某鐵路養(yǎng)護機械隧道內(nèi)作業(yè)通風(fēng)方案分析

摘 要：鐵路養(yǎng)護機械需要在隧道內(nèi)需要進行搗固、清篩和吸污等作業(yè)，其作業(yè)天窗點內(nèi)會出現(xiàn)動力裝置高溫和作業(yè)人員施工區(qū)域有害氣體濃度超標(biāo)問題，影響作業(yè)效率和人員生命安全。本文為車輛匹配了通風(fēng)裝置，以加強作業(yè)車輛周圍空氣流動，有效解決了鐵路養(yǎng)護機械在隧道內(nèi)作業(yè)中面臨的高溫、有害氣體超標(biāo)問題。并利用流場仿真手段，比較某作業(yè)車輛編組匹配通風(fēng)裝置前、后動力裝置入口區(qū)域進氣溫度和作業(yè)人員區(qū)域有害氣體濃度變化趨勢，說明本文針對隧道內(nèi)作業(yè)鐵路養(yǎng)護機械的匹配通風(fēng)方案具有推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：鐵路養(yǎng)護機械；隧道；通風(fēng)；仿真分析

中圖分類號：U 453" " " " " " " 文獻標(biāo)志碼：A

鐵路隧道長度分為特長隧道（全長超過10000m）、長隧道（全長為3000m～10000m）、中隧道（全長為500m～3000m）和短隧道（全長500m及以下）。已投入運營的長度20km以上特長鐵路隧道13座，總長約312km[1]。隧道內(nèi)自然風(fēng)速與隧道進出口風(fēng)壓成正比，與隧道長度成反比，與隧道等效直徑成正比[2]。在超長隧道內(nèi)，自然風(fēng)速下降，出現(xiàn)無風(fēng)情況。陳愛娟等[3]基于FLUENT流場仿真分析了不同射流風(fēng)機組合方案下的公路隧道內(nèi)通風(fēng)效果，表明單、雙射流風(fēng)機組合且每組射流風(fēng)機距離較近的風(fēng)機組合為最優(yōu)通風(fēng)組合，對污染物的擴散作用顯著，并且指出，縱向通風(fēng)是最常用的長大隧道通風(fēng)方式，其采用射流風(fēng)機，形成有限空間流，布置形式包括多組并列、多組縱向串聯(lián)。不同的布置形式對通風(fēng)效果具有明顯影響。師虹[4]基于CFD對特長公路隧道內(nèi)的通風(fēng)排煙進行了數(shù)值模擬研究，在特長公路隧道頂部設(shè)計集中排煙道，同時，采用射流風(fēng)機進行縱向通風(fēng)，實際隧道內(nèi)的通風(fēng)效果比射流風(fēng)機單獨作用效果具有顯著提升。陳愛娟等[5]分析了公路隧道內(nèi)通風(fēng)流場分布表面，指出在長度2km的隧道內(nèi)，自然風(fēng)從隧道入口進入，到出口前，要使風(fēng)壓降至0kPa，需要將至少3臺射流風(fēng)機進行縱向布置，以滿足隧道內(nèi)的通風(fēng)需求。呂曉云[6]以甘青隧道工程為研究背景，利用統(tǒng)計分析、理論分析等手段，對高寒地區(qū)特長鐵路隧道采用射流風(fēng)機集成通風(fēng)管道的方式，以保證隧道內(nèi)的通風(fēng)效果。

1 鐵路養(yǎng)護機械隧道內(nèi)作業(yè)通風(fēng)方案模擬方法

1.1 項目背景

國內(nèi)某鐵路單線隧道內(nèi)鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)軌距單線有渣線路，線路兩側(cè)設(shè)計有鐵路道床排水溝，隧道橫截面凈高度為5.5m，寬為4.88m，總長約14.7km。由于隧道壁面滲水、泥漿和鐵路道床石渣滾落等原因，使用一段時間后，隧道的排水溝會產(chǎn)生堵塞，導(dǎo)致鐵路道床發(fā)生內(nèi)澇，影響行車安全。需要定期清理溝內(nèi)的各種污物，保證溝槽順暢。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，現(xiàn)有鐵路道床排水溝清淤施工過程中主要存在以下4個特點。1）需要人工作業(yè)。需要人工使用鐵鏟清理排水溝蓋板上的道砟，找到密井位置，撬開蓋板，用潛水泵將積水抽干，再利用鐵鏟等工具將淤堵物裝入編織袋內(nèi)，轉(zhuǎn)運出隧道并堆放在道傳兩側(cè)。2） 排水溝暗管部分的淤泥無法清理。暗管部分無蓋板且空間狹小，施工人員無法鉆入暗溝內(nèi)清掏淤泥，長時間無法清理后，淤泥板結(jié)，排水溝堵塞。3） 勞動強度大、效率低。人工清淤前需要清除蓋板上方石渣，并將蓋板全部掀開，作業(yè)后要安裝蓋板并進行石渣回填，作業(yè)工序均為重體力勞動。4） 作業(yè)環(huán)境風(fēng)險較大。在長大且無自然通風(fēng)的隧道內(nèi)，施工所用小型內(nèi)燃驅(qū)動的機具設(shè)備尾氣污染嚴(yán)重，形成局部CO氣體積聚，危害施工人員生命健康。

基于工程實際問題需求，本文設(shè)計了某隧道綜合作業(yè)車，以提升作業(yè)工序機械化、自動化程度，降低作業(yè)人員配置需求。并匹配了射流風(fēng)機，形成局部通風(fēng)效應(yīng)，改良作業(yè)區(qū)域空氣環(huán)境。作業(yè)車輛編組如圖1所示，C2車、C3車中部分別并列布置2套射流風(fēng)機，進出口間隔約15m。對于不同的作業(yè)方向，由作業(yè)方向前端的動力車輛牽引作業(yè)，編組總長約60m。

1.2 仿真分析模型和工況

將C4車作為動力車向前牽引車輛作業(yè)，分別計算射流風(fēng)機開啟和關(guān)閉狀態(tài)下的工況。仿真計算工況見表1。

1.3 邊界條件設(shè)定和評價標(biāo)準(zhǔn)

邊界條件設(shè)置見表2。

將隧道入口、隧道出口分別設(shè)置為壓力入口和壓力出口，將射流風(fēng)機出口、發(fā)動機排氣口和散熱器排氣口設(shè)計為速度入口。其余邊界條件設(shè)定如下：隧道流域內(nèi)自然風(fēng)速0m/s，溫度30℃；預(yù)設(shè)初始空氣成分為氮氣78%，氧氣21%，其他氣體1%；作業(yè)車發(fā)動機功率為450kW，動力車功率為100kW；施工人員作業(yè)區(qū)域的CO濃度≤20mg/m3，O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥0.195。

2 不同通風(fēng)方案隧道通風(fēng)效果數(shù)值仿真分析

2.1 無通風(fēng)方案隧道內(nèi)作業(yè)分析

作業(yè)車輛編組工況2流線圖如圖2所示。車輛編組外部空氣流動積聚在C2車和C3車周圍，流速最快區(qū)域為車輛頂部發(fā)動機散熱出風(fēng)口、液壓油散熱器出風(fēng)口，在散熱器進、出風(fēng)口間會產(chǎn)生“回流”現(xiàn)象，降低了散熱器散熱效果。

2.2 通風(fēng)效果分析

作業(yè)車輛編組工況1如圖3所示。散熱器排風(fēng)、發(fā)動機排氣隨通風(fēng)方向進行擴散，距離射流風(fēng)機出風(fēng)口越遠的區(qū)域，其溫度場分布越均勻。作業(yè)人員區(qū)域風(fēng)速均＞1.5m/s，車輛頂部風(fēng)速最快為13m/s。通風(fēng)設(shè)備能夠使發(fā)動機散熱器、液壓油散熱器出口熱風(fēng)加速擴散，避免熱量回流。在作業(yè)天窗點內(nèi)，作業(yè)車輛編組在作業(yè)過程中不會出現(xiàn)由發(fā)動機高溫導(dǎo)致無法繼續(xù)作業(yè)的現(xiàn)象。

2.3 進氣區(qū)域溫升對比

施工人員區(qū)域進氣區(qū)域溫升見表3。

在通風(fēng)設(shè)備額定功率運行狀態(tài)下，車輛各吸風(fēng)口進氣溫升均低于20K，滿足發(fā)動機散熱器、液壓油散熱器等在熱平衡狀態(tài)下的最高設(shè)計進氣溫度50℃的要求。當(dāng)通風(fēng)設(shè)備未開啟時，車輛各吸風(fēng)口進氣溫升均超過20K，其中動力間進氣溫度、空濾進氣溫度超過65℃，發(fā)動機散熱器無法達到熱平衡狀態(tài)，因此會產(chǎn)生高溫。當(dāng)液壓油散熱器進口溫度超過50℃時同樣無法達到熱平衡，液壓作業(yè)系統(tǒng)會產(chǎn)生高溫，影響整車作業(yè)。打開通風(fēng)設(shè)備后，各進氣區(qū)域溫升下降超過10K。

3 不同通風(fēng)方案隧道內(nèi)有害氣體污染物擴散仿真分析

施工人員區(qū)域排氣濃度分布如圖4所示。作業(yè)編組車輛在隧道持續(xù)作業(yè)一個天窗后，通風(fēng)設(shè)備全功率運行，施工人員區(qū)域車輛頂部排氣濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2%，車體中下部低于1%。

當(dāng)無通風(fēng)設(shè)備時，排氣濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過11%，車體中下部為8.5%。根據(jù)公式（1）、公式（2）計算一氧化碳氣體的濃度和空氣中的氧氣含量，結(jié)果見表4。

（1）

CO2=0.21?（1-Pexh） （2）

式中：Cco為一氧化碳氣體濃度，mg/m3；為空氣密度，kg/m3；COLim為一氧化碳排放限值，g/kW·h，按照非道路四階段取；bei為作業(yè)編組車輛第i個動力裝置額定工況點比油耗，g/kW·h；ci為化學(xué)計量空燃比，柴油取14.3；Ai取第i個動力裝置運行工況點下過量空氣系數(shù)；Pi取第i個動力裝置的實際運行功率，kW；Pexh取排氣濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ρ0取排氣密度，kg/m3。

當(dāng)不啟用通風(fēng)設(shè)備時，作業(yè)編組車輛無法滿足隧道內(nèi)持續(xù)作業(yè)一個天窗點的要求，CO氣體濃度超標(biāo)，威脅施工人員生命。啟用通風(fēng)設(shè)備后，施工人員作業(yè)區(qū)域一氧化碳氣體濃度有所降低。

4 結(jié)論

在整車作業(yè)編組狀態(tài)下，比較開啟、關(guān)閉通風(fēng)方案，可以提取計算域內(nèi)的溫度分布、排氣污染物濃度分布信息。結(jié)果表明，當(dāng)通風(fēng)設(shè)備按額定功率運行時，作業(yè)一個天窗點后，作業(yè)編組車輛各吸風(fēng)口溫升＜15K，滿足車輛各散熱器達到熱平衡后進風(fēng)口溫度限制要求。施工人員區(qū)域一氧化碳氣體濃度未超過標(biāo)準(zhǔn)限值，保障了隨車作業(yè)人員的生命安全，降低了尾氣中毒現(xiàn)象發(fā)生的可能性。

當(dāng)通風(fēng)設(shè)備不啟動時，施工人員積聚區(qū)域有害氣體堆積現(xiàn)象嚴(yán)重，作業(yè)一個天窗點后會出現(xiàn)一氧化碳氣體濃度超標(biāo)，并且作業(yè)編組車輛各吸風(fēng)口溫升為38K，車輛各散熱系統(tǒng)已無法達到熱平衡。

綜上所述，為作業(yè)編組車輛配備頂置通風(fēng)設(shè)備，能夠提升隧道內(nèi)作業(yè)性能，優(yōu)化施工人員區(qū)域一氧化碳氣體濃度，保障施工人員作業(yè)安全，對隧道內(nèi)作業(yè)的其他車輛來說具有一定借鑒作用。

參考文獻

[1]鞏江峰，王偉，王芳，等.截至2023年底中國鐵路隧道情況統(tǒng)計及2023年新開通重點項目隧道情況介紹[J].隧道建設(shè)（中英文），2024，44（2）：377-392.

[2]時亞昕.隧道內(nèi)自燃風(fēng)計算方法及節(jié)能通風(fēng)技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[3]陳愛娟，方忠強，趙延喜，等.基于FLUENT的公路隧道通風(fēng)優(yōu)化配置及污染物分布模擬研究[J].江蘇建筑，2023（5）：146-149.

[4]師虹.基于CFD的特長公路隧道通風(fēng)排煙數(shù)值模擬研究[D].西安：長安大學(xué)，2019.

[5]陳愛娟，楊振峰.公路隧道通風(fēng)流場分布及壁面壓力特性研究[J].南京工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，21（3）：79-84.

[6]呂曉云.高寒地區(qū)特長鐵路隧道通風(fēng)技術(shù)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2023.