高海拔隧道施工出碴车二次扬尘扩散规律

2022-08-01孙三祥李国良

中国铁道科学 2022年4期

孙三祥，王文，李国良，李雷，李宁

（1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州 730070；2.兰州交通大学甘肃省轨道交通力学应用工程实验室，甘肃兰州 730070；3.兰州交通大学寒旱地区水资源综合利用教育部工程研究中心，甘肃兰州 730070；4.陕西铁路工程职业技术学院铁道动力学院，陕西渭南 714000；5.中铁第一勘察设计院集团有限公司桥梁隧道设计院，陕西西安 710043）

隧道钻爆法施工过程中，扬尘是影响施工环境和作业人员健康的重要污染物之一［1—2］；隧道施工采用无轨运输方式进行出碴作业时，出碴车行驶过程中的二次扬尘是造成隧道内扬尘污染的原因之一。施工通风通常是影响隧道施工进度的重要因素，而高寒、高海拔地区特长隧道对于施工通风条件的要求更为严苛。目前关于扬尘扩散运移特性的研究主要包括：工作面扬尘浓度分布规律、扬尘颗粒起动风速、车辆扬尘输移扩散规律等，对隧道施工出碴车行驶过程中的扬尘扩散规律研究涉及较少。

在工作面扬尘浓度分布方面，姚锡文等［3］基于气固两相耦合模型，以粉尘运动为研究对象，通过工作面三位空间速度场模拟，得到急倾斜综放工作面割煤、移架、放煤产尘浓度分布规律，获取了合理的通风除尘设计参数。周刚等［4］运用颗粒相的动力学理论，在推导颗粒相应力表达式的基础上，通过数值模拟得到综放工作面粉尘浓度空间分布规律。

在扬尘颗粒起动风速方面，韩桂波等［5］通过风洞实验，建立了煤炭粉尘颗粒起动风速的数学新模型。Zhang Jie 等［6］通过风洞实验，采用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）技术测定了水、木材、沙子和树木3种不同表面的粉尘沉积速度，为粉尘沉降方案的验证提供了数据集。Shannak B 等［7］通过风洞试验，研究得到风速1.0～5.5 m·s-1不同情况下12种粉尘的流动特性和起动风速。

在车辆扬尘输移扩散规律方面，吴丽萍等［8］通过现场试验，确定了单台机动车行驶工况下，城市道路路面粉尘负荷、车速对道路扬尘浓度的贡献率。李招武等［9］根据风沙理论推导得到更加合理的一般浓度边界条件，在此基础上研究了颗粒重力及车轮旋转对粉尘的影响，模拟得到单台轿车不同车速条件下扬尘（PM10）浓度沿高度的分布，且车速与粉尘量之间近似为指数的规律。陈曦等［10］建立了露天矿自卸卡车行驶粉尘模型，模拟得到不同车速下自卸车周围气流与粉尘浓度的分布规律。王明等［11］在分析硬质路面汽车粉尘本质的基础上，模拟得到汽车行驶过程中诱导气流和粉尘的分布规律。唐荣江等［12］模拟得到重型载货汽车在低速行驶过程中的扬尘浓度分布，提出延长护风罩和增加导流板对粉尘扩散有很好的抑制作用，能够明显改善车辆底部气流流场。陈慧敏等［13-14］基于气固两相流理论，模拟得到单辆坦克行驶引起的外流场变化及不同风速和不同粉尘质量流率下的粉尘浓度分布规律。董子文等［15-16］模拟得到不同车速工况下胶轮车粉尘浓度分布规律。Ramakrishna Morla 等［17］采用RANS 模型，模拟了不同离散相（DPM）流量、进气方向和排气管方向条件下，煤矿井下铲运机和卡车产生的柴油颗粒物浓度分布。但隧道空间有限，其扬尘扩散规律与上述半无限大空间存在较大差异。

依托采用钻爆法施工的敦格铁路某隧道建立三维数值模型，并通过现场实测的形式验证模拟方法的正确性；考虑出碴车速度、隧道底面积尘负荷2个最主要因素对扬尘浓度时空变化的影响，设置由3 种底面积尘负荷、3 种出碴车速度组成的9 种工况，对通风条件下出碴车在高海拔隧道中行驶产生的气流速度场和扬尘浓度场进行三维非稳态模拟，分析高海拔隧道施工出碴车行驶过程中二次扬尘浓度及其与主要影响因素间的关系和沿程分布规律。相关结论可为确定合理安全的出碴路线、出碴车间距和人车距离提供技术依据。

1 依托工程概况

敦煌至格尔木铁路某单洞单线特长隧道地处高海拔戈壁无人区，是目前国内高寒缺氧地区单口平导设计最长、单面坡最长的单洞单线隧道。隧道正洞全长20.1 km，地面高程2 600～4 000 m，最大埋深780 m，共设置斜井3 座、竖井2 座及平行导坑1 条，长12.5 km。洞身包括3 个单面上坡，坡度和长度依次为6‰和570 m，12.3‰和19 200 m以及7‰和370 m。

隧道岩体整体较破碎，工程地质条件差，施工中存在高地应力条件下硬岩岩爆、软岩大变形等地质灾害风险，其中极可能发生岩爆的段落累计长2 250 m，极可能发生大变形的段落累计长1 875 m。整座隧道施工难度极大，且隧址区自然环境恶劣，为极高风险隧道。为我国铁路行业首次全面采用机械化施工的试点工程之一。

隧道施工采用钻爆法，出碴作业采用无轨运输方式。独头通风达8 km，创下国内高寒低氧地区采用钻爆法独头通风距离新纪录。隧道内污染物主要包括掌子面爆破产生的有害气体、作业机械与出碴车排污等。

2 扬尘浓度场数值模拟及方法验证

2.1 基本假设

结合隧道实际情况，模拟隧道内扬尘扩散特性时做如下假设：

（1）流场中扬尘颗粒为球形，且密度相同。

（2）忽略颗粒之间的作用力，仅考虑尘粒与隧道壁面之间的碰撞。

（3）初始时刻隧道底面的扬尘浓度为定值。

（4）温度、湿度等环境变化不大，可忽略热交换。

2.2 控制方程

隧道气流流动与扬尘扩散均遵循基本控制方程（质量守恒方程、动量方程、能量方程）、湍动能方程和湍动能耗散率方程，扬尘扩散还须遵循颗粒运动方程。

1）基本控制方程通式

式中：t为时间；ρ为流体密度；φ为待求通用物理量；v为速度矢量；Γφ和Sφ分别为对应变量的广义扩散系数和广义源项。

2）湍动能κ方程

其中，

式中：xi和xj均为笛卡尔直角坐标系坐标分量；vi和vj分别为xi和xj坐标的速度分量，m·s-1；κ为紊流动能，m2·s-2；μeff为有效黏性系数，Pa·s；μt为紊流动力黏性系数，Pa·s；Prt为湍流普朗特数；G为紊流脉动动能产生项；ε为紊流的动能耗散率，m2·s-3；μ为层流动力黏性系数，Pa·s；cμ为经验常数。

3）湍动能耗散率ε方程

式中：cε，c1和c2均为经验常数。

4）颗粒运动方程

在笛卡尔直角坐标系下，颗粒作用力平衡方程为

式中：FD为单位时间单位质量颗粒所受阻力，s-1；v为流体速度，m·s-1；vp为颗粒运动速度，m·s-1；ρp为颗粒密度，kg·m-3；CD为阻力系数；dp为颗粒直径，m。

通过确定流体的瞬时速度跟踪颗粒的随机轨迹，其优点是可以考虑颗粒的湍流扩散。颗粒轨道控制方程为

其中，

式中：τp为颗粒松弛时间，s；为流体时均速度，m·s-1；v′为流体脉动速度，m·s-1。

颗粒与离散涡作用时，u′满足高斯概率密度分布，可表示为

式中：ζ为正态分布随机数。

2.3 模型计算网格及边界条件

2.3.1 计算网格

基于依托工程建立隧道三维数值模型，模型结构及三维网格分别如图1和图2所示。隧道模拟计算长度200 m。出碴车简化为8.55 m×2.49 m×3.45 m（长×宽×高）的六面体，底面距地面高0.6 m。采用非结构化四面体网格对流场区域进行网格划分，对车体周围网格进行加密后作为随体网格。

图1 模型结构

图2 模型三维网格

按出碴车运动区域和非出碴车运动区域，对隧道内气流场进行网格划分，基于Fluent软件提供的DEFINE_CG_MOTION 宏，应用C 语言编译用户自定义函数，建立出碴车运动的动网格模型。根据隧道钻爆法施工时的洞内无轨运输规定［21］，机动车在施工作业地段单车速度为10 km·h-1；在非作业地段为20 km·h-1，有牵引车时为15 km·h-1，会车时为10 km·h-1，因此选取模拟单车速度为2.5，4.0，5.5 m·s-1。

2.3.2 边界条件

（1）入口边界：隧道出口为速度入口（velocity-inlet），隧道排污风速按相关规范取值为0.15 m·s-1。

（2）出口边界：隧道洞口设置为压力出口（pressure-outlet），压力参数为当地大气压。

（3）无滑移固壁边界：隧道壁面及隧道掌子面为壁面边界（wall），隧道壁面粗糙高度0.008 m（粗糙度常数取0.6），掌子面粗糙高度0.08 m（粗糙度常数取0.96）。

（4）离散相边界条件定义：出口边界类型为出流（escape），隧道底面边界类型为捕获（trap），隧道壁、隧道顶部类型为反弹（reflect），壁面剪切条件无滑移。扬尘在瞬间启动，在隧道底面形成铺陈设置。基于现场测试及相关文献设定隧道扬尘源和离散相的相关参数及特征，具体见表1和表2。

表1 扬尘源参数及特征

表2 离散相参数及特征

2.4 模拟方法与参数取值

基于前期研究基础，采用RNGκ-ε湍流和离散相模型、非定常隐式解法求解气流流动方程和扬尘扩散方程，流场迭代采用压力的隐式算子分割（PISO）算法；压力采用标准离散方式；其他参数的离散采用二阶迎风格式。计算时间步长设置为0.005 s。

基于文献［13-16］及模拟验证结果，湍流普朗特数Prt和经验常数cμ分别取值1.00 和0.09。基于文献［14-20］及模拟验证结果，经验常数cε，c1和c2分别取值1.30，1.44和1.92。

2.5 方法验证

2017年7月，分3 次选取隧道不同断面位置进行现场实测，通过对比现场实测数据与数值模拟结果，进一步验证模拟方法的正确性。

实测时扬尘浓度采样点取距隧道底面高1.5 m（人体呼吸高度）、距侧壁水平距离1.5 m 处，此处积尘负荷50 mg·m-2，出碴车速度4.0 m·s-1。现场实测与数值模拟的结果对比见表3。由表3可知，3 组现场实测与数值模拟的数据相对误差最大为10.0%，说明模型及方法满足要求。

表3 现场实测与数值模拟结果对比

3 模拟工况及对比分析

为分析出碴车二次扬尘对施工环境的影响，对通风条件下出碴车在高海拔隧道行驶过程中，隧道内的气流速度场和扬尘浓度场进行三维非稳态模拟，分析扬尘浓度与主要影响因素的关系及沿程分布规律。

3.1 模拟工况

考虑出碴车速度、隧道底面积尘负荷2个最主要因素对扬尘浓度时空变化的影响，划分9种工况进行模拟，各工况对应的积尘负荷和出碴车速度见表4。模拟时隧道内风速按相关规范取值为0.15 m·s-1；其他参数基于现场实测资料取值，大气压为71 kPa，空气温度为20 ℃，湿度为65%。

表4 模拟工况模拟设置

从出碴车启动瞬间开始计时，即以此刻为t=0 s。考虑t=25 s 后各工况流场为稳态流场，隧道流场空间分布对称性，以隧道轴线断面、距隧道底面高2 m 处（驾驶室司机呼吸高度）水平面为例，定量分析出碴车行驶过程中隧道内速度分布特征，扬尘浓度时空变化规律，扬尘浓度与出碴车速度、隧道底面积尘负荷的关系。由于各工况结果相似，主要基于隧道底面积积尘负荷取100 mg·m-2，出碴车速度取5.5 m·s-1的工况6，对部分模拟工况进行对比分析。

3.2 速度分布

考虑出碴车头部、尾涡区和环隙气流对扬尘产生及扩散速度影响大，首先分析其头部、尾涡区范围内，车体与拱顶之间、车体与隧道侧壁之间的环隙气流速度分布特征。

工况6下，t=25 s时隧道流线图和速度矢量图分别如图3—图5所示。由图3—图5可知：此时出碴车后方4倍车身长度区域受尾涡影响明显；出碴车尾部高流速区域速度方向与车行方向同向，但尾涡影响高度未超过车身高度。

图3 出碴车行驶25 s时的全流场流线图

图4 出碴车行驶25 s时隧道轴线断面流线图

图5 出碴车行驶时速度矢量图

以工况4—工况6 为例分析不同出碴车速度对头部、尾涡区范围及拱顶环隙气流方向的影响。t=25 s 时，3 种工况下隧道中轴线断面的速度云图如图6所示，距底面高2 m 处隧道中轴线的出碴车速度沿程变化如图7所示。由图6可知：隧道内出碴车速度越快，出碴车尾涡影响区域越大；出碴车与拱顶环隙气流速度方向与车行方向相反。由图7可知：不同速度条件下，车辆头部对隧道前端速度影响极小，只在车头部位产生挤压增速的作用；隧道内出碴车速度越快，尾涡扰动越大。

图6 不同速度条件下出碴车行驶25 s时隧道轴线断面速度云图

图7 不同速度条件下出碴车行驶25 s时隧道中轴线速度分布（距底面高2 m处）

以工况4—工况6 为例分析不同出碴车速度条件下的车体与隧道环隙气流速度分布特征。t=25 s时，3 种工况下隧道内距离底面高2 m 处的轴线断面垂向、横向环隙速度分布如图8所示。图中：环隙速度与出碴车速度方向一致时为正值，反之为负；垂向、横向环隙流分别反映了车体与隧道顶部环隙及底部环隙，以及车体与隧道侧壁环隙的速度分布。由图8（a）可知：由于车体下方与隧道底面的环隙空间较小，在车体壁面拖曳力的作用下，尽管出碴车速度条件不同，但车体下部气流速度与车体行驶方向基本一致；由于车体上方与隧道拱顶的环隙空间较大，除车体近壁区速度方向与车行方向一致外，其余区域的环隙速度与车行方向相反，并在距底面5.5～6.5 m 高度范围内垂向均匀分布；出碴车速度越快，车体壁面拖曳力影响区域越大，环隙内垂向反向速度越大，环隙最大速度点逐渐向拱顶上移。由图8（b）可知：车体与隧道侧壁环隙速度基本呈对称分布；出碴车速度越快，横向反向速度越大，且最大速度逐渐向壁面靠近。

图8 不同速度条件下出碴车与隧道环隙间的速度分布

3.3 扬尘时空分布

出碴车行驶是产生二次扬尘的主要根源，且行驶时出碴车附近区域的二次扬尘浓度变化最大。分别对行驶时出碴车车体附近不同区域扬尘扩散速度及扬尘在不同高度的分布特征、不同时刻隧道内扬尘浓度沿程分布特征、出碴车速度对隧道平均扬尘浓度的影响、底面积尘负荷对平均扬尘浓度的影响等因素进行分析，确定行驶时出碴车扬尘扩散速度及扬尘时空分布特征。

3.3.1 扬尘扩散速度及高度分布

以工况6 为例分析出碴车行驶过程中，车体附近不同区域扬尘扩散速度及扬尘在不同高度的分布特征。t=25 s 时，该工况下出碴车行驶造成扬尘扩散的三维速度云图和距隧道底面高2 m 处水平面的扬尘扩散速度云图分别如图9和图10所示。由图9和图10可知：由于环隙流、尾部涡流的作用，车体下部、尾部二次扬尘扩散速度较大，尾部近车区域二次扬尘扬起高度较低；受气流影响，尾部远区二次扬尘扩散至稳定高度。

图9 出喳车行驶过程25 s 时车体前后扬尘扩散三维速度云图

图10 出碴车行驶过程25 s时距离隧道底面高2 m处水平面扬尘扩散速度云图

3.3.2 不同时刻扬尘浓度沿程分布

以工况6 为例分析出碴车行驶过程中，不同时刻的隧道内扬尘浓度沿程分布特征，相应的模拟结果如图11所示。由图11可知：初始时刻隧道底面二次扬尘浓度最高；出碴车行驶过程中，受环隙流和尾涡扰动的影响，隧道底部扬尘开始向整个隧道空间运移扩散；隧道二次扬尘高度呈现先增高（出碴车启动时风速增大，扬尘高度随之增高）、再维持稳定位置（风速趋于稳定，扬尘浓度趋于饱和）、最后下降（风速下降，扬尘颗粒开始沉降）的变化规律；隧道底面浓度受拱顶环隙流抑制，在靠近车尾部区域扩散高度较低。

图11 出碴车行驶过程中不同时刻隧道扬尘浓度分布

3.3.3 不同速度扬尘浓度沿程分布

以工况9 为例，分析不同出碴车速度下扬尘浓度沿程分布规律。t=25 s 时，该工况下不同速度隧道内扬尘浓度分布如图12所示。由图12可知：出碴车速度越快，车尾高浓度二次扬尘范围（下文简称“扬尘带”）也越长，扬尘稳定高度距离车体越远；不同速度下二次扬尘最终稳定高度基本一致；同时，工况9验证了不同出碴车速度条件下的二次扬尘高度沿程同样呈增高→稳定→下降的规律变化，以及二次扬尘浓度随高度减小，隧道底面浓度最高的分布特征。

图12 不同速度条件下出碴车行驶过程中隧道扬尘浓度沿程分布（t=25 s）

3.3.4 不同底面积尘负荷对二次扬尘平均浓度的影响

以工况3、工况6 和工况9 为例，分析出碴车速度恒定时不同底面积尘负荷对二次扬尘平均浓度的影响。速度为5.5 m·s-1时断面平均二次扬尘浓度（简称“二次扬尘平均浓度”）随时间变化过程如图13所示。由图13可知：隧道底面积尘负荷越大，隧道内二次扬尘平均浓度越大；出碴车速度恒定时，在5～15 s 时间区间内，不同底面积尘负荷条件下，二次扬尘平均浓度升至较高值，并保持基本稳定；行驶约15 s后，二次扬尘平均浓度开始下降至定值；底面积尘负荷越大，二次扬尘平均浓度下降至定值所需时间越长。

图13 不同隧道底面积尘负荷时二次扬尘平均浓度随时间的变化（出碴车速度为5.5 m·s-1）

以工况7—工况9 为例，分析不同出碴车速度对二次扬尘平均浓度的影响。t=25 s 时，3 种工况下二次扬尘浓度随时间变化过程如图14所示。由图14可知：出碴车速度越快，二次扬尘平均浓度达到稳定值的时间越短，稳定值持续时间也越短，同时二次扬尘沉降所需时间也越短；出碴车速度越慢，二次扬尘沉降所需时间越长。

图14 不同速度条件下二次扬尘平均浓度随时间的变化（隧道底面积尘负荷为300 mg·m-2）

分析隧道底面积尘负荷SL为定值时，不同出碴车速度对二次扬尘浓度沿程分布的影响。以SL=300 mg·m-2为例，t=25 s 时距离底部高2 m处隧道中线的二次扬尘浓度分布如图15所示。由图15可知：底面积尘负荷相同的情况下，出碴车速度越快，车尾后部二次扬尘浓度值越大；随着行驶距离的增大，扬尘带二次扬尘浓度逐渐增大。

图15 不同速度条件下出碴车行驶25 s 后扬尘浓度分布（距离底部高2 m处隧道中线）

3.4 二次扬尘平均浓度与出碴车速度和隧道底面积尘负荷的关系拟合

为便于更好地指导实际工作，基于模拟结果进行二次扬尘平均浓度与出碴车速度、二次扬尘平均浓度与底面积尘负荷、二次扬尘平均浓度与行驶距离（即二次扬尘浓度沿程分布）的关系拟合。

1）二次扬尘平均浓度与出碴车速度的关系拟合

9 种工况的二次扬尘平均浓度C与出碴车速度vc的拟合表达式见式（7），二次扬尘平均浓度与出碴车速度之间呈二次函数关系，相关拟合参数见表5。由表5和拟合结果可知，拟合点数据量虽较少，但仍可定性反映二次扬尘平均浓度与出碴车速度之间的关系。

表5 二次扬尘平均浓度与出碴车速度的关系拟合参数与可决系数

式中：C为二次扬尘平均浓度，mg·m-3；a1，b1和c1分别为待拟合参数。

2）二次扬尘平均浓度与隧道底面积尘负荷的关系拟合

以工况3、工况6、工况9 为例，t=25 s 时，3种工况下不同底面积尘负荷工况下距离底面高2 m处隧道中线的扬尘浓度沿程变化如图16所示。由图16可知，出碴车匀速行驶时地面积尘负荷值越大，扬尘浓度值也越大。

图16 出碴车行驶25 s 时不同底面积尘负荷二次扬尘浓度沿程变化

二次扬尘平均浓度与底面积尘负荷的拟合表达式见式（8），两者之间也呈二次函数关系，相关拟合参数见表6。由表6和拟合结果可知，拟合点数据量虽较少，但也能定性反映二次扬尘浓度与隧道底面积尘负荷之间的关系。

表6 二次扬尘浓度与底面积尘负荷关系拟合参数与可决系数

式中：a2，b2和c2分别为待拟合参数。

3）二次扬尘浓度沿程分布

以工况3 为例，距离底面高2 m 处隧道中线二次扬尘浓度沿程分布如图17所示。图17表明，二次扬尘平均浓度（图中红色线表示）沿程符合玻尔兹曼（Boltzmann）分布。

图17 扬尘浓度沿程分布

综合9 种工况模拟结果，得到二次扬尘平均浓度沿程分布拟合式为

其中，

x0=vct

式中：A2为出碴车横截面积，m2；A1为隧道断面面积，m2；x为浓度计算点沿程长度，m；x0为出碴车行驶长度，m。

由式（9）可知：在隧道底面积尘负荷一定的工况下，隧道出碴车行驶产生的扬尘浓度与出碴车速度vc、行驶时间t呈幂指数相关，出碴车速度越快，行驶时间越长，扬尘带越长。

隧道长度一定条件下，出碴车速度慢，相同时间内扬尘带小，综合车体有害气体浓度排放等因素，确定合理的行车速度有利于减小扬尘扩散范围；同时，考虑实际浓度时空变化随机性较强，每个断面扬尘平均浓度的确定需要较长的时间（建议大于120 s），文中计算时长较短（按最小速度2.5 m·s-1，行驶80 s 也将驶出隧道），由此得到可决系数较低，但不影响对扬尘浓度沿程分布的定性描述。