某特長公路隧道施工通風數值模擬分析

針對某特長公路隧道各施工階段不同通風方式下風流場特征、污染物擴散特性展開研究，通過數值模擬計算證明了長距離通風時風管出口附近以及射流風機附近會出現旋渦，減緩污染氣體的擴散；CO主要集中在墻腳及風管與隧道壁面的狹小位置處；在巷道式通風方式中，由于隧道左洞的CO通過橫通道匯入隧道右洞，隧道右洞CO排出時間增加。

特長隧道; 數值模擬; 煙塵擴散

U453.5A

［定稿日期］2023-02-20

［作者簡介］黃亞斌（1989—），男，本科，工程師，研究方向為橋梁與隧道工程施工與管理。

0 引言

通風防塵是涉及人員生命健康的大事，是隧道施工水平的重要標志，也是影響隧道施工方案選取的控制因素之一［1］。施工通風效果的好壞，直接關系到隧道內作業人員的健康和施工效率、工程進度與施工安全［2］。在長大隧道施工中，洞內通風和空氣凈化問題更為突出［3-5］。目前長大隧道通風系統存在布置和通風設計方案單一，通風管漏風現象嚴重，通風系統布局不合理，隧道現場通風管理水平較落后等問題，亟需探尋合理的解決方法［4-5］。

本文利用流體計算軟件Fluent對特長公路隧道各施工階段風流場及污染物擴散進行模擬分析，通過為特長公路隧道施工通風提供借鑒參考。

1 工程概況

某公路隧道隧道工程項目設計路線里程7 970 m，最大埋深約619 m，隧道單洞凈寬15.59 m，凈高8 m，設置一個斜井輔助施工。隧道進口工區承擔隧道施工長度2 626 m；斜井輔助正洞施工長度2 072 m；出口工區承擔隧道施工長度3 272 m，獨頭掘進距離長。長距離獨頭通風往往伴隨著工作環境惡劣、低工作效率降低、高通風成本、施工進度緩慢等問題。當隧道獨頭掘進施工長度較長時，可采取開鑿輔助通風巷道或設置輔助通風井，形成巷道式通風系統。

圖1為隧道各階段施工方案，隧道第一階段為壓入式通風，在未開挖到第一個車行橫洞之前，用軟管直接送風至離掌子面30～50 m處，向掌子面壓入新鮮空氣。在第一個車行橫道貫通后采用巷道式通風；第二階段根據設計要求，為第一個車行橫道貫通后和第二個車行橫道未貫通前；第三階段為掌子面開挖到第二個車行橫洞之后直至開挖結束，將其他車行橫洞及其他人行橫洞、送風通道、橫洞變電所全部封閉。

2 模型建立

數值模型的建立參照工程現場實際情況，正洞工區壓入式通風，隧道左線長度2 000 m，隧道右線長度1 995 m，風管末端距掌子面30 m，風管1.8 m。按照上述參數取距離掌子面2 000 m范圍建立數值計算模型，將建好的模型導入Hypermesh軟件中劃分網格，根據模型的結構特點，采用非結構網格進行劃分，網格類型為Tetra/Mixed，掌子面附近網格劃分如圖2所示。

模擬邊界條件：

（1）隧洞內壁為墻面wall。

（2）隧道左洞口采用pressure-inlet邊界條件，右洞口采用pressure-outlet邊界。

（3）風管進出風口為入口邊界，設置為Velocity-inlet，參考本工程中需風量，出口速度取15.6 m/s。

（4）風管與射流風機壁面設為固體邊界。

（5）射流風機進出風口為入口邊界，設置為Velocity-inlet，速度取35.7 m/s。

3 模擬結果及分析

3.1 通風第一階段

圖3為隧道左線中心線軸向速度分布，可以看出，掌子面附近的區域風速波動較大，超過一定距離后軸向速度較為穩定，軸向速度在0.4 m/s左右，滿足隧道施工通風最小風速要求，風管出口射流碰到掌子面后，貼附掌子面向下形成一條高速氣流帶，接觸到隧道底部形成回流，后遇到新進入的氣流，在風管出風口前方形成渦流區，渦流區內的質點作有旋運動，對污染物的擴散起阻礙作用，使得該區域污染物容易聚積。

從圖4可以看出，在初始通風階段，CO質量濃度分布在風管側，集中在墻腳及風管與隧道壁面的狹小位置處，隨著距掌子面距離的增加，CO體積分數開始向遠離風管側轉移，集中在遠離風管側的墻腳部位。通風60 min時，掌子面后500 m范圍內CO體積分數幾乎為0，在距掌子面550 m處的風管與隧道壁面之間的區域存在約2×10-6的CO，在隧道洞口靠近風管側的墻腳處，CO體積分數最高約為13×10-6。由此可知，在通風過程中CO的稀釋由風管側向遠離風管側發展。

3.2 通風第二階段

由圖5可知，左、右洞掌子面附近的區域風速波動較大，超過一定距離后軸向速度較為穩定，軸向速度在0.4 m/s左右，射流風機出風口射流貼附隧道壁面形成一條高速氣流帶，造成隧道兩側速度分布不均，在射流風機出風口側前方形成渦流區，渦流區內的質點作有旋運動，對污染物的擴散起阻礙作用，使得該區域污染物容易聚積。

由圖6可以看出，在初始通風階段，CO體積分數在風管側較高，主要集中在墻腳及風管與隧道壁面的狹小位置處，逐漸遠離掌子面，CO體積分數開始向遠離風管側轉移，集中在遠離風管側的墻腳部位。通風60 min時，左右洞距掌子面200 m范圍內CO體積分數幾乎為0，在右洞洞口靠近風管側的墻腳處，CO體積分數最高約為1.2×10-6，其余位置CO體積分數均小于1×10-6。在通風過程中CO的稀釋由風管側向遠離風管側發展。

3.3 通風第三階段

由圖7可以發現，新鮮風從風管出口射出后，碰到掌子面回流形成渦流區所致。超過一定距離后軸向速度較為穩定，軸向速度在0.4 m/s左右。射流風機出風口射流貼附隧道壁面同樣形成一條高速氣流帶，造成隧道兩側速度分布不均，在射流風機出風口側前方形成渦流區，對污染物的擴散起阻礙作用。

從圖8可以看出，在初始通風階段，CO體積分數在風管側較高，主要集中在墻腳及風管與隧道壁面的狹小位置處，逐漸遠離掌子面，CO體積分數開始向遠離風管側轉移，集中在遠離風管側的墻腳部位。通風30 min后，左洞整體CO體積分數處于較低水平，右洞距掌子面1 600～2 100 m段的CO體積分數較高。通風60 min后，左洞整體CO體積分數均小于1×10-6，右洞掌子面至掌子面前方1 700 m范圍內CO體積分數小于1×10-6，洞口附近CO體積分數最高有2.2×10-6，左右洞均符合施工通風要求。在通風過程中，橫斷面上CO體積分數最高處均位于靠近風管側，CO的稀釋由風管側向遠離風管側發展。

4 結論

（1）不同施工階段的通風方式在風流穩定后的風速均滿足施工通風要求的最低風速。風流場在風管出口附近以及射流風機附近會出現旋渦，使得該位置風速較大波動，減緩污染氣體的擴散。

（2）CO體積分數在風管一側較高，主要集中在墻腳及風管與隧道壁面的狹小位置處，逐漸遠離掌子面，CO體積分數開始向遠離風管側轉移，集中在遠離風管側的墻腳部位。

（3）在壓入式通風方式中，CO排出較快；在巷道式通風方式中，由于隧道左洞的CO通過橫通道匯入隧道右洞，使得隧道右洞CO排出時間增加。各工況均可以在通風30 min時達到CO體積分數安全標準值以下。

參考文獻

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

［2］ 王莉. 長大鐵路隧道施工通風案例分析［D］.蘭州：蘭州交通大學，2018.

［3］ 肖勇，徐林生，陳永權，等.特長公路隧道施工通風若干技術問題研究［J］.四川建筑，2016，36（6）：195-197.

［4］ 蔡鵬飛.覺巴山高海拔特長公路隧道施工通風優化研究［J］.現代隧道技術，2021，58（S1）：156-161.

［5］ 張睿，周凱歌，姚志剛，等.米倉山特長公路隧道關鍵施工技術應用分析［J］.隧道建設（中英文），2021，41（S2）：664-674.