基于大断面高铁隧道的施工通风时间理论预测方法研究

王明年， 邓 涛， 于 丽, *

(1. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031; 2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031)

0 引言

隧道施工通风时间是指钻爆法施工中自爆破完毕开始通风至掌子面附近有害气体质量浓度降低到安全水平所需要的时间。在固定的风管出口风量条件下，通风时间太短会危及作业人员安全，太长则增大了通风费用和单循环施工作业时间。在隧道建造技术向机械化、快速化发展的今天，各施工工序作业时间的合理把控变得尤为重要[1-4]。确定合理的通风时间，以更高效、快速施工为目的，在满足人员安全需要的同时最大程度减少该工序的作业时间，对机械化配套的隧道快速建造技术意义明显。

如今，隧道修建数量一直保持快速增长趋势，结合隧道工程实际的施工通风技术得到了广泛的研究。赖涤泉等[5]对风管独头式送风和巷道辅助式送风方法进行了研究，并取得了良好的应用效果；古尊勇等[6]结合现场监测数据与数值分析方法为雪山梁特长隧道制定了合理的通风设备选型以及通风系统设置方案；李自强等[7]以虹梯关隧道为依托，利用数值分析方法在风管长度、风机选型、风机数量和风机位置等方面对联合式通风方案进行了优化，实现了隧道通风的有效节能。

综上所述，业界关于隧道施工通风系统设计优化方面的研究成果丰富，但针对隧道钻爆法施工中通风时间的研究成果相对较少。《铁路隧道工程施工技术指南》[8]中也未对通风时间进行相关规定，现场操作执行的弹性很大，这与目前隧道机械化、标准化及信息化施工需求不匹配。郑万高速铁路是国家“十二五”规划郑渝铁路的重要组成部分，线路起于河南郑州，终于重庆万州，沿线共分布 32.5 座隧道，隧线比约为 58.4%。郑万全线隧道均为双线大断面隧道，平均开挖断面面积约150 m2，且线上隧道基本实现了机械化配套施工，这对隧道的施工效率及各工序的时间把控提出了很高的要求。基于该工程背景及本课题的业界研究现状，本文以郑万线向家湾隧道为工程依托，对一种风管距离影响下的最少通风时间进行研究，目的在于明确风管距离对施工通风时间的影响规律，提出一种基于风管距离与风管出口风量的通风时间预测方法。

1 工程概况

1.1 工程简介

向家湾隧道位于郑万高速铁路线湖北段，为双线铁路隧道，设计运营速度为350 km/h。该隧道采用全断面工法开挖且施工已经实现机械化配套。向家湾隧道横向跨度达到14.7 m，隧道高度为12.23 m，断面面积为147 m2。隧道横断面如图1所示。

图1 隧道横断面图(单位： cm)

1.2 工程通风方案

1.2.1 通风布置

隧道施工通风大致可以分为2个阶段。第1阶段通风方案为独头压入式通风，轴流风机位于隧道洞口，风量通过1.8 m直径送风管引入至隧道掌子面附近；第2阶段为巷道辅助式通风，该阶段轴流风机位于平行导洞内，风量由1.8 m直径风管通过联络通道引入至掌子面附近，轴流风机及联络通道位置会随着掌子面的施工持续推进。2个阶段通风方案如图2所示。

(a) 进口段

(b) 洞身段

对比2个阶段通风方案可知： 不论是进口段还是洞身段通风，隧道掌子面附近的通风环境是一致的。掌子面作业空间如图3所示。

由图3可知： 1)施工时掌子面前方45 m内为爆破出渣的主要工作区域，也是爆破完毕后的排烟主要考虑区域； 2)该区域主要由抛渣区、挖机装渣区和渣车装载区组成，其中爆破抛渣距离为20 m，挖掘机与装载机装渣作业区域长度为10 m，渣车装载区域长度约为15 m。

1.2.2 通风量设计

该隧道内最大同时作业人员数量为40人，最大同时作业内燃机械功率为1 013 kW。综合考虑人员新鲜风量需求、粉尘稀释的最小通风风速要求及内燃机废气等[9-10]，计算得到的隧道通风风量设计标准如表1所示。

表1 通风风量控制标准

2 施工通风时间影响因素分析

掌子面爆破开挖后会产生炮烟，其主要成分为CO、CO2和NOx等有毒有害气体以及粉尘，其中CO对人体的危害性最大，故爆破后的通风主要考虑对CO的稀释。通风时间即是指自爆破完毕开始通风至掌子面附近CO质量浓度降低到安全水平所需要的时间。通常情况下，CO的控制质量浓度为30 mg/m3，当必须进入时可以将标准放宽至100 mg/m3，但工作时间不得超过30 min。

根据通风时间的定义可知，在任意通风风量条件下，只要通风时间足够长，CO质量浓度总能被稀释至安全水平以下。而在国内铁路隧道施工指南中，稀释炮烟所需要的总通风风量常被视为定值，该值与炸药用量、隧道断面面积以及通风长度有关。计算稀释烟气总风量的经验公式如式(1)(沃洛宁公式的简化变形)所示。

(1)

式中：Qb为稀释炮烟所需要的通风风量，m3/min；t为通风时间，min；G为同时爆破的炸药量，kg；A为隧道净空断面面积，m2；L0为通风长度，m，该值代表了爆破完毕后掌子面附近需要进洞作业的区域长度(结合图3可知，该隧道L0可以取为45 m)。

向家湾隧道单次掘进进尺为3.5 m，炸药用量为360 kg，结合隧道断面面积可求得隧道内稀释CO所需风量与通风时间之间的关系曲线，如图4所示。

图4 理论公式下的通风时间与通风风量关系曲线

Fig. 4 Curve of relationship between ventilation time and ventilation volume according to theoretical formula

利用上述经验公式来预测通风时间会存在以下2个问题： 1)相关研究[11-13]表明沃洛宁推导矿井通风基本理论公式时其微分方程所选取的边界条件存在较大问题，利用该公式求解稀释烟气总需风量的实际指导意义不大；2)即使沃洛宁公式切实可用，公式也仅适用于计算排烟总需风量，排烟所需的通风时间没有切实的取值方法。实际通风中风由风管流出后在隧道内的流动状态应该是极为复杂的，风管距离过小时风流撞击掌子面之后会产生回旋，这部分回旋会使部分有害气体滞留在掌子面附近区域，且该状态持续时间难以预测；当风管距离过大时风量回旋效果会明显降低，但是风管风流并不能直接作用于掌子面的污染气体，这导致初期阶段通风达不到有效稀释炮烟的目的。综合来看，爆破烟气质量浓度变化与进入隧道内的新鲜风量以及风管距离有着较为复杂的作用关系，采用理论公式求解得到的稀释炮烟所需总需风量与实际可能存在较大差异。为验证这一点，本文假定通风时间是受风管距离和风管出口风量2个自变量影响的因变量进行分析。

3 施工通风时间预测方法

3.1 数值分析模型

为明确风管出口风量与风管距离对通风时间的影响规律，利用CFD计算软件FLUENT15.0对不同风管出口风量与风管距离作用下的通风效果进行分析。1D风管距离数值计算模型如图5所示。

计算分析一共包含1D、2D、3D、4D4种风管距离工况。每种工况下模型长度均取二次衬砌步距200 m。模型求解采用瞬态标准k-ε湍流模型[14-15]，并开启组分运输方程，模型详细参数设置如下。

1)模型采用自由网格划分，最大网格尺寸小于0.5 m。

(a) 模型整体图

(b) 内部结构图

L表示隧道内风管距离，m。

图5 1D风管距离数值计算模型

Fig. 5 Calculation model for CFD simulation of ventilation pipe distance

2)风管出口边界条件为风速入口边界(velocity inlet)；隧道远离掌子面端为压力出口边界(pressure outlet)；隧道侧壁采用wall边界且各项参数保持默认。

3)为还原爆破时烟气的生成过程，掌子面的边界条件设置包含2个阶段。

①爆破阶段。将掌子面的边界条件定义为速度入口边界，并设置CO为单一气体组分，烟气释放时间持续1 s。该持续时间内CO送入量应与炸药爆破生成量保持一致。工程采用全断面工法开挖，开挖进尺约3.5 m，单次爆破用药量为360 kg，考虑每千克炸药爆破时的CO生成量为40 L时，单次爆破CO总生成量为14.4 m3，对应边界风速值为0.097 9 m/s。

②通风排烟阶段。将掌子面边界条件更换为wall边界，烟气生成停止。

3.2 通风时间计算分析

计算分析考虑1D、2D、3D、4D4种风管距离，2 000、2 500、3 000、3 500 m3/min 4种风管出口风量，计算工况为16组。爆破完毕后，出渣机械最早进入隧道作业，根据隧道掌子面附近作业空间分布情况，出渣作业人员最大距离掌子面45 m，计算选取该断面为监测面。当监测面CO质量浓度等于允许质量浓度100 mg/m3时的通风时间为最少通风时间。

1D风管距离，风管出口风量为3 500 m3/min时，掌子面附近的CO质量浓度随通风时间的变化情况如图6所示。

由图6可知： 随着通风时间的增加，爆破产生的CO逐渐向掌子面后方移动，且CO高质量浓度区域从拱顶位置逐渐向隧道断面中下方移动。

图6 掌子面附近CO质量浓度变化情况(单位： kg/m3)

Fig. 6 Concentration variation of CO near tunnel face (unit： kg/m3)

监测面上CO质量浓度云图变化情况如图7所示。

(a) 1 min最大质量浓度为5 215 mg/m3

(b) 5 min最大质量浓度为775 mg/m3

(c) 10 min最大质量浓度为691 mg/m3

(d) 17.8 min最大质量浓度为100 mg/m3

(e) 量值对照表 (单位： kg/m3)

Fig. 7 Statistics of concentration variation of CO on monitoring cross-section

由图7可知： 当通风时间达到17.8 min时，监测面上CO最大质量浓度为100 mg/m3，等于允许进场作业的最低质量浓度要求。不同风管间距、不同风管出口风量条件下的最少通风时间如表2所示。

表2 通风时间统计表

3.3 通风时间预测分析

将不同风管出口风量下的最少通风时间分别绘制成曲线，并对绘制成的曲线进行多项式拟合，结果如图8所示。

图8 通风时间与风管距离关系曲线

Fig. 8 Curves of relationship between ventilation time and ventilation pipe distance

由图8可知，风管距离与风管出口风量对通风时间的影响规律如下。

1)风管出口风量相同时，不同的风管距离下稀释CO所需要的通风时间存在差异，且风量越小差别越显著，这证明了通风时间受风管距离影响假设的正确性。

2)风管出口风量相同时，风管距离越大(1D、2D、3D、4D内)，通风时间越少，这表明对于通风排烟而言，并不是风管距离越小排烟越快。

3)风管距离相同时，风管出口风量越大通风时间越少，但通风时间与风管出口风量间并不呈线性关系。

结合图8曲线规律，对于任意通风风量，其通风时间t与风管距离之间关系如式(2)所示。

ti=aix2+bix+ci。

(2)

式中：ti为第i种通风风量下的通风时间；ai、bi、ci分别表示第i种通风风量下，通风时间与风管距离间拟合多项式中的二次项、一次项、常数项系数；x代表风管距离，取值为1D、2D、3D、4D。

由式(2)可知： 各拟合公式中的ai、bi、ci仅与通风风量有关，即ai、bi、ci可表示为如式(3)所示的通风风量Q的函数。

(3)

为得到函数关系f(Q)、g(Q)、h(Q)，取通风风量为横坐标，将各通风风量对应的拟合系数绘制成散点图并再次进行多项式拟合，结果如图9所示。

图9 拟合系数与通风风量关系曲线

Fig. 9 Curves of relationship between fitting coefficients and ventilation volume

根据拟合结果，函数f(Q)、g(Q)、h(Q)如式(4)所示。

(4)

结合式(2)与式(4)，可以得到通风时间预测公式如式(5)所示。

t=f(Q)x2+g(Q)x+h(Q) 。

(5)

式(5)是基于实际风口出风量与风管距离2个因素的通风时间预测方法，考虑了风流从风管流出后在隧道内的实际流动状态，认为通风时间受风管出口风量与风管距离的共同作用，而不仅取决于风管出口风量。

4 通风时间预测算例

结合向家湾隧道工程实际，假定将设计风口出风量3 039 m3/min代入前面所推导的通风时间预测式(4)和式(5)，对不同风管距离下的通风时间进行了预测，结果如表3所示。

表3 向家湾隧道通风时间预测

利用数值模型对4D风管距离工况的通风效果进行了模拟，通风12.2 min时监测面的CO质量浓度云图如图10所示。

图10 预测时间下监测面CO质量浓度云图(单位： kg/m3)

Fig. 10 Nephogram of concentration variation of CO in prediction time (unit： kg/m3)

由图10可知： 通风时间为12.2 min时监测面上最大CO质量浓度为96.88 mg/m3，小于允许质量浓度值，这在一定程度上验证了该预测方法的可行性。

5 结论与讨论

1)钻爆法施工隧道通风时间受风管距离与风管出口风量2个因素的影响。

2)风管距离相同时，风管出口风量越大稀释掌子面附近有毒气体至容许质量浓度所需要的时间越少，但是通风时间与风管出口风量间并不呈线性关系。

3)风管出口风量相同时，风管距离越大(1D、2D、3D、4D内)，通风时间越少，这表明对于通风排烟而言，并不是风管距离越小排烟越快。

4)通过多项式拟合发现，通风时间t与风管距离x之间关系可以表示为ti=aix2+bix+ci。

5)拟合公式中的ai、bi、ci是仅与风管出口风量有关的系数，通过拟合可以将各拟合系数表示为风管出口风量的函数，故可以将通风时间t表达为风管距离与风管出口风量的函数关系式t=f(Q)x2+g(Q)x+h(Q)。

本文研究成果结论对类似大断面隧道工程施工通风时间的确定具有一定的参考意义和推广应用价值。不过，目前的研究仍存在方法较为单一的问题，丰富研究方法、提高研究成果的准确性将是今后研究的重点方向。