周水強(qiáng)

(中鐵隧道局集團(tuán)一處有限公司,重慶 410000)

由于通風(fēng)困難導(dǎo)致隧道施工效率降低，進(jìn)度緩慢，己經(jīng)成為影響工期、質(zhì)量、安全、效益的關(guān)鍵因素。在無(wú)法實(shí)現(xiàn)巷道式通風(fēng)的情況下，由于受長(zhǎng)度、斜井限制，采用壓入式通風(fēng)難以滿足施工要求[1-3]。國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者針對(duì)這一問題進(jìn)行了一定的研究，辛國(guó)平[4]從通風(fēng)系統(tǒng)布置、斜井供風(fēng)巷道的分隔與密封、風(fēng)倉(cāng)的設(shè)置與密封等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)入手，介紹了適合長(zhǎng)大隧道斜井工區(qū)的長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)技術(shù)。陳海峰[5]對(duì)不同工況下風(fēng)倉(cāng)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過計(jì)算分析，確定了風(fēng)倉(cāng)及軸流風(fēng)機(jī)布置的最佳形式。豆小天[6]從方案比選、通風(fēng)設(shè)計(jì)、效果監(jiān)測(cè)等方面系統(tǒng)闡述了羅家理斜井施工通風(fēng)技術(shù)，并對(duì)大風(fēng)室接力通風(fēng)在羅家理斜井的成功應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。劉國(guó)平[7]設(shè)計(jì)了小風(fēng)室接力通風(fēng)方案，經(jīng)過相應(yīng)的供風(fēng)計(jì)算，從理論上分析小風(fēng)室接力通風(fēng)的可行性，通過工序優(yōu)化及輔助通風(fēng)措施的應(yīng)用，科學(xué)合理地優(yōu)化了通風(fēng)方案。趙東坡[8]為解決單斜井雙正洞多開挖面平行施工通風(fēng)難題，介紹一種新型隧道施工隔板風(fēng)道通風(fēng)技術(shù)。孫三祥[9]分析了斜井設(shè)置中間隔板情況下風(fēng)機(jī)串、并聯(lián)對(duì)應(yīng)的速度場(chǎng)，比較了串聯(lián)或并聯(lián)的通風(fēng)效果，提出了中間隔板及風(fēng)機(jī)出口與工作面距離建議值。張恒[10]依托錦屏引水隧洞，從理論研究結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)測(cè)試，探討了在目前能代表國(guó)內(nèi)通風(fēng)最好硬件下壓入式通風(fēng)的極限通風(fēng)距離。由于采用風(fēng)倉(cāng)式這種新型通風(fēng)方式的工程實(shí)例較少，可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)有限，因此有必要對(duì)長(zhǎng)大隧道風(fēng)倉(cāng)式施工通風(fēng)效果進(jìn)行研究。

1 依托工程概況

衢寧鐵路起自滬昆鐵路衢州站，終于沿海鐵路寧德站，正線全長(zhǎng)379.169 km。衢寧鐵路鷲峰山一號(hào)隧道設(shè)計(jì)為160 km/h單線鐵路隧道，全長(zhǎng)16 646 m，隧道最大埋深為791.5 m，為Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道，是全線重點(diǎn)控制工程。設(shè)置斜井2處、橫洞1處，如圖1所示。其中，桃源斜井長(zhǎng)2 622 m、娜洋坪斜井2 028 m、橫洞315 m，綜合坡度分別為9.47 %、8.36 %、-5.35 %，隧道采用鉆爆法開挖，采用雙車道無(wú)軌運(yùn)輸方式。施工通風(fēng)根據(jù)施工進(jìn)度采用不同的通風(fēng)方式，進(jìn)出口采用風(fēng)管壓入式通風(fēng)。隧道內(nèi)風(fēng)量根據(jù)爆破及人員作業(yè)所需新風(fēng)設(shè)計(jì)，全斷面開挖時(shí)施工通風(fēng)風(fēng)速不小于0.15 m/s，風(fēng)機(jī)及風(fēng)管根據(jù)施工進(jìn)度進(jìn)行配置，當(dāng)通風(fēng)環(huán)境變差時(shí)，在隧道內(nèi)增設(shè)風(fēng)機(jī)，加快空氣流動(dòng)。兩座斜井進(jìn)入正洞后均設(shè)進(jìn)出口兩個(gè)工作面，斜井之間為關(guān)鍵線路，獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度分別為5.7 km、6.0 km，無(wú)巷道式通風(fēng)條件，施工通風(fēng)壓力極大。

圖1 隧洞斜井、橫洞布置情況

2 風(fēng)倉(cāng)式施工通風(fēng)方案

為了解決壓入式通風(fēng)無(wú)法突破其通風(fēng)長(zhǎng)度的瓶頸問題，提出了長(zhǎng)大隧道風(fēng)倉(cāng)式施工通風(fēng)。斜井采用分隔材料將其分為上下兩半，上半部為進(jìn)風(fēng)道，隔一定距離設(shè)置射流風(fēng)機(jī)將洞口新鮮空氣壓入，下半部分為出風(fēng)道，將污風(fēng)排出。斜井與正洞交叉口位置設(shè)置封閉的風(fēng)倉(cāng)，將軸流風(fēng)機(jī)放在風(fēng)倉(cāng)兩側(cè)，根據(jù)需要分別向各掌子面供風(fēng)的通風(fēng)方式，如圖2所示。采用風(fēng)倉(cāng)式接力通風(fēng)后，隧道兩端的通風(fēng)距離大幅度減少，桃源斜井進(jìn)入正洞后往衢州方向的最長(zhǎng)通風(fēng)距離為1 018 m，而隧道出口方向最長(zhǎng)通風(fēng)距離為3 381 m。

(a)橫剖面

(b)縱剖面圖2 風(fēng)倉(cāng)式通風(fēng)方案示意

2.1 數(shù)值模型及相關(guān)參數(shù)

2.1.1 邊界條件設(shè)置

計(jì)算中采用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT的三維非穩(wěn)態(tài)組分輸運(yùn)模型進(jìn)行求解，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型。依據(jù)實(shí)際工程情況，設(shè)定邊界條件如下：

(1)隧道內(nèi)壁為墻面wall，根據(jù)隧道超欠挖實(shí)際情況及支護(hù)措施，壁面粗糙度常數(shù)Rc取0.57，壁面平均粗糙高度Rh取0.09 m[11]。

(2)隧道出口采用outflow出口邊界條件。

(3)軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口為速度入口邊界，設(shè)置為Velocity-inlet；110 kW軸流風(fēng)機(jī)，出口速度取14.6 m/s；132 kW軸流風(fēng)機(jī)，出口速度取15.6 m/s。

(4)軸流風(fēng)機(jī)與射流風(fēng)機(jī)壁面設(shè)為固體邊界。

(5)射流風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口為速度入口邊界，設(shè)置為Velocity-inlet，出口速度取41.4 m/s；進(jìn)風(fēng)口為質(zhì)量入口邊界，設(shè)置為mass-flow-inlet，進(jìn)風(fēng)量46.7 m3/s。

2.1.2 初始CO濃度計(jì)算

根據(jù)每個(gè)開挖循環(huán)所用的炸藥用量確定拋擲距離、CO初始濃度，炮煙拋擲距離經(jīng)驗(yàn)公式為：

L=15+G/5

(1)

式中：L為炮煙拋擲長(zhǎng)度，即爆破后炮煙彌漫區(qū)域的長(zhǎng)度(m)；G為爆破炸藥用量(kg)。

初始濃度計(jì)算公式為：

(2)

式中：c為CO初始濃度；G為爆破炸藥用量(kg)；L為炮煙拋擲長(zhǎng)度(m)；b為每kg炸藥產(chǎn)生的有毒氣體(m3/kg)，取0.04；A為隧道開挖斷面面積(m2)。

隧道斷面的主要計(jì)算尺寸及CO初始濃度計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 隧道斷面尺寸及爆破后CO初始濃度

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 原壓入式施工通風(fēng)效果

斜井掘進(jìn)到井底后，斜井口安裝1臺(tái)2×160 kW和1臺(tái)2×200 kW通風(fēng)機(jī)，兩趟φ1.8 m軟風(fēng)管，襯砌臺(tái)車與掌子面間采用φ1.5 m軟風(fēng)管，一趟向進(jìn)口方向供風(fēng)，一趟向出口方向供風(fēng)。數(shù)值計(jì)算按照最不利工況考慮進(jìn)行，即鷲峰山進(jìn)口方向按照2 622 m(斜井長(zhǎng)度)+1 018 m(正洞長(zhǎng)度)=3 640 m；出口方向按照2 622 m(斜井長(zhǎng)度)+3 381 m(正洞長(zhǎng)度)=6 003 m，三維數(shù)值計(jì)算局部模型圖3所示。為了掌握在采用壓入式通風(fēng)的情況下，隧道內(nèi)部特別是掌子面附近工作區(qū)域(300 m范圍)的污染物分布情況，通過監(jiān)測(cè)掌子面附近300 m范圍內(nèi)的斷面，按照每50 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(沿Z方向分布，為了顯示效果，已適當(dāng)擴(kuò)大了該方向的比例)。壓入式通風(fēng)隧道進(jìn)口、出口方向掌子面300 m范圍內(nèi)CO濃度分布情況如圖4和圖5所示。

圖3 三維數(shù)值計(jì)算模型(局部)

(a)通風(fēng)時(shí)間300s

(b)通風(fēng)時(shí)間600s圖4 隧道左掌子面300m范圍內(nèi)CO濃度分布

(a)通風(fēng)時(shí)間300s

(b)通風(fēng)時(shí)間600s圖5 隧道右掌子面300m范圍內(nèi)CO濃度分布

從國(guó)內(nèi)外重要隧道鉆爆法施工通風(fēng)長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)以及工程實(shí)際實(shí)施情況，由于壓入式通風(fēng)自身的缺陷(無(wú)法突破長(zhǎng)度瓶頸)，且受現(xiàn)場(chǎng)布置及施工方式所限，它在通風(fēng)距離超過4 000 m就很難滿足施工條件的需要，無(wú)法達(dá)到規(guī)定的洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境條件。從圖3和圖4的CO濃度分布云圖可以看出，在壓入式通風(fēng)條件下，由于隧道進(jìn)口方向通風(fēng)距離相比出口方向短很多，約為出口方向的一半；隨著通風(fēng)時(shí)間的不斷增加，高濃度的CO區(qū)域也在向斜井方向不斷推移，CO濃度在通風(fēng)600 s后工作區(qū)域有200 m范圍已經(jīng)降到了國(guó)家規(guī)范規(guī)定的30 mg/m3，最高濃度在距離掌子面300 m位置處，最大值為325 mg/m3。由于斜井與正洞采用垂直連接，風(fēng)管的布置必然會(huì)在交叉口位置出現(xiàn)大角度的彎折，不可避免的存在較大的能量損失。因此，隧道出口方向的通風(fēng)距離6 003 m已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前壓入式通風(fēng)件條件下的極限通風(fēng)距離，工作區(qū)域僅50 m范圍內(nèi)CO濃度降到了國(guó)家規(guī)范規(guī)定值，其最高濃度在距離掌子面250 m位置處，最大值為1 190 mg/m3。

圖6為壓入式通風(fēng)條件下6個(gè)時(shí)間(10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、35 min)CO濃度的運(yùn)移特性。隨著通風(fēng)時(shí)間的不斷增加，隧道進(jìn)口與出口方向的污染物都向斜井方向轉(zhuǎn)移。由于斜井正洞交叉口位置距離進(jìn)口方向的距離為1 018 m約為到出口方向的1/3，因此進(jìn)口方向的高濃度CO首先到達(dá)斜井位置，25 min后基本由斜井排除，其濃度能夠達(dá)到國(guó)家規(guī)范規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)值。但隧道出口方向的通風(fēng)距離長(zhǎng)達(dá)6 003 m，因此通風(fēng)35 min后，高濃度的CO運(yùn)移至距離斜井1 000 m位置，其最高濃度達(dá)到963 mg/m3。可見，在隧道爆破之后，采用壓入式的通風(fēng)方式不能將正洞內(nèi)的污染物在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)排除到洞外。

圖6 不同通風(fēng)時(shí)間隧道中線CO分布

圖7 斜井正洞交叉口風(fēng)倉(cāng)三維模型

(a)通風(fēng)時(shí)間300s

(b)通風(fēng)時(shí)間600s圖8 風(fēng)倉(cāng)式通風(fēng)進(jìn)口方向掌子面300m范圍內(nèi)CO濃度分布

(a)通風(fēng)時(shí)間300s

(b)通風(fēng)時(shí)間600s圖9 風(fēng)倉(cāng)式通風(fēng)出口方向掌子面300m范圍內(nèi)CO濃度分布

2.2.2 風(fēng)倉(cāng)式施工通風(fēng)效果

斜井與正洞交叉口位置設(shè)置的封閉的風(fēng)倉(cāng)，三維計(jì)算模型見圖7。風(fēng)倉(cāng)式通風(fēng)隧道進(jìn)口、出口方向掌子面300 m范圍內(nèi)CO濃度分布情況見圖8和圖9。在壓入式通風(fēng)條件下，由于隧道進(jìn)口方向通風(fēng)距離相比出口方向短很多(計(jì)算過程中進(jìn)口配1.5 m風(fēng)管，出口方向配1.8 m風(fēng)管)。隨著通風(fēng)時(shí)間的不斷增加，高濃度的CO區(qū)域也在向斜井方向不斷推移，CO濃度在通風(fēng)600 s后工作區(qū)域300 m范圍基本已經(jīng)降到了國(guó)家規(guī)范規(guī)定的30 mg/m3，最高濃度在距離掌子面300 m位置處，最大值為75.1 mg/m3。由于獨(dú)頭通風(fēng)距離大幅度減少，隧道出口方向工作區(qū)域250 m范圍內(nèi)CO濃度降到了國(guó)家規(guī)范規(guī)定值，其最高濃度在距離掌子面300 m位置處，最大值為91.3 mg/m3。在同樣的通風(fēng)時(shí)間下，風(fēng)倉(cāng)式通風(fēng)的效果遠(yuǎn)好于全壓入式通風(fēng)，有利于污染物快速的向斜井方向排出。

圖10為風(fēng)倉(cāng)式通風(fēng)條件下不同通風(fēng)時(shí)間情況主洞內(nèi)CO濃度分布曲線圖。從圖中可以看出，隨著通風(fēng)時(shí)間的不斷增加，隧道進(jìn)口與出口方向的污染物都向斜井方向轉(zhuǎn)移，圖10計(jì)算了6個(gè)時(shí)間(10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、35 min)CO濃度的運(yùn)移特性。由于斜井正洞交叉口位置距離進(jìn)口方向的距離為1 018 m約為到出口方向的1/3，因此進(jìn)口方向的高濃度CO首先到達(dá)斜井位置，20 min后基本由斜井排除，其濃度能夠達(dá)到國(guó)家規(guī)范規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)值。而隧道出口方向由于設(shè)置風(fēng)倉(cāng)其通風(fēng)距離也大幅度減少，30 min左右出口方向的高濃度污染物已運(yùn)移至斜井位置，35 min左右其濃度完全可以達(dá)到國(guó)家規(guī)范規(guī)定的安全值?？梢姡谒淼辣浦?，采用風(fēng)倉(cāng)接力的通風(fēng)方式能夠?qū)⒄磧?nèi)的污染物在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)排除到洞外。

3 結(jié)論

(1)由于壓入式通風(fēng)無(wú)法突破長(zhǎng)度瓶頸的缺陷，并受限于現(xiàn)場(chǎng)布置及施工方式，當(dāng)通風(fēng)距離超過4 000 m后就很難滿足施工條件的需要，無(wú)法達(dá)到洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境規(guī)定的條件。

(2)采用風(fēng)倉(cāng)式通風(fēng)后，桃源斜井所承擔(dān)的正洞進(jìn)口方向通風(fēng)20 min后CO基本由斜井排除，出口方向通風(fēng)35 min洞內(nèi)CO濃度能夠達(dá)到國(guó)家規(guī)范規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)值?？梢?，風(fēng)倉(cāng)式通風(fēng)對(duì)于洞內(nèi)CO濃度控制優(yōu)于壓入式通風(fēng)。

圖10 不同通風(fēng)時(shí)間隧道中線CO分布

(3)對(duì)于無(wú)巷道式通風(fēng)條件且獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度長(zhǎng)的單線特長(zhǎng)隧道，在正洞與斜井交叉部位的拱部設(shè)置密封的風(fēng)倉(cāng)，形成風(fēng)倉(cāng)式接力通風(fēng)，該方式能大幅度延長(zhǎng)通風(fēng)距離，提高通風(fēng)效率，改善洞內(nèi)空氣質(zhì)量，為長(zhǎng)大隧道施工通風(fēng)開辟了新的途徑。