鐘宜宏, 王林峰*, 李鳴, 冉楗, 張繼旭, 夏萬(wàn)春

(1.重慶交通大學(xué)山區(qū)公路水運(yùn)交通地質(zhì)減災(zāi)重慶市高校市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400074;2.中交路橋建設(shè)有限公司, 北京 101100)

近年來(lái)隨著現(xiàn)代隧道技術(shù)的發(fā)展,近期隧道建設(shè)工程伴隨著“長(zhǎng)大深”等難點(diǎn),傳統(tǒng)的通風(fēng)技術(shù)面臨著諸多挑戰(zhàn)[1-4]。隧道建設(shè)過(guò)程中,爆破、噴混凝土、排渣等工序會(huì)產(chǎn)生大量粉塵,爆破還會(huì)產(chǎn)生CO等大量有毒氣體,嚴(yán)重威脅著施工人員的健康。

為了減小煙塵對(duì)于隧道作業(yè)區(qū)人員的危害,中外學(xué)者對(duì)減少煙塵帶來(lái)的危害展開(kāi)了研究[5-10]。Yang等[11]研究了煤塵的擴(kuò)散范圍以及污染區(qū)的形成時(shí)間,并提出了一種新型濕式降塵技術(shù)有效減少了施工環(huán)境中的煤塵濃度;趙樹(shù)磊等[12]對(duì)米拉山隧道中粉塵、CO的擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究,并提出了CO和粉塵隨時(shí)間變化的關(guān)系式。薛永慶[13]通過(guò)Fluent數(shù)值模擬軟件與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合,研究了敞開(kāi)式引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞內(nèi)隧道掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine,TBM)粉塵的濃度變化規(guī)律,并對(duì)風(fēng)管布置進(jìn)行了優(yōu)化,有效提高了除塵效率;曹正卯等[14]通過(guò)研究阿朗山高海拔隧道確定了不同海拔高度下粉塵濃度的變化情況,并提出了不同高度下粉塵濃度的海拔修正系數(shù)計(jì)算公式;Huang等[15]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)三維數(shù)值模擬軟件研究了高原礦山開(kāi)挖爆破后CO不同工況下的時(shí)空演化特征,并利用灰色關(guān)聯(lián)法分析得出通風(fēng)管直徑是影響CO分布的主要因素;Liu等[16]研究了不同風(fēng)幕抽壓比對(duì)除塵效果的影響,研究得出抽壓比為1.2時(shí)風(fēng)幕的除塵效果最好。

綜上,目前中外學(xué)者在施工除塵技術(shù)方面和除塵凈化器方面開(kāi)展了大量研究,通過(guò)以上手段大量減少了煙塵在隧道環(huán)境中的擴(kuò)散,但由于除塵凈化器位置的固定其作用范圍也受到一定約束,因此仍需要一種能夠根據(jù)煙塵聚集位置進(jìn)行抽排的可移動(dòng)式通風(fēng)排煙系統(tǒng)。因此,本文研究提出一種可跟隨式有害氣體抽排系統(tǒng)與抽排方法,旨在針對(duì)隧道中粉塵及有害氣體大量聚集的位置進(jìn)行抽排并加速煙塵排出,通過(guò)CFD數(shù)值模擬軟件驗(yàn)證裝置抽排效果,研究結(jié)果可為改善隧道環(huán)境提供一種新型通風(fēng)裝置及研究思路。

1 依托工程概況

雞鳴隧道屬于重慶城口(陜渝界)至開(kāi)州高速公路第KSCJ2合同段B1段,雞鳴隧道左洞起訖樁號(hào)ZK59+707～ZK67+142.2,長(zhǎng)7 435.2 m,右洞起訖里程K59+698～K67+150,長(zhǎng)7 452 m,雞鳴隧道屬于特長(zhǎng)隧道。雞鳴隧道各級(jí)圍巖長(zhǎng)度及所占比例如表1所示。

本次模擬采用隧道掘進(jìn)至III級(jí)圍巖階段,該階段下隧道穿越志留系紗帽組(S2s)地層,主要為薄-中厚層狀砂巖夾薄層頁(yè)巖。爆破方式采用全斷面爆破,每循環(huán)進(jìn)尺1.2 m,掌子面爆破會(huì)產(chǎn)生大量粉塵及CO。通風(fēng)方式采取壓入式通風(fēng),隧道內(nèi)通風(fēng)情況、現(xiàn)場(chǎng)施工及通風(fēng)示意圖如圖1所示。根據(jù)雞鳴隧道的地質(zhì)情況及現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)需求,采用如下通風(fēng)方案。

表1 隧道各級(jí)圍巖長(zhǎng)度及圍巖所占比例

圖1 雞鳴隧道通風(fēng)情況Fig.1 Ventilation condition of Jiming Tunnel

(1)軸流風(fēng)機(jī)型號(hào)選用SDDY-1N014A/2×185 KW,最高轉(zhuǎn)速下可達(dá)1 450 r/min,全速風(fēng)量為3 133～4 166 m3/min,風(fēng)壓5 300～7 000 Pa。

(2)風(fēng)管選用Φ2 000 mm軟質(zhì)風(fēng)管雙抗(抗燃燒、抗靜電)風(fēng)管,百米漏風(fēng)率保持在3%以下,為避免污風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)裝設(shè)在洞外30 m以外。

(3)考慮雞鳴隧道屬于高瓦斯隧道,應(yīng)將隧道掌子面及工人作業(yè)范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛认♂尩?.5%以內(nèi),同時(shí)洞口配備同等性能的備用風(fēng)機(jī),保證作業(yè)時(shí)間內(nèi)通風(fēng)不間斷。

2 可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置

以往傳統(tǒng)的隧道“隔塵、組塵”系統(tǒng)往往是固定在隧道空間內(nèi)某個(gè)位置,具有不可移動(dòng)的局限性,對(duì)于隧道空間內(nèi)有害氣體的集聚并不能起到有效的作用,這也給施工人員的安全帶來(lái)了隱患。本文提出的可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置[17]具有可跟隨性、可調(diào)控性,能夠根據(jù)有害氣體傳感反饋積聚位置進(jìn)行針對(duì)性抽排?？筛S式隧道有害氣體抽排系統(tǒng)整體由抽出式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和移動(dòng)式鋼架系統(tǒng)組成。抽出式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)包括可調(diào)控抽出式風(fēng)筒、抽出式風(fēng)機(jī)、氣體儲(chǔ)集箱以及抽排系統(tǒng);移動(dòng)式鋼架系統(tǒng)包括可移動(dòng)式鋼架、支撐滑輪、防爆電機(jī)。該裝置整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

該裝置整體采用拼接滑軌,能夠根據(jù)不同隧道大小進(jìn)行高度與寬度調(diào)節(jié),以雞鳴隧道為例,該裝置應(yīng)用到雞鳴隧道中尺寸為11 m×8 m,通過(guò)縮短拼接滑軌能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)裝置的整體寬高至8 m×5 m,使裝置通過(guò)隧道內(nèi)襯砌臺(tái)車等固定設(shè)備。底部滑輪也能使裝置根據(jù)隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟隨,抽出式風(fēng)管采用軟質(zhì)材料,便于靈活調(diào)節(jié),并且風(fēng)管內(nèi)固定有數(shù)字信號(hào)活動(dòng)桿,能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)到的有害氣體積聚位置進(jìn)行針對(duì)性抽排。有害氣體抽排進(jìn)入氣體儲(chǔ)集箱內(nèi),儲(chǔ)集箱內(nèi)傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量出氣體的濃度,便于管理人員針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行施工進(jìn)程調(diào)節(jié),能夠有效提高施工安全性,進(jìn)而提高施工效率。

圖2 可跟隨式有害氣體抽排裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of portable harmful gas exhaust device

3 計(jì)算模型

3.1 基本假設(shè)條件

針對(duì)雞鳴隧道內(nèi)煙塵的運(yùn)移及排出過(guò)程做出以下假設(shè)條件[18]:①不考慮隧道內(nèi)部人員及器械運(yùn)作產(chǎn)生的熱量,壁面粗糙度采用同一固定值;②隧道內(nèi)的有害氣體只考慮CO,并且CO在計(jì)算出的理論拋擲距離內(nèi)均勻分布;③壓入式通風(fēng)條件下的隧道空間內(nèi)氣流視為三維黏性不可壓縮氣流。

3.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)隧道內(nèi)煙塵的運(yùn)動(dòng)符合氣-固兩相流理論,遵循質(zhì)量守恒定律和牛頓第二方程,鑒于隧道內(nèi)的氣體流動(dòng)屬于紊流,湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程,開(kāi)啟組分傳遞模型。粉塵的運(yùn)動(dòng)則按照離散相模型進(jìn)行拉格朗日軌跡計(jì)算,其中包括了與連續(xù)相的耦合。相關(guān)方程[19-20]如下。

(1)連續(xù)性方程為

(1)

(2)動(dòng)量守恒方程為

(2)

(3)質(zhì)量守恒方程為

(3)

式(3)中:μx、μy、μz為x、y、z方向上的速度分量,m/s;ρ為密度,kg/m3;t為時(shí)間,s。

3.3 物理模型

以雞鳴隧道左洞掘進(jìn)至III級(jí)圍巖階段作為研究對(duì)象,模型長(zhǎng)度選取100 m,壓入式風(fēng)筒出口距掌子面15 m,離地面高度4.8 m,可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置距掌子面30 m,抽出式風(fēng)管根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置在遠(yuǎn)離壓入式風(fēng)筒的一側(cè),風(fēng)筒直徑均為2 m,隧道斷面面積87 m2,根據(jù)工人臺(tái)車施工作業(yè)位置設(shè)置了5條測(cè)線來(lái)監(jiān)控?zé)焿m的變化,如圖3所示。

圖3 隧道模型及測(cè)線布置圖Fig.3 Tunnel model and survey line layout

利用Solidworks軟件建成隧道三維模型將其導(dǎo)入ANSYS ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(Tetra/Mixed),并對(duì)通風(fēng)裝置進(jìn)行局部性加密,為提高模擬精度,模型中未考慮臺(tái)車及風(fēng)筒固定設(shè)施。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 隧道模型網(wǎng)格劃分Fig.4 Tunnel model meshing

3.4 邊界條件及工況設(shè)置

隧道中煙塵濃度值與爆破開(kāi)挖炸藥量成正相關(guān)[21],根據(jù)隧道實(shí)際情況,炮煙拋擲長(zhǎng)度及CO初始濃度的計(jì)算公式為

(4)

(5)

式中:b為煙塵拋擲長(zhǎng)度,m;G為總裝藥量,kg,根據(jù)《雞鳴隧道鉆爆施工方案》取184.6 kg;C0為CO初始濃度,mg/m3;γ為有毒氣體容重,N/m3,取值1.165 N/m3;b1為每千克炸藥產(chǎn)生的有毒氣體體積,m3/kg,取值0.04;A為隧道斷面面積,m2,A=87 m2,根據(jù)計(jì)算得出炮煙拋擲長(zhǎng)度為52 m,CO初始濃度為1 901 mg/m3。根據(jù)相關(guān)資料,每噸炸藥將產(chǎn)生54.2 kg粉塵,粉塵的質(zhì)量流率計(jì)算公式為

S=cvA

(6)

式(6)中:S為粉塵的質(zhì)量流率,kg/s;c為塵源處的粉塵濃度,kg/m3;v為隧道內(nèi)的風(fēng)速,m/s;A為隧道斷面面積,m2。按式(6)計(jì)算得出,粉塵的初始質(zhì)量流率為2.07 kg/s。

具體邊界條件設(shè)置如表2和表3所示。

表2 隧道邊界條件設(shè)置

表3 離散相參數(shù)設(shè)置

本次模擬共設(shè)置了兩組工況,其中一組為常規(guī)壓入式通風(fēng)條件下,另一組為壓入式通風(fēng)條件組合可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置。通過(guò)對(duì)比兩種工況煙塵的運(yùn)移情況,從而驗(yàn)證可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置的效果。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用CFD進(jìn)行通風(fēng)數(shù)值模擬時(shí),網(wǎng)格數(shù)量直接影響著網(wǎng)格質(zhì)量,而網(wǎng)格質(zhì)量直接影響了模擬結(jié)果的精度和效率,因而需要選擇合適的網(wǎng)格數(shù)量并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。利用網(wǎng)格劃分軟件ICEM(integrated computational engineering and manufacturing,ICEM)將模型劃分為3個(gè)不同質(zhì)量的網(wǎng)格,包括粗網(wǎng)格(773 536個(gè)單元)、細(xì)網(wǎng)格(1 352 993個(gè)單元)、中網(wǎng)格(1 096 930個(gè)單元)。選擇XY面上(0,0)坐標(biāo)點(diǎn)從掌子面至隧道出口上的風(fēng)速作為無(wú)關(guān)性驗(yàn)證的參數(shù),其驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.5 The independence verification of grid

從圖5可以看出,三種網(wǎng)格質(zhì)量的風(fēng)速十分接近,這表明本次模擬的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性得到驗(yàn)證,為了節(jié)約計(jì)算資源和提高計(jì)算效率,本次模擬選取單位網(wǎng)格為四面體的網(wǎng)格數(shù)量適中的網(wǎng)格,其網(wǎng)格質(zhì)量最高為0.99,最低為0.36,網(wǎng)格質(zhì)量大于0.45占比86.279%。

4.2 壓入式通風(fēng)條件下煙塵運(yùn)移規(guī)律

風(fēng)流從風(fēng)筒進(jìn)入隧道后具有很強(qiáng)的貼壁性,受限于掌子面的阻擋在掌子面附近流場(chǎng)內(nèi)形成回流,從圖6可見(jiàn),在靠近掌子面區(qū)域出風(fēng)口處的風(fēng)流大小明顯大于另一側(cè)回流風(fēng)流大小。距掌子面距離超過(guò)風(fēng)筒出風(fēng)口后5 m,遠(yuǎn)離風(fēng)筒側(cè)的風(fēng)速值大于靠近風(fēng)筒側(cè)的風(fēng)速值,風(fēng)速最大值可達(dá)7.88 m/s;遠(yuǎn)離掌子面40 m后風(fēng)速最大值逐漸往隧道頂部偏移,風(fēng)速最大值為4.32 m/s;距離掌子面超過(guò)60 m后風(fēng)速最大值處于風(fēng)筒側(cè)壁,最大值為3.28 m/s。風(fēng)速最大值的偏移說(shuō)明隧道內(nèi)的風(fēng)流流場(chǎng)是極其紊亂的。

圖6 XY面間隔20 m隧道風(fēng)流流場(chǎng)云圖Fig.6 Cloud picture of tunnel airflow field at 20 m intervals on XYsurface

風(fēng)筒出風(fēng)口處20 m范圍內(nèi)的風(fēng)流矢量圖如圖7所示,從圖7可以看出風(fēng)流自風(fēng)筒射出后到達(dá)掌子面的流速最大可達(dá)11.13 m/s,并且距離掌子面越遠(yuǎn)風(fēng)速值大小急劇下降,直至趨于穩(wěn)定。由于隧道壁面的限制以及射流與回流的相互作用,極易在隧道掌子面與出風(fēng)口之間形成阻礙粉塵和CO的排出的渦流,渦流在隧道中的分布如圖8所示。如圖8所示,渦流區(qū)中心位于掌子面前5 m附近,根據(jù)不同位置處風(fēng)速大小及風(fēng)流矢量紊亂程度將隧道平面劃分為3個(gè)區(qū)域[22],根據(jù)圖6和圖7所示的速度流場(chǎng)及風(fēng)流矢量將本隧道內(nèi)流場(chǎng)劃分為渦流區(qū)(掌子面前25 m內(nèi))、渦流影響區(qū)(掌子面前25～70 m)、穩(wěn)定區(qū)(掌子面前70～100 m)。

圖7 出風(fēng)口處風(fēng)流矢量圖Fig.7 Flow vector diagram at the outlet

圖8 Y=0平面風(fēng)流矢量圖Fig.8 Plane air flow vector graph of Y=0

粉塵在隧道內(nèi)部的運(yùn)移主要是受風(fēng)流影響,為了便于分析,本文研究選取了距離掌子面5 m的XY面上的5個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)如圖9所示,各個(gè)測(cè)點(diǎn)在距掌子面5 m的XY面上的坐標(biāo)分別為:測(cè)點(diǎn)1(-5,0)、測(cè)點(diǎn)2(-3,4)、測(cè)點(diǎn)3(0,5)、測(cè)點(diǎn)4(3,4)、測(cè)點(diǎn)5(5,0)。

圖9 壓入式通風(fēng)下測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.9 Layout of measuring points under pressure ventilation

《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660—2020)要求工作場(chǎng)所空氣中總粉塵濃度低于8 mg/m3,各測(cè)點(diǎn)處粉塵濃度變化如圖10所示。從圖10可以看出,爆破后0～20 s粉塵濃度達(dá)到最高。隨著通風(fēng)持續(xù)進(jìn)行,風(fēng)流攜帶粉塵流出隧道洞口,通風(fēng)60 s后掌子面前的粉塵逐步被稀釋至0。

圖10 各測(cè)點(diǎn)處粉塵濃度變化圖Fig.10 Change of dust concentration at each measuring point

測(cè)點(diǎn)4由于渦流的卷吸作用以及粉塵碰撞壁面反彈,粉塵顆粒在通風(fēng)10 s時(shí)刻運(yùn)動(dòng)回靠近風(fēng)筒側(cè),同時(shí)在通風(fēng)過(guò)程中粉塵濃度達(dá)到最高值855 mg/m3;測(cè)點(diǎn)1則因?yàn)樘幱谶h(yuǎn)離風(fēng)筒出風(fēng)口處的貼近隧道壁面位置,其粉塵濃度峰值低于各測(cè)點(diǎn),粉塵濃度峰值為350 mg/m3;各測(cè)點(diǎn)上粉塵濃度在通風(fēng)50 s后就低于規(guī)范要求粉塵濃度。

由于測(cè)點(diǎn)4處粉塵峰值濃度最高,選取測(cè)點(diǎn)4研究其沿隧道長(zhǎng)度的粉塵濃度變化,如圖11所示。從圖11中可見(jiàn)測(cè)點(diǎn)4上粉塵在隧道空間中的空間運(yùn)移情況,通風(fēng)10 s時(shí)粉塵主要聚集在掌子面附近,粉塵濃度在距離掌子面18 m時(shí)達(dá)到峰值2 160 mg/m3。粉塵的排出主要受到隧道空間內(nèi)回流的作用,在通風(fēng)120 s后粉塵基本排出隧道空間。

圖11 測(cè)點(diǎn)4粉塵濃度變化圖Fig.11 Change of dust concentration on survey line 4

圖12為隧道Y=0平面上CO濃度隨時(shí)間的變化情況,從圖12中可以看出,爆破后炮煙拋擲區(qū)范圍內(nèi)完全充滿CO,之后跟隨風(fēng)流逐步排出隧道;在通風(fēng)初期CO整體在平面上分布較為規(guī)律,呈中間濃度高兩端濃度低的梯度狀。通風(fēng)60 s后,掌子面40 m范圍內(nèi)的CO濃度分布開(kāi)始紊亂,高濃度的CO主要聚集在洞口附近。在通風(fēng)120 s左右,掌子面50 m范圍內(nèi)的CO濃度已趨近于0,洞口處仍有高濃度CO聚集,大約通風(fēng)600 s后隧道空間內(nèi)的CO已全部排出。選取測(cè)線1通風(fēng)5 min內(nèi)的CO濃度變化進(jìn)行分析,如圖13所示。

圖12 Y=0平面CO濃度云圖Fig.12 Cloud image of CO concentration in Y=0 plane

圖13 測(cè)點(diǎn)1 CO濃度變化圖Fig.13 Change diagram of CO concentration on survey line 1

由圖13可知,測(cè)點(diǎn)1上CO濃度在爆破后瞬間達(dá)到峰值濃度1 901 mg/m3,通風(fēng)10 s后掌子面30 m內(nèi)的CO濃度逐漸被稀釋排出,通風(fēng)300 s后CO濃度降低至規(guī)范允許濃度30 mg/m3以下。從通風(fēng)10 s時(shí)可以看出,此時(shí)CO的濃度呈左高右低的臺(tái)階狀分布,中間的CO濃度高于兩側(cè)濃度,最高CO峰值濃度達(dá)1 900 mg/m3。通風(fēng)60 s時(shí)整個(gè)隧道空間內(nèi)的CO分布比較均勻,平均CO濃度為696 mg/m3。通風(fēng)150 s后,掌子面40 m內(nèi)的CO濃度已降低至安全濃度,但洞口附近的CO濃度仍大于200 mg/m3。通風(fēng)超過(guò)5 min后整條測(cè)線上的CO濃度均達(dá)到安全濃度范圍。

4.3 加入有害氣體抽排裝置煙塵運(yùn)移規(guī)律

可跟隨式有害氣體抽排裝置加入隧道后與原有壓入式通風(fēng)條件形成混合通風(fēng)條件,其流場(chǎng)內(nèi)風(fēng)流跡線及風(fēng)流矢量圖如圖14所示。

圖14 掌子面附近風(fēng)流跡線圖及矢量圖Fig.14 Wind flow diagram and vector diagram near the palm surface

由圖14(a)可以看出,風(fēng)筒出風(fēng)口到掌子面范圍內(nèi)風(fēng)流極其紊亂,風(fēng)流從出風(fēng)口射出撞擊到掌子面,隨后部分風(fēng)流隨抽排裝置抽排進(jìn)入抽排管內(nèi)。從圖14(b)可以看出,壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口處產(chǎn)生的射流風(fēng)速值最大可達(dá)25 m/s,射流碰撞到掌子面產(chǎn)生的回流速度已急劇減小,隨后部分風(fēng)流被抽出式風(fēng)筒吸入抽排管內(nèi)。

圖15 Y=0平面隧道風(fēng)流矢量圖Fig.15 Y=0 plane tunnel airflow vector diagram

選取Y=0平面查看其上風(fēng)流矢量圖如圖15所示,從Y=0平面風(fēng)流矢量圖可以看出,加入可跟隨式有害氣體抽排裝置后,隧道空間內(nèi)渦流數(shù)量明顯增多,y=0平面上的3個(gè)渦流中心分別位于掌子面前6、17、32 m處,渦流數(shù)量的增多一定程度上會(huì)增加隧道空間內(nèi)流場(chǎng)的紊亂程度。在沿隧道長(zhǎng)度方向上,回流經(jīng)過(guò)裝置后的風(fēng)流紊亂程度大幅降低,同圖8相比加入裝置后的回流平均速度更小。

選取壓入式通風(fēng)條件下同樣位置處的5個(gè)測(cè)點(diǎn)分析其粉塵濃度的變化規(guī)律,測(cè)點(diǎn)位置如圖16所示,各測(cè)點(diǎn)處粉塵濃度變化如圖17所示。從圖17可以看出,可跟隨式有害氣體抽排裝置的加入使得掌子面附近的流場(chǎng)更加紊亂,粉塵濃度的變化起伏程度大,粉塵的排出至安全濃度以下的所需的時(shí)間有一定程度的增加。但由于裝置的抽排作用,粉塵濃度最高的測(cè)點(diǎn)1上通風(fēng)10 s時(shí)的峰值濃度為235 mg/m3,僅為壓入式通風(fēng)條件下粉塵峰值濃度的27.48%,同時(shí)測(cè)點(diǎn)5處通風(fēng)10 s時(shí)可達(dá)到的峰值濃度最低,這是因?yàn)榛亓鞯膾稁ё饔眉由涎b置的抽排加速了粉塵的排出過(guò)程,說(shuō)明該裝置能夠迅速降低掌子面附近的粉塵濃度,并且通風(fēng)110 s左右就能使粉塵濃度降低至規(guī)范允許的安全濃度范圍以下。

圖16 加入裝置后測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.16 Layout of measuring point after adding device

選取分別加入可跟隨式有害氣體抽排裝置前后,在X=0平面上的粉塵濃度沿隧道長(zhǎng)度的變化情況進(jìn)行分析,粉塵濃度變化情況如圖18所示。對(duì)比通風(fēng)時(shí)間t=2 s和t=5 s可以看出,加入可跟隨式有害氣體抽排裝置后同一時(shí)間上粉塵在隧道中的擴(kuò)散速度更快,且粉塵濃度下降速度更快。比較通風(fēng)時(shí)間t=30 s和t=60 s可以看出,同一時(shí)間點(diǎn)上加入裝置后粉塵沿隧道分布比較分散,沒(méi)有出現(xiàn)壓入式通風(fēng)條件下的粉塵大面積聚集現(xiàn)象,并且由于裝置的抽排作用,大量粉塵不會(huì)全程擴(kuò)散到隧道空間環(huán)境,而是經(jīng)由可跟隨式抽排裝置的抽排管抽排出隧道環(huán)境,一定程度上緩解了短時(shí)間內(nèi)工人吸入大量粉塵的問(wèn)題,從而降低了工人患?jí)m肺病的概率。

圖17 各測(cè)點(diǎn)處粉塵濃度變化圖Fig.17 Change of dust concentration at each measuring point

圖19為加入裝置后隧道Y=0平面CO的濃度變化圖,從圖19可以看出,加入裝置后CO濃度同圖15相比變化趨勢(shì)一致,都是隨著通風(fēng)時(shí)間的增加CO濃度逐漸降低。但是同圖15比較,加入可跟隨式有害氣體抽排裝置后,相同時(shí)間點(diǎn)上CO濃度值更低。特別是對(duì)比通風(fēng)10、60、120 s等時(shí)間點(diǎn),加入抽排裝置后的CO濃度同壓入式通風(fēng)相比更低,達(dá)到安全濃度所需的時(shí)間也就越短,這說(shuō)明了可跟隨式有害氣體抽排裝置能夠加速排出隧道環(huán)境中的CO等有害氣體。

分別對(duì)比兩種通風(fēng)條件下測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)4在不同通風(fēng)時(shí)刻的CO濃度變化,結(jié)果如圖20所示。從圖20可以看出,同一空間相同時(shí)間點(diǎn)下距離掌子面60 m范圍內(nèi),隧道內(nèi)加入可跟隨式有害氣體抽排裝置后的CO濃度明顯低于壓入式方式。

從圖20可以看出,通風(fēng)剛進(jìn)行時(shí),在炮煙拋擲區(qū)范圍內(nèi)初始CO濃度比較高,裝置的抽排作用比較明顯,兩條測(cè)線上的CO濃度有170～450 mg/m3的降幅。通風(fēng)60 s后,兩測(cè)線上CO濃度差值起伏降低,風(fēng)流作用下掌子面附近的CO濃度略低于隧道洞口處CO濃度,兩測(cè)線上20 m附近處由于渦流影響CO濃度發(fā)生抖降;抽排裝置的加入對(duì)CO濃度有明顯的降低作用,同一位置處加入抽排裝置前后CO濃度最高降幅可達(dá)71.43%。測(cè)線4距掌子面15 m處于壓入式風(fēng)筒出口附近,因而粉塵濃度會(huì)出現(xiàn)靠近風(fēng)筒出風(fēng)口造成濃度驟降,隨著離出風(fēng)口距離的增加,各截面上的風(fēng)流速度趨于平均,引起粉塵濃度回升;通風(fēng)120 s時(shí),在掌子面60 m范圍內(nèi)由于加入裝置后橫斷面上的風(fēng)流流向改變,CO易積聚于隧道底部;但超過(guò)掌子面60 m以后風(fēng)流不受裝置抽排影響,風(fēng)流逐漸平穩(wěn),CO主要積聚于隧道頂部。故加入抽排裝置后在掌子面60 m范圍內(nèi),測(cè)點(diǎn)1上CO濃度低于未加入抽排裝置時(shí),測(cè)點(diǎn)4上CO濃度高于未加入抽排裝置時(shí);通風(fēng)600 s后,兩測(cè)線上加入裝置前后CO濃度均處于安全濃度范圍內(nèi)。

圖18 X=0平面粉塵濃度變化圖Fig.18 Change of dust concentration in X=0 plane

圖19 Y=0平面CO濃度云圖Fig.19 Cloud image of CO concentration in Y=0 plane

圖20 兩工況下兩測(cè)線不同時(shí)刻CO濃度變化圖Fig.20 Change of CO concentration in line 1 and 4 at different times under two working conditions

對(duì)各測(cè)點(diǎn)處加入裝置后的CO濃度變化進(jìn)行擬合如圖21所示,各測(cè)點(diǎn)處CO濃度伴隨通風(fēng)進(jìn)行濃度逐漸下降,下降趨勢(shì)滿足:

(7)

式(7)中:C為CO濃度,mg/m3;t為通風(fēng)時(shí)間,s。

CO濃度C隨時(shí)間t變化趨勢(shì)整體呈單指數(shù)函數(shù)變化,從圖21可以看出,在通風(fēng)時(shí)間200 s內(nèi)CO濃度下降幅度最大,超過(guò)200 s后降幅明顯變緩。通風(fēng)110～130 s,各測(cè)點(diǎn)處的CO濃度已降低至安全濃度范圍內(nèi),這相較于壓入式通風(fēng)條件下掌子面范圍內(nèi)達(dá)到安全濃度的時(shí)間更短。

5 結(jié)論

借助雞鳴隧道工程,利用數(shù)值模擬軟件Fluent建立隧道三維模型開(kāi)展可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置除塵、降塵有效性研究,得出如下結(jié)論。

(1)粉塵及CO的排出主要是受風(fēng)筒噴射出的射流碰撞掌子面形成的回流控制,隧道通風(fēng)過(guò)程中形成的渦流會(huì)阻礙粉塵及CO的排出過(guò)程,根據(jù)渦流影響區(qū)域?qū)⑺淼绖澐譃闇u流區(qū)(掌子面前25 m內(nèi))、渦流影響區(qū)(掌子面前25～70 m)、穩(wěn)定區(qū)(掌子面前70～100 m)。

(2)可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置會(huì)使隧道掌子面附近流場(chǎng)更加紊亂,隧道空間內(nèi)形成多個(gè)渦流,加大了粉塵在掌子面附近擴(kuò)散的紊亂程度,不會(huì)出現(xiàn)粉塵在隧道中大量聚集在空間中某一處的現(xiàn)象。

圖21 各測(cè)點(diǎn)處CO濃度變化擬合曲線圖Fig.21 Fitting curve of CO concentration change at each measuring point

(3)可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置能夠加速粉塵及CO的排出,特別是通風(fēng)60 s左右降低粉塵及CO濃度效果最明顯,并且加入裝置后CO在掌子面30 m范圍內(nèi)集中于靠近隧道底部擴(kuò)散。

(4)加入可跟隨式隧道有害氣體抽排裝置,在掌子面附近CO濃度變化趨勢(shì)呈現(xiàn)單指數(shù)函數(shù)變化,通風(fēng)200 s時(shí)間內(nèi),CO濃度下降幅度最大,隨通風(fēng)時(shí)間增加CO濃度下降逐漸減緩,通風(fēng)110～130 sCO濃度已降低至安全濃度范圍內(nèi)。

利用數(shù)值模擬軟件對(duì)可跟隨式有害氣體抽排裝置的應(yīng)用進(jìn)行模擬分析,由于篇幅有限,本次可跟隨式有害氣體抽排裝置可行性研究只考慮了一種工況,并未對(duì)該裝置風(fēng)筒不同傾斜角度及不同風(fēng)筒直徑等影響因素展開(kāi)詳細(xì)研究,后續(xù)會(huì)對(duì)該裝置的優(yōu)化及應(yīng)用場(chǎng)景展開(kāi)進(jìn)一步的研究。