高海拔隧道出渣过程CO分布分析及需风量研究

张国梁 蒋仲安 王睿

摘   要：為解决高海拔施工隧道出渣过程的排气排放物污染，改善通风排污效果，基于海拔环境参数变化和紊流扩散理论，构建了高海拔隧道气体扩散模型. 以海拔3 200 m的川藏铁路某隧道为研究背景，对洞内的环境参数和CO分布进行测定，利用SolidWorks和ANSYS建立施工隧道掌子面出渣模型，采用Fluent中的组分输运方程，对不同海拔高度的有害气体运移规律和质量分数分布进行动态模拟. 结果表明，隧道中内燃机械作业时，在靠近工作面迎头位置，CO分布不均匀，极差值较大. 在靠近隧道出口方向，CO分布逐渐趋于平稳. CO质量分数随海拔的升高而增加，而CO质量浓度却呈相反的变化趋势. 从0 m到6 km，CO质量分数上升了96%;由于环境参数变化对CO质量浓度影响的权重大于CO排放量，导致CO质量浓度下降了18%. 在保证隧道内CO质量分数不变的条件下，需风量随海拔高度呈非线性增加. 根据得到的需风量计算模型，在海拔3 200 m时，需风量约为4.95 m3/（kW·min）.

关键词：高海拔隧道;需风量;气体扩散;内燃机械;流体模拟

中图分类号：U25                                    文献标志码：A

Analysis of CO Distribution and Air Demand during

Slagging in High Altitude Tunnel

ZHANG Guoliang1，JIANG Zhong’an1†，WANG Rui2

（1. School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;

2. Sichuan-Tibet Railway Co，Ltd，Chengdu 610047，China）

Abstract：To solve the air pollution in the process of slagging in the high-altitude construction tunnel and improve the effect of ventilation， a high-altitude tunnel gas diffusion model was constructed based on the changes in environmental parameters at altitude and the theory of turbulence diffusion. Taking a tunnel of Sichuan-Tibet Railway at an altitude of 3 200 m as the research background， the environmental parameters and carbon monoxide （CO）concentration in the tunnel were measured. A construction tunnel slagging model was established by SolidWorks and ANSYS softwares. The component transport equation in Fluent was used to dynamically simulate the law of harmful gas migration and mass concentration distribution at different altitudes. The results show that when the internal combustion engine is operated in the tunnel， the CO distribution is uneven and the range is large near the tunnel working face head-on. Near the exit of the tunnel， the CO distribution gradually stabilized. The CO mass fraction in the tunnel increases with the increase of altitude， but the CO mass concentration shows an opposite trend. From 0 m to 6 000 m， the CO mass fraction increased by 96%， but the influence of environmental parameter changes on the CO mass concentration is more important than the CO emissions， resulting in a decrease of 18% in the CO mass concentration. As a result， the air demand increases non-linearly with altitude while keeping the CO mass fraction constant in the tunnel. According to the obtained air demand calculation model， when the altitude is 3 200 m， the air demand is about 4.95 m3/（kW·min）.

Key words：high altitude tunnel;air demand;diffusion in gases;internal combustion engines;flow simulation

随着西部地区的快速发展，对交通网络的需求日益增加，川藏和青藏等高海拔地区的盘山公路已不能满足经济的发展需求，建设穿越大山的高海拔隧道尤为重要. 近年来，海拔超过3 km的隧道在快速增多，仅川藏铁路全线设计隧道就多达198座，隧线比高达70.2%. 海拔升高，低压低氧、寒冷干燥的气候特点会给隧道建设带来新的挑战，其中施工过程中有害气体浓度上升就是重要问题之一.

由于地下空间工程的有限性和相对密闭性，产生的污染物会严重影响作业人员的健康安全，因此国内外学者对地下空间的空气流动和污染物扩散进行了大量研究. 国外研究较早，且主要集中于对运营隧道和矿井的研究[1-3]. Kanaoka等[4]对施工隧道内的风流流动、粉尘浓度分布和颗粒运动特性进行模拟计算，研究了气流速度、风管结构和颗粒尺寸对通风效果的影响;Hargreaves等[5]模拟了掘进面切割和支护作业过程对流场的影响. 由于近几十年我国基础设施建设的快速发展，对地下空间安全性的研究逐渐增多[6-8]，其中对矿井和隧道内污染物的排放、浓度限值以及控制措施进行了相应的研究[9-12]. 随着CFD技术的发展，数值模拟方法被逐渐推广到各种工程作业的流体研究领域中[13-15]. 刘钊春等[16]对施工隧道内CO随时间的扩散进行动态分析. 同时，随着大量高海拔隧道的修建，国内对高原环境下的隧道通风展开了一定的研究;受限于地理环境的原因，国外对高原环境影响下的隧道通风和污染物扩散研究较少. 孙三祥等[17]针对不同的排气排放位置，研究了自卸车出渣过程中CO对隧道施工环境的影响;曹正卯等[18]对不同海拔隧道内有害气体和粉尘的运移特性及浓度分布进行了数值模拟分析;王峰等[19]、严涛等[20]对高海拔隧道施工和运营过程中CO浓度变化的海拔系数控制标准进行了分析. 目前的研究主要是关于CO质量浓度随海拔的变化以及海拔系数的计算，对于出渣过程中CO各种浓度之间的定量分析和随海拔变化的原因研究较少，且目前规程规定的隧道内燃机械需风量并没有考虑海拔上升的影响.

本文依托川藏铁路某在建隧道，根据海拔上升后黏性流体运动扩散特性变化，对不同海拔高度隧道出渣过程CO质量分数（W

mf（CO））和质量浓度（W

mc（CO））变化的影响因素和需风量进行研究，为高海拔隧道施工通风设计提供理论依据.

1   高海拔隧道内气体扩散模型构建及CO分

布测定

在高海拔地区，环境的气压、气体密度、温度和氧含量等物理参数会发生显著变化，从而影响人员工作和设备运行. 在高海拔地区作业，特别是隧道掘进、矿山开采等劳动强度较大的作业种类，必须考虑环境参数变化的影响. 考虑到温度的变化，在大气对流层，气温下降幅度约每1 000 m下降6.5 ℃，根据气体多状态方程，大气压随海拔下降的计算公式如式（1）所示. 在常温低压条件下，空气可近似看作理想气体，符合Clapeyron方程. 随着海拔上升，气压和温度下降，气体密度相应降低.

p = p01 -

（1）

式中：p0为标准大气压，101 325 Pa;μ为空气的摩尔质量，29 g/mol;g为重力加速度，9.8 m/s2;R0为通用气体常数，8.314 kJ/（kmol·K）;T为空气的绝对温度，K;H为海拔高度，km;根据地学基本数据手册取n =1.234 962.

在开阔环境中氧气的体积分数始终为20.9%，不随海拔高度变化，氧分壓为0.209p. 当大气压随海拔升高而降低后，氧分压和氧含量会相应降低，出现缺氧症状. 同时，在有限空间内，由于氧含量下降，内燃机械燃烧不充分，机动车产生的有害气体增多，特别是CO和氮氧化物，会严重影响作业安全.

1.1   高海拔隧道内气体扩散模型构建

在随流扩散条件下，施工隧道掌子面有害气体的运动，除了分子扩散，还存在紊流扩散和沿隧道走向的纵向弥散，导致气体会沿横向、纵向和竖向进行掺混，并随风流充满整个隧道. 由于紊流扩散系数和弥散系数要远大于分子扩散系数，所以分子扩散系数可忽略. 其中，纵向弥散系数为Ex，紊流扩散系数为Dx、Dy、Dz，但Ex >>Dx，结合文献[21]，得到掌子面气体扩散微分方程为：

+vx=Ex+Dy+Dz     （2）

对于隧道作业，若设定污染源为坐标原点，则可求得瞬时点源有害气体随时空变化微分方程的一般解：

式中：c为空间某点的气体质量浓度，mg/m3;M为单位时间气体的产生量，mg/s;v为掌子面平均风速，m/s;t为时间，s.

根据高斯扩散定律，研究隧道内气体扩散规律，近似采用镜像法计算气体质量浓度，即污染源在隧道四周有对应的虚拟点源. 空间内某点P（x，y，z）的气体质量浓度可看作是实源和虚源的叠加. 设污染源位于地面，且距左右壁面距离为l，距隧道顶部距离为h，则左右壁面镜像的虚拟源坐标为（0，2l，0）、（0，-2l，0），顶部虚拟源为（0，0，2h），地面的实源和虚源坐标相同. 在紊流扩散和纵向弥散作用下，空间任意点在t时刻的气体累积质量浓度为：

根据紊流扩散理论[22]，在隧道传质过程中式（4）的紊流扩散系数Dy、Dz和纵向弥散系数Ex分别为：

Ex = 204.937av                （5）

Dy = 0.356 6avRe-0.04    （6）

Dz = 0.356 6avRe-0.04    （7）

式中：a為隧道断面水力半径，m;α为壁面摩擦阻力系数;Re为雷诺数;ry、rz分别为y和z方向距隧道中心点距离，m.

从前面的分析可以看出：高原环境对施工隧道内气体扩散模型的影响，一是由于氧含量下降，隧道内机械设备排放的废气量M显著增大;二是在紊流状态下α = λρ/8，当海拔升高后，空气密度ρ下降，而流体处于紊流粗糙管区时，沿程阻力系数λ不变，因此α随ρ同比例降低，对应的Ex、Dy和Dz也降低. 因此，海拔上升会对隧道内气体扩散产生明显影响.

1.2   隧道内CO分布测定

川藏铁路某隧道设计全长21 km，入口段轨面高度3 200 m，最大埋深1 235 m，钻爆法施工，采用无轨运输与皮带结合的运输方式. 采用TSI多参数仪和Drager Pac5500检测仪进行测定. 其中，隧道正洞、辅助坑道和主要掌子面位置出渣时的大气压力、温湿度和风速测定结果如表1所示. 由表1可知，环境大气压力和密度明显降低，仅为标准环境的67%，导致隧道内内燃机燃烧不充分，出现CO质量浓度超过规定值（30 mg/m3）、O2质量分数低于20%的现象.

对整个施工隧道正洞、辅助坑道和掌子面的CO和O2质量分数进行测定，共测定34个位置. 监测得到CO高于规定值的点有13个，约占38.2%;O2低于规定值的点有10个，约29.4%，其中不符合规程的位置主要集中在隧道独头掘进段. 由于机械设备运转，隧道掌子面施工环境较差，存在不适宜长期作业的区域.

隧道内污染物浓度超标的主要原因是机械设备的运行所产生的排放物和爆破烟尘导致. 掌子面爆破后，隧道内主要的机械设备有挖掘机、自卸车、台车、水泥罐车和湿喷机械手等，施工过程中设备并不是一直处于运转状态. 1#掌子面现场施工机械设备种类及功率如表2所示. 使用率高的设备为挖掘机和自卸车，台车、湿喷机械手和水泥罐车的使用率较低. 最终计算得到出渣过程设备的总运行功率约为560 kW.

《铁路隧道设计规范》规定，隧道中内燃机械作业时，需风量不小于3 m3/（kW·min）. 由于1#掌子面作业的机械设备总功率为560 kW，因此风量应不低于1 680 m3/min. 为满足最小需风量，调整入口风机频率，在掌子面风流稳定区对断面风速进行测定，测得9个点的平均风速为0.32 m/s，满足需风量要求.

为分析掌子面内的W

mf（CO），对1#掌子面出渣时W

mf（CO）进行测定. 测点布置如图1所示，在隧道同一截面位置测定3个点. 出渣10 min后，掌子面呼吸带高度W

mf（CO）沿程变化如图1所示. 由图1可知，隧道同一截面位置W

mf（CO）相差较小;在掌子面掘进段位置，由于挖掘机和自卸车的持续运行导致W

mf（CO）较高，最高达0.012%;在靠近掌子面出口位置，W

mf（CO）逐渐下降，但依然在0.005%左右，明显高于规定值.

由以上实测和分析可知，对于高海拔隧道出渣过程中有害气体质量分数及需风量的变化需进一步研究. 隧道内机动车排气排放物含有多种有害气体，但CO和氮氧化物的含量较高，且对人体危害较大. 因此，施工隧道通风设计中规定，对于内燃机械产生的有害物质排放的卫生标准以稀释CO为主，必要时考虑NO2. 因此，本文以CO为主要研究对象，对其在不同海拔下的动态扩散进行研究.

2   施工隧道几何模型的建立与求解

2.1   几何模型和网格划分

为研究施工隧道掌子面出渣过程海拔高度对有害气体扩散的影响，以该隧道为背景，建立几何模型. 为得到可靠的模拟结果，建立的模型需符合现场情况，但完全复制现场细节较难，且隧道内有些设施和活动对结果影响较小. 因此，在综合考虑计算机性能和模拟精度的基础上，采用SolidWorks按1 ∶ 1建立该隧道1#掌子面施工模型，如图2所示. 隧道尺寸10 m×9 m×230 m，掘进段附近设置一台挖掘机和两台自卸车进行出渣作业;采用压入式通风，风筒悬挂于隧道右侧，出口距工作面迎头30 m. 其中风筒直径1.8 m，距地面6 m，供风管和供水管直径均为0.15 m，仰拱施工段和二次衬砌浇筑台车距迎头分别为40 m和50 m. 将建好的模型导入ANSYS Workbench中进行非结构化网格划分，如图2所示.

在数值模拟试验中，网格独立性验证是重要的一步. 在研究不同横向风速下随流气体扩散运动时，气流是影响模拟结果的主要载体，因此将风速设定为网格独立性验证的主要参数. 采用Meshing将模型划分出3种不同数量的网格，即方案1（696 876）、方案2（818 326）、方案3（1 105 478）. 针对3种不同的网格，分别进行独立性检验，结果如图3所示. 由图3可知，虽然3种方案划分的网格数量和质量不同，但隧道内风速的模拟结果差异性较小，满足独立性验证. 考虑到计算机性能和网格质量，采用方案2划分的网格，其平均网格质量为0.84，最大为1，最小为0.70.

2.2   计算模型参数和边界条件确定

根据Fluent中湍流和组分输运模型的设定要求，对模拟的边界条件和求解参数进行设置，求解在不同海拔高度和风速下CO的运移情况. 采用CFD-post和Origin对模拟结果进行处理与分析，得出施工隧道的流场分布、气体运移轨迹和空间分布.

1）基本简化及假设. ①忽略隧道内设备、人员和围岩与风流的热交换，默认施工隧道内风流为低速不可压缩流体;②排放的有害气体在扩散过程中不发生化学反应以及相变反应;③不考虑隧道内人员和车辆的随机运动对CO扩散的影响，仅考虑固定安装且具有特定功能的设备，车辆在模拟过程中无位移变化.

2）边界条件. ①入口边界：风筒出口為速度入口，风筒风量为1 680 m3/min;②出口边界：设置为自由出流（outflow）;③壁面边界：隧道壁面采用绝热无滑移壁面，平均粗糙高度Rh为0.09 m，粗糙常数Rc为0.6;④求解器选择压力基，湍流模型为Realizable k-ε，求解方法为Simple，离散格式为二阶迎风.

3）初始条件. 隧道内机动车排放的尾气包含多种有害物质，其中CO、HC和NO2对人体危害较大. 根据《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》，柴油机在标准状态下排放CO的限值为2.1 g/（kW·h）. 在高海拔地区由于低压低氧环境影响，燃烧不充分，排放的有害气体增加. 《公路隧道通风设计细则》中对内燃机有害气体排放量的海拔高度修正系数（fge）进行了规定，见式（8），其中h为海拔高度（km）.

fge = h/1.8 + 7/9       （8）

当隧道海拔为3 200 m时，fge约为2.56. 机械设备的总功率为560 kW，将其折合成一辆挖掘机和两辆自卸车作业，如图2所示. 在挖掘机和自卸车排气管设置流量入口，CO具体排放量和功率如表3所示.

3   数值模拟结果及分析

3.1   掌子面出渣过程CO的动态扩散

隧道内污染物分布与流场和压力场密切相关， 根据隧道施工方案，对掌子面流场分布进行模拟. 隧道的空气动力黏度分布为1.70×10-5 Pa·s，CO扩散系数为1.74×10-5 m2/s，风筒风量为1 680 m3/min. 模拟得到隧道内流线与风速体如图4所示. 由图4可知，风筒射流经出口排出后，与边界层发生动量交换，形成锥形气流场;同时，向前运动过程中，随着带动的扰动气流增多，射流半径扩大，风速降低. 在风筒的另一侧会形成回流区，两种气流相遇，发生冲击、掺混和整合;再加上施工机械、台车等的影响，会形成涡流，风速分布极不均匀;但继续向前一定距离，风速的极差值逐渐降低;在台车后，流场分布逐渐均匀，稳定在0.30 m/s附近.

在流场模拟的基础上，对高海拔隧道内CO的扩散进行分析，模拟出渣时机动车尾气对隧道的污染效应. 采用组分输运模型在排气管位置设置污染源，其中扩散物为CO，得到CO随时间的运动轨迹如图5所示. 由图5可知，CO由排气管产生后，逐渐充满整个断面，并在横向风流的作用下向出口方向扩散，约210 s后达到稳定;由于涡流的影响，CO除了向出口方向扩散，也会迅速充满掘进段附近区域. 挖掘机和自卸车排放的CO在自卸车前方相遇，导致该区域W mf（CO）较高;且在风筒射流的卷席作用下，CO会向右上方扩散;通过台车后，随着流场的稳定，CO分布也逐渐均匀.

由以上分析可知，在海拔3 200 m的环境下，由于机动车排放量的增加和环境参数的变化，隧道内CO的量远高于平原地区. 因此，对于高原地区的在建隧道，必须考虑海拔上升后对隧道内污染物浓度的影响，保障隧道内长期作业人员的健康与安全.

3.2   现场测定及数值模拟结果验证

为检测模拟结果的准确性，将现场测定的同一截面呼吸带高度的W

mf（CO）取平均值，与模拟结果进行对比分析，如图7所示.

1）靠近掘进段附近由于挖掘机和自卸车的持续运行，导致W

mf（CO）较高，高于规定值;但沿着出口方向，W

mf（CO）逐渐下降，稳定在0.005%附近.

2）模拟结果与实测结果整体变化规律相近，特别是台车到出口位置的W

mf（CO）更为相近. 但在掘进段位置存在一定的差别，模拟结果变化幅度较大，而实测值在10 m后整体呈下降趋势.

由于台车后侧稳定区的模拟结果与实测值基本吻合，且研究主要基于稳定区的W

mf（CO）进行分析. 因此，在该边界条件设置下得到的结果，可进一步用于对其他海拔高度的研究.

3.3   不同海拔施工隧道出渣时气体扩散情况分析

当海拔上升时，环境参数发生变化，隧道内气体浓度都会存在明显差异. 选取t = 250 s时隧道内CO分布进行定量分析，此时CO分布达到稳定状态. 沿CO扩散轨迹截取距迎头距离分别为5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120、140、160、180、200和220 m共17个截面，计算其平均浓度. 模拟在1 680 m3/min风量下，海拔分别为0、2、4和6 km环境下的W

mc（CO）和W

mf（CO）沿隧道走向的变化趋势. 不同海拔的环境参数设置如表4所示.

隧道内CO运移规律随海拔高度变化的主要原因有两个. 一是海拔上升，环境压力下降，相同质量的有害物质，其体积增加;二是在高原低压低氧环境下，柴油机燃烧不充分，排放量增加. 根据以上分析，进行模拟，得到不同海拔下W

mf（CO）和W

mc（CO）分别如图8和图9所示，从图中看出：

1）隧道内CO分布达到稳定状态后，不同海拔环境下，沿隧道走向的W

mf（CO）分布趋势相近;但随着海拔升高，其数值逐渐增大，且增大的幅度越来越快. 在隧道出口CO稳定区，从0 m到6 km，W

mf（CO）从0.002 8%增加到0.005 5%，增加幅度R1、R2、R3分别为23%、51%和96%.

2）隧道内W

mc（CO）沿隧道走向的变化趋势与W

mf（CO）基本一致. 在掘进段和衬砌支护段W

mc（CO）较大，且不稳定;但继续向隧道出口方向运动，W

mc（CO）分布逐渐趋于平稳.

3）与W

mf（CO）相反，隧道内W

mc（CO）随着海拔高度升高呈下降趋势. 虽然机动车排放量增加，但由于环境压力降低，CO体积扩大，导致单位空间的CO质量下降. 从0 m上升到6 km，W

mc（CO）下降约18%.

3.4   排放量与环境参数对W

mf（CO）和W

mc（CO）的影响

根据海拔上升隧道内CO分布的模拟结果，采用相同的方法，针对海拔上升后环境参数改变和机动车CO排放量（MCO）增加对隧道内有害气体运移规律的影响，分别模拟单因素（只改变环境参数或MCO）和多因素（同时改变环境参数和MCO）条件下，隧道内W

mf（CO）和W

mc（CO）的空间分布规律变化. 根据模拟结果，对各海拔高度下不同断面的平均浓度进行分析，发现距工作面迎头75 m后的区域变化较稳定. 计算其与海拔0  m时的比例系数，并取平均值，得到如表5和图10所示的结果.

1）只改变MCO时，隧道内W

mf（CO）和W

mc（CO）都随海拔上升而增加，且增加的幅度基本相同. 但在风流的混合和稀释作用下，其增加幅度要远小于MCO的增加幅度.

2）只改变环境参数时，隧道内W

mf（CO）和W

mc（CO）随海拔上升呈现出不同的变化趋势;W

mf（CO）随海拔升高呈增大趋势，但W

mc（CO）却呈下降趋势. 这是由于海拔上升，单位体积内气体的摩尔数和CO质量下降，导致W

mc（CO）降低;但由于MCO固定，所以单位体积内CO所占的质量分数却在增加.

3）同时考虑环境参数和MCO变化时，隧道内W

mf（CO）和W

mc（CO）随海拔上升依旧呈相反的变化趋势. 这是由于MCO增加导致的结果，与只改变环境参数相比，隧道内W

mc（CO）下降幅度变小，W

mf（CO）的上升幅度变大.

将模拟得到的多因素条件下W

mf（CO）和W

mc（CO）随海拔变化的比例系数进行曲线拟合，如式（9）和式（10）.

fmf = 0.015 5 h2 + 0.053 h + 1.005 4       （9）

fmc = 0.002 1 h2 - 0.034 h + 0.988 7       （10）

4   不同海拔施工隧道内燃机械作业需风量计

算模型

在高原地区，氧分压和氧含量下降，人体呼吸频率变化较小. 为弥补氧含量的降低，人体会通过增加呼吸深度来进行适应性调整，即增大潮气量. CO对人体的影响主要取决于吸入空气中的W

mf（CO）大小. 为使吸入的CO不对人体造成伤害，应保证环境中W

mf（CO）不超过人体承受限度. 虽然普通隧道作业规定W

mc（CO）不超过30 mg/m3;但海拔升高后，在相同质量浓度条件下，W

mf（CO）会增加. 由前面的模拟结果可知，海拔上升后，机动车CO排放量增加，会导致隧道内W

mf（CO）增大. 目前，为降低隧道内空气中有害气体的浓度，除了在源头进行控制（降低机动车排放量），主要方法是增加风量，加强洞内气体流通.

为准确得到不同海拔内燃机作业需风量，在各海拔环境下，保持机械设备总功率560 kW不变，在规定的3 m3/（kW·min）需风量基础上，增大风筒入口风量，观察隧道内W

mf（CO）变化;并与海拔0 m、通风量3 m3/（kW·min）时的模拟值进行对比. 模拟得到在海拔1 ～ 6 km环境下，不同通风量时的隧道内W

mf（CO）变化，如图11所示，从图中可以看出：

1）随着通风量的增加，隧道内有害物质的排出速率加快，导致稳定状态下的W

mf（CO）降低. 因此，可通过增加风量解决由海拔上升引起的W

mf（CO）超标问题.

2）在各个海拔高度下，当通风量分别为3.28、3.86、4.82、5.78、7.23和8.67 m3/（kW·min）时，稳定区的W

mf（CO）与海拔0 m、通风量3 m3/（kW·min）条件下的模拟值大致相同，稳定在0.003 4%附近. 在该状态下，海拔升高，人体吸入空气中的CO所占比例不变，不会危及隧道作业人员的安全.

根据得到的不同海拔的需风量绘制散点图，如图12所示. 可以看到，内燃机械的需风量随海拔的上升呈非线性增大趋势. 因此，为方便不同海拔施工隧道进行通风设计，进行曲线拟合，得到任意海拔高度下的需风量计算模型，如式（11）所示. 同时，计算得到川藏铁路该隧道的内燃机械需风量应为4.95 m3/（kW·min）.

Qh（h） = 0.120 8 h2 + 0.233 2 h + 2.963 8       （11）

根据得到的不同海拔隧道的需风量进行模拟，得到隧道W

mc（CO）变化，如图13所示. 可以看出，当不同海拔隧道内W

mf（CO）保持不变時，W

mc（CO）随海拔上升而均匀下降，从0 m到6 km，下降幅度高达50%. 考虑到CO对人体的影响主要是吸入的气体中W

mf（CO）. 因此，为保证海拔上升后隧道内W

mf（CO）不发生变化，同时降低通风难度，W

mc（CO）限值不应为定值，而应随海拔高度的升高而降低.

5   结   论

1）内燃机械产生的CO在横向风流的影响下，除了向隧道出口方向扩散，也会扩散到掘进段附近，但W

mf（CO）相对较低. 在前50 m范围内（掘进段和衬砌支护段），由于涡流的影响，W

mf（CO）分布不均匀，极差值较大. 但继续向隧道出口方向运动，CO分布逐渐趋于平稳.

2）不同海拔环境下，沿隧道走向W

mf（CO）分布趋势相近;海拔升高后，其数值逐渐增大，且增大的幅度越来越快. 在掌子面出口附近的CO稳定区，从0 m到6 km，W

mf（CO）从0.002 8%增加到了0.005 5%.

3）海拔升高后，隧道内W

mf（CO）和W

mc（CO）呈相反的变化趋势，从0 m到6 km，W

mf（CO）上升了96%，W

mc（CO）下降18%. W

mf（CO）和W

mc（CO）发生变化的主要因素是环境参数的改变和CO排放量的增加;但环境参数的权重要大于CO排放量，导致虽然机动车排放量在增加，但隧道内的W

mc（CO）却在下降.

4）在保证不同海拔隧道内W

mf（CO）不变的条件下，需风量呈非线性增大趋势，其中该隧道海拔3 200 m，需风量为4.95 m3/（kW·min）;但W

mc（CO）却在下降，海拔从0 m到6 km，W

mc（CO）下降幅度达50%.

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收稿日期：2020-08-11

基金项目：中国国家铁路集团有限公司资助项目（P2019G001），China National Railway Group Co，Ltd（P2019G001）;国家自然科学基金资助项目（51874016），National Natural Science Foundation of China（51874016）;国家重点研发计划资助项目（2016YFC0801700），National Key Research and Development Program of China （2016YFC0801700）

作者简介：张国梁（1994—），男，山西朔州人，北京科技大学博士研究生

通信联系人，E-mail：jza1963@263.net