(shù)量最多的國家［2］。在公路隧道建設(shè)飛速發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了一些長度超過10 km的長大山嶺隧道，此類隧道在施工過程中往往面臨安全隱患多、施工條件惡劣等難點(diǎn)——尤其是以鉆爆法施工為主的長大山嶺隧道，由于隧道長度大，造成施工通風(fēng)難度增大，施工中產(chǎn)生的粉塵會對作業(yè)人員的健康帶來影響［3-4］。

如何快速有效地引入新鮮風(fēng)稀釋并排出隧道內(nèi)的粉塵是隧道施工通風(fēng)的重要環(huán)節(jié)。譚信榮等［5］基于施工現(xiàn)場空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了長大隧道的通風(fēng)效果，并對依托工程的通風(fēng)方式進(jìn)行了優(yōu)化。王應(yīng)權(quán)［6］結(jié)合實(shí)際工程分析了長大鐵路隧道施工通風(fēng)方案的選擇及優(yōu)化。上述研究在進(jìn)行長大隧道通風(fēng)研究時，均未從粉塵運(yùn)移分布的角度去分析長大隧道的通風(fēng)效果，而對于巷道內(nèi)粉塵運(yùn)移分布特征研究，曹正卯等［7］指出該研究主要集中在煤礦領(lǐng)域，缺少針對公路隧道內(nèi)粉塵分布運(yùn)移規(guī)律的研究。因此，有必要對長大山嶺隧道施工過程中粉塵在通風(fēng)影響下的分布特征進(jìn)行研究。

1工程概況

本文以仁沐新高速五指山隧道為依托工程，該隧道位于四川省宜賓市屏山縣中都鎮(zhèn)，隧道左線全長9 392 m，右線全長9 405 m，為雙向4車道特長高速公路隧道，設(shè)計(jì)時速為80 km/h。隧道主洞埋深為689～731 m，最大開挖寬度為11.06 m，開挖高度為8.65 m，隧道主洞斷面設(shè)計(jì)輪廓見圖1。洞身圍巖主要以灰白色細(xì)（粉）砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，采用鉆爆法施工時極易產(chǎn)生大量粉塵。為解決隧道施工中的粉塵問題，擬采用單一壓入式通風(fēng)（下稱方式一）與壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)（下稱方式二）2種方式進(jìn)行通風(fēng)。

2長大山嶺隧道施工粉塵分布特征研究

為研究長大山嶺隧道施工過程中粉塵在通風(fēng)影響下的分布特征，本節(jié)以五指山隧道的第二工區(qū)為研究對象，基于FLUENT流體計(jì)算軟件研究了該工區(qū)內(nèi)在采用單一壓入式通風(fēng)與壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)2種通風(fēng)方式通風(fēng)50 min過程中的粉塵運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律。

2.1數(shù)值模型建立

本文在建立數(shù)值模型時，取z軸負(fù)方向?yàn)樗淼谰蜻M(jìn)方向，掌子面位于z=0的x-y平面，模型范圍為掌子面到隧道洞口，總長2 100 m；風(fēng)管直徑取1.8 m，設(shè)置在距掌子面5 m處的拱肩處。此外，為了更好地反映施工情況以及模擬施工通風(fēng)條件下粉塵的擴(kuò)散運(yùn)移，本文在距離掌子面90 m處、720 m處分別建立了二襯臺車與橫通道，數(shù)值模型見圖2。

2.2計(jì)算參數(shù)設(shè)置

采用FLUENT流體計(jì)算軟件進(jìn)行分析求解，其主要步驟為計(jì)算模型設(shè)定、離散相參數(shù)設(shè)定、邊界條件設(shè)定、粉塵源參數(shù)設(shè)定和求解參數(shù)設(shè)定。對于計(jì)算模型設(shè)定，本文采用非耦合求解器進(jìn)行求解，湍流模型用K-ε雙方程，同時開啟能量模型與離散相模型。模型離散相參數(shù)、邊界條件見表1、表2。

對于粉塵源，本文采用面噴射的方式進(jìn)行模擬，相關(guān)設(shè)定見表3。

2.3計(jì)算結(jié)果分析

本文選取x-z平面（坐標(biāo)如圖2所示）y=1.5 m處的截面為目標(biāo)截面，對該截面處的粉塵質(zhì)量濃度分布情況與隧道掘進(jìn)方向橫斷面的平均粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行了分析。

2.3.1單一壓入式通風(fēng)條件下的粉塵分布特征分析

采用單一壓入式通風(fēng)時，對不同通風(fēng)時間下的隧道橫斷面最大平均粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果如表4所示。

采用單一壓入式通風(fēng)10 min后目標(biāo)截面粉塵質(zhì)量濃度分布見圖3，圖中粉塵濃度單位均為mg/m³，下同。由圖3可知，通風(fēng)10 min時，隧道左右線的粉塵主要分布于距掌子面100～550 m的范圍，局部最大粉塵濃度約為100 mg/m³，并且粉塵濃度較高的區(qū)域相對集中成片；同時由表4可知，隧道掘進(jìn)方向上橫斷面的最大平均粉塵質(zhì)量濃度為33 mg/m³。

采用單一壓入式通風(fēng)20 min后目標(biāo)截面粉塵質(zhì)量濃度分布見圖4。由圖4與表4可知，通風(fēng)20 min時，粉塵主要分布在距掌子面500～1 300 m的范圍，隧道左線的粉塵已經(jīng)通過橫通道進(jìn)入右線隧道，而右線隧道在掌子面至橫通道的區(qū)域只有少量粉塵存在并且濃度較低，此時隧道斷面平均粉塵濃度最大值約有23 mg/m³。

采用單一壓入式通風(fēng)30 min后目標(biāo)截面粉塵質(zhì)量濃度分布見圖5。由圖5與表4可知，通風(fēng)30 min時，粉塵主要分布在右線隧道距掌子面1 300 m至隧道洞口范圍，左線隧道粉塵大部分通過橫通道進(jìn)入右線隧道，此時距隧道斷面的最大平均粉塵濃度為22 mg/m³。

采用單一壓入式通風(fēng)40 min后目標(biāo)截面粉塵質(zhì)量濃度分布見圖6。由圖可知，通風(fēng)40 min時，大部分粉塵已經(jīng)排出洞外，右線隧道在距離洞口500 m范圍內(nèi)存在少量粉塵，平均濃度最大值約有2.1 mg/m³。

采用單一壓入式通風(fēng)50 min后目標(biāo)截面粉塵質(zhì)量濃度分布見圖7。由圖可知，通風(fēng)50 min時，粉塵幾乎全部排出洞外，隧道斷面最大平均粉塵質(zhì)量濃度為0.25 mg/m³。

分析單一壓入式通風(fēng)條件下的粉塵分布特征可知，在通風(fēng)過程中，粉塵的運(yùn)動軌跡比較混亂，會向各個方向不斷擴(kuò)散。在當(dāng)前壓入式通風(fēng)條件下，風(fēng)流從風(fēng)管射出后到達(dá)掌子面，帶動掌子面附近區(qū)域的粉塵顆粒運(yùn)動，風(fēng)流遇到掌子面后反射形成回流，造成粉塵往洞口流動，分散于整個洞室內(nèi)。

2.3.2壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)條件下的粉塵分布特征分析對采用壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)時的隧道橫斷面最大平均粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果如表5所示。

采用壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)10 min后目標(biāo)截面粉塵質(zhì)量濃度分布見圖8。由圖8可知，通風(fēng)10 min時，隧道左右線的粉塵主要分布于距掌子面100～650 m的范圍，局部最大粉塵濃度約為70 mg/m³，粉塵濃度較高區(qū)域相對分散；同時隧道斷面平均粉塵濃度最大值為15.6 mg/m³。

采用壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)20 min后目標(biāo)截面粉塵質(zhì)量濃度分布見圖9。由圖9可知，通風(fēng)20 min時，粉塵主要分布在距掌子面460～1 500 m的范圍，此時隧道左線的粉塵已經(jīng)通過橫通道進(jìn)入右線隧道，而右線隧道在掌子面至橫通道的區(qū)域存在局部濃度約為20 mg/m³的粉塵，分布較為分散，隧道斷面平均粉塵濃度最大值約為10.4 mg/m³。

壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)30 min后目標(biāo)截面粉塵質(zhì)量濃度分布見圖10。由圖10可知，通風(fēng)30 min時，粉塵主要分布在右線隧道距掌子面820 m至隧道洞口范圍，左線隧道粉塵大部分通過橫通道進(jìn)入右線隧道，左線隧道幾乎無粉塵，此時隧道右線洞口斷面平均粉塵濃度最大，約5.5 mg/m³。

采用壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)40 min后目標(biāo)截面粉塵質(zhì)量濃度分布見圖11。由圖11可知，通風(fēng)40 min時，大部分粉塵已排出洞外，右線隧道在距掌子面820 m至隧道洞口范圍內(nèi)存在少量粉塵，平均濃度最大值約1.4 mg/m³。

由圖12可知，壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)50 min后目標(biāo)截面粉塵質(zhì)量濃度分布。通風(fēng)50 min時，粉塵幾乎全部排出洞外，僅部分位置存在平均濃度小于0.1 mg/m³粉塵。

分析壓入式通風(fēng)輔以射流機(jī)通風(fēng)條件下的粉塵分布特征可知，開啟射流風(fēng)機(jī)后粉塵的運(yùn)動軌跡依舊比較混亂，會向各個方向不斷擴(kuò)散。在當(dāng)前通風(fēng)條件下，風(fēng)流從風(fēng)管射出后到達(dá)掌子面，帶動掌子面附近區(qū)域的粉塵顆粒運(yùn)動，風(fēng)流遇到掌子面后反射形成回流，在風(fēng)流回流的作用下粉塵往洞口流動，分散于整個洞室內(nèi)。射流風(fēng)機(jī)會產(chǎn)生明顯的射流和卷吸作用，促進(jìn)了粉塵在隧道洞室內(nèi)的擴(kuò)散。

對比2種通風(fēng)條件下隧道內(nèi)粉塵的分布特征可知，橫通道中間設(shè)置的射流風(fēng)機(jī)，產(chǎn)生了明顯的射流和卷吸作用，使得軸流風(fēng)機(jī)前的空氣幕簾與橫通道之間，并沒有出現(xiàn)在沒有射流風(fēng)機(jī)情況下的少部分粉塵聚集，粉塵的排出更加徹底。同時，在相同的通風(fēng)時刻，射流風(fēng)機(jī)開啟的情況下，隧道各斷面的粉塵平均濃度明顯低于沒有射流風(fēng)機(jī)的情況，但粉塵在隧道洞室的存在范圍要大，射流風(fēng)機(jī)促進(jìn)了粉塵的擴(kuò)散。

3結(jié)論

本文以任沐新高速五指山隧道為工程依托，結(jié)合工程實(shí)際運(yùn)用流體計(jì)算軟件FLUENT對兩種通風(fēng)條件下的粉塵擴(kuò)散和運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了模擬分析，主要結(jié)論：

（1）隧道洞室內(nèi)粉塵在單一壓入式通風(fēng)的擴(kuò)散范圍較小，局部位置粉塵濃度較高；在通風(fēng)40 min時，隧道斷面平均粉塵濃度最高值降至2 mg/m³；同時在軸流風(fēng)機(jī)前的空氣幕簾與橫通道之間區(qū)域會出現(xiàn)少量聚集，平均粉塵濃度約2.8 mg/m³。

（2）壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)時，隧道洞室內(nèi)粉塵擴(kuò)散范圍較大，但平均濃度明顯低于單一壓入式通風(fēng)；在通風(fēng)40 min時，隧道斷面平均粉塵濃度最高值降到1.4 mg/m³；隧道內(nèi)粉塵幾乎全部排出洞外，沒有出現(xiàn)聚集。壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)對促進(jìn)粉塵擴(kuò)散，降低隧道內(nèi)粉塵濃度有較好效果。

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