双洞隧道独头掘进CO扩散效应模拟分析＊

李孜军，林晓光，李明，张王杰，饶宝文

(1．中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083;2．中铁二十局集团第二工程有限公司，北京100142)

国内外学者针对钻爆法施工过程中产生的CO和其他有害气体扩散效应开展了多方面的研究。王海桥等［1］研究了独头巷道有限空间受限贴附射流通风规律。Chow［2］利用CFD模拟了公路隧道CO扩散效应;刘钊春等［3－4］研究了隧道内有害气体浓度随时间的变化规律;王晓玲等［5］模拟了引水隧道独头掘进CO扩散和风流组织;以上这些研究都只针对于CO在单洞隧道内的扩散。张恒等［6］用Fluent定性描述了双洞隧道射流风机的布置对CO排出的影响。对于双洞隧道，每隔一定距离要设计人行横道或车行横道，以方便行人和车辆在穿越隧道途中转向和应急。在施工过程中，双洞隧道的某一掌子面爆破后，施工人员往往会加大通风功率，以尽快将炮烟排出，造成2个隧道之间通风功率不等，在这种情况下，隧道间会产生串通风流，CO随串通风流污染相邻隧道。本文用Fluent模拟了关虎冲公路隧道施工通风状态，定量描述双洞隧道爆破后CO扩散过程。后提出通风管理措施，防止CO污染相邻隧道。

1 工程概况和模型建立

关虎冲隧道位于湖南省怀化市辰溪县境内，为双洞单向四车道交通隧道，左线(隧道A)全长4 918 m，右线(隧道B)全长4 970 m。关虎冲隧道采用分别从两端上下行线独头掘进到分界里程的施工方案，其中怀化端最远独头掘进2 410 m。掌子面每爆破一次炸药用量为240 kg。怀化端掘进500 m时，双洞隧道打通了第1个人行横道，距离洞口280 m，在笛卡尔坐标系下对隧道建立三维模型，隧道结构和坐标如图1所示。隧道A(Tunnel A)和隧道B(Tunnel B)中心线距离为43 m，双洞隧道入口(Entrance)位于平面z=0上，掌子面(Heading)位于平面z=500上。隧道横截面面积为65 m2，隧道横截面结构如图2(a)所示，P1，P2和P3为模拟过程中CO质量分数监测点。人行横道(Crossing)长度为32 m，横截面结构如图2(b)所示，人行横道与2条隧道正交。该隧道采用柔性长管路压入式通风，选用半径为0．75 m的高强拉链式胶皮风管，悬挂高度为1．6 m，与隧道墙壁相切，如图2(a)所示。风管长度为470 m，风管末端是新鲜空气出口，即三维模型的速度入口，距离掌子面距离为30 m。该隧道选用了山西候马鑫丰康风机有限公司生产的SDF(C)－No13型轴流风机，每个洞口分别使用2台风机串联。该风机有高、中、低3个档位，隧道掘进500 m时，正常施工时风机开低档就能满足通风要求。当掌子面爆破之后，施工人员为了加快CO排出速度，将风机开高档。因此，该模型中正常施工时和掌子面爆破后，风机通风功率不同。

图1 三维隧道模型和坐标Fig．1 3D model and coordinate of tunnels

图2 隧道和人行横道断面图Fig．2 Sectional plan of tunnel and crossing

2 数学模型

2．1 基本假设［7］

(1)忽略流体黏性作用引起的耗散热;

(2)通风气流可视为三维黏性不可压缩流体;

(3)壁面绝热，恒温通风;

(4)初始时刻CO只分布在爆破面附近的爆破抛掷范围内，其余空间CO质量分数为0;

(5)忽略隧道内机动车、施工器械对流场的影响，忽略洞口自然风的影响。

2．2 物理模型

基于上面假设，掘进巷道采用基于Navier－Stokes方程的风流模型，并采用RNG k－ε湍流模型使方程组封闭。隧道内空气湍流流动与气体扩散用到的控制方程［8］有质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、浓度扩散方程、湍流动能k方程、湍流动能耗散率ε方程。

2．3 边界条件

(1)每个隧道均有1个风管，因此模型有2个速度入口。隧道A掌子面爆破后风机调至高档，现场实测风管出口速度为v1=28．83 m/s，方向与风管平行。隧道B正常施工，风机调至低档，实测得到v2=14．593 m/s，方向与风管平行。2个速度入口送入的都是新鲜空气，既CO质量分数为0。湍流动能紊流动能耗散率 εin=，其中 θin为常数，取 0．005;vin为速度入口风速;Cμ为试验常数，取0．09;R为风管半径，单位m。

(2)爆破发生在隧道A的掌子面，炮烟抛掷距离的经验公式为

式中:L抛为炮烟抛掷距离(m)，即掌子面爆破后CO瞬间弥漫的空间长度;爆破所用炸药质量G=240 kg。

(3)爆破瞬间产生的CO在炮烟抛掷范围内均匀分布。爆破后炮烟抛掷范围内CO质量分数(质量分数)为

式中:b为每千克炸药爆炸时产生的CO气体体积，取0．04 m3/kg;A为隧道横截面积，为65 m2;计算得出CO质量分数为 C=0．002 26，相当于2 712 mg/m3。

(4)出口边界条件［1］，隧道A和隧道B的施工入口就是三维数值模型的自由流出口，满足:

式中:u，v和w分别是出口速度在x，y和z方向上的分量;Pout为外部环境压强。

(5)隧道边壁和掌子面均为无滑动边界。采用标准壁函数法［9］。

2．4 求解方法

采用了Patankar［10］提出的有限体积法离散方程，对流项采用一阶迎风差分格式近似，SIMPLE算法求解。对图1所示隧道模型进行网格划分，共得到852 790个节点和806 015个单元。隧道网格划分如图3所示。

3 数值计算结果分析

依据《公路隧道施工技术规范》［11］，CO 最高容许质量浓度(以下简称TWA)为20 mg/m3，短时间接触容许质量浓度(以下简称STEL)为30 mg/m3。

图3 隧道的网格划分Fig．3 Grid plotting of tunnel

从三维隧道模型图(图1)的隧道A上截取6个面 z为 500，400，300，400，100 和 0，这 3 个面距掌子面的距离分别为 0，100，200，300，400 和 500 m，在这6个面上分别取3个点P1，P2和P3，3个点为位置如图2(a)所示。3个点距离地面距离为1．6 m，是人类的呼吸高度，存在于这个高度上的CO最容易被人吸收。以各个面上，这3个点CO质量分数平均值作为该面CO质量分数。从爆破发生时刻(既t=0 s)开始计时，通风过程中监测得到各个面CO质量分数随时间的变化特征如图4所示。与掌子面距离0 m处，CO质量分数随着通风时间迅速下降，其他5个面都经历了CO质量分数上升和下降2个阶段，距离隧道A掌子面距离越大，CO扩散到来的时间越晚。

图4 距隧道A掌子面不同距离CO质量分数变化曲线Fig．4 The variation curve of CO concentration in different distance with heading of tunnel A

从隧道三维模型图(图1)的人行横道上截取平面x为12，27和42。在Fluent求解过程中监测人行横道内CO质量分数变化，如图5所示，3个面的CO质量分数变化较一致。以平面x=12上CO质量分数变化为例。从图5可以看出:从t=230 s开始，其CO质量分数开始迅速增加，t=360 s时人行横道内CO质量分数达到最高，CO质量分数数为0．001 4，相当于 1 680 mg/m3，是 TWA 的 84倍和STEL的56倍。通风800 s后，平面x=12上的CO才逐渐降低到安全范围以内。因此，爆破作业之后人行横道内不能有人停留。

图5 人行横道内CO质量分数随时间的变化关系Fig．5 The variation curve of CO concentration with the ventilation time in crossing

在三维隧道模型(图1)中截取平面z=280，该面为人行横道的中间面。图6和图7所示分别反映了平面z=280通风t=400 s时CO浓度云图和流场速度矢量云图。从图6可以看出:隧道A内含有CO的气流通过人行横道向隧道B扩散，污染了隧道B内洁净空气。从图7可以看出:隧道A的流速高于隧道B的流速，通风功率不同，促使2条隧道间产生贯通风流，加重了CO对隧道B的污染。气流从隧道A进入人行横道后，由于人行横道断面较隧道断面小，形成狭管效应，流速略有上升。

图6 通风400 s时CO在平面z=280上的浓度云图Fig．6 CO concentration field in crossing at t=400 s

在三维隧道模型图(图1)中截取平面y=1．6，该平面离地1．6 m，是人的呼吸面，存在于这个平面上的CO最容易被人呼吸进入体内，所以，将此平面作为研究重点。图8所示为t=400 s时平面y=1．6上CO浓度云图。从图8可以看出:CO在隧道内呈团状分布，该图也进一步展示了隧道A内的CO会沿着人行横道向隧道B扩散。图9所示为人行横道和隧道B的交叉口处的流线图，来自人行横道的气流和B隧道的气流在此交汇，隧道B内原有流线受到挤压偏斜，2个气流产生了1个涡流区域。此时CO在隧道B内主要分布在z=230至z=280之间的区域。在隧道A中，CO已经离开爆破后初始分布区域，主要分布于z=180至z=440之间。气团核心区域CO质量分数最高，气团两边CO质量分数较低。

图7 通风400 s时平面z=280上的速度矢量云图Fig．7 Velocity magnitude field in crossing at t=400 s

图8 通风400 s时CO在平面y=1．6上的浓度云图Fig．8 CO concentration field in surface y=1．6 at t=400 s

图9 交叉口附近流线图Fig．9 Streamtraces around jounction at t=400 s

如图10所示，当t=500 s时，在平面y=1．6上CO在隧道B内主要分布于z=130至z=280之间的区域，相对于t=400 s时隧道B受污染的程度加重。隧道A内CO区域主要分布在z=70至z=370区域内。相对于t=400 s时，隧道A内CO气团向隧道外部移动，且分布区域变大，CO气团核心区域质量分数降低。说明CO在隧道A和隧道B内排出的过程中不断地被稀释。

图10 通风500 s时CO在平面y=1．6上的浓度云图Fig．10 CO concentration field in surface y=1．6 at t=500 s

在三维隧道模型图(图1)中，从隧道B上截取平面 z为 280，210，140，70 和 0，以每个平面上取 3个点P1，P2和P3，用这3个点CO质量分数平均值作为相应隧道断面的CO质量分数。在Fluent求解过程中，监测得到每个断面上CO质量分数随时间变化如图11所示。从图11可以看出:当t=200 s时，隧道B内平面z=280上CO质量分数迅速增加，其CO质量分数最高达到0．000 44，相当于528 mg/m3，是 TWA 的26．4倍和 STEL 的17．6倍;CO进入隧道B后，迅速由人行横道断面向隧道B的整个断面扩散，因此，其他4个面CO质量分数极大值比平面z=280的小。从图11可以看出:z为210，140，70和0这4个面CO质量分数极大值缓慢降低，这说明CO气团在隧道B内向隧道外移动的同时也在慢慢稀释。这4个面CO质量分数极大值介于0．000 16～0．000 19之间，相当于 192～228 mg/m3，是 TWA 的9．6～11．4倍和 STEL 的6．4～7．6倍;通风1 500 s后，隧道B内CO质量分数才能降低到安全允许范围之下。隧道B受重度污染时间长达1 250 s。

4 通风管理措施

为保证隧道B的正常施工和人员的健康安全，必须改进通风管理措施。首先可以采取主动防护策略，在人行横道中设置气流挡板，阻止2个隧道间形成串通气流;或者采取抽出式施工通风［8］，这样可以从根本上防止爆破后CO的扩散。爆破后通风排烟过程中，隧道A和隧道B应当保持相同的通风速度，如果为了加大排烟速度而调大了隧道A的通风功率，则隧道B也应当增加到相同的通风功率，既双洞等功率通风，这样可以防止隧道A内的CO随串通风流进入隧道B。在隧道三维模型图(图1)中截取平面y=1．6，爆破后隧道A和隧道B的风机同时开高档，二者具有相同的通风速度，通风400 s后，CO浓度云图如图12所示。与图8对比可知:CO不再向隧道B扩散。这种方法也能有效避免CO污染隧道B。

图11 隧道B内CO质量分数时间变化图Fig．11 The variation curve of CO concentration with the ventilation time in tunnel B

图12 通风管理措施优化后，t=400 s时CO在平面y=1．6上的浓度云图Fig．12 CO concentration field in surface y=1．6 at t=400 s after optimization of ventilation measure

此外采取被动防护策略，调整施工工艺，在人行横道打通前，完成CO扩散影响区域的施工任务，禁止人员上下班时徒步穿越CO扩散影响区域，禁止载人车辆在CO影响区域停留，加强安全教育，让作业人员具有识别危险源的能力，同样可以防止CO中毒事件。

5 结论

(1)隧道掌子面爆破后，在通风排烟过程中，CO污染气体在隧道内以气团的形式存在，气团中心CO浓度高，气团两边CO浓度低。气团随着通风时间不断往隧道外移动，在移动过程中，气团变大，CO浓度随之降低。

(2)双洞隧道系统中，某一隧道爆破后，如果单方面加大通风功率，2个隧道之间会产生串通风流，CO随串通风流污染人行横道和相邻隧道。

(3)通过设置气流挡板、双洞等功率通风、抽出式通风等措施，能有效避免CO污染相邻隧道。

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