郑万高铁巫山特长隧道长风室接力通风污染物运移特征研究

焦红卫

(中铁十八局集团第一工程有限公司, 河北 保定 072750)

0 引言

进入21世纪以来,中国隧道及地下工程得到了前所未有的迅速发展。中国已成为世界上隧道及地下工程数量最多、规模最大、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家[1]。随着中国铁路隧道修建规模和速度不断增加,特长隧道不断涌现,为了加快工程进度,优化施工环境,往往需要开辟斜井、平行导坑和横通道等辅助通道[2],实现“长隧短打”的修建模式。良好的作业环境是隧道施工的根本保证,也是隧道施工中以人为本理念的重要体现[3],在多个掌子面同时作业情况下,施工通风所需风量显著提高,通风阻力增大,导致污染物难以排出复杂的通风网络[4],特长铁路隧道施工环境问题日益突出。

目前,针对长大铁路隧道施工通风的研究主要集中在通风系统模式及相关影响参数领域。Jalali等[5]基于随机过程原理提出了一种评估长大隧道通风系统可靠性的方法,以预测在射流风机发生故障时备用射流风扇可用性的置信区间。Costantino等[6]以缩尺模型探究了隧道壁面粗糙度对持续升压过程风流场的影响。杨磐石等[7]以计算流体动力学为基础,对比探讨了不同通风条件下的排污效率。蔡鹏飞[8]和何聪[9]详细探讨了通风相关配设的参数取值。张云龙等[10]采用数值模拟方法研究了不同风管出口与掌子面距离下隧道内风速场和瓦斯质量浓度的分布规律。张恒等[11]采对外置条件参数进行细致的研究,对不同布设形式下的降尘、排污效率进行了统计对比。

此外,施工期污染物的运移特性一直是地下工程施工通风技术领域研究的热点[12-13]。刘拓[14]、谭信荣等[15]分别对不同工程进行了施工通风系统现场环境数据监测,结果表明: 一个施工循环内从钻孔到放炮再到出碴,掌子面附近的颗粒物及有害气体先增后减;不同施工工序粉尘和有害气体质量浓度差异较大,喷浆工序粉尘质量浓度最高,而爆破和出碴工序有害气体质量浓度较高。曹晓程[16]以施工人员呼出的CO2质量浓度和电焊产生的烟尘质量浓度为评价因子,研究了不同施工阶段污染源的释放位置及质量浓度对隧道内污染物分布的影响,研究发现污染源的释放量对污染物的分布影响最大,污染源的释放位置不同会对隧道内污染物质量浓度产生一定影响,其中最不利的工况位于隧道两端。

新建郑州至万州高速铁路重庆段巫山特长隧道施工过程中,因洞内作业空间污染物产量大、新污风置换效率低下、有害气体局部集聚严重等一系列环境问题突出,采用了长风室储风的巷道式通风优化布设形式。本文通过现场监测和数值模拟方法,揭示风流场稳定风速范围,得到隧道单洞掘进、双洞协同掘进下的施工期CO和粉尘等污染物动态运移规律,探究台车对粉尘扩散的阻碍作用,以期为多辅助通道、多工作面特长隧道的施工通风设计提供参考。

1 超长风室接力通风系统布设

1.1 通风系统布设

新建郑(州)万(州)铁路巫山特长隧道位于重庆市巫山县巫峡镇、两坪乡和三溪乡境内,最大埋深约730 m,全长16 570.5 m,海拔为927～1 124 m。隧道穿越巫山向斜和梁子上背斜两翼,主要地层有三叠系中统巴东组3段泥质灰岩夹灰岩、页岩,2段泥岩夹砂岩与1段白云岩、泥灰岩夹泥岩等。

巫山隧道2号横洞工区全长5 779 m。斜井断面最大净宽7.5 m,最大净高6.2 m;正洞断面最大净宽13.3 m,最大净高11.0 m。通风管布置在断面侧上方位置,直径2 m,出口距离掌子面20 m。隧道平面及断面示意如图1所示。

(a) 平面图(单位: m)

(b) 横洞断面图(单位: cm) (c) 正洞断面图(单位: cm) (d) 照片图1 巫山隧道平面及断面示意图Fig. 1 Plan and cross-section of Wushan tunnel

巫山隧道属特长隧道,搭配有斜井和平行导洞等大量辅助通道,具有“长洞室、无轨运输、通风网络复杂、污染量大”等特点,隧道施工过程中新污风置换效率低下、有害气体聚集现象突出。隧道内能见度情况如图2所示。

(a)

为了解决巫山隧道施工通风阻力过大、风管漏风等状况导致的施工环境恶劣难题,本工程采用了基于超长风室接力的施工通风系统优化布设方案。该布设方案以平导段作为储备风室,以斜井进口—平导—正洞段从外至内分别建立供风、储风和分配系统;洞室配设升压射流风机,提升末端环境压强,增大风室末端轴流风机工作效率。

根据邻近横通道对掌子面进行命名分类,以开挖7#和10#掌子面为例,该系统布设与现场使用情况如图3所示。

1.2 通风系统设计参数

以图3为例,考虑洞内最大人数、稀释和排出内燃废气、稀释炮烟等因素计算出各掌子面的需风量如表1所示;根据管道直径、风管沿程摩阻、通风距离和局部阻力损失计算出各掌子面风压如表2所示。

表2 风压计算结果Table 2 Wind pressure calculation results Pa

1.3 长风室接力通风的优势

与传统巷道式通风相比,长风室接力通风方式主要存在以下优势: 1)相较于传统巷道式通风,超长储备风室通风存在风流二次接力过程,主风机新风来源不受洞内施工环境影响; 2)传统巷道式通风污染物向外扩散过程中,会对主风机造成二次污染,超长储备风室通风由于其风门紧跟主风机,可有效规避该问题; 3)传统巷道式通风无法应用到单斜井进洞,双洞平行掘进时,仅单一进出风口的情况下,无法达到巷道式通风布设条件,而超长储备风室通风由于其独立的储风段,在该情况下仍然适用。

利用长洞室作为过渡引导新风,整体把控投入设备数量及功率,能极大程度地降低能源消耗,实现平导正洞良好工作环境下的同步施工,各施工阶段衔接良好,提升单次循环工作效率,有效缩短施工工期。

2 现场监测

2.1 测试内容及设备

为探明洞内污染物时空分布特征及扩散规律,分别对施工爆破作业后洞内施工段和衬砌台车特殊位置处的风速及粉尘污染物质量浓度进行现场实时监测。监测设备如图4所示。其中,DT-3880矿用电子式风速表量程为0～30 m/s,精度为0.03; CCZ-1000直读式测尘仪量程为0～1 000 mg/m3,精度为0.1。

图4 监测设备Fig. 4 Monitoring equipment

2.2 测试断面及方法

施工过程中测试4#、7#、9#、11#共计4个掌子面,测试时间为2020年6月15日至7月15日;取距离掌子面50、100、200、300 m位置处断面的风速和粉尘质量浓度进行监测,4#、7#掌子面由于掘进距离不足,200 m范围内存在排污通道,因此仅监测50、100 m断面,共计12个监测面;选取11#施工段二次衬砌台车前端、中端和末端作为监测断面,分别监测粉尘质量浓度随时间的变化情况,共计3个监测断面。监测断面布设计划如表3所示,监测断面布置如图5所示。

表3 监测断面布置Table 3 Monitoring section layout

(a) 掌子面范围内监测断面示意图(以单个掌子面为例)

(b) 衬砌台车处监测断面布置示意图图5 各监测断面布置示意图(单位: m)Fig. 5 Layout of each monitoring section (unit: m)

DT-3880矿用电子式风速表每隔5 min记录1次风速数据,记录30 min,共计6组数据;CCZ-1000直读式测尘仪每隔5 min进行1次数据记录,记录30 min内粉尘质量浓度数据,共计6组数据。将断面横纵向分割为9块区域,各区域中心设置1个监测点,取其监测结果平均值作为该断面最终监测数值,以隧道右下侧为监测点1,监测点布置情况如图6所示,共计布置9个监测点。

图6 断面监测点布置Fig. 6 Layout of cross-section monitoring points

2.3 监测数据分析

2.3.1 风流场分布特征分析

根据现场监测数据,绘制4#、7#掌子面50、100 m断面处风速随时间的变化曲线,如图7所示。

(a) 4#掌子面作业段

(b) 7#掌子面作业段图7 掌子面不同断面风速随时间的变化曲线图Fig. 7 Variation curves of wind velocity at different sections of tunnel face with time

4#和7#掌子面2个监测断面风速在30 min内的平均值为0.583 m/s和0.449 m/s。可以看出,同一断面风速以某一均值线为基准呈现出不同程度的上下波动趋势,波动幅度越小说明风流场结构越稳定,越有利于洞内污染物的排出。

为探究不同纵向回风对风流场结构稳定性的影响,引入平均偏差概念描述断面风流场的稳定性趋势。根据监测结果中断面风速峰值、谷值和均值计算出平均偏差,以评价风速值对其平均数的离势程度,进而分析同一断面不同纵向回风速率下的风流稳定性。提取各断面风速的平均偏差与风速均值绘制曲线图,如图8所示。

图8 平均偏差随纵向风速均值的变化趋势Fig. 8 Variation trend of average deviation with average longitudinal wind speed velocity

由图8可知,回风风速0.5～0.7 m/s段平均偏差值随风速的增大呈单峰值状分布,该断面最大回风峰值为1.28 m/s,约为均值的2倍,此阶段风速波动较大,风流场结构相对不稳定,不利于有毒气体及污染物排出。实际工程中表现为由于风速变化所带来的气压梯度陡增、陡降,进而对周围空气产生扰动,致使污染物稳定向外推移的形态被破坏,导致局部质量浓度过高,易形成二次污染。

风速大于0.7 m/s时,平均偏差值呈缓慢降低趋势,最终趋于0.1。此阶段,断面风速波动范围减小,风流结构逐渐趋于稳定。推测原因为风压沿断面纵向作用力效果越发明显,有效克服了洞内机械设施或人为的外因素干扰。

2.3.2 爆破粉尘质量浓度场分布特征分析

分别以断面均值质量浓度与作业段均值质量浓度分析作业段爆破粉尘质量浓度随时间的变化规律。选取9#、11#作业段300 m处(范围内)断面监测数据进行分析,如图9所示。可以看出,断面粉尘质量浓度随时间的递增呈现下降速率先快后慢的趋势,通风前20 min基本保持等质量浓度梯度递减,粉尘质量浓度降低至20 mg/m3以下后,进入缓慢降低阶段;在同一风流场中,随着时间的增大隧道作业段粉尘均值质量浓度呈类线性降低趋势,说明粉尘的整体扩散性较好,其降低速率会受风速场局部扰动的影响,即与风流场稳定性相关。

(a) 断面粉尘均值质量浓度随时间梯度的变化

(b) 作业段粉尘均值质量浓度随时间梯度的变化趋势图9 粉尘质量浓度随时间的变化曲线图Fig. 9 Variation curves of dust concentration with time

为探究二次衬砌台车对粉尘质量浓度分布特征的影响,对比台车前端、中部、末端3个位置不同通风时间下的粉尘质量浓度分布情况,如图10所示。

图10 衬砌台车处粉尘质量浓度曲线图Fig. 10 Dust concentration curves at lining trolley

由图10可知: 25 min内,台车末端粉尘质量浓度在小幅度增加后持续下降,台车前端粉尘质量浓度长时间缓慢上升; 25 min时,台车前端粉尘质量浓度开始骤降,末端粉尘质量浓度骤升;中部粉尘质量浓度一直趋于平缓波动状态。由此看出,台车对粉尘的扩散有明显的阻碍作用,滞后粉尘向外扩散约25 min。通过计算,台车前端与中部位置粉尘降低梯度(15.6、5.8 mg/m3)均明显低于台车末端(107 mg/m3),降尘率亦处于较低水平(24%、18%),过台车段后迅速回升(60%)。说明除台车前端对粉尘存在局部集聚现象外,整体台车段均会造成粉尘扩散受阻,二次衬砌台车段整体降尘率降低约42%。

3 污染物运移特性数值模拟研究

3.1 数值模型及参数设置

采用SCDM(spaceclaim direct modeler)建立全尺寸隧道三维模型,模型纵向全长7 000 m,1号横洞长137 m,2号横洞长1 130 m,炮烟抛掷长度段为100.8 m,风管直径为2.0 m,风管出口距离掌子面20 m。详细尺寸见图1,模型如图11所示。

图11 巫山隧道三维建模Fig. 11 3D modeling of Wushan tunnel

采用ICEM(integrated computer engineering and manufacturing)对三维模型进行网格划分,考虑隧道各连通道位置相对复杂,采用混合网格,隧道整体区段采用结构化六面体网格,各连通部位采用四面体非结构化网格处理进行划分,对风管出口面进行局部网格加密,整体网格质量控制在0.6以上。网格划分情况如图12所示。

图12 结构化网格示意图Fig. 12 Schematic of structured grid

仿真求解软件为FLUENT 19.0,为了模拟隧道内粉尘的运移规律,使用离散项模型(deformable part model,DPM)模拟掌子面爆破后的粉尘颗粒。根据巫山隧道地质勘察概况,参考文献[17],根据现场地质条件情况,按灰页岩尘粒度质量分布对模拟仿真DPM粒径分布参数进行设置,如表4所示。

表4 隧道施工粉尘粒度质量分布Table 4 Mass distribution of dust concentration in tunnel construction

基于长大隧道通风除尘特征及隧道实时监测数据,结合FLUENT模拟及粉尘运动数学模型,确定长大隧道爆破期粉尘运移规律模拟所需粉尘颗粒参数如表5所示。

表5 粉尘喷射源参数设置Table 5 Parameter setting of dust jet source

模型壁面边界条件除了模型底面设置为“捕捉(trap)”、模型出口设置为“逃逸(escape)”,其余壁面均设置为“反射(reflect)”。

3.2 求解器及边界条件设置

1)求解器设置。 根据前期对隧道环境的分析,选择压力基瞬态求解器,采用SIMPLE算法求解压力耦合方程组。

2)模型选择。湍流模型选择k-ε双方程模型;动量方程、能量方程、湍流动能方程和涡流耗散方程均选择二阶隐式算法;分别开启species transport(组分运输)模型和deformable part model(离散项模型)模拟CO气体和粉尘颗粒。

3)边界条件设置。通风机作为入口边界条件并选用速度入口;隧道洞口作为出口边界,出口压力为0;垂直于壁面的压力梯度归零。

4)组分运输模型设置。2种组分分别设置为空气(air)和CO气体;初始情况下炮烟抛掷长度段CO质量浓度设置情况如表6所示,其余流域均设置为空气(air)。

数值模拟边界条件及部分参数取值如表6所示。

表6 数值模拟边界条件及部分参数取值Table 6 Numerical simulation boundary conditions and some numerical parameters

3.3 模型验证

为验证模型的正确性,对比数值模拟与现场实测断面风速和粉尘质量浓度数据。以11#掌子面数据为依据,现场监测50、100、200、300 m共计4个断面30 min内的平均风速,提取数值模拟风流场稳定后11#洞掌子面中心线上风速均值,共计11点。模拟与实测风速对比如图13所示。可以看出,数值模拟与实测值基本贴合,分布规律相似,最大误差为19.37%。同时,提取11#洞距离掌子面300 m处断面的粉尘质量浓度监测数据与数值模拟结果对比,如图14所示,经过计算最大误差为10%。模型计算与现场实际情况相符,该模型可用于进一步深入分析。

图13 现场监测风速值与数值模拟风速值对比Fig. 13 Comparison between on-site monitoring wind velocity and numerical simulation wind velocity

图14 现场监测粉尘质量浓度与数值模拟粉尘质量浓度对比Fig. 14 Comparison between on-site monitoring dust concentration and numerical simulation dust concentration

3.4 单洞掘进下的污染物运移特性

3.4.1 风流场分布特征

单洞掘进下风流场稳定后的空间和水平纵断面风速分布如图15所示,根据与掌子面距离可以分为3个阶段: 1)0～30 m范围,风流场形态存在较大程度的变化,风流以束状形态由风管处向外推进,经掌子面阻挡作用,风流束整体贴壁向掌子面左侧发散,经隧道左壁面阻挡,向隧道右壁面方向回弹一段距离后,逐步向外扩散,该段中心处形成环形漩涡; 2)30～60 m范围,风流场逐步向隧道中心线方向移动,由原本保持的束形分布开始向外发散,隧道顶部风速明显高于隧道底部,不利于实际工程中的排污; 3)60～200 m范围,风流场基本已无束状形态,以整体保持较为稳定的形式沿纵向逐步递减。

图15 风流场稳定后掌子面200 m范围内风速云图Fig. 15 Contour of wind velocity within 200 m of tunnel face after wind flow field is stable

3.4.2 CO时空分布特征分析

为探明施工段CO时空分布特征,对比分析不同距离断面CO质量浓度随时间的变化规律,取距离掌子面处5、10、50、100、200 m共计5个断面平均CO质量浓度数据进行拟合对比,如图16所示。

图16 不同距离断面CO质量浓度随时间的变化曲线Fig. 16 Time varying curves of CO concentration at different distance sections

1号横通道工区正洞掌子面炮烟抛掷长度为100.8 m,故前4个监测断面(距离掌子面最远100 m)在0时刻CO质量浓度均大于0。由图16可知,5、10、50、100 m断面处的CO初始质量浓度相同,约为1 310 mg/m3,然后浓度曲线以斜率不断减小的规律下降,最终趋于平缓;同时,200 m处断面CO初始质量浓度基本为0,在通风后200 s左右开始呈近似线性规律上升,直至峰值1 308 mg/m3,随后开始降低; 5、10 m断面因为处于风管出风口前端,0 s后污染物开始向外扩散,断面平均质量浓度开始下降,60 s后,50 m处断面CO开始在风流耦合作用下向外扩散,120 s后,断面100 m处CO开始在风流耦合作用下向外扩散;洞内CO在180 s左右扩散至200 m断面处,200 m处CO质量浓度陡升至峰值后开始下降。通风900 s后洞内CO质量浓度除断面200 m处为71 mg/m3外,其余断面CO质量浓度均满足相关行业规定的允许质量浓度值。

3.4.3 粉尘运移规律特征

风流场耦合效应下的粉尘扩散行为如图17所示。爆破粉尘受近掌子面高速风流影响,在短时间内由初始团簇状态整体向外推移,呈现“整体外移,局部扩散”的流动特征;在风流耦合作用下,爆破粉尘受隧道右侧布置风管的风流影响,开始向远风管端迁移,局部粉尘下沉,而后以一定倾角向上扩散,此时,粉尘仍然具有一定的聚集性;粒径较大的颗粒与粒径较小的颗粒存在分布上的差异,受环境重力加速度的影响,质量较大的颗粒(即直径较大的颗粒)竖向分布上低于轻质颗粒,通风10 s后,能够看到明显的按粒径分布的分层现象。

图17 风流耦合效应下的粉尘扩散行为Fig. 17 Dust diffusion behavior under wind flow coupling

通风30 min内掌子面200 m范围粉尘分布示意如图18所示。由图可知,30 s内,爆破粉尘由团簇状开始扩散分散,随着时间的增加,粉尘质量浓度开始下降,稀释淡化并逐渐充斥整个施工200 m段;通风300 s后粉尘质量浓度逐渐下降,600 s时,洞内悬浮颗粒粉尘数量急剧减少,部分粒径较大的粉尘颗粒未排出掌子面施工段,下沉于隧道底部;通风1 800 s时,掌子面200 m范围内的粉尘基本排出该范围段,部分质量较大的颗粒下沉于断面附近或是该区段末尾处。

图18 通风30 min内掌子面200 m范围粉尘分布示意图Fig. 18 Schematic of dust distribution within 200 m of tunnel face within 30 min of ventilation

3.5 平导正洞协同掘进下污染物运移特性

3.5.1 双洞同步掘进下作业段风流分布特征

双洞同步掘进下风流场稳定后的空间分布如图19所示。由图可知,双洞掘进下的风流场分布形态与单洞掘进下掌子面附近的风流场分布形态相似。风管置于隧道右壁侧,风流由风管出口向掌子面方向以束状形态高速流动,经掌子面阻挡作用,风流束整体贴壁向掌子面左侧发散,经隧道左壁面阻挡,向隧道右壁面方向回弹一段距离后逐步向外扩散,形成回风,渐渐趋于稳定。可以看出,平导掌子面风流紊乱段主要为横通道至掌子面处,该段纵向风速较低。值得注意的是,由于平导及正洞风流在模型分岔处汇集,风流主要在横通道靠洞口方向壁面处汇聚,辅助横通道位置处的风速出现增大的趋势,横通道贴壁处的风速相对较大。

1）土地利用程度综合指数模型。土地利用程度综合指数是计算区域内的土地利用分级指数加权平均数，可用于综合评价该区域土地利用程度。土地利用程度综合指数值越大，人类活动对土地利用的程度就越大，反之，则说明该地区的土地利用有较大的发展潜力。

图19 双洞掘进段200 m范围内风流场三维云图Fig. 19 Three-dimensional contour of air flow field within 200 m of double-hole tunneling

3.5.2 双洞同步掘进下CO运移规律分析

为探究双洞掘进下CO的运移规律,分别绘制通风900 s内不同时间段CO的扩散云图,如图20所示。掌子面爆破后,正洞、平导炮烟抛掷范围内均充斥CO,正洞CO质量浓度约为1 306 mg/m3,平导CO质量浓度约为974 mg/m3。

图20 双洞掘进掌子面200 m范围内CO分布云图Fig. 20 Contour of CO distribution within 200 m of tunnel face of double-hole tunneling

由图20可知,通风30 s后,正洞掌子面附近15 m范围内CO质量浓度迅速下降,为655.9～983.7 mg/m3,该范围内同一时间,隧道左侧污染物质量浓度略小于右侧,炮烟抛掷段尾端污染物稀释,随风流向外扩散,此时已有部分正洞内CO进入辅助通道和平行导洞,正洞末端位置存在死角,CO未扩散至此处,可以看出平导段CO扩散速度明显快于正洞段;通风120 s,平导掌子面附近30 m CO基本已排出,与部分正洞CO交汇后扩散至200 m段,此时正洞段CO高质量浓度段开始进入辅助横通道,横通道靠近掌子面一侧CO质量浓度明显高于远侧;通风300 s,污染物主要集中在距离隧道约200 m及正洞段处,2个施工段炮烟抛掷段CO质量浓度明显被稀释,掌子面附近CO质量浓度降至114.6 mg/m3以下,CO整体质量浓度均降低;通风900 s后,各掌子面附近200 m范围内基本排污完成,取200 m段尾端与掌子面附近2个监测点数据可知,此时末端CO质量浓度约为54 mg/m3,仍存在轻微污染,正洞带平导段掌子面附近CO质量浓度约为7.233 mg/m3,平导段掌子面附近CO质量浓度约为4.24 mg/m3。

3.5.3 双洞同步掘进下粉尘扩散规律分析

双洞同步掘进粉尘独立扩散情况如图21所示。由图可知,通风初期(0～180 s),平导正洞保持相同扩散规律,平导段粉尘扩散速率明显快于正洞段,同样呈现“整体外移,局部扩散”的流动特征;通风300 s后,粉尘质量浓度逐渐下降;600 s时,洞内悬浮颗粒粉尘数量急剧减少,大量粉尘颗粒下沉于隧道底部;通风1 800 s时,掌子面200 m范围内的粉尘基本排出该范围段。

图21 双洞同步掘进粉尘扩散规律Fig. 21 Dust diffusion law of double tunnel synchronous tunneling

3.6 衬砌台车对粉尘扩散的影响

3.6.1 台车阻碍作用下的粉尘扩散

图22 30 min内作业段粉尘扩散轨迹云图Fig. 22 Contour of dust diffusion trajectory in operation section within 30 min

从图22中可以看出,相比与图18中粉尘粒子平顺的扩散过程,掌子面与台车范围内出现了明显的不均匀扩散情况,隧道中上方空间已被台车完全阻挡,扩散过程中仅有少量粉尘通过台车。由此可知,无论是粉尘向洞外的扩散过程还是下沉过程,台车均会造成较大的限制,应当采取其他除尘方式对迟滞粉尘进行处理。

3.6.2 台车对降尘效率的影响

对比分析数值模拟中有无台车2种情况下的台车前端(距离掌子面200 m处)隧道断面的降尘效率,如图23所示。

从图23中可以看出,存在台车时,该断面峰值质量浓度明显较高,约为186.2 mg/m3,说明台车对作业段的粉尘扩散具有一定的滞后作用。以峰值质量浓度降至最大允许质量浓度2 mg/m3为降尘效率的标准,存在台车时粉尘峰值质量浓度为186.2 mg/m3,出现在360 s,通风1 180 s后开始下降至2 mg/m3以下,耗时820 s;无台车情况下粉尘峰值质量浓度为138.3 mg/m3,出现在270 s,通风602 s后开始下降至2 mg/m3以下,耗时332 s。无台车时,降尘效率约提升2.5倍。

4 结论与讨论

1)隧道风流场稳定性受纵向回风速度大小干扰。当回风速度为0.5～0.7 m/s时,风流场波动幅度相对较大,不利于污染物排出;当回风速度>0.7 m/s时,风流场波动范围减小,风流结构逐渐趋于稳定。

2)CO扩散时,污染物主体后端低质量浓度段范围逐步扩大,并未表现出紧跟污染物主体的扩散规律,而是以整体质量浓度降低的形式同步排出,实际工程中应保持对掌子面施工作业处CO质量浓度的实时监测工作。风机功率为2×175 kW,通风风速为15.2 m/s的条件下,单洞和双洞掘进工况下通风900 s可满足掌子面200 m范围内CO容许质量浓度要求。

3)风流场耦合效应下的粉尘由初始团簇状态整体向外推移,保持“整体外移,局部扩散”的流动特征;未及时排出掌子面施工段的较大粉尘颗粒将下沉至隧道底部;无台车情况下,通风30 min可保证粉尘质量浓度下降至2 mg/m3以下。

4)台车对爆破粉尘的扩散具有明显的阻碍作用,二次衬砌台车段整体降尘率较无台车施工段降低约42%;无台车情况相较于有台车情况下,降尘效率约提升2.5倍。

随着交通运输的不断发展,越来越多的长大隧道投入建设,对以钻爆法结合无轨运输作为主导的长大隧道来说,传统通风模式存在固有不足,在复杂长大隧道通风中,极易造成能耗过大、污染物聚集明显的问题,除尘作为施工“生命线”,对保障施工安全,净化施工环境起着决定性作用。本文探究了污染物在隧道内的运移扩散规律,研究了粉尘峰值质量浓度变化以及粉尘聚集位置等,下一步会在此基础上研究“通风+防尘”模式,智能调控系统等局部防尘措施。