脉动通风在螺旋隧道施工期的应用研究

任 松，牟其博，李 玉，陈 钒，杨 松

(1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；2.中电建路桥集团有限公司，北京 100048)

0 引言

我国高速公路建设技术飞速发展，公路隧道打破过去单一的直线型选型，开始建设大量螺旋型隧道，以避开不良地质区域，减少工程量。但由于其线型特殊、坡度较大等因素，使得螺旋型隧道施工过程中通风排烟、降尘等比一般直线隧道更困难[1-2]。快速排除炮烟、降低粉尘浓度对改善施工环境，保证隧道内施工人员健康和安全十分关键[3]。

矿井瓦斯和粉尘防治中，常应用脉动通风消除上隅角瓦斯积聚问题，提高降尘效率。文献[4-6]提出，脉动通风消除上隅角瓦斯过程中，瓦斯集聚区气体在平行于风流速度方向不受风流压力作用，但在垂直于风流速度方向受到风流静压作用，在风流全压不变的条件下，由于速度变化引起风流静压的变化，从而导致瓦斯集聚区的气体在垂直风流速度方向上产生位移；廖贵发[7]认为，井巷空间内近壁低层区(称“静止区”)易积聚瓦斯，脉冲风流能有效加强瓦斯在“静止区”的扩散强度，并对瓦斯在“流动区”的迁移产生积极效果。脉动通风方法还可用于巷道排尘。在水平巷道中，粉尘颗粒径较小时易悬浮在空气中，由于粉尘的密度较风流介质大，常积聚在隧道下方的涡流区内，风流发生脉动时，脉动通风有利于粉尘与风流很好地混合并随风流排出。现有研究多从通风过程中气体微团的运动过程及运动规律出发，研究脉动通风与正常通风的区别，相关理论较成熟。脉动通风方法在矿井通风的现场应用和数值模拟研究中，均被证明较定常流通风更有优越性。长久以来脉动通风仅限于煤矿井下应用，且研究自2000年起几乎停止，对于现场实际应用指导作用不强，对实际应用中脉动通风的脉动周期和幅值取值方面研究较少。

本文将脉动通风方法引入对通风系统要求较高的螺旋隧道施工中，借助FLUENT数值模拟软件，采用理论分析与数值模拟结合的方法，考虑脉动通风的频率、幅值变化对隧道内排除炮烟以及降尘的影响。

1 脉动通风下隧道内污染物运移机理

隧道爆破产生的CO为最主要的有害气体。爆破瞬间炮烟充满1个有一定距离的空间内，混合用时极短[8]。该距离称为“炮烟抛掷距离”，按式(1)计算：

b=15+G/5

(1)

式中：b为炮烟抛掷距离，m；G为爆破所用炸药量，kg。

隧道施工的喷浆过程持续时间长，人员在此工序受粉尘影响大。因此，本文考虑喷浆过程中粉尘的运移过程。

1.1 脉动通风形式

一般隧道供风风速为定值。脉动通风模式下送风的脉动风速v(t) (如式(2))呈周期性变化，如图1所示。

图1 定常流通风与脉动通风风速Fig.1 Velocity of constant flow ventilation and pulsed ventilation

v(t)=v0+v′(t)=v0+v1sinωt

(2)

式中：v0为隧道主风流风速，m/s；v′(t)为脉动风速，m/s；v′(t)=v1sinωt，v1为脉动幅值，m/s；ω=2πf，为脉动周期；f为脉动频率，Hz。

1.2 脉动通风下CO及粉尘扩散方程

考虑隧道内通风情况，提出假设：1)隧道通风涡流区等“静止区”，区内风速近似于零，其他区域为“流动区”；2)污染物运移过程为等温过程；3)隧道中风流全压受脉动风流的影响而产生的变化较小，忽略不计；4)主流区风量够大，满足要求；5)粒径足够小的粉尘可认为悬浮在空气中。

由文献调研可知，随流扩散除了考虑“流动区”在主风流方向扩散运动，还需考虑“静止区”存在的对流脉动扩散，但在任意一个区域内的污染物，都仅做一维扩散运动。

分子扩散遵循菲克第一定律，见式(3)，分子从浓度高处向浓度低处扩散。根据菲克定律和质量守恒定律可得到菲克第二定律(扩散方程)表达式(4)[9]。

菲克第一定律：

(3)

菲克第二定律：

(4)

式中：Dm为扩散系数，m2/s；C为扩散物质的体积浓度；K为扩散通量，kg/(m·s)；“-”负号代表扩散方向为浓度梯度的反方向，分子从浓度高处向浓度低处扩散。

除分子扩散外，污染物还随风流做随流扩散，需在扩散方程中加入流体流动因素。取随流体运动的运动坐标系，主风流方向为X轴，速度为u；垂直主风流方向为Y轴，速度为v；如图2所示。

图2 隧道风流运动坐标系Fig.2 Coordinate system of airflow motion in tunnel

对“流动区”污染物而言，扩散方向为主风流方向，扩散方程如式(5)：

(5)

对“静止区”污染物而言，扩散方向为垂直于主风流方向，扩散方程如式(6)：

(6)

1.3 脉动通风下CO及粉尘流动力学分析

(7)

由此可见，应用脉动通风时，在垂直与主风流方向会产生位移，具有位移速度。在脉动风流作用下，“静止区”污染物在垂直于风流方向上的位移r是随时间t呈周期性变化的函数，当dr/dt=v>0时，“静止区”污染物向外扩张，进入“流动区”，随主风流排出隧道；dr/dt=v≤0时，“静止区”污染物向内收缩，主风流被带入该区域稀释污染物。在脉动通风条件下，隧道内风流结构不再是一成不变，涡流区纵向脉动速度不断变化，增强污染物扩散能力。

除了改变垂直于主风流方向的纵向脉动速度外，脉动通风还加强了主风流方向的横向脉动。且横向脉动也随时间周期性变化，其加速度时而正时而负，若主风流中存在不同质量的粒子时，根据牛顿第二定律，在同一风力作用下会出现：当加速度为正时，轻粒子比重粒子跑得更快；当加速度为负时，轻粒子比重粒子跑得更慢。2种粒子在相同风力下，正、负加速度时的运动特性表明，在周期性变化的主风流中轻、重粒子形成强烈混合。以上即为脉动通风稀释污染物效果高于定常通风的原因。

2 数值模拟实验

污染物在垂直于主风流方向上的位移速度决定了脉动通风对污染物运移扩散的效果。由上文所述风流脉动作用产生的位移速度v对时间t求导由式(8)可知，污染物在垂直于主风流方向上的位移速度v的变化与脉动风速v(t)中的隧道主风流风速v0、脉动幅值v1和脉动频率f均相关，且随时间呈周期性变化。一般隧道主风流风速由所计算隧道的需风量和风筒直径确定；通过调节脉动风机的幅值、脉动频率可改变脉动通风工况。在确定主风流风速v0和频率f时，位移加速度v′(t)与幅值大小呈比例关系，与频率呈复杂函数关系。

(8)

为探究脉动通风幅值、频率与通风效果之间的关系，通过数值模拟，在螺旋隧道中应用脉动通风方式，并在不同脉动通风的幅值、频率下研究隧道内排除炮烟以及降尘效果，通过理论分析产生该影响的原因，并确定螺旋隧道施工的最佳工况。

2.1 模型建立

利用CFD软件FLUENT对不同工况进行三维数值模拟计算[10]。隧道内污染物浓度随通风过程按时间发展变化，稀释及扩散的过程为非稳态过程。研究中排除CO气体过程采用三维非稳态组分传输模型，湍流模型选择标准k-ε两方程模型，总体模型包括质量守恒方程、动量守恒方程、组分输运方程、湍动能方程等。粉尘运移扩散采用三维非稳态DPM(Discrete Phase Model，离散相)模型[11-15]进行求解。

做好鱼沟、鱼凼开挖。鱼沟规格为宽0.8-1.5米，深0.6-0.8米；鱼凼宽4-5米，深0.6-1米。鱼凼应在埂边设置，靠近鸭圈，更有利于投饵，同时也方便鸭子下水，鱼沟与鱼凼相通至田间。

模拟过程作出基本假设[16]：1)不考虑风筒漏风等因素，风量无损失；2)所有壁面(包括隧道壁面、风筒壁面等)绝热、无滑移；3)风筒出风口风速较大，但其马赫数仍小于0.3，不考虑其压缩性；4)假定隧道内空气流场为三维不可压缩湍流场。

本文以云南建个元高速公路项目中咪的村螺旋隧道为工程依托，隧道计算模型横断面为半圆形拱，半径5.5 m，总高7 m；螺旋半径720 m，坡度2%，计算长度选取300 m；风筒直径1.5 m，出口距离掘进工作面15 m，几何示意如图3所示。网格划分采用四面体网格划分，风筒出口处风流速度和压力梯度较大，附近网格适当加密。

图3 螺旋隧道几何示意Fig.3 Geometry of spiral tunnel

为实现风筒入口速度按v=v0+v1sin2πft输入，定义入口速度时通过FLUENT的UDF(User-Defined Functions，用户自定义函数)功能，调用已编写好的速度——时间函数。编写程序如图4所示，实际操作中输入程序时，主风流风速v0、脉动幅值v1、脉动频率f均为该工况下具体数值，仅t为时间变量。

图4 FLUENT自定义脉动风速Fig.4 User-defined pulsed velocity in FLUENT

2.2 计算工况设置

咪的村螺旋隧道主风机供风风量2 450 m3，该风量满足供风需求，风筒进风口风速为23.12 m/s。固定v0=23.12 m/s，改变脉动风机的频率f，计算工况设置见表1；计算最佳工作频率后，固定v0=23.12 m/s，f=fB，改变脉动风机的幅值计算工况见表2。

表1 脉动风机频率变化计算工况Table 1 Calculating condition of different pulsation frequency

表2 脉动风机幅值变化计算工况Table 2 Calculating condition of different pulsation amplitude

3 计算结果及分析

3.1 螺旋隧道内速度流场特性

螺旋隧道较直线隧道风流结构更复杂。采用定常流通风时，通风后流场如图5所示。隧道内人员均在地面工作，人呼吸高度距离地面1.6 m，选取距离隧道地面1.6 m高处平面作为研究平面。定常流通风时隧道内靠近掘进工作面、隧道壁的区域存在大量涡流区，阻碍炮烟及粉尘排出；主风流在靠近掘进工作面区域走向呈“S”形，远离掘进工作面，风流趋于稳定。

图5 螺旋隧道定常流通风流场Fig.5 Flow field of constant ventilation in spiral tunnel

采用脉动通风时，增加了涡流区纵向脉动速度及主风流横向脉动速度，改变隧道内通风结构，持续脉动通风后螺旋隧道内流场如图6所示。脉动通风流场较定常流通风而言改变较大，通过速度矢量图可发现涡流区明显缩小，流场结构稳定、简单。

图6 螺旋隧道脉动通风流场Fig.6 Flow field of pulsed ventilation in spiral tunnel

定常流通风条件下螺旋隧道内存在大大小小的涡流区，涡流区内主风流风向速度近似于零，大量污染物积聚在涡流区域内无法随风流排出，造成局部污染物浓度超限。采用脉动通风时，脉动通风增加了污染物在垂直于主风流的方向上的纵向脉动速度，驱使污染物扩散随主风流被带出。

3.2 不同频率、幅值下爆破后CO浓度变化

隧道内CO的浓度分布与流场密切相关，脉动通风速度由主风流风速、脉动幅值及脉动频率决定。根据风量确定主风流风速后，脉动幅值和脉动频率的取值将影响脉动通风效果。图7为爆破后，脉动通风幅值v1=2.27 m/s，频率2，4，6，8，10 Hz和无脉动通风时，隧道内1.6 m处CO最大浓度随时间变化情况。爆破后脉动通风前期，CO尚未向洞外扩散，所有频率下CO最高浓度差距不大，但无脉动通风浓度较高。脉动通风后期，CO开始向洞外扩散，无脉动通风情况下浓度下降迅速，且后期一直扩散速度较快。

图7 脉动频率2～10 Hz时螺旋隧道内距离地面1.6 m高处CO浓度最大值Fig.7 Maximum concentration of CO at 1.6 m height in spiral tunnel at a pulsation frequency of 2～10 Hz

继续增大频率，进行脉动通风幅值v1=2.27 m/s，频率f=10，30，50 Hz和无脉动通风时CO最大浓度随时间变化比较如图8所示。其呈现的规律和10 Hz以下工况相同，脉动通风前期，所有频率下CO浓度最大值差异不大；后期靠近洞口时，无脉动通风情况下CO浓度下降迅速。不管脉动通风频率高低，对排出CO效果均不理想。

图8 脉动频率10～50 Hz时螺旋隧道内距离地面1.6 m高处CO浓度最大值Fig.8 Maximum concentration of CO at 1.6 m height in spiral tunnel at a pulsation frequency of 10～50 Hz

固定脉动频率fB=10 Hz，设置脉动幅值v1=2.27，4.54，6.81 m/s，不同幅值下CO最大浓度随时间变化如图9所示。通风前期除幅值4.54 m/s情况下CO浓度较高外，其他幅值条件CO浓度相差无几；后期无脉动通风CO浓度下降迅速。对于爆破后排CO的过程，数值计算结果表明，不管改变幅值或是频率，脉动通风排除CO的效果始终不明显。

图9 不同幅值时螺旋隧道内距离地面1.6 m高处CO浓度最大值Fig.9 Maximum concentration of CO at 1.6 m height in spiral tunnel with different pulsation amplitudes

结合理论分析，爆破后采用脉动通风排除CO效果不明显的原因有：

1)爆破为瞬间过程，CO气体瞬时充满整个炮烟抛掷距离的空间内，且分布较均匀；CO气体和空气能均匀混合，不存在积聚明显的区域，混合均匀的CO及空气混合物可随主风流扩散。

2)脉动通风增加涡流等“静止区”内CO的纵向脉动速度，可驱散涡流区内CO；但定常流通风时，涡流区周围CO浓度下降以后，根据菲克定律涡流区内CO也将逐渐扩散，且CO气体并非一直在产生，涡流区浓度同样会逐渐下降。

3)脉动通风增强主风流方向的横向脉动可使质量相差较大的粒子混合均匀，但CO分子和空气相近，横向脉动效果也不明显。

4)在主风流中，脉动通风的纵向脉动将对主风流方向流动产生干扰。所以爆破后通风初期，脉动通风效果较好；但后期避开涡流区后脉动通风效果不明显，无脉动通风效果较好。

3.3 不同频率、幅值下爆破后粉尘浓度变化

固定脉动通风幅值v1=2.27 m/s，频率取f=2，4，6，8，10 Hz和无脉动通风时，隧道内1.6 m处粉尘平均浓度随时间变化情况如图10所示。喷浆粉尘为1个持续性污染源，在喷浆过程中一直产尘。随时间发展，粉尘不断累积，浓度逐渐增加直至维持在一个较为稳定的状态。从隧道内距离地面1.6 m高处粉尘浓度变化曲线来看，采用脉动通风方式，隧道内粉尘浓度明显呈现更低的状态，稳定后浓度值降低了12%左右。在10 Hz以下频率中，粉尘浓度区别较小，但频率越大，浓度有增大趋势，4 Hz左右效果最佳。

图10 脉动频率2～10 Hz时螺旋隧道内距离地面1.6 m高处粉尘浓度平均值Fig.10 Average dust concentration at 1.6 m height in spiral tunnel at a pulsation frequency of 2～10 Hz

继续增大频率，进行了脉动通风幅值v1=2.27 m/s，频率f=10，30，50 Hz和无脉动通风时粉尘平均浓度随时间变化比较如图11所示。

图11 脉动频率10～50 Hz时螺旋隧道内距离地面1.6 m高处粉尘浓度平均值Fig.11 Average dust concentration at 1.6 m height in spiral tunnel at a pulsation frequency of 10～50 Hz

增大频率发现，高频状态下稳定后的粉尘浓度较低频状态而言更高，频率增大，通风降尘效果反而更差。且频率为10 Hz时，粉尘浓度先稳定增长，后趋于1个较低浓度值；频率为30 Hz时，粉尘浓度起伏明显，变化剧烈且浓度较高；继续增大频率至50 Hz，变化趋于平稳，浓度值与30 Hz时相差不大，且接近于无脉动通风时粉尘的平均浓度。

通过不同频率下粉尘浓度变化规律可判断，在频率较小时，脉动通风降尘效果较好，增大频率效果逐渐变差，但增加到一定频率后对降尘效果几乎无影响。在考虑频率的基础上，研究幅值大小对降尘效果影响。选择较为合适的频率fB=4 Hz，取幅值v1=2.27，4.54，6.81 m/s，不同幅值下粉尘平均浓度随时间变化如图12所示。增大幅值，隧道内1.6 m处的粉尘浓度反而处于较高水平；继续增大幅值，前期隧道内粉尘浓度又呈现和低幅值时相近状态。整体呈现1个随幅值增加，降尘效果先减小后增大的过程。

图12 不同幅值时螺旋隧道内距离地面1.6 m高处粉尘浓度平均值Fig.12 Average dust concentration at 1.6 m height in spiral tunnel with different pulsation amplitudes

喷浆粉尘颗粒粒径大小不一，颗粒较大粉尘易发生沉降，较小颗粒则悬浮在空气中。粉尘颗粒密度大于空气，易积聚在隧道中下部，且持续产尘使积聚浓度越来越高。通风时，大部分的粉尘随流扩散被带走并排出，但螺旋隧道存在大片涡流区，其中的粉尘无法随风流扩散，不断累积新的粉尘颗粒，涡流区内粉尘浓度将越来越高。脉动通风下粉尘颗粒产生纵向脉动速度，涡流区内的粉尘颗粒做纵向运动，可扩散至主风流中。隧道风流结构被改变，涡流区发生改变，不再出现大面积粉尘积聚区域。除纵向脉动外，脉动通风增加了粉尘的横向脉动扩散。横向脉动速度呈周期性变化，在加速度为正时，较重的粉尘颗粒速度较慢，较轻空气分子运动速度较快；加速度为负时，较重的粉尘颗粒速度较快，较轻的空气分子运动较慢。使得隧道内粉尘和空气分子能充分的混合，随主风流排出。以上结果与理论研究结果完全一致。

理论研究中，纵向脉动速度与幅值成比例，与频率关系复杂。从计算结果看，脉动通风的降尘效果并非是幅值越大效果越好，纵向脉动速度过大反而干扰降尘。对频率而言，在频率较小时，浓度变化较平稳；增大频率，浓度变化逐渐变剧烈，降尘效果变差。原因是纵向脉动速度频率越大时周期变化越明显，对主风流产生干扰越大，因此，频率过大不利于粉尘随主风流扩散。

3.4 小结

螺旋隧道线型特殊，对通风技术要求更高。通过数值模拟方法，模拟脉动通风方式应用于螺旋隧道中排除爆破后CO气体和喷浆粉尘2个过程，其结果与理论分析高度吻合。脉动通风爆破后排出CO气体效果不大，原因是CO气体为瞬时污染源，且其密度与空气几乎一样，应用脉动通风效果不明显。但是，对于持续污染源喷浆期粉尘而言，效果却很明显，粉尘悬浮颗粒易积聚在隧道中下部的涡流区内，定常流通风时螺旋隧道内存在大量涡流区，影响施工威胁人员安全，采用脉动通风能让隧道中下部粉尘浓度降低12%左右。

对脉动通风的关键参数脉动幅值v1和频率f进行控制变量法研究，对脉动通风幅值v1=2.27，4.54，6.81 m/s，f=2，4，6，8，10，30，50 Hz情况分别进行数值计算，最终确定取较低幅值v1=2.27 m/s，频率f=4 Hz左右即可达到最佳效果。

4 现场验证

数值模拟结果表明最优工况为脉动通风的幅值v1=2.27 m/s，频率f=4 Hz，为验证数值模拟结果的准确性，分别测量在脉动通风最优工况下和定常流通风模式下，进行喷浆工序时，粉尘浓度积累至1个较为稳定的状态后，距离掘进工作面不同距离处的粉尘浓度对比结果如图13所示。

图13 不同通风模式下距离掘进工作面不同距离处的粉尘浓度Fig.13 Dust concentration at different distances from the tunnel face under different ventilation modes

由图13可知，数值模拟所确定的最优工况能够有效降低粉尘浓度，比常用的单一定常流通风模式在喷浆后更值得应用。

5 结论

1)定常流通风时涡流区范围较大，掘进工作面附近主风流走向呈“S”型；采用脉动通风可改变通风流场，缩小涡流区，优化风流结构。

2)脉动通风应用于螺旋隧道中可以使涡流区产生纵向脉动扩散，且增强主风流横向脉动扩散效果。

3)数值模拟结果表明脉动通风对爆破后排CO气体效果不理想，但大大提高了喷浆工序降尘效果。现场应用时可根据工序实时调整通风方式，爆破后采用定常流通风，喷浆过程打开脉动风机提供脉动风速，减少能耗改善施工环境。

4)数值模拟结果表明污染物排放效果与幅值大小关系不大，且频率越高，排污效果减弱。建议脉动通风实际应用时，仅需根据实际供风风速，设置1个较小的幅值和频率即可。对于风筒供风速度23 m/s左右的隧道，取幅值2 m/s，频率4 Hz左右的脉动通风可达到最佳通风效果。幅值过大浪费电能，频率过大反而干扰降尘，效果不佳。