特长隧洞施工高强度运输尾气排放通风仿真分析

2011-05-08罗汝洲

铁道建筑 2011年1期

罗汝洲

(中铁十三局集团公司第二工程公司，广东深圳 518083)

鉴于锦屏二级水电站引水隧洞长达16.67 km，钻爆法施工独头掘进通风距离达到了12.5 km，TBM独头掘进通风距离达到了14.5 km。随着隧洞掘进的不断深入，洞身长度增加后，洞身段很可能会出现通风不畅、通风时间大幅度增加。并有可能发生整条隧洞长期处于污染或死风，严重影响工程建设进度和安全。

尽管对特长隧洞不同工作面以及洞身段通风方案及其参数可以采用较为详细的理论计算和分析，但在实施过程中的通风效果到底如何?能否满足实际隧洞掘进工作面和洞身段的通风需要，还需通过仿真分析和现场试验进一步验证说明。为此，本文针对理论分析结果，选出较难把握或在实际施工中可能会有问题的主要关键节点，运用大型分析系统软件建立相应模型，对后期施工组织调整后的各条隧洞不同阶段的主要关键节点的通风方案及其参数进行分析，以此为后续通风方案的完善提供有力基础。

1 特长高污染隧洞通风方案及参数分析

选择污染程度较大且通风强度要求较高的4#引水隧洞进行仿真分析。

1.1 洞内主要污染源

隧洞施工过程中的主要污染源为施工爆破中产生的炮烟和粉尘，运输车辆产生的尾气和烟尘。

1.2 通风方案分析

4#引水隧洞的通风分为两个部分:一是隧洞掘进工作面的新鲜风供应，二是洞身段供风。对于工作面的通风，当4#引水隧洞贯通至排引2#施工支洞后，可取3#隧洞返程风，也可阶段性从排水洞取风。但应尽量避免从排水洞取风，因必须确保排引2#、3#和施工排水洞的通风。对于洞身段通风，主要靠由工作面的返程风流维持。

1.3 通风参数

依实际监测数据知，4#引水洞内的车流量高达4 000辆/d，其排放污染物的总功率高达1 167 kW，总需风量5 403 m3/min。用于克服隧洞中的空气阻力的风机总推力为41 100 N，射流风机的推力仅为1 650 N。

1.4 风机配置

基于上述理论分析，4#引水隧洞洞身段的排风主要包括高强度运输尾气污染后污风排放，按通风风量、风压、环境条件以及推力等因素分析，采用每240 m布置一台射流风机排出污浊空气。4#引水隧洞污风排放风路及风机布置见图1所示。

图1 4#引水洞污风排放风路及风机布置(单位:m)

2 高强度通风系统仿真分析

按仿真分析技术对上述通风方案与参数进行仿真计算，以便更好地对4#引水洞洞身段污染空气的射流加强排放方案做进一步研究。

2.1 物理模型

4#引水洞横断面面积137 m2，洞身长6 000 m，水力直径13.2 m。采用射流风机将4#引水洞内污风沿隧洞排出。

为对4#引水隧洞洞身段通风进行仿真分析，在建模过程中采取了一定简化措施，即隧洞横断面采用矩形，风管横断面采用方形。简化准则为:隧洞模型横断面面积及宽度与原型一致，风管模型横断面面积与原型一致。

2.2 边界条件

假定等温通风，流体为不可压缩、非稳态紊流，满足Boussinesp假设;紊流黏性具有各向同性。以排引2#施工支洞与4#引水隧洞交叉口为风流进口，以4#引水洞出口为风流出口。模型边界条件如下:①风流入口为质量入口边界条件;②隧洞出口为压力出口边界条件(大小等于当地大气压);③隧洞壁面设为固壁边界条件，并根据实际的粗糙度给定相应的壁面函数中的参数。另外，模型中给定风流入口流量(按理论计算所要排出的风量计算)、射流风机风压，出口相对静压设置为0。经过仿真计算，可以得出整个隧洞内气流的速度场和压力场。数值仿真的物性参数和边界条件见表1。

表1 数值仿真的物性参数和边界条件

2.3 采用的仿真分析方法

采用等温工况条件进行仿真分析，湍流模型采用RNGk-ε双方程模型，近壁处理采用标准壁面函数，离散格式采用一阶迎风格式，压力项采用标准压力修正方程，压力速度耦合采用SIMPLE算法。在风流入口处采用质量进口边界条件，通过洞内风速、环境条件及车辆和设备的影响确定风机风压。与大气环境相连的出口采用压力出口边界条件，并指定压力为零。

2.4 计算结果及分析

新鲜风流由进风口导入至工作面后，沿洞身段排出，为能更好地分析各位置的风流变化，分别在各射流风机射流附近设置监测点，并在风机前后10 m处共设置5个监测横截面，即风流进口风机处2个，隧洞中间风机处2个，风流出口1个。每个横截面处设置4个监测点，检测点布置如图2所示。在此主要对速度进行分析，以此确定射流排风方案的排风效果。