考虑通风管位置对隧道施工通风效果影响研究_敖翔.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年3月第30卷 第3期MAR 2023Vol.30 No.3DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.03.015作者简介：敖翔（1979-），男，硕士研究生，高级工程师，主要从事市政工程方面的工作。基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFC1511104）；国家自然科学基金项目（52022060）；深圳市项目（JCYJ20190808112203700）E-mail：0引言在隧道施工作业中，钻爆法是较为经济实用的隧道开挖技术之一1。然而，隧道爆破和各种仪器的使用会产生大量的有害气体和粉尘2，在此环境下长期工作对人类的身体健康具有很大的危害性。因此，隧道施工过程中的通风问题将直接影响施工人员的健康、施工效率和施工进度，这是一个亟待解决的问题3。压入式通风是建设长距离隧道的一种通风方式，即在隧道外安装通风机，通过送风管将新鲜空气压送至工作面，使隧道内的空气充分流通。同时，空气向隧道洞口流出时会进一步稀释和排散有害气体，降低粉尘浓度，从而大大改善施工人员的呼吸条件。由于这种通风方式价格低廉，便于运输和安装，已成为目前使用较为广泛的通风方式之一4。在采用压入式通风时，确定隧道通风效果的影响因素十分重要。隧道通风安全问题已成为许多研究者关注的焦点5-7。数值分析方法已经广泛应用于这个领域，大部分学者采用计算流体动力学（CFD）技术8-10。ZHOU等人11分析不同类型的城市隧道中温度和气流速度分布，其研究结果可为自然通风系统的优化设计和管理提供参考，并有助于改善城市隧道的空气质量和控制污染物浓度；GU等人12研究不同条件下隧道内氢喷射火的着火特性以及不同因素对温度和氢气扩散的影响，确定了隧道中氢射流火灾的参数；HAN等人13通过实验和数值分析研究了在具有一个端部入口的倾斜隧道中下游温度分布和烟气运动；CHANG等人14研究在建设隧道时通风系统的影响因素，例如隧道的横截面面积、管道中的流场和CO浓度分布等。所得结果表明，根据各种模型生成的数据计算CO浓度的分布，并得出整个隧道施工期间的通风时间估算函数。本文结合珠海某隧道施工项目，采用数值分析的方法，研究了通风管在隧道内的位置对通风效果的影响，考虑的影响因素包括通风管的位置、通风管管口考虑通风管位置对隧道施工通风效果影响研究敖翔1，包小华2，3，刘宽4，岳昆1，吴涵2，付浪喜4（1、广东长正建设有限公司广东珠海519000；2、深圳大学交通与土木工程学院深圳518061；3、深圳大学滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室深圳518061；4、上海隧道工程有限公司上海200032）摘要：在隧道施工期间提供良好的通风至关重要，需要考虑多种因素的影响。以珠海某隧道工程为背景，研究通风管在隧道内的位置、通风管管口与施工工作面距离这两种位置对通风效果的影响。研究结果表明：当通风管位于隧道侧部时，工作面附近的风压会形成较大的压力差，而对一氧化碳（CO）的排出效果没有较大的影响。此外，在一定范围内，通风管管口与工作面的距离越小，在工作面附近会形成较大的压力差，且有助于工作面附近CO的排出。因此，对于珠海某隧道施工过程，置于隧道拱腰处的通风管口应调整至与隧道面的距离为20 m。关键词：隧道施工；通风管位置；通风管口与工作面距离；CO排出效果；风压差中图分类号：U455文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）03-062-05Study the Influence of Ventilation Pipe Position on the Ventilation Effect of Tunnel ConstructionStudy the Influence of Ventilation Pipe Position on the Ventilation Effect of Tunnel ConstructionAO Xiang1，BAO Xiaohua2，3，LIU Kuan4，YUE Kun1，WU Han2，FU Langxi4（1、Guangdong Changzheng Construction Co.，Ltd.Zhuhai 519000，China；2、Institute of Transportation and Civil Engineering，Shenzhen UniversityShenzhen 518061，China；3、Key Laboratory of Coastal Urban Resilience Infrastructure of Ministry ofEducation，Shenzhen UniversityShenzhen 518061，China；4、Shanghai Tunnel Engineering Co.，Ltd.Shanghai 200032，China）AbstractAbstract：It is essential to provide good ventilation during tunnel construction，and many factors need to be considered.Takes a tunnelproject in Zhuhai City as the background to study the influence of ventilation pipe position in the tunnel and the distance between ventilationpipe opening and construction work surface on the ventilation effect.The research results show that when the ventilation pipe is located onthe side of the tunnel，the wind pressure near the working face will form a larger pressure difference，but it has no major impact on theCO emission effect.In addition，within a certain range，the distance between the nozzle of ventilation pipe and the construction working surface is smaller，the larger pressure difference will be formed near the working surface，and it will help the discharge of CO near the working surface.Therefore，for the construction process of the tunnel，the ventilation pipe mouth placed at the arch waist of the tunnel shouldbe adjusted to the distance between the tunnel surface and the tunnel surface is 20 m.Key wordsKey words：tunnel construction；ventilation pipe position；distance between ventilation pipe opening and working surface；CO emissioneffect；wind pressure difference62敖翔，等：考虑通风管位置对隧道施工通风效果影响研究MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期与工作面的距离。其研究结果可以为施工期的隧道通风优化处理提供参考。1工程概况珠海某隧道工程长约 5 761 m，双向四车道，采用矿山法施工。隧道施工采用压入式通风，通风时间按30 min 计算，风管百米漏风率按2.0%计算；每人每分钟供应新鲜风量 4 m3；采用内燃机械作业时，1 kW 供风量不小于3 m3/min，0.15 m/s洞内风速4m/s。根据近年来国内隧道通风的实践成果，结合隧道施工中的实际经验，该工程施工期间选用功率220 kW的两级轴流风机，叶轮直径1 200 mm，通风量可达2 400 m3/min。在施工洞口布置一台通风机，通风管采用1 500 mm维伦布风管（节长3050 m），设置在拱腰。考虑到爆破的影响，一般将通风口与隧道工作面的距离保持在约30 m。该工程在施工阶段仍然面临由工作面往隧道外的风速低、通风效果不佳等实际问题。2数值研究方法和模型的建立2.1假设条件结合工程背景，可知施工现场的通风气体为低速气流，本文假设隧道中的气流是不可压缩的绝热流体；流体场温度恒定，不考虑气体运动产生的热效应，忽略气体扩散时产生的化学反应和能量损失；除了通风口以及隧道出口，隧道内部不存在其他通风口。在模拟隧道通风气流的流场时，考虑其实际效果的影响，即流场中产生的射流、回流和涡流。2.2数值分析方法本文采用NavierStokes方程作为空气流体相的控制方程，用RNG kepsilon（RNG k-）湍流模型描述气体流动模式9-10，该模型相比标准的k-模型，考虑了流场中的湍流漩涡，改善并提高相关的计算精度。通常，在隧道内部将空气流压入施工工作面时，产生的流场中会存在射流、回流和涡流（见图1），并且在近壁区域体现强烈的各向异性14。在k-模型中，k表示湍流动能，为该能量的耗散率。关于k和的方程如下：2.2.1NavierStokes方程t+xi()ui=02.2.2湍流动能k方程xj|ujk-()+tkkxj=t()P+PB-23()utuixi+kuixi2.2.3能量耗散率方程xj|uj-()+tsxj=C1k|tP-23()tixi+kuixi-C22k+C3ktPB+C4uixi-C()1-/01+32k其中，S=2SijSij，Sij=12()uixj+ujxi，=Sk，P=Sijuixj，PB=-gih,t1ujxi。式中：为空气密度；t 为时间；ui为 xi方向的空气速度；、t分别为分子动态粘度系数和湍流动态粘度系数；k、为湍流Prandtl参数值；Gk表示湍流动能的形成率。C1、C2、C3、C4、和0为雷诺数方程的常数。这些系数的值分别列于表1。2.3考虑不同位置对通风效果的影响本文考虑了施工时期影响通风效果的两种位置：通风管在隧道内的位置以及通风管管口和施工工作面的距离。结合珠海某隧道施工案例，通风管管口在隧道内的不同位置分别位于沿着隧道横截面中轴线的上方、下方和拱腰位置（侧部）（见图2）；考虑通风管口和施工工作面的距离分别为 20 m、25 m 和 30 m。不同位置的组合如表2所示。2.4通风模型的建立建立模型和划分网格后，采用Ansys的流体动力学计算软件Fluent对其进行求解。其中，沿x方向为隧道洞口宽度，沿y方向为隧道洞口高度，沿z方向为隧道内部纵向的距离。根据珠海某隧道西线的施工情况，隧道截面总高度为6.4 m，总宽度为8.9 m，通风管口离隧道工作面的距离为30 m，风管直径为1.5 m，表1方程系数值Tab.1Coefficient Value of Equation系数kh值0.0901.0001.0001.3000.012系数0C1C2C3C4值4.3801.4201.6800.800-0.387图1施工期隧道内部流场分布Fig.1Distribution of Flow Field Inside Tunnelduring Construction射流区回流区涡流区工作面气流隧道截面63位