高海拔隧道施工期污染物擴(kuò)散規(guī)律

陳星宇，吳劍，任松，張平，鄧超，孔令偉

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731；3.昭通市昭瀘高速公路投資開(kāi)發(fā)有限公司，云南 昭通 657000)

隨著我國(guó)“西部大開(kāi)發(fā)”政策的不斷深入，隧道工程的修建逐漸向“海拔更高，長(zhǎng)度更長(zhǎng)”的趨勢(shì)發(fā)展.其中最具代表性的為川藏鐵路，雅安到林芝段的平均海拔高度達(dá)到3 800 m，沿線總計(jì)69 座隧道，隧線比為82.6%[1].在此背景下，隧道施工過(guò)程中由于高海拔所造成的污染物排放量增加為施工期隧道通風(fēng)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn).

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)平原地區(qū)隧道施工過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵及氣體污染物的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律的研究取得了豐富的成果，Sasmito 等[2]研究作業(yè)過(guò)程隧道產(chǎn)生的瓦斯以及大型機(jī)械產(chǎn)生的CO 分布和移動(dòng)規(guī)律.對(duì)于隧道施工過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵，Gosteev等[3-4]認(rèn)為粉塵在隧道中會(huì)受到Saffman 力、重力及浮力的作用，提出基于多種力的綜合作用下的粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)模型.Tora?o 等[5-8]研究隧道中的粉塵運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律，提出相應(yīng)的降塵措施.劉釗春等[9-11]在研究隧道中CO 的擴(kuò)散規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，在隧道通風(fēng)過(guò)程中CO 分布不均并且容易發(fā)生聚集現(xiàn)象，認(rèn)為單純?cè)黾语L(fēng)量不一定有利于排除CO.目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)平原地區(qū)隧道施工過(guò)程中污染物擴(kuò)散規(guī)律的研究較多，但是很少有學(xué)者將研究重點(diǎn)聚焦在高海拔隧道施工上.

受限于國(guó)外地區(qū)國(guó)家地理環(huán)境及人口的分布規(guī)律，我國(guó)高海拔隧道建設(shè)相對(duì)國(guó)外地區(qū)較多，對(duì)于高海拔隧道中施工通風(fēng)的研究相對(duì)較多.早期眾多學(xué)者研究高海拔隧道施工通風(fēng)過(guò)程中需風(fēng)量、風(fēng)機(jī)效率、風(fēng)管漏風(fēng)率及通風(fēng)阻力等各種關(guān)鍵參數(shù)的海拔高度修正系數(shù)[12-16]，為高海拔隧道施工作業(yè)提供了理論指導(dǎo).除此之外，對(duì)于高海拔隧道中施工中污染物的研究，嚴(yán)濤等[17-19]基于不同車型在高海拔地區(qū)進(jìn)行車輛尾氣排放量檢測(cè)的結(jié)果，對(duì)CO 及煙霧海拔高度系數(shù)計(jì)算公式和現(xiàn)行規(guī)范中汽車污染物的基準(zhǔn)排放量折減率取值進(jìn)行推導(dǎo)和修正.曹正卯等[20-21]針對(duì)高海拔地區(qū)隧道施工期粉塵和有害氣體的運(yùn)移特性進(jìn)行研究.蔣仲安等[22]依托實(shí)際工程，研究高海拔隧道爆破粉塵運(yùn)移與沉降軌跡以及粉塵的時(shí)空演變規(guī)律，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法研究海拔高度、通風(fēng)參數(shù)與粉塵質(zhì)量濃度變化的關(guān)聯(lián)度.張國(guó)梁等[23]研究不同海拔高度隧道出渣過(guò)程中CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度變化的影響因素和需風(fēng)量.孫三祥等[24]分析隧道內(nèi)出渣車行駛時(shí)產(chǎn)生的二次揚(yáng)塵對(duì)施工環(huán)境的影響，研究其擴(kuò)散規(guī)律.綜上所述，目前絕大部分研究?jī)?nèi)容還停留在海拔高度對(duì)施工通風(fēng)過(guò)程中各種參數(shù)的影響，缺乏對(duì)高海拔隧道施工過(guò)程中污染物擴(kuò)散規(guī)律的研究.

本研究以川藏鐵路芒康山隧道為依托，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法，選擇施工過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵和CO 作為特征污染物，研究污染物在高海拔隧道中的擴(kuò)散規(guī)律.探究高海拔隧道中海拔高度對(duì)主要污染物擴(kuò)散的影響，為改善高海拔隧道作業(yè)環(huán)境質(zhì)量及通風(fēng)效果提供理論指導(dǎo).

1 計(jì)算模型及邊界條件

芒康山隧道位于川藏鐵路雅安至林芝段，隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線鐵路隧道，全長(zhǎng)為30.7 km，工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，最大埋深約為1 180 m.川藏鐵路芒康山隧道全線海拔高度均大于3 000 m，其中隧道進(jìn)口地面高程為3 780 m，出口地面高程為3 204.08 m，為高海拔特長(zhǎng)隧道，斷面面積為120.607 m2.本標(biāo)段施工區(qū)域海拔約為3 800 m，全年近一半時(shí)間冰雪覆蓋，高原地區(qū)低氣壓、低含氧、高寒和大風(fēng)，施工環(huán)境極其惡劣，高寒高海拔低氧環(huán)境對(duì)人員及機(jī)械效率的影響極大，隧道施工期的通風(fēng)問(wèn)題比較突出，污染物的擴(kuò)散較平原地區(qū)具有一定的特殊性[21].

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)芒康山隧道的施工方案設(shè)計(jì)，數(shù)值計(jì)算的幾何模型設(shè)置如下：隧道斷面為半徑為6 m、角度為209.8°的扇形，隧道進(jìn)口通風(fēng)方式為壓入式通風(fēng)，風(fēng)筒布置在隧道拱腰處，風(fēng)筒直徑為1.8 m，距地面高度為3.5 m，風(fēng)筒出風(fēng)口距掌子面的距離為20 m，模擬隧道長(zhǎng)度為300 m.采用Fluent 軟件來(lái)模擬高海拔隧道施工過(guò)程中的污染物擴(kuò)散，忽略隧道在施工期間的臺(tái)車及其他特殊部分，使用三維繪圖軟件Solidworks 繪制隧道幾何模型，如圖1 所示.

圖1 隧道模型的斷面圖Fig.1 Sectional view of tunnel model

在流體力學(xué)的數(shù)值模擬分析中，模型網(wǎng)格的質(zhì)量將直接影響數(shù)值模擬結(jié)果的精度和計(jì)算效率，因此對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)至關(guān)重要.風(fēng)流量是影響污染物擴(kuò)散規(guī)律模擬結(jié)果的主要因素，因此將風(fēng)速設(shè)定為網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)的主要參數(shù)[23].對(duì)于隧道通風(fēng)的數(shù)值計(jì)算模型來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格的質(zhì)量會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，而采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠得到更加精確的模擬結(jié)果，因此使用ICEM 軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成網(wǎng)格1（763 364）、網(wǎng)格2（982 529）、網(wǎng)格3（1 106 353）3 種不同數(shù)量的網(wǎng)格.針對(duì)3 種不同的網(wǎng)格，分別進(jìn)行獨(dú)立性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖2 所示.圖中，v為風(fēng)速，d為與掌子面的距離.從圖2 可知，網(wǎng)格2 與網(wǎng)格3 結(jié)果相近，只有網(wǎng)格1 結(jié)果在離掌子面距離小于100 m 的范圍內(nèi)與網(wǎng)格2、3 略有差異，但總體來(lái)說(shuō)，差異性較小.考慮到計(jì)算機(jī)性能和網(wǎng)格質(zhì)量，采用網(wǎng)格2 進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計(jì)算.

圖2 不同網(wǎng)格條件下的風(fēng)速變化Fig.2 Wind speed variation along different meshes

當(dāng)對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)，為了更加符合實(shí)際，對(duì)模型交界處設(shè)置邊界層，最終網(wǎng)格數(shù)量為982 529 個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿足本研究的計(jì)算要求.隧道模型及網(wǎng)格如圖3 所示，隧道進(jìn)口處的網(wǎng)格劃分情況如圖4 所示.

圖3 隧道模型及網(wǎng)格劃分Fig.3 Geometry and meshing of numerical model

圖4 隧道進(jìn)口的網(wǎng)格劃分情況Fig.4 Grid division of tunnel inlet

1.2 高海拔隧道的通風(fēng)模擬邊界條件

隧道爆破過(guò)程產(chǎn)生的炮煙會(huì)充滿掌子面附近的一段空間，這個(gè)空間長(zhǎng)度被定義為炮煙拋擲長(zhǎng)度[25]，分析隧道現(xiàn)場(chǎng)爆破過(guò)程的測(cè)試數(shù)據(jù)，提出炮煙拋擲長(zhǎng)度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式.爆破后CO 的質(zhì)量濃度和炮煙拋擲長(zhǎng)度的計(jì)算公式如下：

式中：ρ 為CO 質(zhì)量濃度，b為1 kg 炸藥產(chǎn)生的CO體積，L為炮煙拋擲長(zhǎng)度，S為掌子面斷面面積，mG為一次爆破所用的炸藥質(zhì)量.

在本文計(jì)算模型中，隧道掌子面開(kāi)挖的面積為120.607 m2，炮煙拋擲距離為65 m，爆破過(guò)程中產(chǎn)生的一氧化碳質(zhì)量濃度為0.002 64 kg/m3.具體模型的示意圖如圖5 所示.

圖5 炮煙拋擲距離的示意圖Fig.5 Schematic diagram of blasting throwing distance

在數(shù)值模擬求解器的設(shè)置過(guò)程中，一氧化碳擴(kuò)散邊界條件如表1、2 所示.

表1 模擬一氧化碳擴(kuò)散的邊界條件設(shè)置Tab.1 Setting of boundary conditions for simulating carbon monoxide diffusion

表2 一氧化碳擴(kuò)散計(jì)算模型的設(shè)置Tab.2 Setting of carbon monoxide diffusion calculation model

在數(shù)值模擬求解器的設(shè)置過(guò)程中，粉塵擴(kuò)散的邊界條件如表3～5 所示.

表3 模擬粉塵擴(kuò)散邊界條件的設(shè)置Tab.3 Setting of boundary conditions for simulating dust diffusion

表5 粉塵擴(kuò)散計(jì)算模型的設(shè)置Tab.5 Setting of dust diffusion calculation model

2 高海拔隧道污染物擴(kuò)散規(guī)律的研究

2.1 高海拔隧道粉塵擴(kuò)散規(guī)律的研究

2.1.1 高海拔隧道通風(fēng)流場(chǎng)特性的分析 通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算高海拔隧道施工通風(fēng)過(guò)程中隧道作業(yè)環(huán)境的通風(fēng)流場(chǎng)情況，如圖6 所示為高海拔隧道通風(fēng)過(guò)程中掌子面附近空氣流場(chǎng)的三維流線分布情況.可以看出，采用壓入式通風(fēng)過(guò)程中隧道內(nèi)的流場(chǎng)非常簡(jiǎn)單，洞外的新鮮空氣在軸流風(fēng)機(jī)的作用下被輸送到掌子面，從風(fēng)筒出口流出的新鮮空氣在流經(jīng)掌子面后和掌子面附近產(chǎn)生的污染物空氣和粉塵匯合，流出洞外.從掌子面附近的流場(chǎng)圖可以看出，新鮮風(fēng)流在掌子面的阻擋作用下形成回流的過(guò)程中，會(huì)在掌子面附近形成較大的漩渦，通常將其稱之為渦流區(qū)，在該區(qū)域渦流中心，風(fēng)速小且非常容易導(dǎo)致污染物氣體和粉塵在此處聚集，威脅作業(yè)人員身體健康.從三維流線圖可以看出，掌子面附近的渦流區(qū)主要集中在隧道的上部，且主要分布在風(fēng)筒懸掛的高度附近，該側(cè)風(fēng)速較高，而靠近風(fēng)筒一側(cè)的風(fēng)速較小.隨著紊亂復(fù)雜的風(fēng)流逐漸遠(yuǎn)離掌子面，風(fēng)流開(kāi)始逐漸變得平滑，流速逐漸降低，當(dāng)與掌子面距離大于30 m時(shí)，隧道內(nèi)逐漸形成穩(wěn)定的風(fēng)流，最終流出洞外.

圖6 掌子面附近空氣流場(chǎng)的流線分布圖Fig.6 Flow stream line distribution of air flow field around tunnel face

在距離掌子面每5 m 處取一個(gè)截面，觀察截面上的風(fēng)速分布情況，結(jié)果如圖7 所示.可以看出，距離掌子面越近的截面風(fēng)速越大，但是截面上的風(fēng)速變化情況越明顯.從圖7(a)、(b)可以看出，風(fēng)速分布呈現(xiàn)兩邊高、中間低的趨勢(shì).從圖6可知，隧道中間區(qū)域出現(xiàn)了渦流，引起了截面中間的低風(fēng)區(qū)，該區(qū)域的風(fēng)速低于規(guī)范要求的隧道最低風(fēng)速水平.隨著與掌子面的距離增大，靠近風(fēng)筒一側(cè)的風(fēng)速低于遠(yuǎn)離風(fēng)筒一側(cè)的風(fēng)速.在與掌子面的距離大于30 m 的范圍內(nèi)，風(fēng)流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)更平穩(wěn)，截面風(fēng)速幾乎相同.

圖7 距掌子面不同距離處的隧道截面風(fēng)速分布云圖Fig.7 Wind speed distribution of tunnel section at different distances from tunnel face

2.1.2 高海拔隧道粉塵擴(kuò)散規(guī)律的分析 粉塵在擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)受到重力、浮力及粉塵之間的黏聚力等力的影響.由于這些力的作用，粉塵的運(yùn)動(dòng)形式與氣體不同，尤其是在風(fēng)流作用下.例如當(dāng)風(fēng)速過(guò)大時(shí)，粉塵會(huì)受到風(fēng)流的浮力作用而漂浮在空間中.

如圖8 所示為隧道爆破作業(yè)后粉塵的三維擴(kuò)散情況.圖中，ρd為粉塵質(zhì)量濃度.從圖8 可知，爆破后產(chǎn)生的粉塵會(huì)迅速填滿位于掌子面前的區(qū)域，與掌子面的距離越小，粉塵質(zhì)量濃度越高，最高質(zhì)量濃度達(dá)到200 mg/m3，嚴(yán)重超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)隧道粉塵濃度的規(guī)定要求.受到風(fēng)流的作用，掌子面附近的粉塵開(kāi)始向隧道外部擴(kuò)散.受到掌子面附近渦流區(qū)的影響，粉塵在一定時(shí)間內(nèi)仍在掌子面附近聚集，因此粉塵質(zhì)量濃度較高.掌子面附近的粉塵質(zhì)量濃度逐漸呈現(xiàn)出上部低、下部高的趨勢(shì)，這是因?yàn)榉蹓m在擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)受到重力的作用而發(fā)生沉降，隧道底部的粉塵質(zhì)量濃度相對(duì)較大.

圖8 不同時(shí)刻的隧道粉塵擴(kuò)散三維云圖Fig.8 Three-dimensional cloud diagram of tunnel dust diffusion at different time

如圖9 所示為距掌子面不同距離處隧道截面上的粉塵質(zhì)量濃度分布情況.可以看出，在距掌子面10 m 的截面上出現(xiàn)了中間質(zhì)量濃度較低、兩側(cè)質(zhì)量濃度較高的現(xiàn)象.結(jié)合對(duì)掌子面附近空氣流場(chǎng)情況的分析可知，粉塵在渦流作用下會(huì)在掌子面前形成漩渦區(qū)，該漩渦區(qū)對(duì)粉塵的擴(kuò)散效率會(huì)產(chǎn)生較大的影響.隨著與掌子面的距離逐漸增大，粉塵的質(zhì)量濃度在隧道內(nèi)不同截面上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì).這說(shuō)明粉塵在擴(kuò)散中會(huì)受到自身重力的作用，不斷發(fā)生沉降落到地面，空氣中的粉塵質(zhì)量濃度會(huì)降低.由于粉塵顆粒之間的吸附作用，小粒徑粉塵在擴(kuò)散過(guò)程中逐漸聚集成“粉塵團(tuán)”，在重力的作用下發(fā)生沉降落到地面，隧道中的粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)一步降低.這種現(xiàn)象表明粉塵在隧道中擴(kuò)散的過(guò)程不是一種均勻擴(kuò)散的過(guò)程.由圖9 可知，在隧道壁面附近存在明顯的粉塵聚集現(xiàn)象，這表明粉塵主要是以貼壁流動(dòng)的形式向隧道外移動(dòng).要完全排出隧道中的粉塵，僅憑通風(fēng)作用的效果是不夠的.

圖9 與掌子面不同距離處的隧道截面粉塵分布Fig.9 Dust distribution of tunnel section at different distances from tunnel face

如圖10 所示為距離掌子面10 m、50 m、100 m和150 m 處截面上的作業(yè)人員呼吸高度處的粉塵質(zhì)量濃度變化散點(diǎn)圖.可知，隨著與掌子面距離的增大，隧道中粉塵的峰值質(zhì)量濃度逐漸降低，說(shuō)明粉塵在擴(kuò)散過(guò)程中受到重力作用產(chǎn)生沉降，整體質(zhì)量濃度逐漸降低.觀察某一截面處的粉塵質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化可以看出，質(zhì)量濃度的波動(dòng)范圍很大，常常在間隔幾秒的時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)到質(zhì)量濃度發(fā)生劇烈改變，說(shuō)明粉塵在向洞外擴(kuò)散的過(guò)程中是以“團(tuán)狀”形式向洞口移動(dòng)的.當(dāng)通風(fēng)時(shí)間約為50 s 時(shí)，粉塵開(kāi)始逐漸擴(kuò)散到離掌子面小于150 m 的區(qū)域；隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，在360 s時(shí)距掌子面小于150 m 范圍內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度已小于允許質(zhì)量濃度2 mg/m3.從粉塵在隧道中的擴(kuò)散狀況來(lái)看，在離掌子面小于50 m 的區(qū)域內(nèi)，隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，粉塵質(zhì)量濃度一直很小.這是由于在掌子面附近存在風(fēng)速較大的旋渦區(qū)，導(dǎo)致粉塵飄浮在空氣中，難以沉降，掌子面附近區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度下降速率較慢.隨著逐漸遠(yuǎn)離掌子面，風(fēng)速逐漸平穩(wěn)下降，粉塵開(kāi)始迅速沉降.這一現(xiàn)象表明，在施工通風(fēng)過(guò)程中過(guò)大的風(fēng)速不利于降低隧道內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度.

圖10 離掌子面不同距離處粉塵質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化圖Fig.10 Variation of dust mass concentration with time at different distances from tunnel face

2.2 高海拔隧道CO 擴(kuò)散規(guī)律的研究

2.2.1 高海拔隧道CO 運(yùn)移演化規(guī)律的分析 對(duì)于高海拔隧道來(lái)說(shuō)，CO 主要是由爆破作業(yè)及掌子面附近的重型機(jī)械柴油機(jī)在低氧濃度的環(huán)境中不充分燃燒產(chǎn)生的.在研究掌子面爆破工序后，分析乳化炸藥爆炸后產(chǎn)生的CO 在隧道通風(fēng)過(guò)程中的運(yùn)移演化規(guī)律.如圖11 所示為在模擬的芒康山隧道進(jìn)口工區(qū)壓入式通風(fēng)段，CO 質(zhì)量濃度隨時(shí)間擴(kuò)散過(guò)程的云圖.

圖11 不同時(shí)刻隧道CO 質(zhì)量濃度分布云圖Fig.11 Cloud diagram of CO mass concentration distribution in tunnel at different time

從圖11 可以看出，在爆破之后掌子面附近充滿了CO 氣體，該區(qū)域的長(zhǎng)度與炮煙拋擲距離相同.隨著時(shí)間的推移，CO 氣體會(huì)隨著隧道中的風(fēng)流逐漸向洞外擴(kuò)散.從圖11 中30 s 時(shí)的CO 質(zhì)量濃度分布云圖可以看出，由于新鮮風(fēng)流的輸送，掌子面附近的CO 質(zhì)量濃度迅速降低，之后在新鮮風(fēng)流的稀釋和壓力作用下，CO 不斷向洞口遷移，且在遷移過(guò)程中有一部分區(qū)域的CO 質(zhì)量濃度很大.隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，掌子面附近的CO質(zhì)量濃度進(jìn)一步降低，而由CO 高度聚集而成的“CO 氣團(tuán)”的體積逐漸增大，但整體質(zhì)量濃度逐漸降低，在遷移過(guò)程中逐漸形成“U 形”的分布趨勢(shì).這是由于在遷移過(guò)程中，靠近隧道壁面區(qū)域的CO 氣體受到隧道壁面沿程阻力作用，造成隧道壁面區(qū)域的CO 氣體移動(dòng)速度小于中間區(qū)域的CO 氣體移動(dòng)速度.

從圖11 可知，在隧道中CO 氣體不是均勻地向洞外遷移，而是會(huì)出現(xiàn)分布不均的現(xiàn)象.有必要了解CO 氣體在隧道截面上的分布.如圖12 所示為距掌子面5、20、40、60、80、100、150、200 和300 m 處的9 個(gè)截面上不同時(shí)間的CO 質(zhì)量濃度分布情況.可以看出，爆破產(chǎn)生的CO 在隧道風(fēng)流作用下向洞外擴(kuò)散過(guò)程中質(zhì)量濃度逐漸降低，在10 min 左右時(shí)CO 氣體擴(kuò)散至洞口，此時(shí)的CO 峰值質(zhì)量濃度大幅降低.在擴(kuò)散過(guò)程中，各截面上的CO 分布規(guī)律呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)，尤其是掌子面附近的截面和隧道中部截面相比，CO 質(zhì)量濃度分布情況出現(xiàn)了比較明顯的差異.

圖12 隧道不同斷面不同時(shí)刻CO 質(zhì)量濃度的分布云圖Fig.12 Cloud diagram of CO mass concentration distribution at different time in different sections

如圖13 所示為掌子面附近區(qū)域及隧道中部的幾個(gè)典型斷面上的CO 分布情況.比較圖13(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)，在掌子面附近僅相距3 m 的斷面上出現(xiàn)了2 種完全相反的CO 分布情況.結(jié)合對(duì)掌子面附近的流場(chǎng)分析可知，在隧道通風(fēng)過(guò)程中掌子面附近存在較大的渦流區(qū)，渦流會(huì)導(dǎo)致CO 在此處聚集，且會(huì)隨著渦流產(chǎn)生螺旋形的運(yùn)動(dòng)軌跡，造成掌子面附近僅隔了3 m 距離的2 個(gè)截面上出現(xiàn)了完全相反的CO 分布形式.隧道風(fēng)流在與掌子面距離大于30 m 的范圍內(nèi)開(kāi)始逐漸趨于平穩(wěn)，隨著CO 氣體逐漸向洞口擴(kuò)散，隧道中部不同截面上的CO 分布出現(xiàn)了幾乎相同的分布形式.此時(shí)，在隧道中形成了中間高、四周低的CO 質(zhì)量濃度分布規(guī)律，越靠近隧道壁面，CO 的質(zhì)量濃度越低.這說(shuō)明在CO 氣體的擴(kuò)散過(guò)程中，隧道壁面沿程阻力會(huì)對(duì)CO 運(yùn)移產(chǎn)生較大的影響.

圖13 隧道典型斷面CO 分布云圖Fig.13 Cloud map of CO distribution in typical section of tunnel

如圖14 所示為與掌子面距離為50、100 和150 m 的3 個(gè)截面上作業(yè)人員呼吸高度處的CO質(zhì)量濃度變化情況.可知，隨著時(shí)間的推移，CO氣體不斷向洞口移動(dòng)，觀測(cè)點(diǎn)的CO 質(zhì)量濃度峰值逐步降低.隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，“CO 氣團(tuán)”的總體積逐漸增大，跨度逐漸增加，而CO 質(zhì)量濃度的下降速率逐漸減緩，最終趨于穩(wěn)定.觀察掌子面附近截面的情況可以發(fā)現(xiàn)，隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，掌子面附近的CO 氣體逐漸被稀釋.以距掌子面50 m 為標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域是作業(yè)人員的集中區(qū)域，當(dāng)通風(fēng)時(shí)間約為420 s 時(shí)，該區(qū)域的CO 質(zhì)量濃度已經(jīng)降至0.001 95 kg/m3，低于允許范圍（＜0.000 3 kg/m3）.

圖14 隧道內(nèi)呼吸帶高度CO 質(zhì)量濃度的分布Fig.14 Distribution of CO mass concentration at respiratory zone height in tunnel

為了驗(yàn)證高海拔隧道CO 擴(kuò)散規(guī)律數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)芒康山隧道的CO 質(zhì)量濃度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，CO 測(cè)試儀如圖15 所示，設(shè)備性能參數(shù)如表6 所示.在距掌子面50 m、100 m 和150 m 位置的斷面布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位于作業(yè)人員呼吸帶高度（1.6 m），采樣總時(shí)間為1 200 s，采樣時(shí)間間隔為60 s.

表6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器設(shè)備與功能Tab.6 Field test equipments and their functions

圖15 一氧化碳測(cè)試儀Fig.15 Carbon monoxide measuring instrument

如圖16 所示為利用數(shù)值模擬計(jì)算得到的隧道內(nèi)CO 質(zhì)量濃度變化與隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比圖.可知，對(duì)于高海拔隧道內(nèi)CO 擴(kuò)散規(guī)律的研究，采用數(shù)值模擬計(jì)算得到的結(jié)果與隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量得到的結(jié)果基本吻合，誤差均小于20%，最大誤差出現(xiàn)在240 s 的100 m 處，誤差為19.38%，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性和適用性.

圖16 隧道各處CO 擴(kuò)散數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比Fig.16 Comparison of CO diffusion numerical simulation and field measurement results in tunnel

2.2.2 海拔高度對(duì)CO 擴(kuò)散影響的分析 為了研究高海拔隧道施工過(guò)程中海拔高度對(duì)CO 氣體擴(kuò)散的影響，分別計(jì)算海拔高度為0、1 000、2 000、3 000、4 000 和5 000 m 6 種工況下的隧道CO 質(zhì)量濃度變化.除海拔高度外，其余參數(shù)設(shè)置均與2.2 節(jié)相同.具體的計(jì)算工況參數(shù)如表7 所示.表中，H為海拔高度，pa為大氣壓力，ρa(bǔ)為空氣密度.

表7 不同海拔高度下的工況參數(shù)Tab.7 Condition parameters at different altitudes

隨著海拔高度的增加，大氣環(huán)境中的各種環(huán)境因素比如空氣密度、大氣壓力、溫度和濕度等均會(huì)發(fā)生變化，這種變化作用會(huì)導(dǎo)致污染物氣體的體積隨著海拔高度的增加而增大，造成隧道污染物擴(kuò)散過(guò)程中洞室內(nèi)的污染物氣體質(zhì)量濃度分布出現(xiàn)差異.其中大氣壓的變化是造成高海拔地區(qū)隧道通風(fēng)差異的最主要原因，大氣壓的變化導(dǎo)致隧道洞室中的靜壓分布發(fā)生改變，而靜壓是隧道排除污染物的主要?jiǎng)恿21].當(dāng)研究海拔高度的變化對(duì)隧道CO 擴(kuò)散的影響時(shí)，忽略溫度和濕度的變化，只考慮大氣壓和空氣密度2 個(gè)因素.

在通風(fēng)過(guò)程中隧道掌子面附近會(huì)產(chǎn)生渦流區(qū)，因此在CO 擴(kuò)散初期，受渦流和風(fēng)流回流的影響，掌子面附近的CO 分布規(guī)律十分復(fù)雜.研究通風(fēng)時(shí)間為300 s 時(shí)CO 在隧道中的分布規(guī)律，此時(shí)CO 分布相對(duì)平穩(wěn).選取距掌子面50、100、150 m 處的截面，計(jì)算在不同海拔高度下CO 質(zhì)量濃度的變化情況，結(jié)果如圖17 所示.可知，隨著海拔高度逐漸升高，隧道同一測(cè)點(diǎn)上的CO 質(zhì)量濃度會(huì)升高.

圖17 不同海拔高度處的CO 質(zhì)量濃度變化Fig.17 Variation of CO mass concentration at different altitudes

為了探究在擴(kuò)散過(guò)程中CO 質(zhì)量濃度隨著海拔高度的變化關(guān)系，可以選擇在隧道中增加觀測(cè)點(diǎn).當(dāng)通風(fēng)時(shí)間為300 s 時(shí)，“CO 氣團(tuán)”的擴(kuò)散區(qū)域大致位于距掌子面50～150 m 處，因此選擇在該區(qū)域內(nèi)每隔5 m 取一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，計(jì)算在該區(qū)域內(nèi)CO質(zhì)量濃度隨海拔高度的變化，結(jié)果如表8 所示.

表8 不同海拔高度處的CO 質(zhì)量濃度變化Tab.8 Variation of CO mass concentration at different altitudes

從表8 可以發(fā)現(xiàn)，隨著海拔高度的增加，CO質(zhì)量濃度增加，因此引入基于海拔高度的CO 質(zhì)量濃度修正系數(shù)K.在相同的通風(fēng)時(shí)間及距離下，高海拔隧道中的CO 質(zhì)量濃度可以近似為

式中：ρH為高海拔隧道中的CO 質(zhì)量濃度，ρ0為平原隧道中的CO 質(zhì)量濃度，K為基于海拔高度的CO 質(zhì)量濃度修正系數(shù).

由式（3）可得

將表8 的數(shù)據(jù)代入式（4）并取平均值，結(jié)果如表9 所示.

表9 不同海拔高度處的CO 質(zhì)量濃度修正系數(shù)平均值Tab.9 Average value of CO mass concentration correction coefficient at different altitudes

對(duì)表9 的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合后的曲線如圖18所示.可以看出，利用表9 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的方程的擬合度R2大于99%，說(shuō)明了預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性.

圖18 CO 質(zhì)量濃度海拔高度修正系數(shù)的擬合曲線Fig.18 Fitting curve of CO mass concentration altitude correction coefficient

對(duì)圖18 中各項(xiàng)擬合曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，可得不同海拔高度隧道通風(fēng)排污過(guò)程中基于海拔高度的CO 質(zhì)量濃度修正系數(shù)K的方程式如下：

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》 (JTG/T D70/2-02-2014)[26]的規(guī)定可知，海拔為0 時(shí)的CO 質(zhì)量濃度修正系數(shù)為1.對(duì)式（5）進(jìn)行修正，得到方程式如下：

當(dāng)前規(guī)范中對(duì)CO 在高海拔地區(qū)的海拔高度修正系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)定.對(duì)于海拔高度超過(guò)2 400 m 的隧道，規(guī)范中沒(méi)有給出明確的定義，因此提出的不同海拔高度隧道通風(fēng)排污過(guò)程中基于海拔高度的CO 質(zhì)量濃度修正系數(shù)K可以起到很好的補(bǔ)充作用.

選取距離掌子面50 m 和150 m 處的截面，分別計(jì)算在不同海拔高度處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的CO 質(zhì)量濃度達(dá)到規(guī)范允許的質(zhì)量濃度所需的時(shí)間tr，計(jì)算結(jié)果如圖19 所示.可以看出，隨著海拔高度的增加，隧道作業(yè)環(huán)境中的CO 質(zhì)量濃度達(dá)到規(guī)范規(guī)定的質(zhì)量濃度的時(shí)間會(huì)增加.當(dāng)海拔高度為0 時(shí)，距隧道掌子面0～50 m 和0～150 m 區(qū)域的CO 質(zhì)量濃度達(dá)到允許值的時(shí)間分別為342 s 和812 s，當(dāng)海拔高度增大至5 000 m 時(shí)的時(shí)間為374 s 和852 s，分別增加了32 s 和40 s.本文在計(jì)算中設(shè)定的風(fēng)筒出風(fēng)速度為20.8 m/s，通過(guò)模擬得到的隧道中的風(fēng)流流速均達(dá)到0.5 m/s.在實(shí)際工程中，由于風(fēng)筒漏風(fēng)率和風(fēng)機(jī)效率問(wèn)題的存在，隧道內(nèi)的風(fēng)速不能達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)隧道中存在的大型機(jī)械及臺(tái)車都會(huì)增加額外的風(fēng)阻，影響污染物氣體的擴(kuò)散.為了保證作業(yè)人員的生命安全，在高海拔隧道爆破施工后，需要延長(zhǎng)作業(yè)人員進(jìn)入洞室的時(shí)間.

圖19 不同海拔高度處CO 質(zhì)量濃度降到規(guī)定的質(zhì)量濃度所需的時(shí)間Fig.19 Time required for CO mass concentration at different altitudes to reach specified concentration

3 結(jié)論

（1）在高海拔隧道通風(fēng)過(guò)程中，掌子面附近0～30 m 內(nèi)存在面積較大的渦流區(qū)，該區(qū)域渦流中心的風(fēng)速小，容易導(dǎo)致污染物在此處聚集，與掌子面距離大于30 m 后風(fēng)流逐漸平穩(wěn).

（2）粉塵主要是以貼壁流動(dòng)的形式向洞外擴(kuò)散，在該過(guò)程中粉塵會(huì)聚集成為“粉塵團(tuán)”，在重力作用下發(fā)生沉降，降低了隧道內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度.在與掌子面距離小于50 m 的范圍內(nèi)，掌子面附近渦流區(qū)的存在會(huì)導(dǎo)致粉塵飄浮在空中難以沉降，掌子面附近區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度下降速率較小，隧道內(nèi)風(fēng)速過(guò)大不利于降低粉塵質(zhì)量濃度.

（3）隧道爆破產(chǎn)生的CO 會(huì)形成氣團(tuán)向洞口遷移，在擴(kuò)散過(guò)程中CO 氣團(tuán)體積逐漸擴(kuò)大、峰值質(zhì)量濃度逐漸下降，并逐漸形成“U 形”分布趨勢(shì).芒康山隧道CO 質(zhì)量濃度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，誤差均小于20%，說(shuō)明了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性.

（4）隧道內(nèi)CO 質(zhì)量濃度隨著隧道海拔高度的增加而增大.建立隧道通風(fēng)過(guò)程中基于海拔高度的CO 質(zhì)量濃度修正系數(shù)K的方程式：K=1+0.094 01H+0.005 96H2，對(duì)當(dāng)前規(guī)范中的CO 的海拔高度修正系數(shù)進(jìn)行很好的補(bǔ)充.

（5）隧道內(nèi)CO 質(zhì)量濃度達(dá)到規(guī)范要求的時(shí)間隨著海拔高度的上升而增大，因此高海拔隧道需要在爆破作業(yè)后延遲作業(yè)人員進(jìn)入洞室.