海底隧道长距离多作业面施工通风技术

刘 斌

（中铁发展投资有限公司，山东 青岛 266000）

0 引言

为了保障施工作业人员的健康安全，在隧道施工过程中要确保洞内有足够多的新鲜空气。隧道施工通风是在施工期间，利用洞内外气压差或使用风机设备通入新鲜空气，排除污染空气，改善劳动条件，创造良好施工环境的必要手段。隧道施工通风有多种方式，采用什么样的通风方式使通风合理、高效，是隧道施工通风设计的主要问题。通风方式应根据隧道的自身特点来选择，考虑施工方法、设备条件、隧道路线及开挖长度、掘进坑道断面形状及大小等因素，且应有利于快速施工。研究施工通风的方法主要有原位测试、小比例模型实验、数值模拟等[1]，其中利用CFD软件模拟施工通风，掌握隧道通风流场特性，是研究施工通风的重要方法。

大量学者运用数值模拟方法对隧道施工通风进行了研究。为了获取准确的水电工程引水隧洞施工通风瞬态流场信息并且提高计算效率，王晓玲，刘长欣，等[2]基于Realiza-ble k-ε两方程湍流模型建立引水隧洞施工通风三维非稳态混合LES/RANS模型，并结合某引水隧洞施工通风过程进行数值模拟，借助现场实测风速数据对数值模拟结果进行验证；朱忠荣，李新哲,等[3]为了解决传统方法不能准确模拟隧洞中风流方向和温度分布的问题，提出一种引水工程深埋长隧洞施工中通风特性数值模拟方法；康小兵，丁睿，等[4]采用计算流体动力学软件(简称CFD软件)对紫坪铺高瓦斯隧道施工通风处理效果进行模拟，数值模拟方法与实际情况相符；基于计算流体力学理论，王军周[5]采用k-ε紊流模型，运用ANSYS Fluent软件对卡鲁玛水电站尾水隧洞10号支洞施工通风布置方案进行了三维非稳态模拟，验证了ANSYS Fluent软件用于隧洞通风模拟的可行性。

基于以上研究成果，本文提出一种隧道施工通风特性数值模拟与分析方法。首先，计算满足要求条件的通风风量、风速、风压，然后，在满足隧道施工通风作业环境卫生标准的条件下，对青岛地铁8号线海域段进行通风设计，最后进行数值模拟计算，验证通风效果。

1 隧道施工通风作业环境及卫生标准

隧道施工环境影响因素必须满足铁路隧道施工规范（TB10204—2002），在隧道施工中，作业环境应符合下列卫生及安全标准（见表1）。

表1 施工通风控制标准（TB10204—2002）

2 施工通风方式

2.1 风管式通风

选择通风方式的基本原则：在现场施工中，由于有害物质的发生多种多样，而且隧道内的作业地点（如上半断面、下半断面、检底铺底、铺设防水板、二次衬砌作业等）也很多，编制通风计划时要考虑的环境因素也越加复杂，因此，应根据隧道规模（断面积、长度等）、施工方法、施工条件等，来选择最合适的通风方式，可有效、经济地利用风管等通风设备。

2.2 巷道式通风

巷道式通风指在施工中，隧道本身能形成通风回路，可代替风管进行有效通风。巷道式通风又分为集中式和串联式(或分散式)通风，通过通风风机的台数及其位置、风管的连接方法来区分。巷道式通风是通过由互相配合的多个主风流和局部风流的系统而达到通风目的。其中主风流由隧道本身(包括成洞、导坑、及扩大地段)或辅助坑道(如平行导坑)组成。巷道式通风一般适用于3000m以上隧道。且巷道式通风施工时间长，投资大。风管通风法和巷道通风法的比较见表2。

表2 风管通风和巷道通风的比较

3 隧道施工通风方案设计

隧道施工通风设计的主要研究方向：（1）隧道施工通风既要根据风压计算、风机选型、漏风率计算以及现场经验对通风线路、通风需风量、通风时间等方面进行设计，又要根据流体力学原理对通风流动特性进行深入研究，使通风效果得到科学的把控。（2）基于隧道通风影响因素对隧道施工通风进行模拟，结合工程现场实际问题展开研究。对通风模拟结果与现场实际效果进行分析比较，验证模拟并反馈模拟结果到施工通风现场。（3）隧道施工通风是一个动态过程，因此，不同施工方法和施工进度下通风方式也应该随之调整，使通风方案与整个隧道掘进施工过程紧密联系，提供合理的通风环境。（4）隧道施工通风应考虑现场条件，对通风方案进行宏观把控，合理优化，保障洞内施工人员的健康、安全，机械设备的正常运行，保证施工进度，减少施工成本，通过科学的方法保证通风方案的合理性、经济性。

隧道施工通风面临着掘进开挖面不断推进，不同开挖进度的施工通风需风量以及通风强度有较大的区别，比如随着时间的推移，斜井、竖井、联络通道的逐步贯通和利用，将改善隧道施工通风路线和通风方式，提高施工通风的效果。因此，在隧道掘进整个过程中，施工通风的条件和通风要求是动态变化的，不同的施工进度，其通风方案也有所不同，应根据现场施工进度，制定不同的通风方案。

在施工通风阶段，平行导坑掘进完毕，可作为新风的主要流通巷道，污染空气经左右线由斜井排出洞外。为了加快施工进度，增加开挖面时，可利用横通道辅助通风，布设通风网络，设置通风回路，增加射流风机进行引流并加强洞内风速，加快洞内污染空气的扩散和流出。新鲜空气由竖井处取风，由轴流风管投送至工作区域，保证洞内良好的施工环境，见图1。

图1 施工通风方案示意图（第二阶段）

4 通风数值模拟及分析

4.1 几何网格（见图2）

图2 CFD模型网格

4.2 模型计算参数

模型计算参数见表3所示。

表3 模型参数及边界条件

4.3 Fluent 软件模拟结果及分析

采用巷道式通风，利用平导作为新鲜空气流入，左右线为主要的污染空气排出风道，在局部增设射流风机，管道出风口速度设为10m/s，计算结果显示其通风效果基本上满足要求。在掌子面附近区域风速较小，表明此处空气流通较慢，这对施工作业是不利的；左线空气速度较大，而右线空气速度较小。可推测左线离斜井距离较短，且线路形式简单，线路交叉点较少，在射流风机局部增压驱动下，且未受到障碍物阻扰的情况下，左线空气流通较快，有利于污染空气的迅速排出。因此，可采取减小风管出风口到掌子面距离来加强掌子面附近空气流动；近竖井巷道的空气流通最快，可推测此处空气来源充足，风流量较大。

第二阶段模拟计算结果见图3。

图3 第二阶段模拟计算结果（通风15min）

5 结束语

为了满足隧道施工通风作业环境卫生标准，对青岛地铁8号线进行通风方案设计，根据施工进度将通风方案分为两个阶段，分别进行数值模拟计算及通风效果分析。

（1）第一阶段通风计算结果表明，在管道出风口速度为10m/s时，计算结果显示，其通风效果基本上满足要求，但在掌子面附近区域风速较小，表明此处空气流通较慢，这对施工作业是不利的。因此，可采取减小风管出风口到掌子面距离来加强掌子面附近空气流动；回流速度仍然缓慢，部分区域空气不流动。可采取增加射流风机通过局部风压驱动风流“死区”（风流速度为0m/s），改善局部通风效果。

（2）第二阶段通风计算结果表明，采用巷道式通风，利用平导作为新鲜空气流入，左右线为主要的污染空气排出风道，在局部增设射流风机，管道出风口速度设为10m/s，计算结果显示其通风效果基本上满足要求。在掌子面附近区域风速较小，表明此处空气流通较慢，这对施工作业是不利的；左线空气速度较大，而右线空气速度较小。可推测左线离斜井距离较短，且线路形式简单，线路交叉点较少，在射流风机局部增压驱动下，且未受到障碍物阻扰的情况下，左线空气流通较快，有利于污染空气的迅速排出。因此，可采取减小风管出风口到掌子面距离来加强掌子面附近空气流动。近竖井巷道的空气流通最快，可推测此处空气来源充足，风流量较大。