考虑热位差的特长隧道斜井反井法施工通风研究

马希平

（中铁十二局集团第三工程有限公司 山西太原 030024）

1 引言

随着经济发展对交通需求的急剧增加，直接推动我国隧道建设取得前所未有的成就，但由于我国地质条件的复杂性，加之线路线形的确定，不可避免地涌现出大量特长隧道的工程案例［1］。在特长隧道修建过程中，斜井施工也是其中关键的一环，斜井反井法施工在当前得到大量推广及应用，其施工通风问题也随之得到各界学者的广泛关注与研究。

斜井反井法施工，是从主洞与斜井交叉口向斜井洞口方向掘进的施工方法［2］。在斜井掘进过程中，洞内污染气体、烟尘等有害气体沿斜井纵坡向上汇集，破坏洞内施工环境。同时，掌子面位置要高于交叉口，存在高程差，且掌子面附近因机械运转而导致空气温度较高，致使交叉口与掌子面存在热位差，对洞内的风流造成影响，增加了通风难度［3－5］。因此，有必要对反井法施工过程中通风问题进行研究，保证洞内施工空气质量，进而保障隧道施工安全。

本文依托雅康高速公路二郎山特长隧道，采用数值模拟和现场监测相结合的方法，在考虑热位差的条件下，研究热位差对斜井反井法施工通风的影响，并对反井法施工通风阻力计算公式进行修正，研究成果可为隧道施工过程中的施工通风提供参考和经验。

2 依托工程概况

二郎山特长隧道是雅安至康定高速公路重点控制性工程，隧道长约13.4 km。采用四斜井三区段分段纵向式通风［6］，康定端排风斜井长1 734 m，康定端送风斜井长1 716 m，坡度分别为11.09%和10.56%。斜井与主洞交叉口距离左洞、右洞洞口分别为4 484.2 m、4 445 m。斜井采用独头压入式通风［7］，斜井左、右线各配置1台轴流风机、两台轴流风机，均放置在与主洞右线相连的联络风道内，并在与主洞左线相连的联络风道内设置1台射流风机，引导风流，将斜井污风排向主洞（注：主洞与斜井改进型巷道式通风中，右线为新鲜风送风道，左线为污风排风道）。

3 反井施工通风数值模拟与结果分析

3.1 几何模型建立

依据二郎山特长隧道斜井掘进现场实际情况，运用FLUENT软件建立与现场实际相符的几何分析模型，对压入式通风爆破粉尘的扩散运移情况进行数值模拟［8－10］。由于影响巷道内风流流动的因素较多，为保证模拟结果的准确性和真实性，根据现场实际情况，引入如下假设进行适当简化：（1）风流在井下巷道流动过程中，可忽略压缩性的影响；（2）巷道侧壁、顶板和底板表面平整、密闭，不漏风；（3）掌子面掘进迎头端面为粉尘射流源，爆破后，粉尘从迎头端面沿Z轴负方向（巷道掘进反方向）以6 m／s的速度向洞身范围扩散，X轴、Y轴方向上速度为 0；（4）忽略爆破粉尘间的相互作用［11－12］。

简化后的几何模型尺寸如下：掘进巷道长约1 000 m，坡度为10%，无支护，断面形式接近三心拱，净宽度9 m，拱高7.2 m，净面积56 m2，送风管道中心点距地面高3.5 m，风管出风口处风速为10 m／s。斜井模型正视图如图1所示，斜井模型三维图如图2所示。

图1 斜井模型正视图

图2 斜井模型三维图

3.2 计算网格的生成

几何模型网格划分利用GAMBIT软件进行，网格类型为非结构化网格，Elements项选择 Tet／Hybrid形式，Type项选择TGrid形式。划分网格后的几何模型如图3、图4所示。

图3 斜井掌子面附近网格划分

图4 斜井横断面网格划分

3.3 边界条件

任何流体动力学特性都可运用三大守恒定律来求解，不同的流体求解得到的结果之所以不同，是因为各流体域设置的边界条件不同。对于巷内爆破粉尘扩散及浓度分布的模拟，主要采用的边界条件为入口边界、出口边界、壁面边界，见表1至表5。

表1 计算模型设定

表2 离散相模型设定

表3 边界条件设定

表4 操作条件参数设定

表5 射流源参数设定

当尘粒与几何模型边界（如壁面、出口、入口）相交时，尘粒通过CFD使用离散边界条件来规定，以满足此界面的条件。

（1）Reflect边界条件

表示尘粒到达该边界面时将发生弹性或非弹性碰撞。

（2）Trap边界条件

表示尘粒到达该边界面时将被捕捉。挥发性颗粒将在此处被释放到气相中，而非挥发性颗粒轨道则在此处终止，轨迹模拟结果被标记为“Trapped”。

（3）Escape边界条件

表示尘粒可穿过该边界面发生逃逸，轨道的计算在此处终止，轨迹模拟结果被标记为“Escaped”。

（4）Interior边界条件

表示尘粒穿越该边界面后，进入其内部流动区域，如多孔介质断面。

对于该几何模型，压入式通风风筒出风口、巷道出口离散相边界条件均设置为“Escape”，巷道的底板、顶板、侧壁设置为“Reflect”。

3.4 考虑热位差的数值模拟结果分析

考虑到实际工程中，二郎山特长隧道斜井掌子面与斜井交叉口之间存在温度差异，可能对洞内的风流造成影响，故在模拟中开启自然对流模型，掌子面附近温度根据现场资料设置为30℃，斜井入口处温度设置为25℃。

经过模拟得到爆破粉尘在通风不同时间扩散及浓度分布情况，截取各时刻高度为Y＝1.5 m平面的浓度分布云图进行分析，如图5所示。

（1）爆破发生后，爆破粉尘从迎头端面高速喷出，在自身动量作用下向周围迅速扩散，但由于呼吸性粉尘粒径较小，受到空气阻力较大，速度衰减快，所以扩散距离很短，作业面空间粉尘浓度瞬间变大，T＝10 s时，掌子面附近最大粉尘浓度为4 621 mg／m3。

（2）当压入式通风射流从风筒出口高速射出后，将以贴壁射流运动的规律发展，不断卷吸周围的空气及粉尘，作业面被新鲜风流冲洗，附近空间粉尘浓度逐渐降低，射流体内空气的含尘浓度不断升高，T＝300 s时，掌子面附近最大粉尘浓度为2 391 mg／m3。

（3）在通风1 500 s后，随着通风时间增大，洞内粉尘在风流引导下沿壁面向洞外排出，此时可以明显看出1.5 m高度处的粉尘主要集中在隧道左侧，即风流向外的一侧，但是由于掌子面附近存在风流涡流区，导致少部分粉尘漂浮至隧道右侧。

（4）通风2 100 s后，巷道内的粉尘基本被排出，浓度达到规范中工作面粉尘浓度要求，可允许工人进入作业，此时掌子面附近粉尘浓度为12.4 mg／m3。

3.5 热位差对反井施工通风的影响分析

为了研究热位差对通风系统的影响，通过计算忽略热位差时洞内的粉尘浓度，并对比考虑热位差时洞内的粉尘浓度计算结果，得到热位差在反井施工通风中的影响。

模拟时关闭自然对流模型，不考虑斜井交叉口与掌子面处的温度差，计算完成后仍提取距掌子面附近30 m处断面的粉尘浓度结果，并与考虑热位差时的计算结果进行对比，绘制不同条件下的粉尘浓度计算结果对比曲线，如图6所示。

由图6可知：在忽略热位差条件下进行计算时，距掌子面30 m处的粉尘浓度值在不同时刻相较于考虑热位差条件下的计算结果要低，但总体趋势两者相似。分析其原因，是由于掌子面与斜井交叉口存在高程差以及温度差，最终使得斜井交叉口与掌子面存在向洞内方向的热位差，且与污风风流出流方向相反，在通风系统中起到阻力的不利作用，不利于洞内污染物的排出，故在反井法施工通风设计中，计算沿程阻力时，应考虑热位差对洞内风流的影响。

图6 距掌子面30 m处粉尘浓度结果对比

3.6 数值计算结果验证

通过对比分析隧道内爆破施工粉尘浓度测试结果及数值模拟结果，验证数值模拟结果的准确性。

（1）现场测试数据

测试距离掌子面附近30 m处爆破施工过程中不同时间段的粉尘浓度，测试结果如表6所示。

表6 爆破工序粉尘浓度测试结果

（2）对比分析

对数值模拟结果与实测结果进行绘图，结果如图7所示。

由图7可知：数值模拟结果在300 s时计算得到的粉尘浓度略大于实测断面粉尘浓度；在900 s、1 500 s、2 100 s时，数值模拟结果比实测结果相对较小，但数值模拟结果的粉尘浓度变化曲线与实测浓度曲线的变化趋势非常接近，可以认为数值模拟计算结果可靠。

图7 数值计算结果与实测数据对比曲线

4 考虑热位差的反井施工通风计算公式修正

斜井洞口与交叉口存在高差，如果斜井内气温高于斜井洞口气温，则斜井内空气密度比斜井洞口的空气密度小，斜井洞口处空气有流入斜井内的趋势，即浮升效应；反之，则斜井内空气有从斜井内流出斜井洞口的趋势，即沉降效应。这种由于斜井内外的气温差及两处的高程差所引起的空气流动的压力差称为热位差。

假设掌子面附近气温为T0，洞口处气温为T1，对应的空气密度为ρ0、ρ1，洞口与掌子面的高程差为H，如图8所示。根据上述假设及流体静力学方法，当斜井内与斜井口处空气密度确定后，热位差ΔP热仅与斜井口与斜井内的高差H有关，呈正比关系，可按下式计算：

图8 热位差作用示意

式中：ρ0为掌子面附近的空气密度（kg／m3）；ρ1为洞口附近的空气密度（kg／m3）；H为洞口与掌子面之间的高程差（m）。

通过前文分析，斜井由于洞口与掌子面存在热位差，其对于目前的反井通风是作为阻力存在的，则在对洞内配置射流风机时，计算隧道沿程阻力应考虑热位差对风流的影响，否则可能导致通风设计达不到预期要求。

《公路隧道通风照明设计规范》中射流风机通风阻力计算公式为［13］：

但对于采用斜井反井施工通风，在射流风机通风阻力计算时，应将热位差也考虑在内，则斜井反坡施工射流风机通风阻力计算公式应为：

式中：Pi为射流风机通风阻力（N／m2）；ξi为隧道局部阻力系数；λi为隧道段沿程阻力系数；Li为隧道各段长度（m）；di为隧道各段当量直径（m）；vi为隧道各段风速（m／s）；ρ为隧道内平均空气密度（kg／m3）。

5 结论

依托雅康高速二郎山特长隧道，对隧道斜井反井法施工过程中遇到的施工通风问题进行研究，得到如下结论：

（1）采用数值模拟的方法，对考虑热位差和忽略热位差两种工况计算结果进行对比分析，结果表明：热位差的存在不利于洞内污染物的排除，在通风系统中起到阻力的作用，因此在反井法施工通风设计计算沿程阻力时，应考虑热位差对斜井内风流的影响。

（2）通过现场测试分析，数值计算结果与现场实测数据相差较小，且其变化趋势极为吻合，验证了数值计算的可靠性。

（3）在特长隧道斜井反井法施工通风中，考虑热位差的阻力效应，对反井法施工射流风机通风阻力计算公式进行了修正。