高海拔高地温铁路隧道施工通风CO扩散特性分析_刘庆宽.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022高海拔高地温铁路隧道施工通风 CO 扩散特性分析刘庆宽1,2,3,郑肖楠3,崔会敏2,4,韩智铭3(1.石家庄铁道大学 省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室,石家庄 050043;2.河北省风工程和风能利用工程技术创新中心,石家庄 050043;3.石家庄铁道大学 土木工程学院,石家庄 050043;4.石家庄铁道大学数理系,石家庄 050043)摘要:在隧道钻爆法施工的通风阶段,受高海拔、高地温的影响,空气特性(如空气密度、气压、温度等)发生改变,使隧道内气流组织运移规律趋于复杂,因此有必要研究特殊环境影响下隧道施工通风 CO 扩散问题。基于 CFD 模拟方法,建立三维模型,采用 k-湍流模型进行非稳态计算。首先考虑海拔、地温分别对 CO 扩散的影响,再分析海拔与地温耦合对 CO 扩散规律的影响。结果表明:不考虑地温的影响,对比各海拔的施工排烟安全距离,发现随着海拔逐渐升高,CO 气团跨度增大,排烟安全距离相应增加,根据公式推导和数据分析得到修正后的排烟安全距离计算公式;考虑地温影响,隧道内环境温度与掌子面距离呈三次非线性增长,隧道内 CO 的扩散受地温影响明显。关键词:隧道;钻爆法施工通风;海拔;地温;CO 扩散特性中图分类号:TU761.4文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-1015-08Analysis on CO Diffusion Characteristics of High Altitude and High Ground Temperature Railway Tunnel Construction VentilationLiu Qingkuan1,2,3,Zheng Xiaonan3,Cui Huimin2,4,Han Zhiming3(1.State Key Laboratory of Mechanical Behavior and System Safety of Traffic Engineering Structures,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,P.R.China;2.Innovation Center for Wind Engineering and Wind Energy Technology of Hebei Province,Shijiazhuang 050043,P.R.China;3.School of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,P.R.China;4.Department of Mathematics and Physics,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,P.R.China)Abstract:In the ventilation stage of tunnel construction affected by drilling and blasting method,air density,air pressure,temperature and other air characteristics change,the air flow in the tunnel migration law tends to be complex.Therefore,it is necessary to study CO diffusion in tunnel construction ventilation.Based on the CFD numerical calculation method,a three-dimensional model is established,and the k-turbulence model is used for unsteady calculation.The effects of altitude and ground temperature on CO diffusion were considered respectively,and the effects of altitude and ground temperature coupling on CO diffusion were analyzed.Results showed:without considering the effect of ground temperature,the safety distance of smoke extraction at different altitudes is compared.It is found that with the increase of altitude,the span of CO air mass increases,and the safe distance of smoke extraction increases correspondingly.Modified calculation formula of smoke exhaust safety distance based on 收稿日期:2022-08-19(修改稿)作者简介:刘庆宽(1971),男,河北保定人,博士,教授,主要从事桥梁与结构的风荷载、风致振动与控制研究。E-mail:lqk 通讯作者:崔会敏(1987),女,河北衡水人,博士,讲师,主要从事大跨结构及高层建筑通风防灾研究。E-mail:huimincui 基金项目:国 家 自 然 科 学 基 金(11802186);河 北 省 自 然 科 学 基 金(E2022210069);河 北 省 青 年 拔 尖 人 才 项 目(BJ2019004);河北省自然科学基金创新研究群体项目(E2022210078);河北省高端人才(冀办201963号)formula derivation and data analysis.Considering the influence of ground temperature,the environment temperature has a cubic nonlinear growth with the tunnel surface,and the CO diffusion in the tunnel is obviously affected by ground temperature.Keywords:tunnel;drilling and blasting construction ventilation;altitude;ground temperature;diffusion characteristics of CO 0引言钻爆法广泛应用于隧道掘进,若爆破污染物稀释效果不佳会导致空气质量下降,对人体危害极大。气流对污染物起到稀释和运输的作用,因此气流流动特性会影响污染物的扩散规律。川藏铁路有海拔高、地温高的环境特点,海拔和地温热源都会改变气流流动特性。根据前人研究1-2,钻爆法施工通风过程中,排出 CO 难度较高,若 CO 满足安全性要求,则其余爆破产生的氮氧化物、粉尘等也满足要求。本文分别讨论海拔和地温对 CO 扩散规律的影响,再分析海拔和地温的耦合作用。公路和铁路隧道施工通风多使用强制通风方法,风机性能、规格、使用效率、布置位置、纵向间距等都会影响对施工通风气流分布和污染物的稀释效果。赵黎、Yong Fang、Laurent Paul Mayala 等人利用 CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟、理论推导、能量守恒等方法,得到了风机最佳布置位置3、风机组适宜间距4、风管末端与掌子面距离5、高海拔风管漏风率6及排污计算的物理模型7。苟红松等8通过公式推导,吕辉9利用CFD 数值模拟方法,研究了海拔升高对空气性质、污染物毒性的影响,发现高海拔隧道施工通风不能延续低海拔通风设计方法,建议施工通风设计考虑海拔变化污染物体积的膨胀值。严涛等10利用现场实测和理论计算得到机动车排放污染物的海拔修正系数,lvarez 等11研究了压入式通风系统下风量计算并建立数学模型。曹正卯12也研究了高海拔特殊的施工环境特征,主要针对受不同海拔的环境变化而引起的需风量变化,得到需风量海拔系数,该海拔系数设计的需风量大于规范中需风量设计值。Huang 等13认为高原巷道 CO 扩散的主要影响因素包含通风口与掌子面距离、风量、海拔,相关系数分别为 0.993 1、0.779 2、0.436 6。曹正卯12、孙三祥等14、王文15研究了爆破阶段和出渣阶段海拔、空气湿度、出渣车辆行驶速度等单变量因素对隧道内污染物的扩散影响,认为海拔引起的气压变化对污染物扩散影响显著,气压降低不利于污染物的扩散。铁路隧道施工 CO 在短时间平均浓度的接触限值为 30 mg/m3,特殊情况下施工人员必须进入掌子面时可放宽至 100 mg/m3 16,此处 CO 质量浓度达到规范规定的浓度限值,暂不考虑高海拔地区规范限值的变化,以规范中允许质量浓度为判定标准11。新建川藏铁路总长约 1 000 km,隧道占比 90%以上,海拔 3 km 以上的隧道约占 65%,海拔 4 km以上约占 22%,最高的隧道工区海拔超过 4 500 m;川藏铁路周围分布大量温泉点,部分区域超过60,大部分区域超过 40,导致施工隧道不可避免遇到高地温热害问题。前人研究多针对高海拔隧道风机布设位置、污染物排放、需风量计算,并未研究地温对污染物扩散的影响,海拔和地温作用相互叠加对污染物扩散的影响也未明确。在川藏隧道高海拔和高地温的双重特点下,讨论污染物扩散规律对于该类隧道的通风设计具有一定意义。本文利用 CFD 软件建立了双线铁路隧道的三维模型。以 CO 为目标因子,研究隧道钻爆法施工通风 CO 扩散规律及通风对 CO 的稀释作用,讨论海拔和地温对 CO 扩散的影响,以此为基础研究海拔和地温的耦合作用。1数值方法1.1物理模型图 1(a)为高 8.14 m、底部宽 11.3 m 的三同心圆模型断面,横截面面积 A 为 82 m2,风管下侧距地面 3.5 m,风管直径为 1.8 m,具体位置如图1(b)。隧道模型长度取掌子面附近 500m。风管出口位置距掌子面 20 m,原点位于隧道出口底部一侧。设置监测线 L1、L2、L3,每条监测线上选 11 个监测点,以 L1 上监测点坐标为例,L2、L3 上测点仅 x 坐标不同,P1-1(5.5,2,490)、P1-2(5.5,2,450)、P1-3(5.5,2,400)、P1-4(5.5,2,350)、P1-5(5.5,6101地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷2,300)、P1-6(5.5,2,250)、P1-7(5.5,2,200)、P1-8(5.5,2,150)、P1-9(5.5,2,100)、P1-10(5.5,2,50)、P1-11(5.5,2,0)。模型计算域和网格划分如图 2 所示,采用分区结构化网格,在风管壁面、隧道壁面附近进行局部加密,保证网格的过度均匀和六面体网格的长细比小于 50。图 1模型与监测点布置Fig.1Model and monitoring point layout图 2模型网格划分Fig.2Model grid division1.2控制方程流体运动满足质量守恒、动量守恒、能量守恒、组分守恒定律。控制方程采用有限体积方法离散,对流项选择二阶迎风格式,扩散项采用中心差分格式,松弛因子保持默