特长隧道压入式通风结合射流风机通风方案优化_陈双秦.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）作者简介：陈双秦（），男，陕西渭南人，高级工程师，：。通讯作者：高启栋（），男，陕西延安人，副教授，工学博士，：。第 卷第期 年月长安大学学报（自然科学版）（）陈双秦，张龙，任玉鹏，等特长隧道压入式通风结合射流风机通风方案优化长安大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：特长隧道压入式通风结合射流风机通风方案优化陈双秦，张龙，任玉鹏，杨保平，冯成名，高鑫，高启栋（中铁北京工程局集团第一工程有限公司，陕西 西安 ；长安大学 公路学院，陕西 西安 ）摘要：为了降低隧道施工时产生的粉尘对施工人员身体健康的危害以及对施工机械的磨损，以新建中兰（中卫兰州）铁路香山隧道 施工段为依托工程，对施工期间斜井段通风方案进行了优化。利用 仿真模拟分析了施工段射流风机距隧道中线距离、射流风机风速、射流风机距挂布台车距离、射流风机高度对隧道除尘效果的影响，采用正交试验法研究了风机距挂布台车距离、风机距隧道中线距离及风机风速对除尘效果的影响程度，并对射流风机的布置方案进行了比选优化。结果表明：隧道中两台车处会出现粉尘浓度升高的现象，隧道中安装射流风机辅助通风可以降低两台车附近粉尘浓度；风管和射流风机布置在同侧时，风机的除尘能力会由于两者之间的摩擦而降低；风机风速对射流风机的除尘能力具有积极影响；风机距台车距离和风机高度均存在最优值，过大或者过小都会降低射流风机的除尘效果；射流风机最佳布置方案为风机距挂布台车，风机距隧道中线，风机高度，风机风速；极差分析法和方差分析法均表明射流风机除尘效果的最大影响因素为风机风速，各因素对两台车附近粉尘浓度影响的重要性顺序由大到小为风机风速、风机距挂布台车距离、风机距隧道中线距离。在隧道施工时，斜井段通风工程中需要重点关注风机风速对射流风机除尘效果的影响。关键词：隧道工程；通风除尘；正交试验；射流风机；布置优化；特长隧道；压入式通风中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，（），：；引言钻爆法因其施工效率高、施工成本低等特点已成为现阶段中国山岭隧道开挖的主要施工方法，但是开挖过程中的钻孔爆破以及开挖后喷射混凝土支护等过程往往会产生大量污染性粉尘。隧洞中粉尘的存在会使工作环境极易发生安全事故，严重影响施工人员的人身安全，同时空气中粉尘的存在也会对现场施工机械带来一定程度的磨损。研究粉尘的运移特性和风流特征，并设计合理的隧道施工通风方案是保证隧道内空气质量优良，保障施工进度与安全的重要手段。施工通风是隧道施工的关键组成部分，目前隧道施工通风方式有独头压入式、抽出式、巷道式和混合式等。在常用的隧道施工方式中，压入式通风具有安装方便，沿巷道流出的工作面回风可以带出有害气体等优点，已经成为特长隧道采用较多的方案。国内外许多学者针对压入式通风进行了一系列研究。王林峰等针对风筒直径、风筒口距掌子面距离、湿度个因素对瓦斯隧道压入式通风效果的影响程度进行了组合分析，并给出了瓦斯隧道风筒安装位置的建议值用于指导施工。赵树磊等依托米拉山特长隧道研究了特长隧道独头压入式通风条件下、粉尘等通风污染物的运移规律以及不同时间段质量浓度变化，研究表明粉尘浓度呈现先上升后下降至稳定值的趋势，隧道中台车的存在会导致附近出现粉尘聚集现象，且 质量浓度远离掌子面处更高，呈二次函数变化。朱祝龙等以隧道通风系统中抽出式和压入式风机的组合功耗与排烟体积的比值为基准，对抽出式通风机对隧道通风排烟能力的影响进行了量化，并得到了最优的通风机组合情况。地铁隧道爆破开挖产生的细粉尘会迅速填满整个工作区。等利用数值模拟、现场测量、爆破通风模型相结合的方法，分析了压入式通风条件下工作区粉尘的扩散特征和不同粉尘浓度上限条件下送风流量和炸药总质量对通风时间的影响。但是随着隧道通风距离的增加，压入式通风并不能满足特长隧道所需要的通风量。当特长隧道内仅采用压入式通风方式时，隧道内的粉尘仍会处在一个较高浓度的状态，很难降低到规范允许值。因此通常会采用风机辅助通风以实现隧洞内污染物的排出，而射流风机因其对风流良好的诱导作用长安大学学报（自然科学版）年及易获取、造价低廉、安装移动方便等优点，常被应用于施工隧道通风中 。等对单纯的压入式通风方式和安装射流风机辅助通风种工况的隧道通风效率进行了对比，结果表明加入射流风机辅助通风后，隧道内通风效率更高。近年来，许多学者针对射流风机辅助通风时风机的合理布置方案进行了理论和数值研究，并取得了相应的研究成果。等采用 软件研究了瓦斯隧道内横通道与主洞交接处射流风机摆放位置，结果表明合理的射流风机摆放位置可以有效降低交界处瓦斯浓度。等在选定风机型号和隧道尺寸后，利用数值模拟方法研究了不同射流风机的出口最优偏角，结果表明射流风机出口存在最优偏角，该隧道条件下射流风 机出口向 下偏移 有 较 好 的 通 风 效果。等对射流风机的气动性能进行了研究，结果表明风机距隧道壁面的距离可以影响到射流风机诱导的空气射流特性。等研究发现，曲线隧道中合理的射流风机安装俯角可以提升风机的升压效果并减少壁面剪切力。等研究了曲线隧道中射流风机的安装参数，并提出了一种通过风机组绕行车道法线旋转以改善隧道螺旋内外风速分布不均的安装方法 。张奥宇等利用基于网络通风算法的 软件，研究了城市地下匝道及主线中排出污染物时射流风机的配置情况，在常规运营状态隧道内交通风即可满足隧道内风量要求，但是阻滞工况下需要开启射流风机进行辅助通风。与一般直线隧道相比，曲线隧道中流场分布会有明显不同。陈研等针对曲线隧道射流风机的布置位置、偏转角度等因素对流场分布和风机升压能力的影响规律进行了分析。赵东平等研究了铁路隧道防灾通风工况下射流风机安装位置对通风效果的影响，并给出了风机安装位置的建议值。矩形大断面水下隧道由于其结构形式特殊，射流风机的布置方式也会发生变化。卢毅等研究了风机高度、风机横向以及纵向间距等因素对隧道纵向通风的影响。张洪杰等运用理论分析与数值模拟的方法探讨了火灾发生时隧道坡度对射流风机临界风速的影响规律，结果表明隧道坡度对射流风机的临界风速会有很大影响。任锐等运用了正交试验，分析了隧道内射流风机轴向间距、安装高度、安装角度等对通风效果的影响程度，并给出了最佳安装方案。陶浩文等借助 数值模拟软件，分析了不同曲率半径下空气射流在曲线隧道内的流场分布及升压效率，曲线隧道内风速是否可以实现均匀分布存在一个极限曲率半径值，射流风机布置于直线隧道时其升压效率更高，且曲率半径的大小与升压系数的提升效果成反比。射流风机的横向布置位置对隧道通风效率与汽车尾气的净化有直接影响。徐志胜等借助数值模拟方法，分析了不同风机横向布置间距条件下隧道内的流场分布、污染物分布，研究表明流场分布与污染物分布具有相似的规律，当横向间距设置为倍风机直径时隧道内污染物控制效果最好。目前，针对射流风机对隧道通风的促进效果已被证实，在此基础上许多学者对射流风机的空间布置优化问题也进行了讨论，但是对于射流风机辅助隧道施工时的通风除尘效果，以及风机不同的安装布置方式对除尘效果的影响程度仍需要进一步分析。本文以香山特长隧道为工程依托，模拟了斜井施工段中的粉尘运移特性，分析了风机距隧道中线距离、风机风速、风机距挂布台车距离、风机高度等因素对隧道通风效果的影响规律，并利用正交试验法对部分因素进行了参数显著性分析，探讨了这些因素对于除尘效果的影响程度。对特长隧道斜井施工段射流风机的布置优化进行研究，可以为特长隧道斜井施工段独头压入式通风方案的设计提供参考。依托工程 工程概况香山隧道设计全长 ，位于宁夏回族自治区中卫市沙坡头区常乐镇水车村乱井子附近，穿越香山山脉，是中兰铁路的重点控制性工程，香山隧道示意如图所示。隧址区地貌单元为低中山区，地形切割强烈，间歇性沟谷发育。为满足工期需要，香山隧道共设座斜井，其中号斜井全长 ，位于线路前进方向右侧。受隧址区地形地质条件的影响，香山隧道斜井整体向兰州（出口）方向偏移 ，与线路右线交叉对应里程为 ，与线路中卫端方向平面夹角 ，斜井小里程方向独头通风距离为 。香山隧道 施工段既有通风方案设计如表所示，其中风机型号均为 。检测时隧道施工通风采用第阶段压入式通风方案，洞外布设台 轴流风机，通风系统中未加入射流风机。现场风流与粉尘浓度测试现场检测的测线布设如下：沿隧道纵向设置第期陈双秦，等：特长隧道压入式通风结合射流风机通风方案优化图香山隧道示意 表施工通风方案设计 通风长度风管直径供风量（）数量 .条测线，分别为隧道中线及隧道中线左右两侧处。测线上各测点布设为：挂布台车前，在各测线上每 布设个测点，两台车正下方不设置测点。考虑到掌子面、台车附近作业人数较多，故各测线在距掌子面、处各增设个测点；二衬台车后，每 在各测线上布设个测点，斜井与主洞交界处各测线均增设个测点。考虑到隧道内存在大量呼吸性粉尘，会影响现场施工人员的健康，因此将测点高度选定在呼吸带高度附近 ，测点高度为 。隧道断面测点布设如图所示，隧道纵向测点断面布设如图所示。同时采用 型直读式粉尘浓度测试仪测定测试空间内各测点的粉尘浓度以及呼吸性粉尘浓度，测试仪流量为 ，采样流量误差 。粉尘浓度测量范围 ，各测点采样时间为 。隧道喷射混凝土作业会持续产生大量粉尘，这些粉尘会影响附近作业人员的健康。因此选定喷射混凝土工况为测试工况，同时对隧道内风流方向进行采集。进行风向检测时，适当加密测点。距隧道底面 平面内风流走向如图所示。测量结果显示：隧道掌子面附近、主洞与斜井交界处附近形成了乱流。挂布台车与二衬台车附近隧道两侧风流较为紊 乱。现 场 测 得 隧 道 风 管 出 风 口 处 风 速 约 为 。隧道外轴流风机开启至隧道内风管出口有稳定新鲜空气流入隧道的时间 。图隧道断面测点布设 图隧道纵向测点布设 图检测平面气流走向 长安大学学报（自然科学版）年喷射混凝土作业开始 后，分别对隧道内右测线沿程粉尘浓度及距掌子面 内各测点粉尘浓度进行现场检测。隧道右测线沿程粉尘浓度和隧道两台车处各测点粉尘浓度及各断面测点平均粉尘浓度如图所示。图粉尘浓度现场检测 由图（）可以看出，香山隧道粉尘浓度相对较小，沿程粉尘浓度最大值为 ，呼吸性粉尘浓度占总粉尘浓度的 以上。这是因为香山隧道采用的是湿喷混凝土工艺，与干喷工艺相比可以大大降低喷射混凝土时产生的粉尘量。由图（）可以看出：两台车附近断面平均粉尘浓度从大到小依次为二衬台车后（）、挂布台车前（）、两台车之间（）。台车下方断面面积有一定程度减小，气流携带粉尘向台车下方移动，因此挂布台车前断面（）有一定程度粉尘聚集，断面平均粉尘浓度相对较大；挂布台车与二衬台车之间断面（），隧道两侧与中部的风速有一定差距。中测线处风流较大且较为稳定，台车下方的粉尘可以顺利通过台车向隧道出口方向移动。因此中测线处粉尘浓度相对较低，为 ；两端测线处风速较小且风流较为紊乱，粉尘浓度相对较高。二衬台车后断面（），由于二衬台车后断面增大，造成风速逐渐降低，且由于隧道两侧存在乱流，使得该处断面平均粉尘浓度较大，为 。数值模拟 数值模型建立及验证根据施工现场实际情况建立香山隧道施工段物理模型，如图所示。几何模型隧道长度同现场实测时的开挖长度保持一致，主洞长度为 ，斜井长度为 ；风管直径为，风管出风口距掌子面，挂布台车距掌子面，二衬台车距掌子面 。图通风数值模型 将几何模型简化如图所示。将隧道主洞初期支护段隧道断面简化为半径为 的圆，底面距圆心，初期支护段隧道断面面积为 ；隧道主洞二次衬砌段隧道断面简化为半径为 的圆，底面距圆心，二次衬砌段断面面积为 ；斜井隧道拱高，宽，斜井隧道断面面积为 。采用 软件对物理模型进行网格划分，在进行网格划分时，需要进行网格无关性验证。本文首先划分尺寸相对较大的网格进行初步计算，然后在流场趋势基本正确的情况下对网格进行加密，并参考现场检测数据，直到模拟结果随网格密度的变化幅度在允许的范围内。根据现有的粉尘浓度分布，网格划分的整体尺寸大多在 之间 。考虑到研究对象是粉尘在整个施工段的扩散规律，模型网格划分没有设置局部加密；由于模型尺寸较大，为便于计算，网格尺寸大小设置为。其中网