小半径曲线隧道施工通风粉尘迁移规律研究

2022-12-30谢全敏黄昆武汉理工大学湖北武汉430070

安徽建筑 2022年12期

谢全敏，黄昆（武汉理工大学，湖北武汉 430070）

1 引言

近年来，随着我国西部山区公路建设的快速发展，有大量的隧道工程需要建设，由于山区各种复杂地形地质条件的限制，为满足公路线型等级设计及安全要求，曲线隧道应用也越来越广泛。在曲线隧道施工，尤其是小半径曲线隧道施工过程中，由于隧道的沿程阻力大，通风排尘较一般隧道难度更大，因此，急需加强小半径曲线隧道施工的粉尘迁移规律进行研究。本文依托五阱明隧道项目，研究在小半径曲线隧道施工通风中，风管布置对粉尘迁移的影响机制，为小半径曲线隧道施工通风设计提供参考。

2 数学模型

2.1 气固两相流模型的描述

隧道内粉尘颗粒在连续风流场中的运动属于典型的两相流运动，目前在对两相流运动分析最主要的处理办法是欧拉法和拉格朗日法。欧拉法将分散相作为连续介质；拉格朗日法将气体作为连续项，流场中其他粒子作为离散相。针对粉尘运输问题，综合粉尘在流体中的运动特性，可不考虑颗粒碰撞及颗粒所占体积，应用DPM模型（Discrete phase model）较为合适，属于拉格朗日法的范畴。

2.2 基本假定

①隧道内气体为不可压缩的连续介质；

②假定隧道壁面绝热，并忽略因风流粘性力做功散热；

③隧道施工作业期间忽略行车交通风、自然风压和其他设备对空气流场的影响。

2.3 数学模型的控制方程

在流体运动过程中，由于粉尘颗粒浓度很低，颗粒间的相互作用可不考虑。同时，粉尘颗粒运输主要是气相作用运输导致的，应用拉格朗日法时，数学模型可以适当简化。

2.3.1 质量守恒方程

2.3.2 动量方程

2.3.3 能量方程

其中，αp为颗粒箱体积分数(%)；ρp为颗粒密度(g/cm3)；U为气体速度分量(m/s)；Up为颗粒速度分量(m/s)；Γp为颗粒相浓度变化速率(g/cm3·s)；tp为时间(s)；f为施加到颗粒单位质量上的体积力向量(N)；τΥp为颗粒运动弛豫时间(s)；Cp颗粒比热容（J Kg·℃）；Tp为颗粒温度(℃)；JEp为单位体积内热辐射所产生的热量(J)；QAp为通过气体与颗粒的界面所传递的热量(J)。

3 数据模型建立和计算

3.1 工程概况

五阱明隧道位于丽江市古城区七河镇大龙潭龙头村北边，为一座分离式隧道，左幅隧道长3465m，位于R=805m的右转圆曲线上；右幅隧道长3410m，位于775m的右转圆曲线上。隧道施工方式为双向爆破施工、全断面开挖，采用压入式通风。

3.2 计算模型建立与网格划分

基于施工现场施工尺寸，利用gambit建立施工断面的三维数值分析模型，隧道计算长度为100m，隧道模型横截面及风管直径与隧道施工现场一致，风管出口风速与实际通风风速一致为20m/s，为探究风管布置因素对小半径曲线隧道施工通风的影响情况，设定隧道曲率半径为300m，建立风管不同布置部位的工况见下表所示。

模型表

进行网格划分时，由于隧道风管与掌子面部分存在涡流区，粉尘颗粒在风涡流的作用下产生回流现象，粉尘在此区域内迁移具有一定复杂性，需要对这部分区域进行网格加密。同时为保证计算的收敛性及稳定性，采用六面体网格进行划分，网格尺寸为0.3m，网格总数约为240000。

3.3 边界条件及参数设定

隧道所处区段内第四系全新统残坡积和坡崩积粉质黏土、黏土为弱膨胀土，爆破产生粉尘的主要成分为SiO2颗粒，密度约为2300kg/m3。计算模型为瞬态模型，离散相参数、喷射源参数及边界条件设定等部分，参考国内外已开展的计算参数取值。

4 计算结果及分析

4.1 悬挂位置对风流场的影响

在隧道施工期通风过程中，靠近掌子面部分受到射流区和回流区的共同作用，距掌子面一定距离外，隧道风流场由回流区构成。为充分分析不同区段流场的特点，将掌子面处、不同断面风速云图及人呼吸高度（距地面1.6m）平面组合分析共同作用段流场特点。回流区风速利用风速分布曲线进行对比分析。图1为不同工况射流区和回流区共同作用段速度云图；图2、图3为距掌子面30m、60m处人呼吸高度处的横向风速分布。

射流区和回流区共同作用段速度云图，见图1所示，此部分流场受射流风支配。掌子面风速最大值部位在风管布置处，与风管悬挂因素无关，此时掌子面的最大风速约为6.5m/s。当风管布置在隧道拱顶时，由于隧道曲率存在，外界空气经射流风机加速进入隧道，射流区流场为典型的附壁射流流场，而回流区流体受隧道曲率导致的摩擦阻力，风流场发生改变，开始呈现非对称性，回流风向隧道外侧偏转，核心区由拱顶趋向于外侧拱肩，对应射流低速区由仰拱中部向内侧拱脚移动。由于此阶段距离较短，隧道曲率对风流场影响不明显，当风管布置在隧道的不同位置时，风流场呈现一定的对称性，风管布置在内侧的风流场与相对应位置风管的风流场对称。

图1 不同工况射流区和回流区共同作用段速度云图

图2展示了距掌子面30m处，人呼吸高度处的横向风速分布。从各工况风速横向分布来看，当射流发展到距掌子面30m处，风管布置在隧道两侧时的各部分风速均小于其他工况，同时具有明显的康达效应，部分风流在附壁效应的作用下紧靠隧道壁发展；风管布置在拱顶时，主要受隧道曲率影响，存在一定的核心区偏移现象；风管布置在隧道两侧拱肩时，受隧道曲率因素和悬挂位置因素综合影响；当风管位于内侧拱肩时，两因素叠加影响导致隧道外侧风速远大于隧道内侧风速；风管位于外侧拱肩时，两因素相互平衡，总体上呈现横向风速较为一致。

图2 距掌子面30m处横向风速分布

图3展示了距掌子面60m处，人呼吸高度处的横向风速分布。风管布置在拱顶处，射流在此处以发展充分，隧道内外侧风流较为平均，仅因为隧道曲率存在使得外侧风速略高于内侧风速，同时当风管布置在隧道内侧拱肩时，能量损失现象严重，在隧道外侧存在明显的低速区。另外，风管布置在外侧时的横向最大风速及平均风速均优于其他工况。

4.2 粉尘颗粒运动迁移规律分析

在粉尘迁移过程中，风流场的卷吸效应带动粉尘颗粒迁移，因此隧道爆破施工粉尘迁移规律受风流场及粉尘颗粒性质综合影响。现对人呼吸高度平面粉尘结果进行分析，图4为隧道爆破通风作业开始后，不同工况下不同时刻人呼吸平面处粉尘颗粒分布图。

从图4的颗粒运动轨迹可以看出：

图4 不同工况下，不同时刻y=1.6m处粉尘颗粒分布图

①在射流风机的作用下，隧道内爆破产生粉尘颗粒在射流风的卷吸作用下向洞口移动，在掌子面处，射流风对掌子面冲击回流形成涡流区，进而形成旋转气流，抑制粉尘颗粒向外迁移，导致粉尘在涡流区内滞留，爆破产生的粉尘在迁移过程中，受重力影响，粉尘颗粒不断沉降，使得隧道下部粉尘浓度高于隧道顶部；

②在隧道内风流场中，当风管布置在隧道顶部时，隧道内侧粉尘迁移速率高于外侧，与风流场中风速分布规律一致，但隧道施工通风过程中，断面风速不断下降，对粉尘颗粒运输能力也不断下降，同时由于风流与隧道壁面间的摩擦阻力，壁面处风速较慢，导致粉尘在壁面处移动速度较隧道中部慢，因此爆破产生的粉尘在曲线隧道运输过程中，受风流场和隧道环境综合影响，当射流风速大于隧道壁面影响时，此处空间常位于靠近掌子面处，受风流支配，隧道两侧粉尘分布存在较大差异，当风流到达内部风流稳定区后，粉尘颗粒呈U形分布形态向洞口排出；

③当风管布置在不同隧道部位时，外界空气经射流风机加速进入隧道，因此在射流风直接冲击的空间，粉尘颗粒较少，在隧道的其余空间，风流到达稳定区之前，可以看出当风管布置在隧道外侧及外侧拱肩时，粉尘迁移速率略高于其他工况，并且粉尘分布较其他工况更为平均，当风管布置与隧道内侧时，粉尘颗粒进一步向隧道内侧聚集，与风流场特性接近，在进入风流稳定区之后，粉尘迁移速率接近，整体均呈U形分布，与风管布置因素无关。