隧道出碴过程CO浓度监测与模拟研究及应用*

刘敦文，甘如鲁，张聪，李波

(中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083)

隧道是相对封闭的受限空间，隧道施工过程中洞内气体扩散受到限制，机械设备及工程车辆排放的污染物易在洞内积聚，尤其是CO，严重影响作业人员的健康与安全。国家相关技术规范规定［1］，空气中 CO最高允许浓度为30 mg/m3。目前，国内外对隧道施工空气环境的研究对象多以爆破后粉尘和有害气体的稀释为主［2－4］，而对施工环境同样恶劣的出碴过程却涉及较少。有研究表明:车辆排出的空气污染物中，CO对人体健康与行为能力的影响最显著。而国内外对隧道内CO的研究主要是CO的控制技术和对CO浓度限值，而对隧道内CO的分布规律研究的较少。李孜军等［5］对双洞隧道掘进时CO扩散规律进行模拟研究;李鸿博等［6］应用CFK模型分析CO浓度影响因素，并提出了不同条件下CO浓度设计限值;叶蔚等［7］分析了CO对人体健康的影响，并基于改进的CFK方程研究了隧道内CO浓度的限值。随着社会的发展，世界各组织对施工人员健康安全越来越重视，准确评价隧道掌子面的作业环境对隧道的安全施工至关重要。本文基于流体力学理论，运用Fluent软件对隧道出碴过程洞内通风流场的特性及CO浓度场的空间分布规律进行分析，确定影响掌子面区域CO浓度的主要因素，结合现场监测验证模拟的可靠度;并综合应用Coburn－Forster－Kane(CFK)方程［8］，分析隧道出碴环境下，人体体内羧络(碳氧)血红蛋白(Carboxyhemoglobin，简写为COHb)与隧道内CO浓度及人体作业时间的关系，提出了合理的CO浓度限值及安全连续作业时间，为隧道安全施工及管理提供技术依据。

1 隧道出碴过程CO浓度现场监测

某特长公路隧道岩石节理裂隙受构造影响普遍发育，尤其破碎带附近发育更甚，围岩地下水类型主要为孔隙型潜水、基岩裂隙水。隧道建筑界限净宽10.25 m，净高5.0 m，采用射流风机纵向通风方式，风筒直径为1.2 m，出风口距工作面距离为30 m。使用美国英思达T40便携式CO检测仪进行监测。

沿隧道掘进方向，作业区域每5 m取一个监测断面，由于条件限制，每个断面取高度y=2 m处监测点3个，分别为中心点x=0，两侧点x=4和x=－4，也可分别表示为左中右3条监测线。因出碴过程中挖掘机和自卸车主要作业区域为掌子面前方100 m内，因此将所有监测点设置在该100 m内工作区间。监测点坐标见表1。

2 隧道出碴过程CO浓度数值模拟研究

2.1 物理模型构建

本三维隧道模型按某特长公路隧道实际尺寸建立，隧道横截面最大宽度12 m、高8 m，风筒直径1.2 m，位于隧道侧壁中上部，风筒至工作面距离30 m。工作面前一辆挖掘机和2辆重型自卸车进行出碴作业，用方体表示。通风方式为压入式通风。模型如图1所示。

图1 掘进隧道的物理模型Fig.1 Physical model of heading face of tunnel

2.2 数学模型

2.2.1 基本假设条件

(1)通风气流视为低速不可压缩流体。(2)气体在稀释扩散过程中不发生化学反应及相变反应，并假设壁面为等温混凝土。(3)挖掘机与自卸车工作状态中均无位移变化。

2.2.2 边界条件

根据实际条件，以通风风筒口、车辆尾部分别为空气进口边界及CO进口边界，距工作面100 m处截面为出口边界，隧道施工作业车辆为长方体壁面边界。具体设置如下:

(1)入口边界:通风风流速度V1=10 m/s，结合工程实际作业面挖掘机与自卸车的CO排放量q1=24 m3/min，q2=18 m3/min。

(2)出口边界［9］:，相对压力 p=0。

(3)壁面边界:壁面为无滑移边界。

2.3 数值方法和结果分析

2.3.1 数值算法

使用Gambit软件对图1隧道物理模型划分结构化网格，如图2所示。采用非定常隐式解法，选取RNG k－ε湍流模型，应用组分传输模型，用分离求解的SIMPLE算法求解，经多次迭代获得收敛。

图2 掘进隧道的网格划分Fig.2 Grid plotting of heading face of tunnel

2.3.2 风流模拟及结果分析

经Fluent和Tecplot后处理软件分析数据得风流场如图3～图4所示。

图3 隧道X－Z平面(y=5 m)气流场Fig.3 Airflow field in X － Z plane(y=5 m)of heading face of tunnel

图4 隧道X－Z平面(y=2 m)气流场Fig.4 Airflow field in X － Z plane(y=2 m)of heading face of tunnel

根据图3～图4分析得出:

(1)特长公路隧道有限空间内受限附壁流场中附壁射流区、冲击射流区、涡流区、回流区有较明显的分界。

(2)气体自风筒沿壁流出做射流运动，因卷吸作用吸附周围气体，直到射流断面达到最大值，之后受工作面与回流的影响停止卷吸作用，转而从射流中析出，最终到达壁面的的射流冲击壁面同时附壁形成回流，且回流区略大于射流区，射流区和回流区之间相互作用，在壁面前方中间带形成涡流。

(3)作业车辆会增加壁面条件，使得流场更加复杂。气流遇车体壁面发生分离，形成位移区，分离后部分气流经工作面回流作用与其他气流作用，继而产生涡流;在气流方向车体背后出现了低压区，即空腔区;有回流的涡流区，还因动能损失，在气流方向形成尾流区。

(4)由于涡流的作用，使得射流能量损失，风速明显降低，不利于CO的扩散和稀释。

2.3.3 CO浓度模拟及结果分析

CO浓度场稳定时的分布如图5～图8所示。

图5 X－Z平面(y=5 m，y=2 m)CO浓度云图(摩尔分数)Fig.5 CO concentration field in X － Z plane(y=5 m，y=2m)(mole fraction)

图6 X－Z切面CO浓度云图Fig.6 CO concentration field in X － Z plane

图7 X－Y切面CO浓度云图Fig.7 CO concentration field in X － Y plane

图8 Y－Z切面CO浓度云图Fig.8 CO concentration field in Y － Z plane

由图5～图8分析可得出:

(1)Y=5 m平面，距工作面10～30 m中间区域，此区域为多涡流作用带，区内气体流速小，流线封闭，导致CO扩散不及时而积聚，因此CO浓度相对较高，最大浓度可高达80 mg/m3。而在Y=2 m平面，由于柴油机尾气排放和车辆壁对气流分流、阻滞等作用而形成较多回流和涡流区，因此作业车辆中间区域和车辆尾部CO浓度较高。

(2)分布于隧道两侧的射流风与回流风主体区域CO浓度较低，两股风流在中间带交汇作用处浓度较高，风筒侧上部CO浓度较低，由于风筒口附近射流起始范围小，该侧下部受到回流产生的涡流影响，CO在此滞留，浓度升高。

(3)由于CO密度较空气密度稍低，在气流作用下CO向拱顶处扩散较快。距掘进工作面越远，CO扩散越均匀，拱顶CO浓度逐渐增大，可较好的排出。

(4)从分析结果可以看出，工作区间涡流的作用为CO浓度较高的主要原因。

2.4 模拟结果的监测验证

左中右3条监测线CO摩尔分数随距离变化的监测值与模拟值的比较如图9所示。

图9 3条监测线CO摩尔分数的监测值与模拟值的比较Fig.9 Comparison of monitoring data and simulation values of three inspecting lines

由图9可以看出:实测点部分落在模拟曲线上，大部分实测点与曲线有偏差，但偏差较小，整体来说模拟结果与监测结果吻合良好，说明本文采用Fluent软件模拟隧道出碴过程CO的分布规律是有效的，结果可靠直观，软件模拟值可用作一般数值计算的依据。

3 COHb的CFK方程解及影响分析

3.1 CO对健康安全的影响

CO会对人体产生危害主要因为CO易与人体血液中的血红蛋白结合生成羧络(碳氧)血红蛋白，从而降低人体血液的输氧能力和氧气浓度。医学研究表明，COHb浓度达到2.5% ～3%即对人体产生不良影响，不同的血液中COHb浓度对人体行为的影响［10］见表2。

表2 血液中COHb浓度对人体行为的影响Table 2 Influence to human body of COHb concentration

3.2 血液中COHb浓度方程—Coburn－Forster－Kane方程

隧道施工中，人体吸收CO速率与人体血液中COHb浓度关系方程描述如下:

式中:VCO为人体产生CO速率;［COHb］和［O2Hb］为血液中碳氧血红蛋白含量和氧合血红蛋白含量，mL/mL;pO2为肺部氧气分压，mmHg;M为Haldane常数;PCO为吸入的CO分压力，mmHg;PB为大气压力，mmHg;PH2O为水蒸汽压力，mmHg;DL为肺部质量转换系数，mL/(min·mmHg);VA为肺部的空气交换律，mmHg。假定 d［CO］=Vbd［COHb］，积分解得:

3.3 方程解算结果分析

本文使用了Maple软件解算CFK方程，部分参数选取依据世界卫生组织(WMO)和相关文献资料［11］。某特长公路隧道正常出碴作业时间为3～4 h，本文取t=4 h=240 min。作业区CO平均浓度通过Fluent软件计算，为60～61 mg/m3。代入数据，解算 CFK方程得［COHb］=0.008 9 mL/mL，即 COHb占血红蛋白百分比%COHb=4.45%(2.5% ～10%范围内)，此COHb浓度会使视力减弱，警觉性下降，工作能力明显受限。

运用Maple内置画图模块绘制3个变量关系如图10～图12所示。

图10 COHb浓度随作业时间变化曲线Fig.10 Variation curve of the COHb with working time

图11 COHb浓度随CO浓度变化曲线Fig.11 Variation curve of the COHb with CO concentration

图12 CO浓度和作业时间关系曲线Fig.12 Relationship curve of the CO concentration and working time

根据图10～图12分析可得出:

(1)CO浓度为60 mg/m3的工况中，体内COHb浓度上升迅速，最大值可达30 mg/m3时的2倍。

(2)连续作业时间分别为4，2和1 h情况下，体内COHb浓度与环境CO浓度呈一次线性关系，且连续工作时间越久，CO浓度影响越显著。

(3)随着CO浓度的降低，体内COHb浓度达到2.5%所用作业时间越长;CO浓度达到30 mg/m3，可连续作业4 h，完成出碴过程。

3.4 措施与建议

(1)在隧道出碴过程中，为保证施工人员健康安全不受洞内CO危害，应对作业过程进行控制，确保施工人员血液COHb浓度低于2.5%。

(2)一般情况下，CO浓度宜控制在30 mg/m3水平以下，单人可连续进行4 h的作业，即可完成整个出碴过程。本项目中CO浓度为60 mg/m3，根据CFK方程，在此环境浓度下，每人连续作业时间不能超过95 min，若单人连续作业班时超过95 min，宜采用多人轮岗操作。

4 结论

(1)通过对比隧道内CO浓度实测数据与模拟结果表明:Fluent模拟结果与实际流场相吻合，能有效揭示CO分布规律，结果可信、直观、可视性强。同时确定了影响工作区通风效果和CO扩散的主要因素为风流作用产生的涡流。

(2)运用Fluent软件计算得出主要工作区CO平均浓度达 60 mg/m3。结合世界卫生组织(WMO)数据和CFK方程，解算出人体血液COHb浓度高达4.45%，将会影响人体行为能力，从而影响施工安全。依据血液COHb浓度、环境CO浓度和连续作业时间三者的关系曲线，得出CO浓度宜控制在30 mg/m3以下，并提出多人轮岗制措施。

(3)将实时监测、Fluent数值模拟与CFK方程结合的方法应用于隧道安全管理中，能有效控制安全事故，改善工作环境，为隧道施工过程空气环境对作业人员危害影响研究提供了一条新途径。

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