特長隧洞施工高強度運輸尾氣排放通風仿真分析

羅汝洲

(中鐵十三局集團公司 第二工程公司，廣東 深圳 518083)

鑒于錦屏二級水電站引水隧洞長達16.67 km，鉆爆法施工獨頭掘進通風距離達到了12.5 km，TBM獨頭掘進通風距離達到了14.5 km。隨著隧洞掘進的不斷深入，洞身長度增加后，洞身段很可能會出現(xiàn)通風不暢、通風時間大幅度增加。并有可能發(fā)生整條隧洞長期處于污染或死風，嚴重影響工程建設進度和安全。

盡管對特長隧洞不同工作面以及洞身段通風方案及其參數(shù)可以采用較為詳細的理論計算和分析，但在實施過程中的通風效果到底如何?能否滿足實際隧洞掘進工作面和洞身段的通風需要，還需通過仿真分析和現(xiàn)場試驗進一步驗證說明。為此，本文針對理論分析結果，選出較難把握或在實際施工中可能會有問題的主要關鍵節(jié)點，運用大型分析系統(tǒng)軟件建立相應模型，對后期施工組織調整后的各條隧洞不同階段的主要關鍵節(jié)點的通風方案及其參數(shù)進行分析，以此為后續(xù)通風方案的完善提供有力基礎。

1 特長高污染隧洞通風方案及參數(shù)分析

選擇污染程度較大且通風強度要求較高的4#引水隧洞進行仿真分析。

1.1 洞內主要污染源

隧洞施工過程中的主要污染源為施工爆破中產生的炮煙和粉塵，運輸車輛產生的尾氣和煙塵。

1.2 通風方案分析

4#引水隧洞的通風分為兩個部分:一是隧洞掘進工作面的新鮮風供應，二是洞身段供風。對于工作面的通風，當4#引水隧洞貫通至排引2#施工支洞后，可取3#隧洞返程風，也可階段性從排水洞取風。但應盡量避免從排水洞取風，因必須確保排引2#、3#和施工排水洞的通風。對于洞身段通風，主要靠由工作面的返程風流維持。

1.3 通風參數(shù)

依實際監(jiān)測數(shù)據(jù)知，4#引水洞內的車流量高達4 000輛/d，其排放污染物的總功率高達1 167 kW，總需風量5 403 m3/min。用于克服隧洞中的空氣阻力的風機總推力為41 100 N，射流風機的推力僅為1 650 N。

1.4 風機配置

基于上述理論分析，4#引水隧洞洞身段的排風主要包括高強度運輸尾氣污染后污風排放，按通風風量、風壓、環(huán)境條件以及推力等因素分析，采用每240 m布置一臺射流風機排出污濁空氣。4#引水隧洞污風排放風路及風機布置見圖1所示。

圖1 4#引水洞污風排放風路及風機布置(單位:m)

2 高強度通風系統(tǒng)仿真分析

按仿真分析技術對上述通風方案與參數(shù)進行仿真計算，以便更好地對4#引水洞洞身段污染空氣的射流加強排放方案做進一步研究。

2.1 物理模型

4#引水洞橫斷面面積137 m2，洞身長6 000 m，水力直徑13.2 m。采用射流風機將4#引水洞內污風沿隧洞排出。

為對4#引水隧洞洞身段通風進行仿真分析，在建模過程中采取了一定簡化措施，即隧洞橫斷面采用矩形，風管橫斷面采用方形。簡化準則為:隧洞模型橫斷面面積及寬度與原型一致，風管模型橫斷面面積與原型一致。

2.2 邊界條件

假定等溫通風，流體為不可壓縮、非穩(wěn)態(tài)紊流，滿足Boussinesp假設;紊流黏性具有各向同性。以排引2#施工支洞與4#引水隧洞交叉口為風流進口，以4#引水洞出口為風流出口。模型邊界條件如下:①風流入口為質量入口邊界條件;②隧洞出口為壓力出口邊界條件(大小等于當?shù)卮髿鈮?;③隧洞壁面設為固壁邊界條件，并根據(jù)實際的粗糙度給定相應的壁面函數(shù)中的參數(shù)。另外，模型中給定風流入口流量(按理論計算所要排出的風量計算)、射流風機風壓，出口相對靜壓設置為0。經過仿真計算，可以得出整個隧洞內氣流的速度場和壓力場。數(shù)值仿真的物性參數(shù)和邊界條件見表1。

表1 數(shù)值仿真的物性參數(shù)和邊界條件

2.3 采用的仿真分析方法

采用等溫工況條件進行仿真分析，湍流模型采用RNGk-ε雙方程模型，近壁處理采用標準壁面函數(shù)，離散格式采用一階迎風格式，壓力項采用標準壓力修正方程，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。在風流入口處采用質量進口邊界條件，通過洞內風速、環(huán)境條件及車輛和設備的影響確定風機風壓。與大氣環(huán)境相連的出口采用壓力出口邊界條件，并指定壓力為零。

2.4 計算結果及分析

新鮮風流由進風口導入至工作面后，沿洞身段排出，為能更好地分析各位置的風流變化，分別在各射流風機射流附近設置監(jiān)測點，并在風機前后10 m處共設置5個監(jiān)測橫截面，即風流進口風機處2個，隧洞中間風機處2個，風流出口1個。每個橫截面處設置4個監(jiān)測點，檢測點布置如圖2所示。在此主要對速度進行分析，以此確定射流排風方案的排風效果。

圖2 截面監(jiān)測點布置(單位:m)

射流風機出風口處風速最大，為3.54 m/s左右，距離風機50 m左右風速達到平衡，風速在0.4～0.8 m/s之間。隧洞下部風速最小，在0.325～0.400 m/s之間，隧洞上部風速大于下部風速，隧洞上部排風效果要好于下部。各監(jiān)測橫截面上的監(jiān)測點的風速如圖3所示。

圖3 各監(jiān)測點處風速

圖3中，V-6-8-5770，是指距隧洞橫斷面中心線6 m，距隧洞底8 m，距隧洞出口5 770 m處監(jiān)測點的風速，其它意義類推。

由圖3可知，經過30 s之后，各監(jiān)測點處風速達到穩(wěn)定，各監(jiān)測點的風速在0.42～0.62 m/s之間。

由以上仿真分析結果可得，按照研究出的4#引水隧洞射流高強度排污風方案布設風機，洞內最小風速為0.325 m/s，最大風速為3.54 m/s，滿足規(guī)范規(guī)定的洞內排風最小風速0.25 m/s，最大風速不超過5～6 m/s的要求。故按方案提出的射流風機配置能夠滿足4#引水洞洞身段排風要求。

3 結語

1)4#引水隧洞掌子面的炮煙、粉塵和洞身內高強度無軌運輸尾氣污染后的污風風量極大，對設計通風方案進行仿真分析十分必要，可進一步論證通風方案的實用效果;

2)仿真分析的計算結果與監(jiān)測點的實測值比較吻合，說明采用240 m布置一臺射流風機排污風的方案，可以滿足4#引水洞掌子面掘進污風以及洞身內的高強度運輸尾氣的排放要求;

3)按當前生產條件，應清理4#引水隧洞洞內的路面及其他障礙物，盡量降低其對高強度運輸能力及通風效果的影響。

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