長(zhǎng)大隧道與復(fù)雜地下工程施工通風(fēng)特性及關(guān)鍵技術(shù)研究

1、長(zhǎng)大隧道與復(fù)雜地下工程施工通風(fēng)特性及關(guān)鍵技術(shù)研究 摘要：在隧道施工中，長(zhǎng)大隧道與復(fù)雜地下工程施工通風(fēng)作業(yè)是整個(gè)隧道施工的關(guān)鍵因素，但由于影響隧道通風(fēng)的因素較多，包括溫度、濕度、海拔等因素，所以就需要運(yùn)用現(xiàn)代化技術(shù)對(duì)隧道通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行分析，才能更好地掌握長(zhǎng)大隧道通風(fēng)量等基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)，從而有效地改進(jìn)隧道通風(fēng)要求。關(guān)鍵詞：長(zhǎng)大隧道；通風(fēng)特性；技術(shù)研究引言：隨著社會(huì)的發(fā)展，科技水平的提高，在施工中經(jīng)常會(huì)遇到長(zhǎng)大隧道，在隧道的地下工程施工中，為了確保施工的有效運(yùn)行以及給施工人員和設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供新鮮的空氣，就需要從施工通風(fēng)的特性以及關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行研究。1.影響地下工程施工通風(fēng)特性參數(shù)1.1通風(fēng)動(dòng)力和

2、風(fēng)流品質(zhì)參數(shù)在長(zhǎng)大隧道與復(fù)雜地下工程的施工過程中，由于對(duì)隧道的通風(fēng)參數(shù)涵蓋風(fēng)機(jī)的型號(hào)、功率等各種因素1。因此隨著風(fēng)機(jī)參數(shù)的有效運(yùn)行，可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)的停止與調(diào)節(jié)。而地下項(xiàng)目的相關(guān)通風(fēng)流量主要包括施工的有效開展和施工人員的施工舒適度、空氣質(zhì)量等因素，所以還需要確保風(fēng)流品質(zhì)。1.2設(shè)備和通風(fēng)布置參數(shù)在大長(zhǎng)隧道的通風(fēng)布置中，影響通風(fēng)設(shè)備的主要參數(shù)由設(shè)備的型號(hào)以及數(shù)量等參數(shù)決定，而通風(fēng)布置中，需要掌握風(fēng)機(jī)、風(fēng)管以及通風(fēng)道等參數(shù)的布置情況。1.3風(fēng)量影響參數(shù)風(fēng)量影響參數(shù)包括洞室內(nèi)施工人員所需風(fēng)量、爆破排煙所需風(fēng)量、廢氣稀釋所需風(fēng)量這三項(xiàng)。而施工人員所需風(fēng)量影響參數(shù)是需要根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目工程的情況進(jìn)行

3、計(jì)算所需風(fēng)量的，計(jì)算公式如下Qp=VpmKp，在這個(gè)公式中，Qp是指地下洞室內(nèi)施工作業(yè)人員所需求的風(fēng)量，單位為m3/min，而Vp則是指地下洞室內(nèi)每名施工人員所需的風(fēng)量，單位為3.0m3/min，m是指地下洞室內(nèi)作業(yè)時(shí)最多的人數(shù)，Kp是指風(fēng)量備用系數(shù)，通常取值范圍使1.1-1.15之間。在地下洞室內(nèi)爆破排煙所需風(fēng)量中，由壓入式通風(fēng)量和混合式通風(fēng)量為主，其中壓入式通風(fēng)量的計(jì)算公式是Qb=21.4tASL，而混合式通風(fēng)量的計(jì)算公式是Qb=7.8t3Asl2，在這兩個(gè)公式中，混合式通風(fēng)量的Qb主要是指地下洞室內(nèi)爆破排煙量，其單位是m3/min，而A是指爆破炸藥的用量，單位是kg，t則是指通風(fēng)時(shí)間，單

4、位是min，L是隧洞長(zhǎng)度，Lk是有效射程，當(dāng)LLk時(shí)，取L，當(dāng)LLk時(shí)，Lk=400A/I。在對(duì)洞內(nèi)有害氣體的稀釋所需風(fēng)量中，就是風(fēng)量的公式如下Qg=KgNi，在公式中，Qg是指稀釋內(nèi)燃機(jī)排煙風(fēng)量，單位是m3/min，是指單位功率通風(fēng)計(jì)算系數(shù)，而Ni是指洞內(nèi)計(jì)算區(qū)域施工設(shè)施的總功率，Kg是指高程修正系數(shù)2。2.地下工程施工通風(fēng)特點(diǎn)和計(jì)算模型2.1地下工程施工通風(fēng)衛(wèi)生控制標(biāo)準(zhǔn)無論是公路、鐵路以及水利工程的隧道工程施工通風(fēng)中，對(duì)地下工程期間的施工環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)作出了如下規(guī)定。首先是氧氣體積濃度必須大于20%以上，同時(shí)在1m3的空氣中含有10%以上游離的SiO2粉塵要小于2mg，在爆破點(diǎn)20米范圍內(nèi)，需要

5、空氣中的瓦斯?jié)舛刃∮?%，同時(shí)巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛纫∮?.75%。地下工程施工中，一氧化碳的最高容許濃度不能超過30mg/m3，同時(shí)作業(yè)時(shí)間不得超過30分鐘，溫度不得超過28，噪音分貝小于90，這些通風(fēng)衛(wèi)生控制標(biāo)準(zhǔn)具體可見表1和表2所示，在國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有著明確的濃度規(guī)定。名稱最高濃度加權(quán)容許濃度短時(shí)間接觸容許濃度一氧化碳海拔2000米以下-2030海拔2000-3000米20-海拔3000米以上15-一氧化氮-15-二氧化氮-510二氧化硫-510硫化氫10-二氧化碳-900018000表1：長(zhǎng)達(dá)隧道地下工程作業(yè)有害氣體容許濃度名稱加權(quán)容許濃度總塵呼塵10%游離SiO2含量50%10.750%

6、游離SiO2含量80%0.70.3游離SiO2含量80%0.50.2表2：長(zhǎng)大隧道地下工程作業(yè)場(chǎng)所粉塵容許濃度2.2流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算數(shù)學(xué)模型利用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算數(shù)學(xué)模型，可以對(duì)隧道及地下工程內(nèi)空氣流分布特征進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，而流體在流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)往往需要遵循物理學(xué)的三大守恒定律，才能確保流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算的正確性。而在地下工程通風(fēng)數(shù)據(jù)模型的計(jì)算中，以粉塵運(yùn)移計(jì)算為例，需要對(duì)隧道內(nèi)的氣體、固體粉塵的流動(dòng)建立相應(yīng)的模型，可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)離散粉塵和風(fēng)流連續(xù)流暢運(yùn)動(dòng)軌跡的有效掌握，同時(shí)對(duì)粉塵顆粒的運(yùn)移特征和相關(guān)濃度進(jìn)行檢測(cè)分析，從而可以有效地進(jìn)行研究3。利用拉格朗日法追蹤顆粒相的運(yùn)動(dòng)軌跡，能夠?qū)娚湓吹母黜?xiàng)參

7、數(shù)進(jìn)行定義，當(dāng)隧道實(shí)施爆破工程獸，借助拉格朗日法可以計(jì)算出隧道內(nèi)粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡，從而進(jìn)行求解計(jì)算，能夠得到離散顆粒的運(yùn)動(dòng)軌道，并只考慮阻力作用和重力效應(yīng)，計(jì)算出粉塵離散顆粒相互作用的平衡方程為dupdt=FDuup+gx(PpP)Pp，其中t指顆粒運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，F(xiàn)D(u-up)是指顆粒單位質(zhì)量阻力，u是指流體的相對(duì)速度，單位是m/s，up是指顆粒運(yùn)動(dòng)速度，p是指流體密度，Pp是指顆粒密度，而dp是指顆粒的直徑大小。2.3網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計(jì)算模型在推動(dòng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)方法的過程中，通過逐步解決復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中各分支風(fēng)量的分配問題，可以有效調(diào)節(jié)管理等工作的基礎(chǔ)，在實(shí)際的工程應(yīng)用過程中，回路風(fēng)量法和節(jié)點(diǎn)風(fēng)壓法具有如下特點(diǎn)。

8、首先是對(duì)回路風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算時(shí)，由于回路風(fēng)量是當(dāng)前通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算中比較常見的一種計(jì)算方法，可以實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算，但同時(shí)也存在很多不足之處，通常在對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的計(jì)算中，需要避免出現(xiàn)單向回路的通風(fēng)情況，否則會(huì)導(dǎo)致回路風(fēng)壓平衡的計(jì)算出現(xiàn)無效性。其次是在節(jié)點(diǎn)風(fēng)壓法中，對(duì)那些不需要的回路風(fēng)壓平衡性進(jìn)行計(jì)算，由于其通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)使以節(jié)點(diǎn)風(fēng)壓作為主要的變量方程組，所以不需要選擇通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有風(fēng)壓計(jì)算值，只需要對(duì)任意復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采取適當(dāng)?shù)娘L(fēng)量法，就可以計(jì)算出通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始風(fēng)壓值是否合理。3.控制施工環(huán)境和溫度所需風(fēng)量的計(jì)算方式 3.1施工環(huán)境溫度首先是隧道內(nèi)的溫度影響，根據(jù)相關(guān)資料，隧道每增加1

9、00米，地溫就會(huì)升高1.8-4.4，所以在深埋隧道開挖的過程中，風(fēng)流通過的初始溫度會(huì)發(fā)生改變，從而會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)通風(fēng)溫度出現(xiàn)季節(jié)性的變化。由于隧道內(nèi)圍巖的調(diào)節(jié)作用，會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)風(fēng)溫季節(jié)性變化情況減小，當(dāng)外界溫度降低時(shí)，隧道會(huì)向空氣釋放熱量。其次是隧道內(nèi)環(huán)境溫度的影響，由于隧道內(nèi)的溫度上升，而這些熱源又被分為絕對(duì)熱源和相對(duì)熱源兩種不同的熱源形式，在這兩種熱源中，絕對(duì)熱源包括化學(xué)反應(yīng)、空氣壓縮等產(chǎn)生的熱量，而后者包括高溫圍巖散熱、地下水散熱等4。在通風(fēng)散熱中，對(duì)不同的風(fēng)速計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，將溫度設(shè)置為10、15、20、25、30等計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并以隧道中心作為縱斷面，而人體呼吸高度作為平面的流場(chǎng)

10、計(jì)算數(shù)據(jù)中，可以看出隧道內(nèi)側(cè)點(diǎn)最高溫度會(huì)隨著風(fēng)溫度的升高而升高。3.2控制有害氣體所需風(fēng)量系數(shù)隧道內(nèi)在施工的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體，因此就需要對(duì)這些有害氣體進(jìn)行及時(shí)排出，根據(jù)這些有害氣體的分布規(guī)律和運(yùn)移特征進(jìn)行研究。首先是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，利用FLUENT流體計(jì)算機(jī)軟件對(duì)隧道內(nèi)的一氧化碳等擴(kuò)散規(guī)律和分布特征進(jìn)行數(shù)值模擬。通過模擬出一條長(zhǎng)度為1000米的隧道，并對(duì)風(fēng)管布設(shè)形式進(jìn)行研究，可以按照?qǐng)D1所示進(jìn)行布置同時(shí)對(duì)風(fēng)管在隧道內(nèi)的位置，風(fēng)管口和掌子面之間的距離進(jìn)行布置，確保兩者之間的距離為20米，隧道斷面的面積為90m2，并采用直徑為1.8m的通風(fēng)管進(jìn)行供風(fēng)，建立起隧道斷面模型

11、的網(wǎng)格劃分，并將坐標(biāo)軸的X、Y、Z方向作為隧道模型的軸線距 離、底面高度、掌子面距離。在控制有害氣體的海拔高度系數(shù)時(shí)，可以按照海拔高度為0的情況下對(duì)隧道內(nèi)的有害氣體進(jìn)行計(jì)算，能夠計(jì)算出風(fēng)量是34m3/s，在這種情況下，一氧化碳的濃度在滿足30mg/m3的要求時(shí)，能夠?qū)Σ煌╋L(fēng)量的數(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算，從而得出一氧化碳的濃度需要滿足的供風(fēng)量曲線變化情況。圖1：隧道內(nèi)風(fēng)管位置簡(jiǎn)圖3.3施工通風(fēng)粉塵濃度的海拔系數(shù)在隧道施工的過程中，由于粉塵是影響隧道通風(fēng)的主要危害因素，而造成隧道粉塵的原因是鉆孔爆破以及機(jī)械設(shè)備開挖等原因?qū)е?。通過建立數(shù)值模擬計(jì)算模型，同時(shí)利用FLUENT流體計(jì)算機(jī)軟件的方式，可以對(duì)隧道

12、內(nèi)的粉塵移動(dòng)規(guī)律等情況進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，并對(duì)風(fēng)管布設(shè)形式進(jìn)行研究，從而掌握隧道內(nèi)的實(shí)際情況5。由于通風(fēng)管口處射流作用效應(yīng)會(huì)使得周圍的風(fēng)速、壓力梯度變大，所以對(duì)附近模型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，能夠考慮到模擬計(jì)算的相關(guān)規(guī)模以及收斂性，在對(duì)入口邊界條件的通風(fēng)管供風(fēng)口進(jìn)行計(jì)算條件設(shè)置風(fēng)速，可以根據(jù)大氣壓力的不同情況，計(jì)算出工況的設(shè)定。結(jié)束語：在長(zhǎng)大隧道與復(fù)雜地下工程施工中，由于施工中存在各種各樣的因素，所以導(dǎo)致常見的隧道通風(fēng)方法有可能會(huì)引起隧道內(nèi)原有的空氣變得更加混濁，給隧道施工造成了嚴(yán)重的影響，因此就必須對(duì)長(zhǎng)大隧道的通風(fēng)特征進(jìn)行深入的研究和分析，才能尋找出最理想的通風(fēng)方式，并嚴(yán)格把控隧道施工的現(xiàn)場(chǎng)和施工的空氣質(zhì)量，從而有利于更好的推動(dòng)隧道工程的可持續(xù)化發(fā)展。參考文獻(xiàn)：1陳志強(qiáng). 隧道獨(dú)頭掘進(jìn)高地?zé)釤o軌運(yùn)輸巷道式射流通風(fēng)施工技術(shù)研究J. 中國(guó)科技縱橫, 2019(12):156-157.2孫茂. 單線特長(zhǎng)鐵路隧道長(zhǎng)大斜井工區(qū)施工通風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)J. 建筑技術(shù)開發(fā), 2019(7):16-18.3趙寧