压入式通风模式下高原隧道有害气体分布特征研究

张玉伟，谢永利,2，赖金星,2,3, 李又云,2

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；3. 南洋理工大学 土木与环境工程学院防护技术研究中心, 新加坡 639798)



压入式通风模式下高原隧道有害气体分布特征研究

张玉伟1，谢永利1,2，赖金星1,2,3, 李又云1,2

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；3. 南洋理工大学 土木与环境工程学院防护技术研究中心, 新加坡 639798)

针对高原隧道特点，进行风机选型研究，利用现场监测手段得到粉尘和CO的分布特征，结合流体力学原理推导有害气体沿隧道轴向变化规律及工作区处随通风时间的变化规律，建立隧道中有害气体时空分布模型，并对现场测试数据和模型预测进行对比验证。结果表明：有害气体浓度沿隧道轴向呈线性增长分布，掌子面工作区浓度随通风时间呈指数下降变化；不同施工工序CO和粉尘浓度差异较大，应根据不同工序合理选择风机功率，通风距离和通风时间关系着CO和粉尘浓度，可根据理论预测值合理选择不同工序下的风机风量及通风时间。最后建议针对高原隧道施工环境的综合措施。

高原隧道；压入式通风；有害气体浓度；监测；分布特征

2. Shanxi Provincial Major Laboratory for Highway Bridge & Tunnel, Chang’an University, Xi’an 710064, China；3. Visiting Researcher of Protective Technology Research Centre (PTRC),School of Civil and Environmental Engineering , Nanyang Technological University, Singapore 639798)

高原与平原环境差异巨大，对于隧道工程而言，施工环境直接制约着施工进度和技术人员的身体健康。高原隧道空气成分和气压变化使得施工通风设计与平原存在差异[1-4]。由于缺乏对高原隧道施工中有害气体分布规律的认识，高原通风常常依据平原通风经验进行，普遍存在通风效果不佳现象[5]。平原隧道通风已多有研究，邓祥辉等[6]基于CFD理论，对压入式通风气流运动采用三维紊态RNG k-ε湍流模型进行三维数值模拟，得到了施工期隧道内流场和浓度场随时间在洞内的分布变化规律；王晓玲等[7]采用PISO算法求解非稳态的风流组织和CO浓度场，应用计算流体力学软件STAR-CD对云南南汀河引水隧洞独头掘进工作面通风进行了模拟分析；刘钊春等[8]采用ADINA对压入式通风条件下掘进隧道的有害气体浓度扩散进行了三维空间数值模拟，得到了有害气体浓度随通风时间的变化规律；刘敦文等[9]运用 Fluent 软件模拟分析隧道出碴过程洞内流场及 CO 浓度分布，得出了隧道出碴过程洞内通风流场特性及 CO 浓度场空间分布规律；梁文灏等[10]研究了乌鞘岭长大隧道通风方案的可行性；Klemens等[11]对海底隧道粉尘运移规律进行了研究，优化了通风方式；谭信荣等[12]依托长大隧道工程通风现状提出了施工通风优化措施。可以看出，上述研究多针对于平原区隧道，对于高原区隧道施工通风的研究尚显不足，且现有研究多采用数值模拟的方法，缺乏现场实测资料的支持，鉴于此，采用现场实测手段揭示高原隧道施工中的有害气体浓度分布规律，选择合理的通风方式并评价通风效果具有重要意义。本文以施工中的鸡丑山隧道为依托，基于高原区隧道特点进行风机选型设计，结合流体力学假设气流为理想气体，计算掌子面工作区有害气体浓度分布及沿隧道轴向分布，给出压入式通风模式下有害气体浓度分布规律；利用现场测试手段，采用滤膜测尘法和便携式CO检测仪，对不同施工工序粉尘和CO浓度进行跟踪监测，得到沿隧道轴向、通风时间的时空分布规律，并与理论分析进行对比，掌子面工作区处有害气体浓度随通风时间呈指数下降，随隧道轴向基本呈线性规律增长，可以利用文中公式对不同断面，不同时间时有害气体浓度预测，为选择通风风量及通风时间提供参数。最后结合测试结果综合分析通风距离、通风时间对通风效果的影响，并建议了环境优化措施，可为高原隧道施工环境控制提供参考。

1　鸡丑山隧道通风方案

1.1工程概况

鸡丑山隧道位于四川省甘孜州，为克服高差避开冰雪及雾期较长的路段，采用2 745 m的长隧道，隧道进口位于杜库沟左岸土质斜坡，里程为K114+970，地面标高4 200 m，隧道出口位于克希隆右岸土质斜坡，里程为K117+706，地面标高为4 199.21 m。隧道施工按新奥法实施，主要采用机械化作业，台阶法开挖，出渣全部采用无轨运输方式，通风方式为压入式通风。该地区海拔高，气温低，气压低，氧气含量低，根设计据资料，海平面地区氧分压为21.15 kPa，隧址区氧分压只有12.64 kPa，环境条件恶劣，因此必须做好施工通风设计，严格控制隧道内施工环境。

1.2通风设计及风机选型

1.2.1高原隧道特点

平原地区氧气充足，施工机械排放的有害气体浓度少，洞内环境主要受到出渣扬尘和炮烟控制，但高原地区，气压低，氧分压低，环境温度低，在强负荷条件下导致施工机械的功率下降，CO等有害气体的排放明显增加，已成为高寒隧道施工通风的控制因素[13-15]，高原区特殊的环境条件对于风机选型也有一定影响[16]。

表1　高原隧道与平原隧道差别Table 1 Difference of plateau tunnel and plain tunnel

1.2.2风量计算

按高原隧道内最多工作人数计算需风量：

Q1=Nmax×K×q1

(1)

式中：Nmax为隧道内同时工作最大人数；K为高海拔风量备用系数；q1为每人每分钟供给风量。

按炸药用量计算所需风量：

(2)

式中：A为一次爆破最多炸药量；L为最大排烟距离；S为隧道开挖面积；Kv为重率高程校正系数。

按隧道内同时工作机械设备排烟计算：

Q3=q3K1K2∑Ni

(3)

式中：q3为内燃机每千瓦所需风量；∑Ni为内燃机功率之和；K1为内燃机高海拔工作折减系数；K2为高海拔废气排量增加系数。

根据设计资料和设计规范，风量备用系数、每人每分钟供给风量、重率校正系数、内燃机工作折减系数以及废气排量系数等均需考虑海拔因素影响，考虑高海拔修正后的计算参数见表2。结合公式(1)～(3)和海拔修正计算参数可得考虑不同因素下Q1，Q2和Q3的需风量分别为441.6，1 600.13和1 588 m3/min。

表2　需风量计算参数Table 2 Calculation parameters of air

1.2.3风机选型

所需风机风量和风压可由下式计算：

(4)

h=h1+h2+h3

(5)

(6)

式中：Qmax为不同因素下需风量的最大值；L为通风距离；η为百米漏风系数；h1动压损失取50 Pa；h2沿程阻力损失；h3局部阻力损失取0 Pa；α为摩擦阻力系数；L1为风筒长；U为风筒周长；S1为风筒断面积。风筒参数均由常规风机配套风筒确定，计算参数见表3。

表3　风量和风压计算参数Table 3 Calculations of air volume and pressure

结合式(4)～(6)计算可得风机风量和风压分别为1 924.46 m3/min和2 240.52 Pa。通过对比选用一台DP№12.5/2×55型对旋式隧道通风机，风机风量为1 015～1 985 m3/min，风压为624～4 150 Pa，2极变速，通风方式采用压入式通风。

2　现场监测分析

2.1监测方案及控制标准

2.1.1监测方案

现场共布置了8个测试断面，断面里程为K117+680至K117+330，断面间隔50 m，依次记为断面1至断面8，方案布置如图1。测试内容主要包括2部分，第1部分为打钻、爆破、喷浆、出渣各工序下粉尘和CO沿隧道轴向分布规律；第2部分为典型施工工序下(粉尘选取喷浆工序，CO选取出渣工序)，典型断面下(断面7和断面8)分别测试粉尘和CO随通风时间的变化规律，并对测试结果进行汇总分析。

图1　压入式通风模式及测试方案布置Fig.1 Forced ventilation mode and test plan arrangement

2.1.2控制标准

目前，关于高原隧道施工CO和粉尘浓度规范涉及不全面，公路隧道施工技术规范中只提及了施工中CO浓度(见表4)，对于粉尘浓度只做了一般情况规定(平原区隧道)。对于高原隧道施工环境限值有一些初步研究，如谢尊贤等[17]参考国内外对于环境卫生标准研究了高原隧道施工环境指标限值，提出CO浓度限制为50 mm/km[18]；粉尘为含10%以上游离二氧化硅不得大于2 mg/m3，10%以下游离二氧化硅矿性粉尘不得大于4 mg/m3。

表4　CO浓度限值Table 4 CO concentration limit　mg/m3

注：MAC-时间加权平均容许浓度(8 h)；TWA-最高容许浓度；STEL-短时间接触容许浓度(15 min)

2.2粉尘分析

图2为不同施工工序粉尘浓度沿隧道轴向分布规律，图3为喷浆作业工作区断面7和断面8粉尘浓度随通风时间的变化规律。

图2　不同施工工序粉尘浓度沿隧道轴向分布Fig.2 Dust concentration along the tunnel axis of different construction process

图3　喷浆工序断面7和8粉尘浓度随通风时间的变化Fig.3 Section 7, 8 dust concentration change with ventilation time in spray process

由图2可以看出，总体上粉尘浓度沿隧道轴向基本呈线性增加，越靠近掌子面工作区粉尘浓度越高；但不同施工工序粉尘浓度差异较大，其中出渣和喷浆2个施工工序粉尘浓度较高，其中喷浆时工作区最高达5.5 mg/m3，这是由于喷浆采用的是干喷混凝土技术，导致掌子面工作区处粉尘浓度积聚；结合图3可以知，喷浆工序对于掌子面工作区断面7和断面8浓度较高，随着通风时间的增加，粉尘浓度呈指数规律逐渐降低，保持通风可使粉尘浓度迅速降低，3 min后可低于2 mg/m3，满足规范容许值，但随着通风时间的进一步增加，降尘效果不明显，工作区仍会有部分粉尘存留。

2.3CO分析

图4为不同施工工序CO浓度沿隧道轴向分布规律，图5为出渣作业断面7和断面8 CO浓度随通风时间的变化规律。

图4　不同施工工序CO浓度沿隧道轴向分布规律Fig.4 CO concentration along the tunnel axis of different construction process

图5　出渣作业断面7和8CO浓度随通风时间变化规律Fig.5 Section 7, 8 CO concentration change with ventilation time in spray process

分析图4可知，总体趋势上CO浓度变化基本与粉尘相同，沿隧道轴向线性增加，不同施工工序，CO浓度差异表现更明显，出渣是最高的施工工序，工作区浓度最高达401 mm/km，而打钻和喷浆作业CO浓度均保持在较低水平，即使在掌子面处也能满足规范要求，这是因为隧道出渣方式采用无轨运输，自卸汽车在出渣过程中不断排放CO造成浓度积聚过高，而喷浆和打钻时基本没有CO 排放，因此全隧道均保持在较低水平；因此选择通风时应对不同工序有针对性选择。由图5知，对于CO浓度最高的出渣工序，随着通风时间的增加，CO浓度也呈指数规律显著降低，且开始一段时间效果明显，时间越长越不明显，当通风时间超过5 min时，CO浓度达到较低水平基本满足要求。

3　有害气体浓度扩散分析与对比验证

3.1基本假设

由于有害气体在空气中所占比例相对较小，故按连续介质假设把空气视为理想流体，通风系统中，空气流动主要是沿着纵向运动，因此可忽略其他2个方向的运动简化为一维理想流体连续运动，且作如下假设：1)空气为不可压缩流体；2)忽略摩擦力的影响，忽略温度变化影响；3)有害气体浓度均匀分布在掌子面工作区，颗粒相在空间中有连续的速度、温度和体积分数分布。

理想流体的流动满足连续性方程：

(7)

式中：u，v和w分别为流体在x，y和z方向上的速度分量。

在不可压缩的流体一维稳定运动中，各断面的流量均相同：

Q1=Q2=C

(8)

式中：Q1和Q2为不同断面的流量，m3/s；C为常数。

3.2压入式通风分析

压入式通风方式如图1，设通风换气长度为L，通风管出风口至掌子面的距离为L0，设隧道的断面面积为Sz，风管面积为Sd，风速为v，则工作区间的容积为V=Sz·L0，设工作区间内有害气体的初始浓度为N0，通风时间为t时浓度为Nt，把通风时间分为n个时间段Δt。

由理想气体的连续性可知：

Qz=Qd,Szvz=Sdvd

(9)

当通风时间为Δt后，排出工作区间含有害气体的污染空气体积为QdΔt，同时有QzΔt的新鲜空气进入工作区间，那么工作区间内的浓度可表示为[8]：

(10)

(11)

式(11)为掌子面工作区的有害气体浓度随通风时间的变化规律。根据现场监测资料，粉尘和CO浓度沿隧道轴向呈近似线性分布，因此假设有害气体浓度沿隧道轴向是线性关系：

(12)

式中，l为任意断面距风管出风口的距离。由式(11)和式(12)可以描述压入式通风模式下，有害气体浓度在隧道内的时空分布规律，即有害气体浓度沿隧道轴向呈线性增加分布，掌子面工作区处随通风时间呈指数规律下降，图6为不同风量时工作区有害气体浓度随通风时间的变化过程。

图6　不同风量下工作区有害气体浓度变化Fig.6 Harmful gas concentration changes in workspace under different airflow

3.3对比分析

图7～8分别为CO和粉尘沿隧道轴向的计算值与实测值的对比。计算值N0取断面8处的平均值，进而通过式(12)计算得到轴向浓度分布，实测值为断面处不同工序的平均值。可看出，CO和粉尘浓度沿隧道轴向近似线性分布，计算值与实测值吻合较好，可以用计算公式(12)近似预测沿隧道轴向的有害气体浓度分布。

图7　隧道轴向CO浓度对比Fig.7 Comparison of CO along tunnel axial

图8　隧道轴向粉尘浓度对比Fig.8 Comparison of dust along tunnel axial

图9～10为掌子面工作区断面8处CO和粉尘浓度随通风时间的变化对比。计算值由式(11)求得，N0取断面8实测初始值，实测值为断面8随时间的实际变化平均值。可看出有害气体在掌子面工作区随通风时间呈指数规律降低，计算值与实测值吻合较好，通过式(11)能够预测不同监测断面有害气体浓度随时间的变化规律，可确定通风风量选择更合适的通风方式的提供依据。

图9　工作区CO浓度对比Fig.9 Comparison of CO in workplace

图10　工作区粉尘浓度对比Fig.10 Comparison of dust in workplace

3.4综合优化措施

基于以上分析知，通风距离和通风时间关系着CO和粉尘浓度，通风距离越长CO和粉尘越以及时排除而造成超标；同一断面处浓度通风时间呈指数降低效果明显，通风是降低有害气体浓度的有效措施，式(11)～(12)能够预测有害气体沿隧道轴向分布、任意断面随时间的分布，通过预测值我们可以选择合理的风机风量和通风时间。

然而虽然通风是降低有害气体的有效措施，但是正如实际测试结果一样，仅仅依靠通风难以彻底消除CO和粉尘，在通风一段时间后不会像理论计算值一样完全排出，仍然会有一定存留。对于高原隧道苛刻的环境要求应考虑采用综合措施，如洒水降尘、弥散供氧等，另外条件允许还可考虑施工技术优化，如采用湿式凿岩技术、湿喷混凝土技术等，多采用电动或风动机械，少用或不用内燃机械，从源头上降低污染物的浓度，降低对施工通风的要求，形成整体的高海拔寒区隧道施工环境控制体系，从而更容易达到隧道环境卫生标准。

4　结论

1)结合高原隧道特点，考虑海拔因素进行风机选型研究，利用现场测试手段，得到CO和粉尘沿隧道轴向分布基本呈线性增长规律，掌子面工作区处随通风时间的呈指数下降规律。

2) 基于流体力学假设分析压入式通风模式下有害气体沿隧道轴向变化及任意断面处随通风时间变化，进而得到隧道中有害气体时空分布特征。并对计算值和实测值进行对比分析，两者吻合较好，可用计算公式近似得到预测值，作为通风参数选择的依据。

3)实测结果表明，不同施工工序，粉尘和CO 浓度差异巨大，施工通风必须针对不同工序合理选择需风量；对于高原隧道除加强通风外，还应采取洒水降尘，弥散供氧，湿喷混凝土技术等综合措施，保证高原区隧道施工环境要求。

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Distribution of harmful gas concentration ofplateau tunnel under the forced ventilation mode

ZHANG Yuwei1，XIE Yongli1,2，LAI Jingxing1,2,3，LI Youyun1,2

(1.School of Highway, Chang'an University, Xi’an 710064, China；

According to the characteristics of plateau tunnel, the change-law of harmful along the tunnel axis is deduced. The time and space characteristics of harmful gas are then obtained with the time change-law and fluid mechanics principle. The distribution of CO and dust are obtained by using field test method and made comparisons with theoretical analysis. The results show that the harmful gas concentration is linearly distributed along the tunnel axis and the concentration in workplace changed exponentially with ventilation time. The concentration of CO and dust is different obviously in different construction progress, and different ventilation power should be used in different construction progress. The distance and time of ventilation are related to the concentration of CO and dust, and reasonable air volume and time should be selected according to theory value in different construction progress. Finally, comprehensive measures of plateau tunnel construction environment are suggested.

plateau tunnel; forced ventilation mode; harmful gas concentration; monitoring; distribution characteristics

2015-12-17

四川省交通厅科技项目(2012C5-3)；交通运输部应用基础研究项目(2015319812140)

张玉伟(1989-)，男，山东淄博人，博士研究生，从事隧道工程研究；E-mail：1032659676@qq.com

U45

A

1672-7029(2016)10-1994-07