陳海鋒

(中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶 401123)

萬華煙臺液化烴地下水封洞庫群施工通風(fēng)優(yōu)化研究

陳海鋒

(中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶 401123)

為解決地下水封洞庫群大斷面施工通風(fēng)問題，通過增設(shè)通風(fēng)豎井的方案，并采用三維數(shù)值模擬方法，對主洞內(nèi)CO分布規(guī)律、風(fēng)倉內(nèi)風(fēng)機布置位置對風(fēng)機效率的影響進行計算分析。結(jié)果表明： 1)掌子面爆破后通風(fēng)30 min，掌子面附近區(qū)域CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于24×10-6，滿足規(guī)范要求； 2)風(fēng)倉內(nèi)風(fēng)機組2行排列形式的風(fēng)機效率明顯高于風(fēng)機組1行排列形式，且風(fēng)機組間距為2 m時風(fēng)機效率最高。

地下水封洞庫群； 施工通風(fēng)； 通風(fēng)效果； 風(fēng)機效率

0 引言

近些年，伴隨著我國對能源需求的不斷增大以及對能源安全儲備的高度重視，先后修建了一批地下能源水封洞庫，如汕頭LPG地下水封洞庫工程、錦州國家石油儲備庫工程、惠州國儲洞庫工程等[1-2]。這些水封洞庫結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)的鐵路隧道、公路隧道以及水利隧洞等地下工程相比，具有以下3個顯著特點： 1)屬于地下洞庫群； 2)洞庫主洞斷面大，施工作業(yè)面多； 3)施工通風(fēng)難度大等。地下水封洞庫的這些特點給地下水封洞庫的快速和安全施工提出了很高的要求，同時也出現(xiàn)了一些急需解決的實際工程問題。其中，地下水封洞庫群施工通風(fēng)方案的合理設(shè)計與優(yōu)化是一項十分關(guān)鍵的技術(shù)。

目前，國內(nèi)外對長大隧道施工通風(fēng)技術(shù)已開展了大量研究，長大隧道采用獨頭壓入式和巷道式通風(fēng)的研究有很多[3-6]，對瓦斯隧道的施工通風(fēng)也進行了很多研究[7]，對輔助坑道承擔(dān)多作業(yè)面施工的長大隧道采用分割巷道與風(fēng)管聯(lián)合式通風(fēng)新技術(shù)[8]，但對于地下水封洞庫群施工通風(fēng)的研究較為缺乏。因此，本文以萬華煙臺液化烴地下水封洞庫為例，通過在合適的位置增設(shè)通風(fēng)豎井和風(fēng)倉，采用三維數(shù)值計算方法對風(fēng)倉內(nèi)風(fēng)機優(yōu)化布置方式及隧洞內(nèi)污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)進行深入的研究和分析，以期為地下水封洞庫施工通風(fēng)設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，同時為今后類似地下水封洞庫施工通風(fēng)提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 設(shè)計概況

萬華煙臺液化烴地下水封洞庫總庫容為100萬m3，是目前世界上儲量最大的液化石油氣水封地下洞庫群。其中：丁烷庫和LPG庫(丁烷、丙烷混合氣庫)各1個，均位于地下-90 m以下，庫容均為25萬m3；丙烷庫位于地下-130 m以下，庫容為50萬m3。整個洞庫由交通巷道、丁烷水幕、LPG水幕、丙烷水幕、丁烷洞庫、LPG洞庫、丙烷洞庫和丁烷豎井、LPG豎井、丙烷豎井組成。萬華煙臺液化烴地下水封洞庫效果圖見圖1。

圖1 萬華煙臺液化烴地下水封洞庫效果圖

Fig. 1 Effect of Wanhua Yantai underground liquefied hydrocarbon cavern

1.2 施工通風(fēng)方案

該洞庫施工高峰期時有7個大斷面開挖作業(yè)面(丁烷、LPG各2個作業(yè)面，丙烷主洞庫3個作業(yè)面)。主要洞室結(jié)構(gòu)尺寸及開挖面數(shù)量見表1。

表1 主要洞室結(jié)構(gòu)尺寸及開挖面數(shù)量

根據(jù)施工進度，將施工通風(fēng)劃分為4個階段。從進入交通巷道施工至進入LPG和丁烷水幕巷道施工前為第1階段(見圖2(a))；從進入LPG和丁烷水幕巷道施工至進入LPG和丁烷主洞庫、丙烷水幕巷道施工前為第2階段(見圖2(b))；從進入LPG和丁烷主洞庫、丙烷水幕巷道施工至進入主洞庫施工前為第3階段(見圖2(c))；從進入丙烷主洞庫施工到完成施工為第4階段。

傳統(tǒng)通風(fēng)方式為壓入式通風(fēng)，風(fēng)機設(shè)在交通巷道洞口附近，通過設(shè)在交通巷道頂部的風(fēng)管向洞庫內(nèi)各作業(yè)面供風(fēng)。由于第4階段為施工高峰期，工作面多、作業(yè)人員多、施工機械設(shè)備多，需風(fēng)量大，通風(fēng)距離長，風(fēng)管轉(zhuǎn)彎多，需在交通巷道頂部布置多趟大直徑風(fēng)管，且受交通巷道斷面限制，通風(fēng)管道布置空間不足，傳統(tǒng)管道式通風(fēng)難以滿足要求。為此，對第4階段的傳統(tǒng)方案進行優(yōu)化。在合適位置增設(shè)專用通風(fēng)豎井及通風(fēng)巷道，在豎井底部設(shè)置風(fēng)倉，風(fēng)機布置在風(fēng)倉內(nèi)，新鮮風(fēng)流經(jīng)通風(fēng)豎井進入風(fēng)倉內(nèi)，由風(fēng)機加壓、加速后，沿設(shè)在通風(fēng)巷道和交通巷道頂部的風(fēng)管送至主洞庫內(nèi)。調(diào)整后的第4階段通風(fēng)方案見圖2(d)。

由于丙烷主洞庫距離交通巷道出口位置最遠(yuǎn)，是本工程施工通風(fēng)最不利階段，因此，本文僅對第4階段施工通風(fēng)方案及效果進行計算和分析。

2 數(shù)值方法和模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

丙烷洞庫施工通風(fēng)時風(fēng)管和主洞內(nèi)風(fēng)速不大，壓力變化較小，因此，可將風(fēng)管和主洞內(nèi)空氣流動視為三維、黏性、不可壓湍流流動。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型。設(shè)Φ為流場某一參數(shù)，對于某一控制容積，流場控制方程可統(tǒng)一表示為

(1)

式中： 當(dāng)Φ=1、U、e、k、ε時，式(1)分別表示為連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、湍動能方程和湍動能耗散率方程； Г和S分別為廣義擴散系數(shù)及廣義源項。

數(shù)值計算中采用有限體積法對式(1)進行離散，離散方程的一般形式為

(2)

式中a、s分別為隨空間差分格式的不同而不同的參數(shù)。

2.2 物理模型

根據(jù)第4階段實際通風(fēng)方案，為簡化計算模型，實際計算中建立了2個獨立的計算模型。

模型1由3個丙烷主洞、4個連接巷道和1個交通巷道組成。3個丙烷主洞的長度分別為483、483、263 m。該模型用于洞庫內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的計算和分析，如圖3所示。

(a) 第1階段

(b) 第2階段

(c) 第3階段

(d) 第4階段

圖3 洞庫施工通風(fēng)物理模型

模型2由豎井、風(fēng)倉和風(fēng)機組成。豎井直徑為6 m，風(fēng)倉長30 m、寬10 m、高9 m。風(fēng)倉內(nèi)風(fēng)機數(shù)量和布置位置根據(jù)前期施工通風(fēng)量的計算初步確定，在左右兩側(cè)分別布置了3臺風(fēng)機(其中1臺小風(fēng)機)和4臺風(fēng)機。考慮到風(fēng)倉內(nèi)風(fēng)機布置形式，模型還考慮了風(fēng)機1行布置和2行布置。該模型用于風(fēng)倉內(nèi)風(fēng)機的優(yōu)化布置研究，如圖4所示。

(a) 風(fēng)機1行布置

(b) 風(fēng)機2行布置

邊界條件設(shè)置如下： 丙烷主洞內(nèi)風(fēng)管出口設(shè)置為VELOCITY_INLET，根據(jù)設(shè)計要求出口風(fēng)速為37 m/s；交通巷道內(nèi)風(fēng)管的入口設(shè)置為OUTFLOW；壁面設(shè)置為WALL；豎井上部入口設(shè)為壓力進口；軸流風(fēng)機出口設(shè)為速度邊界條件；根據(jù)風(fēng)機參數(shù)(風(fēng)量和內(nèi)徑)換算成風(fēng)機出口風(fēng)速，大風(fēng)機v1= 40.35 m/s，小風(fēng)機v2= 33.18 m/s。

考慮到施工爆破時CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要與爆破量有關(guān)，在數(shù)值計算中通過爆破拋擲長度和CO初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)公式確定CO初始范圍和質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小。

l=15+G/5。

(3)

(4)

式(3)—(4)中：l為CO拋擲長度；G為同時爆破的炸藥量; CO為CO初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)；A為洞室開挖面積；b為每kg炸藥產(chǎn)生的CO；γ為有毒氣體容重，取為 1.165 kg/m3。

最終確定設(shè)定掌子面后方75 m范圍內(nèi)初始CO為1.164×10-3。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 洞庫內(nèi)污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

由于丙烷1號和2號主洞距離最長，通風(fēng)難度最大，因此本文僅給出了丙烷洞庫1號洞和2號洞距離掌子面縱向CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布結(jié)果，如圖5—8所示。

圖5 1號主洞CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

Fig. 5 Distributions of concentration of CO in main cavern No. 1

圖6 1號主洞30 min CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

Fig. 6 Concentration of CO in main cavern No. 1 after 30 minutes of ventilation after blasting of working face

從計算結(jié)果可以看出： 丙烷1號和2號主洞掌子面爆破1 min時掌子面附近區(qū)域CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1 000×10-6，隨著距掌子面距離的增大，洞內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速下降；隨著通風(fēng)時間的不斷延長，洞內(nèi)CO逐漸遠(yuǎn)離掌子面向施工巷道口擴散。通風(fēng)30 min時，1號主洞庫掌子面前20 m處CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為15×10-6，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值移至距掌子面250 m附近，達(dá)到約 350×10-6；2號主洞掌子面前20 m處CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 19×10-6，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值移至距掌子面300 m附近，且CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于230×10-6。從2個主洞CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布可知，爆破后通風(fēng)30 min，掌子面附近CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于24×10-6，即30 mg/m3，滿足規(guī)范要求[10-11]。

圖7 2號主洞CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖8 2號主洞30 min CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

Fig. 8 Concentration of CO in main cavern No. 2 after 30 minutes of ventilation after blasting of working face

進一步分析主洞CO擴散速率可知： 2號主洞CO擴散速率明顯快于1號主洞，且在通風(fēng)1.5 h后，1號主洞和2號主洞內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著下降。

3.2 風(fēng)倉內(nèi)風(fēng)機優(yōu)化布置

為提高風(fēng)倉內(nèi)軸流風(fēng)機效率，優(yōu)化風(fēng)機布置位置，本文采用模型2分別對不同風(fēng)機組排列形式以及風(fēng)機間距進行了計算研究。通過式(5)和式(6)計算風(fēng)機的效率。

(5)

Q=vA。

(6)

式(5)—(6)中：η為風(fēng)機的效率；H為風(fēng)機的有效風(fēng)壓，Pa；Q為風(fēng)機的有效輸出風(fēng)量，m3/s；W為風(fēng)機輸入軸功率，kW；v為風(fēng)機端口平均軸向風(fēng)速，m/s；A為風(fēng)機斷面面積，m2。

在分析風(fēng)機組排列形式時，分別考慮風(fēng)機組1行布置和2行布置工況下風(fēng)機的效率。當(dāng)風(fēng)機組1行布置時，風(fēng)倉左側(cè)風(fēng)機組間距為2.75 m，右側(cè)風(fēng)機組間距為2.3 m。當(dāng)風(fēng)機組2行布置時，風(fēng)倉左側(cè)和右側(cè)風(fēng)機組的橫向和縱向間距均為5 m。風(fēng)機布置如圖9所示。

(a) 風(fēng)機1行布置

(b) 風(fēng)機2行布置

表2給出了不同風(fēng)機組排列形式時風(fēng)機的效率。從表2可以看出，風(fēng)機組1行排列時，左側(cè)風(fēng)機和右側(cè)風(fēng)機效率均低于風(fēng)機組2行排列布置，其中左側(cè)風(fēng)機效率明顯增大，右側(cè)風(fēng)機效率提高相對較小。因此，可以得出風(fēng)機2行排列時能有效提高風(fēng)機效率。

表2 不同風(fēng)機組排列形式時的風(fēng)機效率

本文進一步計算了風(fēng)倉內(nèi)風(fēng)機組2行排列時，風(fēng)機間距分別為2、3、4、5、6 m 5種工況下風(fēng)機的效率。

同樣，表3給出了不同風(fēng)機間距的風(fēng)機效率計算結(jié)果。從表3可以看出： 隨著風(fēng)機間距的增大，兩側(cè)風(fēng)機效率均表現(xiàn)出遞減的趨勢；當(dāng)風(fēng)機間距為2 m時，左右兩側(cè)風(fēng)機效率最高；左側(cè)大風(fēng)機效率明顯高于小風(fēng)機效率。

表3 不同風(fēng)機間距的風(fēng)機效率

根據(jù)以上計算結(jié)果，建議風(fēng)倉內(nèi)風(fēng)機組采用2行排列形式，風(fēng)機間距宜按2 m布置。

4 結(jié)論與討論

地下能源水封洞庫與傳統(tǒng)的鐵路隧道、公路隧道以及水利隧洞等地下工程結(jié)構(gòu)形式存在顯著的差別，施工通風(fēng)更加困難。本文針對萬華煙臺液化烴地下水封洞庫群施工通風(fēng)，采用三維數(shù)值計算方法對丙烷主洞內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布、風(fēng)倉內(nèi)風(fēng)機布置形式進行計算和分析，得出以下結(jié)論。

1)當(dāng)作業(yè)面多、通風(fēng)需求量大時，采用增加通風(fēng)豎井的通風(fēng)方式是必要的。

2)根據(jù)設(shè)計要求，丙烷主洞掌子面爆破后通風(fēng)30 min，掌子面附近區(qū)域CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于24×10-6，即30 mg/m3，滿足規(guī)范要求。

3)丙烷2號主洞CO擴散速率明顯快于1號主洞。

4)風(fēng)倉內(nèi)風(fēng)機組2行排列形式的風(fēng)機效率高于風(fēng)機組1行排列形式。

5)風(fēng)倉內(nèi)風(fēng)機組間距為2 m時風(fēng)機效率最高。

本文的研究成果為萬華煙臺液化烴地下水封洞庫群施工通風(fēng)提供了設(shè)計方案，采用本方案已順利完成該工程項目的施工。由于各洞庫結(jié)構(gòu)形式還存在一定差異，風(fēng)機布置方式還需因地制宜。根據(jù)前期工程經(jīng)驗，在地下洞庫群內(nèi)還可運用網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)方式進行施工通風(fēng)，但該方法還有待進一步研究和實測。

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Study of Optimization of Construction Ventilation of Wanhua Yantai Underground Liquefied Hydrocarbon Water-sealed Cavern Group

CHEN Haifeng

(TheFirstConstructionDivisionCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Chongqing401123,China)

The large cross-section construction ventilation is very important in underground water-sealed cavern group. As a result, the amount of vertical ventilation shafts is increased. In this paper, 3D numerical simulation method is adopted to analyze the distribution laws of CO and the influence of locations of fans in air chamber on fan efficiency. The results show that: 1) The concentration of CO near working face is less than 24×10-6after 30 minutes of ventilation after blasting of working face, which can meet related requirements. 2) The fan efficiency of 2 line typed is higher than that of 1 line typed; and the fan efficiency with 2 m span among fan group is the highest.

underground water-sealed cavern group; construction ventilation; ventilation effect; fan efficiency

2016-08-18;

2016-11-21

陳海鋒(1979—)，男，浙江縉云人，2000年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，土木工程專業(yè)，碩士，高級工程師，主要從事隧道與地下工程施工技術(shù)研究工作。E-mail： haihai-0211@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.016

U 453.5

A

1672-741X(2017)02-0230-06