李孜軍，林曉光，李明，張王杰，饒寶文

(1．中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083;2．中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司，北京100142)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鉆爆法施工過(guò)程中產(chǎn)生的CO和其他有害氣體擴(kuò)散效應(yīng)開(kāi)展了多方面的研究。王海橋等［1］研究了獨(dú)頭巷道有限空間受限貼附射流通風(fēng)規(guī)律。Chow［2］利用CFD模擬了公路隧道CO擴(kuò)散效應(yīng);劉釗春等［3－4］研究了隧道內(nèi)有害氣體濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律;王曉玲等［5］模擬了引水隧道獨(dú)頭掘進(jìn)CO擴(kuò)散和風(fēng)流組織;以上這些研究都只針對(duì)于CO在單洞隧道內(nèi)的擴(kuò)散。張恒等［6］用Fluent定性描述了雙洞隧道射流風(fēng)機(jī)的布置對(duì)CO排出的影響。對(duì)于雙洞隧道，每隔一定距離要設(shè)計(jì)人行橫道或車(chē)行橫道，以方便行人和車(chē)輛在穿越隧道途中轉(zhuǎn)向和應(yīng)急。在施工過(guò)程中，雙洞隧道的某一掌子面爆破后，施工人員往往會(huì)加大通風(fēng)功率，以盡快將炮煙排出，造成2個(gè)隧道之間通風(fēng)功率不等，在這種情況下，隧道間會(huì)產(chǎn)生串通風(fēng)流，CO隨串通風(fēng)流污染相鄰隧道。本文用Fluent模擬了關(guān)虎沖公路隧道施工通風(fēng)狀態(tài)，定量描述雙洞隧道爆破后CO擴(kuò)散過(guò)程。后提出通風(fēng)管理措施，防止CO污染相鄰隧道。

1 工程概況和模型建立

關(guān)虎沖隧道位于湖南省懷化市辰溪縣境內(nèi)，為雙洞單向四車(chē)道交通隧道，左線(隧道A)全長(zhǎng)4 918 m，右線(隧道B)全長(zhǎng)4 970 m。關(guān)虎沖隧道采用分別從兩端上下行線獨(dú)頭掘進(jìn)到分界里程的施工方案，其中懷化端最遠(yuǎn)獨(dú)頭掘進(jìn)2 410 m。掌子面每爆破一次炸藥用量為240 kg。懷化端掘進(jìn)500 m時(shí)，雙洞隧道打通了第1個(gè)人行橫道，距離洞口280 m，在笛卡爾坐標(biāo)系下對(duì)隧道建立三維模型，隧道結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)如圖1所示。隧道A(Tunnel A)和隧道B(Tunnel B)中心線距離為43 m，雙洞隧道入口(Entrance)位于平面z=0上，掌子面(Heading)位于平面z=500上。隧道橫截面面積為65 m2，隧道橫截面結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，P1，P2和P3為模擬過(guò)程中CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。人行橫道(Crossing)長(zhǎng)度為32 m，橫截面結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，人行橫道與2條隧道正交。該隧道采用柔性長(zhǎng)管路壓入式通風(fēng)，選用半徑為0．75 m的高強(qiáng)拉鏈?zhǔn)侥z皮風(fēng)管，懸掛高度為1．6 m，與隧道墻壁相切，如圖2(a)所示。風(fēng)管長(zhǎng)度為470 m，風(fēng)管末端是新鮮空氣出口，即三維模型的速度入口，距離掌子面距離為30 m。該隧道選用了山西候馬鑫豐康風(fēng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的SDF(C)－No13型軸流風(fēng)機(jī)，每個(gè)洞口分別使用2臺(tái)風(fēng)機(jī)串聯(lián)。該風(fēng)機(jī)有高、中、低3個(gè)檔位，隧道掘進(jìn)500 m時(shí)，正常施工時(shí)風(fēng)機(jī)開(kāi)低檔就能滿足通風(fēng)要求。當(dāng)掌子面爆破之后，施工人員為了加快CO排出速度，將風(fēng)機(jī)開(kāi)高檔。因此，該模型中正常施工時(shí)和掌子面爆破后，風(fēng)機(jī)通風(fēng)功率不同。

圖1 三維隧道模型和坐標(biāo)Fig．1 3D model and coordinate of tunnels

圖2 隧道和人行橫道斷面圖Fig．2 Sectional plan of tunnel and crossing

2 數(shù)學(xué)模型

2．1 基本假設(shè)［7］

(1)忽略流體黏性作用引起的耗散熱;

(2)通風(fēng)氣流可視為三維黏性不可壓縮流體;

(3)壁面絕熱，恒溫通風(fēng);

(4)初始時(shí)刻CO只分布在爆破面附近的爆破拋擲范圍內(nèi)，其余空間CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0;

(5)忽略隧道內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)、施工器械對(duì)流場(chǎng)的影響，忽略洞口自然風(fēng)的影響。

2．2 物理模型

基于上面假設(shè)，掘進(jìn)巷道采用基于Navier－Stokes方程的風(fēng)流模型，并采用RNG k－ε湍流模型使方程組封閉。隧道內(nèi)空氣湍流流動(dòng)與氣體擴(kuò)散用到的控制方程［8］有質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、濃度擴(kuò)散方程、湍流動(dòng)能k方程、湍流動(dòng)能耗散率ε方程。

2．3 邊界條件

(1)每個(gè)隧道均有1個(gè)風(fēng)管，因此模型有2個(gè)速度入口。隧道A掌子面爆破后風(fēng)機(jī)調(diào)至高檔，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)管出口速度為v1=28．83 m/s，方向與風(fēng)管平行。隧道B正常施工，風(fēng)機(jī)調(diào)至低檔，實(shí)測(cè)得到v2=14．593 m/s，方向與風(fēng)管平行。2個(gè)速度入口送入的都是新鮮空氣，既CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0。湍流動(dòng)能紊流動(dòng)能耗散率 εin=，其中 θin為常數(shù)，取 0．005;vin為速度入口風(fēng)速;Cμ為試驗(yàn)常數(shù)，取0．09;R為風(fēng)管半徑，單位m。

(2)爆破發(fā)生在隧道A的掌子面，炮煙拋擲距離的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中:L拋為炮煙拋擲距離(m)，即掌子面爆破后CO瞬間彌漫的空間長(zhǎng)度;爆破所用炸藥質(zhì)量G=240 kg。

(3)爆破瞬間產(chǎn)生的CO在炮煙拋擲范圍內(nèi)均勻分布。爆破后炮煙拋擲范圍內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為

式中:b為每千克炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的CO氣體體積，取0．04 m3/kg;A為隧道橫截面積，為65 m2;計(jì)算得出CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 C=0．002 26，相當(dāng)于2 712 mg/m3。

(4)出口邊界條件［1］，隧道A和隧道B的施工入口就是三維數(shù)值模型的自由流出口，滿足:

式中:u，v和w分別是出口速度在x，y和z方向上的分量;Pout為外部環(huán)境壓強(qiáng)。

(5)隧道邊壁和掌子面均為無(wú)滑動(dòng)邊界。采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)法［9］。

2．4 求解方法

采用了Patankar［10］提出的有限體積法離散方程，對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)差分格式近似，SIMPLE算法求解。對(duì)圖1所示隧道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共得到852 790個(gè)節(jié)點(diǎn)和806 015個(gè)單元。隧道網(wǎng)格劃分如圖3所示。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

依據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》［11］，CO 最高容許質(zhì)量濃度(以下簡(jiǎn)稱(chēng)TWA)為20 mg/m3，短時(shí)間接觸容許質(zhì)量濃度(以下簡(jiǎn)稱(chēng)STEL)為30 mg/m3。

圖3 隧道的網(wǎng)格劃分Fig．3 Grid plotting of tunnel

從三維隧道模型圖(圖1)的隧道A上截取6個(gè)面 z為 500，400，300，400，100 和 0，這 3 個(gè)面距掌子面的距離分別為 0，100，200，300，400 和 500 m，在這6個(gè)面上分別取3個(gè)點(diǎn)P1，P2和P3，3個(gè)點(diǎn)為位置如圖2(a)所示。3個(gè)點(diǎn)距離地面距離為1．6 m，是人類(lèi)的呼吸高度，存在于這個(gè)高度上的CO最容易被人吸收。以各個(gè)面上，這3個(gè)點(diǎn)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值作為該面CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)。從爆破發(fā)生時(shí)刻(既t=0 s)開(kāi)始計(jì)時(shí)，通風(fēng)過(guò)程中監(jiān)測(cè)得到各個(gè)面CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化特征如圖4所示。與掌子面距離0 m處，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著通風(fēng)時(shí)間迅速下降，其他5個(gè)面都經(jīng)歷了CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升和下降2個(gè)階段，距離隧道A掌子面距離越大，CO擴(kuò)散到來(lái)的時(shí)間越晚。

圖4 距隧道A掌子面不同距離CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線Fig．4 The variation curve of CO concentration in different distance with heading of tunnel A

從隧道三維模型圖(圖1)的人行橫道上截取平面x為12，27和42。在Fluent求解過(guò)程中監(jiān)測(cè)人行橫道內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，如圖5所示，3個(gè)面的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較一致。以平面x=12上CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化為例。從圖5可以看出:從t=230 s開(kāi)始，其CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)開(kāi)始迅速增加，t=360 s時(shí)人行橫道內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最高，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)為0．001 4，相當(dāng)于 1 680 mg/m3，是 TWA 的 84倍和STEL的56倍。通風(fēng)800 s后，平面x=12上的CO才逐漸降低到安全范圍以?xún)?nèi)。因此，爆破作業(yè)之后人行橫道內(nèi)不能有人停留。

圖5 人行橫道內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig．5 The variation curve of CO concentration with the ventilation time in crossing

在三維隧道模型(圖1)中截取平面z=280，該面為人行橫道的中間面。圖6和圖7所示分別反映了平面z=280通風(fēng)t=400 s時(shí)CO濃度云圖和流場(chǎng)速度矢量云圖。從圖6可以看出:隧道A內(nèi)含有CO的氣流通過(guò)人行橫道向隧道B擴(kuò)散，污染了隧道B內(nèi)潔凈空氣。從圖7可以看出:隧道A的流速高于隧道B的流速，通風(fēng)功率不同，促使2條隧道間產(chǎn)生貫通風(fēng)流，加重了CO對(duì)隧道B的污染。氣流從隧道A進(jìn)入人行橫道后，由于人行橫道斷面較隧道斷面小，形成狹管效應(yīng)，流速略有上升。

圖6 通風(fēng)400 s時(shí)CO在平面z=280上的濃度云圖Fig．6 CO concentration field in crossing at t=400 s

在三維隧道模型圖(圖1)中截取平面y=1．6，該平面離地1．6 m，是人的呼吸面，存在于這個(gè)平面上的CO最容易被人呼吸進(jìn)入體內(nèi)，所以，將此平面作為研究重點(diǎn)。圖8所示為t=400 s時(shí)平面y=1．6上CO濃度云圖。從圖8可以看出:CO在隧道內(nèi)呈團(tuán)狀分布，該圖也進(jìn)一步展示了隧道A內(nèi)的CO會(huì)沿著人行橫道向隧道B擴(kuò)散。圖9所示為人行橫道和隧道B的交叉口處的流線圖，來(lái)自人行橫道的氣流和B隧道的氣流在此交匯，隧道B內(nèi)原有流線受到擠壓偏斜，2個(gè)氣流產(chǎn)生了1個(gè)渦流區(qū)域。此時(shí)CO在隧道B內(nèi)主要分布在z=230至z=280之間的區(qū)域。在隧道A中，CO已經(jīng)離開(kāi)爆破后初始分布區(qū)域，主要分布于z=180至z=440之間。氣團(tuán)核心區(qū)域CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，氣團(tuán)兩邊CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。

圖7 通風(fēng)400 s時(shí)平面z=280上的速度矢量云圖Fig．7 Velocity magnitude field in crossing at t=400 s

圖8 通風(fēng)400 s時(shí)CO在平面y=1．6上的濃度云圖Fig．8 CO concentration field in surface y=1．6 at t=400 s

圖9 交叉口附近流線圖Fig．9 Streamtraces around jounction at t=400 s

如圖10所示，當(dāng)t=500 s時(shí)，在平面y=1．6上CO在隧道B內(nèi)主要分布于z=130至z=280之間的區(qū)域，相對(duì)于t=400 s時(shí)隧道B受污染的程度加重。隧道A內(nèi)CO區(qū)域主要分布在z=70至z=370區(qū)域內(nèi)。相對(duì)于t=400 s時(shí)，隧道A內(nèi)CO氣團(tuán)向隧道外部移動(dòng)，且分布區(qū)域變大，CO氣團(tuán)核心區(qū)域質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。說(shuō)明CO在隧道A和隧道B內(nèi)排出的過(guò)程中不斷地被稀釋。

圖10 通風(fēng)500 s時(shí)CO在平面y=1．6上的濃度云圖Fig．10 CO concentration field in surface y=1．6 at t=500 s

在三維隧道模型圖(圖1)中，從隧道B上截取平面 z為 280，210，140，70 和 0，以每個(gè)平面上取 3個(gè)點(diǎn)P1，P2和P3，用這3個(gè)點(diǎn)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值作為相應(yīng)隧道斷面的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在Fluent求解過(guò)程中，監(jiān)測(cè)得到每個(gè)斷面上CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化如圖11所示。從圖11可以看出:當(dāng)t=200 s時(shí)，隧道B內(nèi)平面z=280上CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速增加，其CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)到0．000 44，相當(dāng)于528 mg/m3，是 TWA 的26．4倍和 STEL 的17．6倍;CO進(jìn)入隧道B后，迅速由人行橫道斷面向隧道B的整個(gè)斷面擴(kuò)散，因此，其他4個(gè)面CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)極大值比平面z=280的小。從圖11可以看出:z為210，140，70和0這4個(gè)面CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)極大值緩慢降低，這說(shuō)明CO氣團(tuán)在隧道B內(nèi)向隧道外移動(dòng)的同時(shí)也在慢慢稀釋。這4個(gè)面CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)極大值介于0．000 16～0．000 19之間，相當(dāng)于 192～228 mg/m3，是 TWA 的9．6～11．4倍和 STEL 的6．4～7．6倍;通風(fēng)1 500 s后，隧道B內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)才能降低到安全允許范圍之下。隧道B受重度污染時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 250 s。

4 通風(fēng)管理措施

為保證隧道B的正常施工和人員的健康安全，必須改進(jìn)通風(fēng)管理措施。首先可以采取主動(dòng)防護(hù)策略，在人行橫道中設(shè)置氣流擋板，阻止2個(gè)隧道間形成串通氣流;或者采取抽出式施工通風(fēng)［8］，這樣可以從根本上防止爆破后CO的擴(kuò)散。爆破后通風(fēng)排煙過(guò)程中，隧道A和隧道B應(yīng)當(dāng)保持相同的通風(fēng)速度，如果為了加大排煙速度而調(diào)大了隧道A的通風(fēng)功率，則隧道B也應(yīng)當(dāng)增加到相同的通風(fēng)功率，既雙洞等功率通風(fēng)，這樣可以防止隧道A內(nèi)的CO隨串通風(fēng)流進(jìn)入隧道B。在隧道三維模型圖(圖1)中截取平面y=1．6，爆破后隧道A和隧道B的風(fēng)機(jī)同時(shí)開(kāi)高檔，二者具有相同的通風(fēng)速度，通風(fēng)400 s后，CO濃度云圖如圖12所示。與圖8對(duì)比可知:CO不再向隧道B擴(kuò)散。這種方法也能有效避免CO污染隧道B。

圖11 隧道B內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)間變化圖Fig．11 The variation curve of CO concentration with the ventilation time in tunnel B

圖12 通風(fēng)管理措施優(yōu)化后，t=400 s時(shí)CO在平面y=1．6上的濃度云圖Fig．12 CO concentration field in surface y=1．6 at t=400 s after optimization of ventilation measure

此外采取被動(dòng)防護(hù)策略，調(diào)整施工工藝，在人行橫道打通前，完成CO擴(kuò)散影響區(qū)域的施工任務(wù)，禁止人員上下班時(shí)徒步穿越CO擴(kuò)散影響區(qū)域，禁止載人車(chē)輛在CO影響區(qū)域停留，加強(qiáng)安全教育，讓作業(yè)人員具有識(shí)別危險(xiǎn)源的能力，同樣可以防止CO中毒事件。

5 結(jié)論

(1)隧道掌子面爆破后，在通風(fēng)排煙過(guò)程中，CO污染氣體在隧道內(nèi)以氣團(tuán)的形式存在，氣團(tuán)中心CO濃度高，氣團(tuán)兩邊CO濃度低。氣團(tuán)隨著通風(fēng)時(shí)間不斷往隧道外移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中，氣團(tuán)變大，CO濃度隨之降低。

(2)雙洞隧道系統(tǒng)中，某一隧道爆破后，如果單方面加大通風(fēng)功率，2個(gè)隧道之間會(huì)產(chǎn)生串通風(fēng)流，CO隨串通風(fēng)流污染人行橫道和相鄰隧道。

(3)通過(guò)設(shè)置氣流擋板、雙洞等功率通風(fēng)、抽出式通風(fēng)等措施，能有效避免CO污染相鄰隧道。

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