沭水东调小断面长距离引水隧洞通风技术研究

王克忠，秦绍坤，梁其东，唐雨蔷

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州310014；2.日照市供水管理处，山东 日照276800)



沭水东调小断面长距离引水隧洞通风技术研究

王克忠1，秦绍坤1，梁其东2，唐雨蔷1

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州310014；2.日照市供水管理处，山东 日照276800)

沭水东调引水隧洞为小断面长距离引水隧洞，采用钻爆法无轨运输方式施工.小断面长距离隧道隧洞施工中，为了方便出渣一般采用压入式通风，风管直径较小，对通风造成很大困难.以沭水东调引水隧洞及三号施工支洞为背景，对小断面隧洞需风量和风压进行计算, 分析出小断面长距离隧洞施工中通风的影响因素,并且使用CFD软件对隧洞通风进行模拟，并得到通风管出口到掌子面不同距离时风流产生漩涡的大小和风速大小之间的关系，为施工通风提供提高通风效率的建议，对以后类似工程施工通风提供借鉴.

长距离；小断面；引水隧洞施工；通风；数值模拟

随着城市化进程的加快，城市对水资源的需求量增加，我国水资源分布不均的现象更加明显.为解决城市需水问题，需要进行跨流域调水.跨流域调水干线通常穿越山岭地带，为减小引水距离，常修建引水隧洞.在隧洞施工过程中，施工作业会产生有害气体，不及时排出，影响施工人员的健康.小断面隧洞施工通常采用钻爆法，无轨运输施工，通风方式一般采用压入式通风，通风时间太短，有害气体不能达到标准，危害健康；通风时间太长减少其他工序时间，影响施工进度.通风在施工人员健康和施工效率问题上起着很重要的作用，研究施工通风具有很重要的意义[1-2].隧道施工通风系统主要由风机、风管和隧洞洞壁组成.影响通风的主要因素有通风方式、风机型号、风管漏风率、隧洞掘进深度等，施工中的通风体系可以看作是一个复杂的体系.由于隧道通风实验费用较高，主要是通过理论分析和数值模拟的方法对隧道通风进行研究.国外一些研究主要在隧道运营阶段[3-4]，地铁运营阶段的通风研究[5-6].国内主要集中在对公路隧道运营阶段[7-8]以及发生火灾时[9-12]的通风研究.国内外有一些关于隧道施工阶段的通风研究主要是在公路隧道等大断面隧道[13-14]，关于小断面长距离引水隧洞施工时的通风研究比较少.

结合一个典型的工程案例，研究了小断面长距离引水隧洞施工期间通风量计算相关影响因素，总结了小断面长距离引水隧洞选择风机的主要影响因素，并通过流体模拟软件Fluent分两种工况对隧洞通风进行数值模拟，对掌子面附近的速度等值线以及流场进行分析，得到一些有益的结论和经验，为同类工程提供参考.

1 工程概况

沭水东调引水隧洞位于山东省日照市，全长18.36 km.设计桩号起点设计桩号3+900，终点设计桩号为22+368.引水隧洞分为三个施工标段，6条施工支洞进行施工.3号施工支洞的桩号为12+568，通过三号支洞施工的主洞起点桩号为10+090，终点设计桩号为13+668，全长1 768 m.主洞与支洞横断面相同，均为城门洞，洞宽4 m，直墙高3.3 m，半圆拱顶直径为4 m，中心角度为180°.施工方式采用全断面钻爆开挖，无轨运输方式出渣，通风方式选择压入式通风.压入式通风的管路进风口设在洞外，出风口设在掌子面附近，在风机的作用下，新鲜空气从洞口经管路送到掌子面，稀释污染物，污浊空气由洞内排至洞外，布置方式如图1所示.

图1 压入式通风示意图Fig.1 Forced ventilation schematic diagram

2 通风设备的选择

通风设备一般先选择风管再选择风机.在断面允许情况下，风管直径尽可能大，以减小通风阻力和通风能耗，保证在最大通风距离时风机能满足作业需风量.在选择风机时风机的送风量应满足洞内工作人员呼吸所需空气量，稀释炮烟有害气体所需空气量，稀释内燃机所需空气量和洞内最小风速所需空气量.

2.1 需风量的相关计算

1) 作业人员呼吸需风量

我国隧道施工中一般采用的是每人3 m3/min，隧道作业人员呼吸所需要的总量为

QH=3N

(1)式中：QH为总需风量；N为隧道内最多作业人员数量.

2) 按允许的最低风速计算风量

隧道施工规范规定：在全断面开挖时风速不得小于0.15 m/s，坑道内不小于0.25 m/s.工作面计算风量式为

Qv=v·A

(2)

式中：Q为最小风速时的需风量；v为允许的最低风速；A为开挖断面的面积，A=18.9 m3.

3)爆破排烟需风量

作业面爆破产生的炮烟主要包括粉尘、一氧化碳和氮氧化物等组成，爆破后排烟需风量主要是以计算一氧化碳为基础.采用沃罗宁公式[15]，其表达式为

(3)

式中：QZ为爆破排烟工作的需风量，m3/min；t为通风时间，min；G为同时爆破的炸药量，kg；b为每千克炸药产生的CO，一般取b=40 L/kg；A为隧道开挖的断面面积，m2；L为通风长度；P为通风区段内通风管始末端风量之比；CCO要求达到的CO质量分数，%.

4) 按稀释和排出内燃机废气计算供风量

无轨运输需采用内燃机设备进行出渣，隧道的通风量足够将内燃机所排出的废气全部稀释和排出，使隧道内各主要工作地点空气中有毒有害气体浓度降至允许浓度以下.根据隧道施工规范，稀释内燃设备废气所需的总风量为

(4)

2.2 风机风量与风压计算

1)风机风量计算

根据百米漏风率计算出风机风量为

(5)

式中：Q0=max(QH, Qv, Qz, Qn,)；β为位百米漏风率，取β=1%；L为通风管长度.

2)风压计算

管路漏风时，摩擦阻力计算公式[15]为

(6)

式中：h1为管路的摩擦阻力；λ为摩擦系数；ρ为空气密度；d为过风断面当量直径；β为风管百米漏风率平均值；L为风管长度，m；Q为风机工作点风量，m3/s.

2.3 风机选择

选择风机最主要原则是风机必须满足最大距离的送风量的要求.根据上面的计算可以得出隧洞内最大需风量为655 m3/min，风机风量为831 m3/min，在满足需风量的情况下风机风压为2 532 Pa.选择西安交大咸阳风机厂生产的SDDY-Ⅰ型，型号为Y250M-2，转速为2 900 r/min，风机风量为965 m3/min，风机全压为6 kPa，功率为110 kW，效率88%，可以满足施工通风要求.

3 隧道通风数值模拟

CFD软件采用离散化的方法对流体中的流场，浓度扩散进行模拟，在流体分析中应用广泛[16-18].采用CFD软件Fluent分两种工况对整条隧洞通风进行模拟.隧洞施工过程中采用压入式通风，风管出口处风速度较大，层流模型不能满足，采用三维紊态RNG k—ε模型进行模拟分析.

3.1 控制方程

湍流是一种复杂三维非稳态流动，流体各物理参数都随时间和空间变化，但在任一时刻任一点的流动仍满足连续介质流动特征.隧道通风流动气体为湍流状态，湍流的流场内所有点依然满足粘性流体运动的基本方程，最后利用湍流动能方程以及脉动耗散方程进行封闭.控制方程[19]为

湍流动能方程

(8)

脉动耗散方程

(9)式中：u，v，w分别为3个方向的速度分量；η为分子粘性系数；ηt为紊流粘性系数；k为湍流动能，m2/s2；ε为湍流动能耗散率，m2/s3；ρ为空气密度.

3.2 计算模型

结合沭水东调引水隧洞3号支洞施工段的实际情况，建立最大开挖距离时隧洞通风模型，模型中存在主洞与支洞交叉，总长度为3 470 m，节点数为106 042个，单元数402 032个，模型在风管出口处尺寸与网格见图2.模型计算分为两种工况：工况1，风管出口处到掌子面的距离为20 m；工况2，风管出口处距离掌子面15 m.

图2 隧道通风管出口处模型Fig.2 The model of tunnel ventilation pipe at the outlet

3.3 基本假设与定义边界条件

基本假定主要有4个方面：1) 假定隧道壁无向外热传递；2) 假设气体为三维粘性气体，且粘性流动不产生热能耗散；3) 假定通风气流为不可压缩流体；4) 假定隧洞口自然风对洞内空气流动没有影响.

施工通风数值模拟中边界条件主要分为3个：入口边界条件、出口边界条件和壁面条件.1) 入口边界条件：风管出口处设置入口边界，隧洞施工通风是不可压流动问题，采用速度入口边界条件.由风机型号供风量和风管直径计算可得风管出风口风速为35 m/s，方向垂直于风管出口平面.2) 出口边界条件：出口边界设置在开挖支洞的出口处，出流边界上的压力和速度无法确定，出口边界采用一致流边界形式.3) 壁面条件：隧洞施工通风壁面无移动，在模拟过程中壁面条件采用无滑移周壁边界条件.

4 结果与分析

在隧洞通风过程中风速的改变主要集中在隧洞开挖掌子面附近，在隧洞中部，风速和风向比较稳定.由于施工支洞左右两侧规律相似，仅对一侧掌子面附近的结果进行分析.

图3为工况1和工况2情况下x=0截面掌子面附近的风速矢量.从图3中可以看出：新鲜空气从风管出口流出后射向掌子面，在到达掌子面附近时从另一侧返回，当其返回到风管出风口处时，风流受到出风口流出空气的影响一部分又重新吹回掌子面.空气具有粘性，当气体在从风管出口处喷出后，会带动速度较低的气体向掌子面方向运动，当气体从掌子面返回时，速度变小，隧洞上部气体的速度大于下部气体的速度， 气压低于下部气体，下部气体一部分向上部运动，被高速气体带动重新流向掌子面形成一个漩涡，另一部分气体沿着隧道排出洞外.图3中产生漩涡大小与通风管出口位置大致相同.

图3 两种工况下的速度矢量图Fig.3 Velocity vector of 2 conditions

图4为x=0断面风管出口附近的速度等值线图，由图4可以看出：速度为0的等值线在隧道的中部，上侧风流向掌子面，下侧的风由掌子面流向隧洞出口.计算结果可知风管距离掌子面15 m时下侧风速明显高于风管出口布置在距离掌子面20 m处时的风速.

图4 两种工况下的速度等值线Fig.4 Contour map of 2 conditions

图5为距离掌子面10 m处的Y=10断面两种工况下的风速等值线图，由图中可以看出，风管出口距离掌子面15 m时速度为0的等值线明显高于风管出口布置在距离掌子面20 m处的等值线，说明距离掌子面15 m时风流向洞口的面积大于风管布置在距离掌子面20 m处风流向洞口的面积.

图5 两种工况下的速等值线图 Fig.5 Contour map of 2 conditions

5 结 论

采用理论分析和数值模拟方法，通过对沭水东调小断面长距离引水隧洞需风量计算以及出风口处的风速流向进行模拟分析，主要得出以下结论：小断面隧洞为不影响施工一般采用较小直径的通风管，风管越小风阻越高，对通风影响较大.在长距离开挖过程中，距离越远风管压强增加越大，压强成为选择风机的关键因素；在通风过程中，风管出口吹出的新鲜空气会与开挖过程中的有害气体结合稀释有害气体浓度，但在风管出口处与掌子面附近会产生漩涡导致空气回流，对废气的排出效率产生一定影响；风管距离掌子面越近，掌子面附近速度为0的等值线越高，流向洞口的风量越大，风速越快，通风效率越高；在通风过程中，产生漩涡的大小大致与风管出口到掌子面距离相同，可以看出风管出口距离掌子面越近产生的漩涡越小，通风效率越高.风管出口靠近掌子面时开挖爆破飞石会对风管造成损害，风管出口不可能无限接近掌子面，一般取15 m为宜.

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(责任编辑：刘 岩)

Study on ventilation techniques of small cross-section and long distance water diversion tunnel from Shu river to Rizhao reservoir

WANG Kezhong1， QIN Shaokun1， LIANG Qidong2， TANG Yuqiang1

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014， China;2.Watersupply Management Office of Rizhao, Rizhao 276800， China)

The small cross-section and long distance water diversion tunnel from Shu river to Rizhao reservoir was constructed using the drilling-blasting and trackless transportation method. During the construction process, the forced ventilation method was adopted for the convenience of slag discharge. Since the duct diameter is small, ventilation becomes difficult. Based on the water diversion tunnel from Shu river to Rizhao reservoir and the No.3 sub-tunnel, the required air volume and the wind pressure of the small cross-section tunnels are calculated and the influential factors that affect ventilation are analyzed. The CFD software is used to simulate the ventilation of the tunnels and the relationship between the swirls and wind speeds at different distances from the duct outlet to the tunnel face. This can provides some suggestions for improving the ventilation efficiency and some

for constructing similar projects.

long distance; small cross-section; construction of water tunnel; ventilation; numerical simulation

2016-01-20

清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室(sklhse-2014-C-02)

王克忠(1965—)，男，山东冠县人，教授，研究方向为地下空间工程，E-mail：wkz@zjut.edu.cn.

TV554+.15

A

1006-4303(2016)05-0533-05