劉 斌

（中鐵發(fā)展投資有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

為了保障施工作業(yè)人員的健康安全，在隧道施工過(guò)程中要確保洞內(nèi)有足夠多的新鮮空氣。隧道施工通風(fēng)是在施工期間，利用洞內(nèi)外氣壓差或使用風(fēng)機(jī)設(shè)備通入新鮮空氣，排除污染空氣，改善勞動(dòng)條件，創(chuàng)造良好施工環(huán)境的必要手段。隧道施工通風(fēng)有多種方式，采用什么樣的通風(fēng)方式使通風(fēng)合理、高效，是隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題。通風(fēng)方式應(yīng)根據(jù)隧道的自身特點(diǎn)來(lái)選擇，考慮施工方法、設(shè)備條件、隧道路線及開(kāi)挖長(zhǎng)度、掘進(jìn)坑道斷面形狀及大小等因素，且應(yīng)有利于快速施工。研究施工通風(fēng)的方法主要有原位測(cè)試、小比例模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等[1]，其中利用CFD軟件模擬施工通風(fēng)，掌握隧道通風(fēng)流場(chǎng)特性，是研究施工通風(fēng)的重要方法。

大量學(xué)者運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)隧道施工通風(fēng)進(jìn)行了研究。為了獲取準(zhǔn)確的水電工程引水隧洞施工通風(fēng)瞬態(tài)流場(chǎng)信息并且提高計(jì)算效率，王曉玲，劉長(zhǎng)欣，等[2]基于Realiza-ble k-ε兩方程湍流模型建立引水隧洞施工通風(fēng)三維非穩(wěn)態(tài)混合LES/RANS模型，并結(jié)合某引水隧洞施工通風(fēng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，借助現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；朱忠榮，李新哲,等[3]為了解決傳統(tǒng)方法不能準(zhǔn)確模擬隧洞中風(fēng)流方向和溫度分布的問(wèn)題，提出一種引水工程深埋長(zhǎng)隧洞施工中通風(fēng)特性數(shù)值模擬方法；康小兵，丁睿，等[4]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件(簡(jiǎn)稱CFD軟件)對(duì)紫坪鋪高瓦斯隧道施工通風(fēng)處理效果進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬方法與實(shí)際情況相符；基于計(jì)算流體力學(xué)理論，王軍周[5]采用k-ε紊流模型，運(yùn)用ANSYS Fluent軟件對(duì)卡魯瑪水電站尾水隧洞10號(hào)支洞施工通風(fēng)布置方案進(jìn)行了三維非穩(wěn)態(tài)模擬，驗(yàn)證了ANSYS Fluent軟件用于隧洞通風(fēng)模擬的可行性。

基于以上研究成果，本文提出一種隧道施工通風(fēng)特性數(shù)值模擬與分析方法。首先，計(jì)算滿足要求條件的通風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)壓，然后，在滿足隧道施工通風(fēng)作業(yè)環(huán)境衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的條件下，對(duì)青島地鐵8號(hào)線海域段進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證通風(fēng)效果。

1 隧道施工通風(fēng)作業(yè)環(huán)境及衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

隧道施工環(huán)境影響因素必須滿足鐵路隧道施工規(guī)范（TB10204—2002），在隧道施工中，作業(yè)環(huán)境應(yīng)符合下列衛(wèi)生及安全標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）。

表1 施工通風(fēng)控制標(biāo)準(zhǔn)（TB10204—2002）

2 施工通風(fēng)方式

2.1 風(fēng)管式通風(fēng)

選擇通風(fēng)方式的基本原則：在現(xiàn)場(chǎng)施工中，由于有害物質(zhì)的發(fā)生多種多樣，而且隧道內(nèi)的作業(yè)地點(diǎn)（如上半斷面、下半斷面、檢底鋪底、鋪設(shè)防水板、二次襯砌作業(yè)等）也很多，編制通風(fēng)計(jì)劃時(shí)要考慮的環(huán)境因素也越加復(fù)雜，因此，應(yīng)根據(jù)隧道規(guī)模（斷面積、長(zhǎng)度等）、施工方法、施工條件等，來(lái)選擇最合適的通風(fēng)方式，可有效、經(jīng)濟(jì)地利用風(fēng)管等通風(fēng)設(shè)備。

2.2 巷道式通風(fēng)

巷道式通風(fēng)指在施工中，隧道本身能形成通風(fēng)回路，可代替風(fēng)管進(jìn)行有效通風(fēng)。巷道式通風(fēng)又分為集中式和串聯(lián)式(或分散式)通風(fēng)，通過(guò)通風(fēng)風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)及其位置、風(fēng)管的連接方法來(lái)區(qū)分。巷道式通風(fēng)是通過(guò)由互相配合的多個(gè)主風(fēng)流和局部風(fēng)流的系統(tǒng)而達(dá)到通風(fēng)目的。其中主風(fēng)流由隧道本身(包括成洞、導(dǎo)坑、及擴(kuò)大地段)或輔助坑道(如平行導(dǎo)坑)組成。巷道式通風(fēng)一般適用于3000m以上隧道。且巷道式通風(fēng)施工時(shí)間長(zhǎng)，投資大。風(fēng)管通風(fēng)法和巷道通風(fēng)法的比較見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)管通風(fēng)和巷道通風(fēng)的比較

3 隧道施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)的主要研究方向：（1）隧道施工通風(fēng)既要根據(jù)風(fēng)壓計(jì)算、風(fēng)機(jī)選型、漏風(fēng)率計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)通風(fēng)線路、通風(fēng)需風(fēng)量、通風(fēng)時(shí)間等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，又要根據(jù)流體力學(xué)原理對(duì)通風(fēng)流動(dòng)特性進(jìn)行深入研究，使通風(fēng)效果得到科學(xué)的把控。（2）基于隧道通風(fēng)影響因素對(duì)隧道施工通風(fēng)進(jìn)行模擬，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題展開(kāi)研究。對(duì)通風(fēng)模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際效果進(jìn)行分析比較，驗(yàn)證模擬并反饋模擬結(jié)果到施工通風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)。（3）隧道施工通風(fēng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此，不同施工方法和施工進(jìn)度下通風(fēng)方式也應(yīng)該隨之調(diào)整，使通風(fēng)方案與整個(gè)隧道掘進(jìn)施工過(guò)程緊密聯(lián)系，提供合理的通風(fēng)環(huán)境。（4）隧道施工通風(fēng)應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)通風(fēng)方案進(jìn)行宏觀把控，合理優(yōu)化，保障洞內(nèi)施工人員的健康、安全，機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行，保證施工進(jìn)度，減少施工成本，通過(guò)科學(xué)的方法保證通風(fēng)方案的合理性、經(jīng)濟(jì)性。

隧道施工通風(fēng)面臨著掘進(jìn)開(kāi)挖面不斷推進(jìn)，不同開(kāi)挖進(jìn)度的施工通風(fēng)需風(fēng)量以及通風(fēng)強(qiáng)度有較大的區(qū)別，比如隨著時(shí)間的推移，斜井、豎井、聯(lián)絡(luò)通道的逐步貫通和利用，將改善隧道施工通風(fēng)路線和通風(fēng)方式，提高施工通風(fēng)的效果。因此，在隧道掘進(jìn)整個(gè)過(guò)程中，施工通風(fēng)的條件和通風(fēng)要求是動(dòng)態(tài)變化的，不同的施工進(jìn)度，其通風(fēng)方案也有所不同，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，制定不同的通風(fēng)方案。

在施工通風(fēng)階段，平行導(dǎo)坑掘進(jìn)完畢，可作為新風(fēng)的主要流通巷道，污染空氣經(jīng)左右線由斜井排出洞外。為了加快施工進(jìn)度，增加開(kāi)挖面時(shí)，可利用橫通道輔助通風(fēng)，布設(shè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置通風(fēng)回路，增加射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行引流并加強(qiáng)洞內(nèi)風(fēng)速，加快洞內(nèi)污染空氣的擴(kuò)散和流出。新鮮空氣由豎井處取風(fēng)，由軸流風(fēng)管投送至工作區(qū)域，保證洞內(nèi)良好的施工環(huán)境，見(jiàn)圖1。

圖1 施工通風(fēng)方案示意圖（第二階段）

4 通風(fēng)數(shù)值模擬及分析

4.1 幾何網(wǎng)格（見(jiàn)圖2）

圖2 CFD模型網(wǎng)格

4.2 模型計(jì)算參數(shù)

模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3所示。

表3 模型參數(shù)及邊界條件

4.3 Fluent 軟件模擬結(jié)果及分析

采用巷道式通風(fēng)，利用平導(dǎo)作為新鮮空氣流入，左右線為主要的污染空氣排出風(fēng)道，在局部增設(shè)射流風(fēng)機(jī)，管道出風(fēng)口速度設(shè)為10m/s，計(jì)算結(jié)果顯示其通風(fēng)效果基本上滿足要求。在掌子面附近區(qū)域風(fēng)速較小，表明此處空氣流通較慢，這對(duì)施工作業(yè)是不利的；左線空氣速度較大，而右線空氣速度較小?？赏茰y(cè)左線離斜井距離較短，且線路形式簡(jiǎn)單，線路交叉點(diǎn)較少，在射流風(fēng)機(jī)局部增壓驅(qū)動(dòng)下，且未受到障礙物阻擾的情況下，左線空氣流通較快，有利于污染空氣的迅速排出。因此，可采取減小風(fēng)管出風(fēng)口到掌子面距離來(lái)加強(qiáng)掌子面附近空氣流動(dòng)；近豎井巷道的空氣流通最快，可推測(cè)此處空氣來(lái)源充足，風(fēng)流量較大。

第二階段模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 第二階段模擬計(jì)算結(jié)果（通風(fēng)15min）

5 結(jié)束語(yǔ)

為了滿足隧道施工通風(fēng)作業(yè)環(huán)境衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)青島地鐵8號(hào)線進(jìn)行通風(fēng)方案設(shè)計(jì)，根據(jù)施工進(jìn)度將通風(fēng)方案分為兩個(gè)階段，分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算及通風(fēng)效果分析。

（1）第一階段通風(fēng)計(jì)算結(jié)果表明，在管道出風(fēng)口速度為10m/s時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯示，其通風(fēng)效果基本上滿足要求，但在掌子面附近區(qū)域風(fēng)速較小，表明此處空氣流通較慢，這對(duì)施工作業(yè)是不利的。因此，可采取減小風(fēng)管出風(fēng)口到掌子面距離來(lái)加強(qiáng)掌子面附近空氣流動(dòng)；回流速度仍然緩慢，部分區(qū)域空氣不流動(dòng)?？刹扇≡黾由淞黠L(fēng)機(jī)通過(guò)局部風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)流“死區(qū)”（風(fēng)流速度為0m/s），改善局部通風(fēng)效果。

（2）第二階段通風(fēng)計(jì)算結(jié)果表明，采用巷道式通風(fēng)，利用平導(dǎo)作為新鮮空氣流入，左右線為主要的污染空氣排出風(fēng)道，在局部增設(shè)射流風(fēng)機(jī)，管道出風(fēng)口速度設(shè)為10m/s，計(jì)算結(jié)果顯示其通風(fēng)效果基本上滿足要求。在掌子面附近區(qū)域風(fēng)速較小，表明此處空氣流通較慢，這對(duì)施工作業(yè)是不利的；左線空氣速度較大，而右線空氣速度較小?？赏茰y(cè)左線離斜井距離較短，且線路形式簡(jiǎn)單，線路交叉點(diǎn)較少，在射流風(fēng)機(jī)局部增壓驅(qū)動(dòng)下，且未受到障礙物阻擾的情況下，左線空氣流通較快，有利于污染空氣的迅速排出。因此，可采取減小風(fēng)管出風(fēng)口到掌子面距離來(lái)加強(qiáng)掌子面附近空氣流動(dòng)。近豎井巷道的空氣流通最快，可推測(cè)此處空氣來(lái)源充足，風(fēng)流量較大。