天然气过江隧道施工过程通风排污数值的模拟

2022-07-04曹晓程

建筑施工 2022年1期

曹晓程

上海市安装工程集团有限公司上海 200080

隧道通风分为自然通风和机械通风两大类。自然通风是通过气象因素形成的隧道内空气流动，以及机动车从洞外带入新鲜空气来实现隧道内外空气交换。机械通风是通过风机作用使空气沿着预定路线流动来实现隧道内外空气交换[1]。对于截面小、长度长的隧道宜选择机械通风。

在隧道施工过程中，由于内燃机设备的尾气、焊接产生的烟尘、有机物氧化等因素，导致一些有害物质产生。这些有害物质包括电焊烟尘、沸石烟尘CO、NO、NO2、SO2、丙烯醛等物质。当这些有害物质被人吸入后，呼吸道受到刺激的同时可能形成气溶胶进入肺深部，使得毒性在原有的基础上增加数倍[2]。隧道施工通风规范中为保护安全生产和人员健康对空气中粉尘容许浓度及空气中有毒物质容许浓度进行了规定，一般认为在施工的过程中只要低于规范中允许的有害物质浓度即可。

王东伟等[3]以南昌红谷隧道为例，研究了隧道洞口CO浓度值、NOx浓度值的分布特点；杨清海等[4]通过模拟试验的方法得出了通风射流风机与车辆流动对污染气体浓度分布的影响规律；张逸敏等[5]以青岛第二隧道为例，利用CFD软件得到了最优通风参数及相应的局部阻力系数；贾雪峰等[6]利用CFD软件研究了某高大封闭焊接车间内焊接烟尘的浓度场分布规律；许雷挺等[7]基于污染物的对流扩散方程，构建了纵向通风隧道顶部排风口对环境影响的理论模型。本文以某工程天然气主干管过江隧道为例，以计算流体动力学为基础，通过构建CFD模型对污染物的扩散进行预测分析，研究了在燃气管道安装的过程中污染源的释放位置及浓度对隧道内污染物分布的影响。

1 工程概况

本工程天然气主干管过江隧道A线长度约8 237 m，如图1所示。燃气管道安装完成后，隧道内部进行水封处理，因此该隧道的通风主要用于满足安装施工过程中的需要。在天然气管道安装敷设的过程中，由于隧道内部空气流动性较差，因此采用一端送风，射流风机接力的方式，对隧道进行通风。隧道内主要的污染源为施工人员呼出的CO2气体以及焊接时产生的电焊烟尘，因此选取了二者作为评价因子来研究通风系统的性能。

图1 过江隧道平面示意

2 隧道施工通风卫生标准及设计方案

2.1 隧道施工通风设计标准

隧道施工过程污染物容许浓度取自JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技术规范》[8]。规范中对空气中污染物容许浓度有两种标准，分别是时间加权平均容许浓度（PCTWA）、短时间接触容许浓度（PC-STEL）。由表1可知，隧道内施工人员允许在15 min以内接触较高浓度的CO2气体，而电焊烟尘则不能。即使CO2在生活中无处不在，但是当CO2浓度高时，会造成呼吸中枢麻痹，危害人体健康。

表1 施工隧道内的污染物容许浓度单位：mg·m－3

2.2 过江隧道通风设计方案

本工程天然气主干管过江隧道全长8 237 m，断面直接约3.4 m，具有距离长、断面小、埋设深等特点，隧道内的空气几乎处于静止状态，若不采用通风设备则无法形成有效的循环流动，空气中沉积的有害物质无法排除，对工作人员的健康将带来不利的影响。本工程利用隧道掘进时已敷设的送风系统和直径3.4 m的隧道作为一个整体风管，后每隔700 m设置1台射流风机，依靠射流风机的带动作用，采用压入式施工通风与移动式焊接烟尘净化器相结合的方式，满足施工过程所需要的新风和排烟要求，通风系统设计方案如图2所示。

图2 施工隧道通风系统示意

2.3 隧道通风设计参数

隧道全长8 237 m，截面面积9.1 m2，隧道内通风设备参数见表2。施工过程中的工人数量共20人，分为2组由隧道两端进入，每组10人同步施工。

表2 通风设备参数

根据《2017 ASHRAE Handbook Fundamentals (SI Edition)》[9]人体在重体力劳动下CO2呼出量为8 L/min，单位转化为0.00238 kg/s（10人）。给定的电焊机烟尘释放量为500～600 mg/min，进行单位转化后有电焊烟尘释放量为10 mg/s。CO2的容许浓度9 000mg/m3，通过单位转换，相当于4 581.82 mg/kg。施工过程中采用局部空气净化设备收集电焊烟尘，净化效率为99.99%，但考虑到净化器捕集烟尘的效率受到现场操作的影响，综合考虑了捕获效率为30%、60%、90%这3种工况，则实际电焊烟尘实际释放到空气中的量对应为7、4、1 mg/s。

隧道内送风管长800 m，在送风管之后每隔700 m设置1台轴流风机，共10台。轴流风机的具体位置为距隧道入口1 500、2 200、2 900、3 600、4 300、5 000、5 700、6 400、7 100、7 800 m处。施工人员每天从隧道两侧向隧道中心运送2根长24 m的预制燃气管道，按照运送7.5 d的位置来设置污染源（表3）。

表3 不同施工阶段人员及污染物位置

3 数值模拟控制方程

在送风管加射流风机的接力送风方案下，不同的污染源释放量和释放位置均会对隧道内污染物的分布产生不同的影响，因此根据该工程的通风方案构建数学模型。在流动与传热问题中，所需要求解的主要变量的控制方程都可以表示成如式（1）所示的通用形式。

表4 通用控制方程各符号的具体形式

由于隧道内流动状态为湍流，需要借助湍流模型对流场和浓度场进行模拟。在工程中常用雷诺时均法来进行湍流模拟，其中RNGk-ε模型具有较好的适用性[10]。RNG是Renormalization Group的缩写，意为重正化群，相比Standardk-ε模型，RNGk-ε模型考虑了流动中的旋转和旋流流动对湍流的影响，对湍流黏度进行了修正；另外还在方程ε中增加了一项Eij，用来反映主流时均应变率；通过上面两项的处理，使得RNGk-ε模型可以更好地适应流线弯曲程度比较大的湍流流动。k方程和ε方程的具体表达如下所示。

4 通风性能数值模拟

4.1 隧道通风模型建立

本文利用CFD数值模拟软件Fluent和网格划分软件ICEM对隧道进行全尺寸建模，本模型形状较为规则，但结构复杂。因此，在网格划分时使用非结构化网格，在保证计算准确的情况下尽可能地减少网格数量，并在射流风机及污染源散发处进行局部加密处理，划分网格如图3所示。

图3 局部网格划分示意

模型边界条件：隧道入口、隧道出口与大气相连，分别设置为压力入口、压力出口，保证隧道内的空气处于自然流动状态；送风管道入口、射流风机入口均设置为速度入口；按表3确定污染源位置，设为混合污染源速度入口。

模拟计算方法为稳态方法，湍流模型选用RNGk-ε模型，开启能量方程，压力-速度耦合算法采用的是SIMPLE算法[11]，压力离散采用二阶格式，其余项均采用二阶迎风格式，迭代收敛判据为10－5，运算约3 000步后达到收敛。

4.2 污染源位置对污染物分布的影响

通过迭代计算可以得到净化器处捕集30%的电焊烟尘的速度场和浓度场，则不同污染源释放的位置对污染物分布的结果如图4所示。

图4 污染源附近污染物浓度（净化器捕集效率30%）

由图4可知：当在隧道内部任意位置释放电焊烟尘时，均会超过标准的容许浓度，对人体产生不可估量的危害。隧道内CO2的浓度达到标准要求的容许浓度。不同工况下隧道内污染物平面浓度云图如图5～图7所示。

图5 隧道平面CO2浓度云图（单位：mg·m－3）

由图5和图6可知：隧道内的CO2和电焊烟尘主要集中于隧道底部，与焊接人员的工作高度相近，考虑到隧道施工时是由隧道中部向两端推进，因此隧道后半部分的工作人员面临的危害更加严重。在污染源释放位置的前端没有检测出污染物，而在污染源释放位置后端检测出存在较高的浓度。因此，污染物在新风的作用下向前流动，没有出现回流的现象。此时送入隧道的新风既给人提供了新鲜的空气，又满足了排风的需要。

图6 隧道平面电焊烟尘浓度云图（单位：mg·m－3）

由图7可知：CO2与电焊烟尘在隧道中的分布较为相似，只是实际浓度相差较大。隧道顶部位置均未检测到污染物。工况1、工况2、工况3的污染物集中分布在隧道底部，且浓度远超过标准要求的容许浓度。工况4、工况5、工况6相比于其他工况污染物覆盖的区域更广、扩散得更好，污染物浓度高的地方主要集中在隧道施工两侧，对人员危害较低。这表明在隧道中部施工时，产生的污染物更易随着新风向前流动，而在隧道前端和末端施工时，污染物浓度较高，因此可适当采取措施来加快污染物的流动。

图7 隧道截面污染物浓度云图（单位：mg·m－3）

4.3 不同烟尘捕获效率下的污染物分布

净化器捕获60%、90%的电焊烟尘这2种工况下，运用CFD数值模拟获得隧道内的速度场和浓度场，在不同施工阶段考虑污染源释放的位置不同，污染物浓度分布的详细结果如图8、图9所示。

图8 污染源附近污染物浓度（净化器60%）

由图8、图9可知：在净化器能处理60%的污染物时，污染源附近平面的CO2浓度均低于CO2的容许浓度，满足规范要求；而电焊烟尘的浓度值均高于电焊烟尘的容许浓度值，不满足规范要求，依然会对施工人员产生危害。在净化器能处理90%的污染物时，污染源附近平面的CO2浓度、电焊烟尘浓度满足规范要求，对人体危害较低。