敞开式TBM施工隧道粉尘扩散及除尘系统研究

徐 海

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400707)

0 引言

TBM机械开挖隧道，刀盘切削掘进面土体产生大量粉尘，严重威胁到TBM机内施工人员的身体健康。尤其在长隧道施工过程中，独头通风距离过长会使送到TBM前端的风量较小，送风条件不佳，容易导致施工人员长期暴露在粉尘浓度高的作业环境中引发尘肺病等职业病。伴随着国内水利工程的发展，由TBM修建的超长引水隧洞越来越多，因此针对该类长隧道的敞开式TBM施工，掌握除尘通风条件下粉尘分布扩散规律是保证工程人员身体健康的基本条件。

国内外已有学者对TBM施工隧洞粉尘分布扩散规律进行了研究。1955 年，Fuchs[1]开创性地利用气溶胶力学研究了粉尘颗粒在空气中的受力运动，即直线、曲线、扩散等性质；2002年，刘荣华等[2]研究了压入式通风掘进面风流流场结构，首次为正确评价掘进面作业环境提供了新的理论依据；郭春等[3]对中天山TBM隧道施工环境中的粉尘含量进行了数值模拟和现场测试，得出施工环境中粉尘的分布规律；姚大伟[4]对TBM通风除尘和其他配套设备在隧道掘进机施工中的应用进行了详细的介绍；胡宜[5]采用CFD软件建立了通风除尘系统数值模型，研究了通风除尘管道压风口位置、吸风口位置、压吸比等不同参数条件下隧道内粉尘与温度场分布规律；曹正卯等[6]利用流体计算软件FLUENT对敞开式TBM掘进面附近的流场进行模拟，得到敞开式TBM内粉尘浓度分布规律，与现场实测结果进行了比较。此外，国内其他科研人员针对矿井综采掘进面的粉尘分布扩散规律进行了大量研究[7-15]。这些研究成果对研究超长TBM 施工隧道粉尘分布扩散均有重要的意义，但针对除尘系统对粉尘分布扩散影响的研究还较少。

因此，本文以引汉济渭秦岭隧洞敞开式TBM施工为例，采用三维数值计算软件FLUENT，对不同围岩产尘量、不同除尘风速和不同除尘管位置下隧洞内粉尘分布扩散规律进行计算和分析，以期得到敞开式TBM施工隧洞粉尘分布扩散规律，用以指导施工现场除尘系统布置，优化施工环境，并为此类工程提供科学依据和安全保障。

1 计算模型

1.1 数学模型

TBM掘进产生的粉尘在空气中的运动属于气固两相流问题，处理该类问题有2种方法，欧拉-拉格朗日法和欧拉-欧拉法。本文利用大型数值计算软件FLUENT模拟粉尘扩散。采用离散相模型(DPM) 描述颗粒的运动，离散相模型遵循欧拉-拉格朗日法。离散相模型要求颗粒构成的第二相分布在连续相中。直接对流体相求解N-S方程，离散相是通过计算流场中粒子运动得到的。离散相和流体相之间可以有动量、质量和能量的交换。在FLUENT中采用SIMPLEC算法计算连续相流场，采用Reynolds中的标准k-ε模型模拟三维湍流，创建离散相喷射源求解耦合流动，利用Display图形界面来跟踪离散相，从而得出超长TBM施工隧洞中的粉尘浓度分布。

1.2 几何模型及网络划分

根据引汉济渭秦岭隧洞工程所用TBM机参数，设定隧道模型几何尺寸：隧道断面直径为8 m；除尘风管直径为0.9 m，与送风管对称布置于隧道两侧位置，通风管道出口位于隧道出口；与此同时模拟建立TBM机主体结构，用以模拟粉尘在TBM掘进机中的扩散效果。几何模型俯视图，如图1所示。

图1 几何模型俯视图Fig.1 Top view of geometric model

采用适应性较强的四面体网格，对已建好的三维数值计算模型进行网格划分，网格边长取0.5 m，风管采用边长为0.1 m的网格加密划分，局部网格划分情况如图2所示。

图2 部分网络划分示意Fig.2 Schematic diagram of partial network division

1.3 边界条件

基本计算边界条件如下：除尘风管口为速度入口(velocity-inlet)；隧道出口为出流边界(outflow)；粉尘喷射源为面喷射(surface)，喷射面为掘进面；粉尘材料组成为二氧化硅，密度2 320 kg/m3，粉尘粒径采用R-R分布函数，平均粒径为2 μm；隧道底部的DPM边界设置为trap，除尘风管与隧道出口DPM边界为escape，其余壁面均为reflect。

2 模型验证

2.1 工程实例概况

引汉济渭秦岭隧洞采用敞开式TBM(Herrenknecht s-795)进行施工，隧道直径为8 m。围岩级别为Ⅲ级，岩性为变质砂岩。地下水水量较丰富，并主要为裂隙水。依据工程现场实际，除尘风管与送风管布置在距离掘进面约 25 m位置处，除尘风管排风风速为15 m/s，送风风管送风风速为15 m/s，2根风管分别分布于隧道左右两侧，直径均为0.9 m。

2.2 现场测试

为研究敞开式TBM内粉尘扩散规律，对掘进机段各处粉尘浓度进行了实测。

粉尘测点竖向位于TBM操作平台上方1.5 m纵向测线上，纵向沿TBM机身布置，基本间隔50 m，并在主控室位置处增设测点，如图3所示。

图3 测点布置Fig.3 Layout of measuring points

现场测试设备为CCZ-1000型直读式粉尘测量仪，测试设备的量程和精度均满足本次测试要求，测试粉尘为全尘浓度。

2.3 对比分析

参照行业卫生标准，依据TB10204—2002《铁路隧道施工规范》，粉尘允许浓度为空气中含有10%以上的游离二氧化硅粉尘不得大于2 mg/m3。

将秦岭隧洞TBM施工通风参数代入模型进行数值计算。得出结果后，取TBM机身段内与实测对应的2条观测线上的粉尘浓度计算值，将其与实测值比较，如图4所示。

图4 粉尘浓度计算值与实测值对比Fig.4 Comparison between calculated and measured dust concentration

由图4可知，模型计算结果符合实测数据规律。由敞开式TBM的拱架作业区开始粉尘质量浓度逐渐增大，离掘进面35 m处主控室附近粉尘质量浓度达到最大值约8 mg/m3，随着距离掘进面长度继续增加，粉尘浓度开始降低，在约90 m后粉尘浓度在规范值以下。模拟机身尾部粉尘浓度较低，约为0 mg/m3，该段实测值较计算值稍高，为1.2 mg/m3，主要由于数值模型计算中并未考虑机身后方皮带运渣扬尘。

3 粉尘浓度分布计算结果及分析

3.1 不同除尘风管位置下粉尘浓度分布

布置在TBM掘进机一侧的除尘风管，可以根据人员及施工环境需求自由调整风管位置。根据TBM机身的结构构造，除尘风管最远能伸入距离掘进面10 m处。依据引汉济渭秦岭隧洞敞开式TBM工程实际，排风口排风速度20 m/s，掘进面产尘量为0.000 75 kg/s，为研究洞内粉尘质量浓度分布随除尘风管纵向位置变化的规律，取除尘风管口距掘进面10，15，20，25和30 m位置，模拟计算不同除尘风管布置下粉尘扩散分布情况。计算得出沿隧道纵断面取洞内横断面粉尘平均质量浓度分布规律，如图5所示。

图5 不同风管位置下隧道纵向横断面粉尘平均质量浓度Fig.5 Average mass concentration of dust in longitudinal cross section of tunnel under different positions of air duct

从图5可以看出：1)掘进面到除尘风管之间的隧道区域粉尘浓度较高，靠近掘进面附近粉尘浓度最大为122 mg/m3；随着到掘进面距离的增加，粉尘质量浓度不断下降，距离风管口5 m位置处粉尘质量浓度下降尤为明显，粉尘质量浓度在除尘风管后方降低到规范限值以下，风管位置距掘进面10，15，20，25和30 m时，粉尘浓度危险区域扩散范围分别为10，15，20，25和30 m； 2)除尘风管布置在掘进面前方30 m位置处时，洞内粉尘含量较大，洞内环境相对最差；风管布置在20 m位置处时，洞内粉尘含量相对较小，洞内环境相对最好。

与此同时，图5中反映风管距离掘进面10 m位置处时，掘进面附近粉尘浓度较高，为分析其原因，取隧道中间纵断面，分别提取除尘风管布置在距掘进面10 m和30 m位置处时隧道内粉尘颗粒运动矢量，如图6所示。

图6 掘进面附近涡流区域Fig.6 Eddy current area around heading face

由图6可知，风管位置距掘进面较近时，隧道内粉尘运动由于风流作用，尘源附近形成了涡流区，粉尘难以向外扩散，所以模拟计算得出该段空气中粉尘浓度相对较高；风管距掘进面较远时，由掘进面产生的粉尘受到除尘风的影响较小，除尘效果不明显，隧道内空气中的粉尘含量较大。

为保障现场人员身体健康，确保施工顺利进行，针对TBM机身内人员相对集中区域，分析粉尘随时间变化规律。距掘进面8 m处的TBM支护区域，在除尘风管位置变化的情况下，断面粉尘浓度随时间变化规律，如图7所示。

图7 不同风管位置下TBM支护区域平均粉尘浓度随时间变化规律Fig.7 Variation laws of average dust concentration with time in TBM supporting area under different positions of air duct

由图7可知：1)在TBM机开始掘进后，由刀盘切削产生的粉尘持续增加，在施工进行的前20 min内，距掘进面10 m的支护区域粉尘浓度较高，不同风管布置情况下，支护区域粉尘浓度最大值均为100 mg/m3左右；2)在施工20 min后，由于除尘风机持续工作的原因，该区域的粉尘浓度有所降低且趋于稳定，其中除尘风管布置在距掘进面20 m时，粉尘浓度稳定在15 mg/m3左右，相比其他风管布置位置时粉尘稳定浓度减小了近70%；3)支护区域粉尘浓度变化随风管距离掘进面距离变化而变化的规律不强，主要由于该区域较为靠近掘进面。风管距离掘进面较近时，该区域容易形成涡流，聚集粉尘；距离掘进面较远时，排风对掘进面附近的粉尘影响强度变弱；风管距离掘进面20 m时，该区域粉尘浓度较小。

由于隧道断面较大，粉尘在横断面上分布不均。TBM掘进隧道分为上下2个工作平台，人员在隧道横断面方向上活动范围较大。因此，分别提取风管距离掘进面20 m时，不同竖向高度上的粉尘浓度观测线，以此分析横断面不同区域粉尘浓度分布规律。2条测线分别为TBM上工作平台上方1.5 m的呼吸区域以及TBM下工作平台上方1.5 m的呼吸区域，粉尘浓度监测结果如图8所示。由图8可知，TBM掘进隧道中，下层呼吸区域粉尘浓度较上层高。距离掘进面1 m处时，TBM下层1.5 m呼吸区域粉尘浓度为65 mg/m3，高于上层约25 mg/m3。下平台呼吸区域在距离掘进面约18 m的位置处降到规范浓度以下，上平台呼吸区域在约21 m处降到规范浓度以下。

图8 风管距离掘进面20 m时不同观测线上的粉尘质量浓度Fig.8 Mass concentration of dust on different observation lines when air duct was 20 m away from heading face

3.2 不同排风风速下粉尘浓度分布

排风风速主要靠除尘风机控制，针对不同的掘进机类型和粉尘环境，可以选择不同的除尘风机以变换排风风速。依据引汉济渭秦岭隧洞敞开式TBM工程实际，除尘风管口布置在距掘进面25 m处，掘进面产尘量为0.000 75 kg/s。为研究洞内粉尘质量浓度分布规律随排风风速变化的情况，分别取排风口排风速度为10，15，20，25和30 m/s，模拟计算不同排风速度，洞内横断面粉尘平均质量浓度分布规律，计算结果如图9所示。

图9 不同排风风速下隧道纵向横断面粉尘平均质量浓度Fig.9 Average mass concentration of dust in longitudinal cross section of tunnel under different exhaust wind speeds

由图9可知：1)距离掘进面越近，洞内粉尘质量浓度越高，最大浓度达到88 mg/m3；2)除尘风机对风管口10 m范围内的粉尘作用明显，该区域粉尘质量浓度下降明显，排风风速越大，粉尘浓度下降速率越快；3)不同风速条件下，粉尘浓度均在距离掘进面约25 m处下降到了规范限制以下；4)排风风速为15 m/s时，隧道沿程粉尘浓度最小，风速最大为30 m/s时，粉尘质量浓度相对较大，分析其原因应为排风风速增大使得粉尘获得较大动能，隧道中的粉尘漂浮在空气中的时间较长。

针对TBM机身内人员相对集中区域，即TBM机身内距掘进面8 m处的支护区间，分析不同排风风速下粉尘浓度空间分布规律，监测该断面中轴线上的粉尘浓度如图10所示。

图10 支护区横断面粉尘浓度分布变化规律Fig.10 Variation laws of dust concentration distribution in cross section of supporting area

由图10可知：1)粉尘主要集中在隧道中下部，随着距离隧道底部高度的提高，粉尘浓度快速逐渐降低，至隧道中上部分粉尘浓度基本达到稳定状态；2)排风风速为15 m/s时，支护区间断面粉尘浓度相对较低，工程人员在TBM机内能够得到较好的施工环境。

3.3 不同掘进面产尘量下粉尘浓度分布

TBM掘进过程中，粉尘的产生与围岩的种类、刀盘载荷、地质参数、隧道断面面积等参数有关。产尘量主要是指单位时间内由掘进面产生的粉尘总质量，以G表示，可用公式(1)进行估算：

G=c·v·A

(1)

式中：G—单位时间产尘量，即质量流率，kg/s；c—TBM掘进面处粉尘浓度，kg/m3；v—TBM掘进面处风速，m/s；A—TBM掘进面面积，m2。

依据引汉济渭秦岭隧洞工程实际，除尘风管口布置在距掘进面25 m处，排风风速为20 m/s，根据引汉济渭秦岭隧洞敞开式TBM工程实际，分析研究产尘量分别为0.000 37，0.000 75，0.001 3和0.001 5 kg/s，模拟计算产尘量对洞内粉尘质量浓度的影响。取不同产尘量下洞内横断面粉尘平均质量浓度沿程分布，如图11所示。

图11 不同产尘量下隧道纵向横断面粉尘平均质量浓度Fig.11 Average mass concentration of dust in longitudinal cross section of tunnel under different amounts of dust generation

由图11可知：1)掘进面产尘量越大，洞内高质量浓度粉尘分布范围越广；2)掘进面附近，隧洞内掘进面产尘量与粉尘质量浓度对应成比例关系。产尘量越大，洞内沿程粉尘浓度越大；3)不同掘进面产尘量下，TBM掘进面周围粉尘质量浓度均较高。随着到掘进面的距离增大，靠近除尘风管越近，粉尘质量浓度下降较快。不同产尘量下的洞内粉尘质量均在除尘风管后方达到规范限值以下。

针对TBM机身内人员相对集中区域，对粉尘随时间变化规律进行分析。选择TBM机身内距掘进面8 m处的支护区域，在产尘量变化的情况下，分析该断面粉尘浓度随时间变化规律，如图12所示。

图12 不同产尘量下TBM支护区域粉尘浓度随时间变化规律Fig.12 Variation laws of dust concentration in TBM supporting area with time under different amounts of dust generation

由图12可知，不同产尘量下，人员集中区域的粉尘浓度随时间的变化规律较为一致，即先增大再降低，最后保持平稳，掘进面产尘量越大，40 min内粉尘浓度越大。隧道产尘量大小对该区域的粉尘质量浓度影响较大，在较易产生粉尘的围岩区域进行TBM施工时，需加大施工现场除尘力度。

4 结论

1)敞开式TBM隧道施工过程中，掘进面至除尘风管区域质量粉尘浓度较高，超过规范限值，最高可达到122 mg/m3。随着到掘进面的距离增加，粉尘质量浓度下降，在除尘风管口后方区域，粉尘质量浓度下降到2 mg/m3以下。

2)除尘风管布置在距掘进面30 m位置处时，洞内沿程粉尘含量相对较大；20 m位置处时洞内沿程粉尘含量相对较小；且敞开式TBM支护区域粉尘浓度相比其他风管布置位置时减小了近70%。

3)排风风速越大，除尘风管附近粉尘质量浓度下降速率越快。排风风速为15 m/s时，敞开式TBM支护区域粉尘质量浓度最小，30 m/s时，该区域粉尘质量浓度最大。

4)掘进面产尘量越大，洞内沿程粉尘浓度越大, 敞开式TBM支护区域粉尘质量浓度越大，不同产尘量下洞内粉尘浓度均在除尘风管后方达到规范限值以下。