特长公路隧道独头掘进施工通风设计与数值模拟分析

刘 生,周 飞,李鹏举

1 概述

隧道施工中通风方式的选择不仅对辅助坑道的设置有影响,还决定施工速度及工程费用,尤其是以无轨运输为主的机械化施工的长大隧道,通风方案的选择尤为重要。在无轨运输作业条件下,内燃机设备废气排放量大,污染源分散在隧道沿程,稀释比较困难,其施工通风技术难度远大于有轨运输作业。目前国内有轨运输钻爆法施工时独头通风最长达7500 m,TBM施工最长超过 10 km。但在无轨运输钻爆法施工条件下,国内已建隧道独头掘进通风最长为 3600 m,目前公路隧道独头通风超过 3000 m的还没有[1～6]。在国外,法国铁路新干线隧道采用压入式通风独头通风最长的为 3400 m。

麦积山隧道为一座上、下分离的四车道高速公路特长隧道,宝鸡端洞口位于天水市北道区东岔镇境内,穿越秦岭主脊,散岔端洞口位于甘肃省天水市北道区利桥乡境内。隧道左线全长 12286 m,右线全长 12290 m,是目前国内第二长高速公路隧道,洞口位于平曲线上,曲线半径 R=4000 m,其余为直线段,隧道纵坡为 1.58%。隧道施工采用新奥法,本标段独头掘进隧道范围为右线 YK29+000～YK34+808,全长 5808 m,是目前世界上独头掘进最长的公路隧道。

2 施工通风方案

2.1 不利通风时段的组合

第一组合:掌子面开挖放炮时,第二台衬砌台车最远距掌子面距离为 270 m,衬砌混泥土初凝时间110 min,混凝土罐车运输时间最长为 40 min,炮烟必须在 30 min内通过第二台衬砌台车。第二台车工作人员按照 40人计,洞内其他工作人员 20人计,燃油设备按照 100 kW计。

第二组合:隧道出渣和衬砌混凝土同时施工时需要的风量。

2.2 风量计算[7]

2.2.1 第一组合通风量计算

(1)每次爆破需用炸药量 g计算

开挖断面 (按照 S3支护形式)面积为 80.13 m2,每次开挖进尺最大 3.5 m计,根据钻爆设计,单位用药量为 1.44 kg/m3,则:

g=80.13×3.5×1.44=404 kg

(2)通风时间 t按照 30 min计算;

(3)通风区段长度 L按照 L=270 m计;

(4)人员 m按 60人计,设备功率 w按 100 kW计,每个人员和设备每千瓦需风量 q按 3 m3/min计;

(5)通风断面 S3开挖支护后净空 80.13-2.3-1.03=76.8 m2计。

2.2.1.1 爆破排烟用风量 Q1计算

2.2.1.2 排烟区段内人员设备用风量计算

风量设备系数按 1.5计。

2.2.1.3 第一组合需风量 Q计算

Q=Q1+Q2=1451+720=2171 m3/min

2.2.2 第二组合通风量计算

出渣设备在掌子面同时施工的机械按照 184 kW装载机 2台,135 kW红岩自卸车按照 2.5台计;施工人员比第一组增加风水管处理人员 15个,道路维护人员 4个,第一组台车定位 22人,合计按 101人计。

通过计算,第一组合单位用风量为 2171 m3/min,第二组合单位用风量 2617 m3/min。

2.3 通风方案

计划采用分段综合式通风方式供风,具体布设见图 1～3。

2.3.1 第一阶段 2000 m内通风量计算

Q供=Q/(1-β)L/100

图1 第一阶段通风布置示意图

图2 第二阶段通风布置示意图

图3 第三阶段通风布置示意图

式中:β——综合漏风率,取 0.015;L——最不利长度,2000 m,Q——第一组合用风量,2171 m3/min。

Q供=2171÷(1-0.015)2000/100=2937 m3/min

第一阶段通风设计满足第一用风组合的要求,同时满足第二用风组合的用风量要求。

2.3.2 第二阶段 2000～3000 m段通风量计算

第二阶段采用抽排结合的方法综合通气,通风前应对前 2000 m的风带进行部分更换,中间通风机将影响到 1000 m的,将该段风管更换为铁皮通风管,铁皮通风管的 100 m漏风率为 0.01,考虑到第二组风机安装后,将产生区段的负压影响,风机前端200 m的漏风率按 0计。

根据隧道内稀释原理计隧道通风时,可在第二台车算后增加一组风机,向外排风,达到施工区段内的对空气质量的规范要求。计划在进洞 1500 m左右安装向外排风组,确保施工段的空气达标。

通风带按照风机进行配置,选用 150 cm的软、钢丝和铁质通风带。

2.3.3 3000 m以后的通风设计

隧道施工到 2770 m后,4号竖井可以进行排风工作,整个隧道按照竖井的安设分为两段。在 4号竖井联络风道设置一台射流风机进行排风。

3 数值模拟验证

隧道内气体作低速流动,在许多部位都存在紊流流态 (雷诺数 Re的数量级一般为 106),可采用不可压缩均匀紊流对隧道通风进行数值模拟。数学模型为 K-ε双方程模型,其基本控制方程见文献[8]。可把它们写成如下的通用形式:

对于稳态控制方程,可以用差分法离散,最终方程用矩阵表示为:

式中:Aij——对流项和扩散项离散后形成的刚度矩阵;uj——待求变量;Fi——源项离散后的矩阵。

采用流体力学有限元 FLUENT计算软件,其中代数方程的求解为 TDM(Tri-Diagonal Matrix Algorithm)法,计算模型见图 4。对施工通风进行数值模拟验证通风方案,防止出现烟雾回流现象。

图4 计算模型平面示意图

各个方案下的速度分布云图见图 5～7,由以上各阶段施工通风模拟所得云图可知,洞口方向流态较稳定,没有出现涡流区,不会发生烟雾回流,故施工通风设计所得成果满足实际工程需要。

图5 第一阶段风速分布云图

图6 第二阶段风速分布云图

图7 第三阶段风速分布云图

4 实施效果验证

由于仿真模拟参数均采用规范要求或已有经验取值,两者存在一定差异,故应根据实测值来验证模拟施工通风效果。当隧道掘进 1800 m时,施工作业环境中氧气体积含量为 23%,粉尘浓度为每立方米空气中含 2.1 mg,游离二氧化硅 (Si O2)的粉尘为1.3 mg,有害气体一氧化碳 (CO)浓度为 87 ppm。当隧道掘进 3600 m时,施工作业环境中氧气体积含量为 21%,粉尘浓度每立方米空气中含 2.3 mg,游离二氧化硅 (SiO2)的粉尘为 1.5 mg,有害气体一氧化碳 (CO)浓度为 96 ppm。测试表明各阶段隧道施工作业满足卫生标准[7]。

5 结语

(1)隧道施工通风问题与施工的安全和效率有着直接的关系,所以,隧道施工 (特别是特长隧道)首要解决的是通风设置的合理性和有效性,以创造良好的施工环境。

(2)通风方式的布置不但考虑通风效果,还要考虑能耗节约,尽可能做到低能耗高效率。对于长大隧道而言,轴流风机的应用不但解决了通风难和通风时间长的问题,还在一定程度上降低了能耗,基本达到了低能高效。

(3)合理通风方式的选择固然重要,通风的管理也是重中之重。一般情况下施工队伍都忽视对通风系统的有效管理,这对于一般小隧道施工而言其不良效果反映不明显,但对于长大隧道而言,其弊端就暴露得非常明显。所以,施工中要成立专门的通风管理小组,实施科学有效的通风管理。这不但涉及到对通风系统本身硬件的有效维护,还要做好交通引导,使各机械车辆按照预定的线路行走,避免造成风路紊乱,让通风系统充分发挥效用,这样才能取得良好的通风效果为施工创造舒适高效的工作环境。

[1] 王毅才.隧道工程[M],北京:人民交通出版社,2003.

[2] 关宝树.隧道施工要点集[M].北京:人民教育出版社,2003.

[3] 罗春如.干溪沟隧道通风技术[J],铁道建筑,2005,(7):55-56.

[4] 胡天国.长距离小断面隧道独头掘进中的施工通风设计[J].铁道建筑,2002,(9):39-40.

[5] 唐金仕.长大隧道独头掘进施工通风技术[J].山西建筑,2009,35(28):331-332.

[6] 杨家松.隧道无轨运输独头掘进超 9600 m施工通风技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2008,35(10):66-70.

[7] JTJ 026.1-1999,公路隧道通风照明设计规范[S].

[8] 李玉柱,范明顺.流体力学[M].北京:高等教育出版社,1998.