李自强，谢文强，王明年，于丽

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)



虹梯关特长公路隧道施工通风节能技术

李自强1,2，谢文强1,2，王明年1,2，于丽1,2

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

摘要:为研究长大隧道施工通风节能技术，以虹梯关特长公路隧道为工程依托，通过CFD商业软件FLUENT建立三维模型进行有限元分析。通过调研方式计算确定特长公路隧道中施工通风控制标准及需风量，制定特长公路隧道联合式通风方式并在风管长度、风机选型数量和风机位置等方面对通风方案进行优化。对比分析不同工况下的有无排风机的通风效果。研究结果表明：在特长公路隧道的施工通风中，独头式通风不能达到良好的效果，需要采用满足污风回流要求的联合式通风方式。该方式能够快速将隧道掌子面及附近区域的CO浓度稀释至规范要求，改善洞内通风条件，保证施工进度，节约大量人力和财力。

关键词：公路隧道；施工通风；联合式通风；数值模拟

隧道施工过程中，炸药爆破和机械运转等会对隧道内的空气产生污染，引起作业环境恶劣、影响施工人员健康、降低施工效率等一系列问题[1～2]。在长大隧道中这种现象尤为明显，因此在特长公路隧道施工过程中选取适当的通风措施达到安全节能的目的尤为重要[3]。目前，特长公路隧道施工通风设计多依靠经验及规范，与工程实际结合性较差，容易造成资源浪费，达不到最佳通风效果。若能结合工程实际情况选择适宜的通风方案并进行优化，对通风节能、提高通风效果、加快施工进度具有重大意义。工程实践表明，隧道施工通风问题是目前隧道施工中影响施工进度、质量及安全的重要问题之一，目前，国内外对隧道的施工通风已有诸多研究。刘敦文等[4]结合现场提出了隧道出碴过程中合理的CO浓度限值和安全连续作业时间；朔黄线双线铁路隧道采用单风机通风管的压入式通风，独头通风长度达到2 175 m[5]；张中厚等[6]以向莆隧道为工程依托提出了综合考虑多个因素的表格选配法，在山岭隧道施工通风设计中具有一定针对性；李孜军等[7]利用有限元模拟双洞隧道独头掘进时CO扩散效应并提出更为合理的通风管理措施。以上研究在隧道施工通风中的污染物扩散规律、方案设计均取得了一定成果，但对如何优化长大隧道通风设计使其快速降低污染物浓度至规范要求，实现通风节能技术却研究较少。本文以虹梯关特长公路隧道为工程依托，首先通过调研确定施工通风控制标准并计算得出掌子面理论需风量，在原独头通风方案不能满足通风需求的基础上进行联合式通风设计，再利用通用的CFD商业软件FLUENT进行模拟，根据炮烟分布规律及特性分析以对联合式施工通风方案进行优化，最终在实际工程中取得了良好的应用效果，对类似长大隧道中通风节能技术的研究具有一定指导意义。

1工程背景

虹梯关隧道左线起止里程K11+088～K24+210，全长13 122 m，右线起止里程YK11+088～YK24+186，全长13 098 m。在隧道线路右侧设置左右通风1和2号斜井及1号地下风机房，与正洞平面交角24°40’15”，倾角22°30’，1号斜井长745.99 m；2号斜井长745.91 m。

虹梯关隧道原通风设计中选择比较常见的压入式独头通风即双洞同时采用压入式通风进行施工通风。通过独头施工通风漏风率测试和风压计算确定了独头式通风风机选用功率为220 kW的轴流风机，在最长独头通风时需要3台轴流风机串联布置。其布置形式为(图1)：

第1阶段，在0～1 km的通风工区采用1台风机进行送风，风机布置在洞口；

第2阶段，在1～2 km的通风工区采用2台风机进行送风，风机布置在洞口；

第3阶段，在3～4.5 km的通风工区由2台风机同时送风。两台风机串联布置于洞口处，1台布置于3 km处。

图1　虹梯关隧道独头式通风示意图Fig.1 Hongtiguan tunnel single head ventilation diagram

根据现场施工测试调研，隧道施工至2 000 m时，隧道内空气质量污浊，能见度低，在原来的通风排烟时间后不能进行测量放样，大大制约了隧道施工进度及工程质量。解决虹梯关长大隧道的施工通风问题成为目前施工的一大难题，因此需要结合实际重新设计施工通风方案。

2施工通风控制标准及需风量研究

2.1施工通风卫生控制标准

通过对铁路隧道、公路隧道、地铁、煤矿、人民防空、工民建筑等相关行业国家现行规范、标准调研，并分类归纳总结各规范及标准中对有害气体(如一氧化碳、硫化氢、一氧化氮、二氧化碳等)、温度、湿度、粉尘等的控制标准，得到虹梯关隧道施工通风控制标准，如表1所示。

2.2施工需风量

基于虹梯关隧道钻爆发施工的特点，在通风设计优化时，考虑因素有炸药爆破产生的有毒烟气和粉尘等，主要分有以下几条：1)隧道内工作人员对新鲜空气的需求；2)隧道内部机车燃烧柴油所需空气及对其尾气的稀释与排放；3)稀释排除工作面内粉尘的需求；4)稀释排出爆破产生的有毒气体，主要是CO[8～10]。详细的施工通风设计参数见表2。

表1虹梯关隧道施工通风控制标准

Table 1 Hongtiguan tunnel construction ventilation control standard

控制对象控制标准有害气体CO<30mg/m3CO2<0.5%氮氧化物(换算为NO2)<5mg/m3粉尘浓度每立方游离二氧化硅小于2mg温度<28℃氧气含量>20%新鲜空气量>3m3/min风速主洞全断面>0.15m/s坑道>0.25m/s

表2　通风设计参数表

分别计算以上4项考虑因素下的需风量和风管出风量，理论计算结果见表3。

综合上述计算情况，稀释内燃废气需风量最大，取其作为隧道需风量的标准，则要求掌子面供风量至少为：2 244 m3/min；掌子面所需风管理论出风量为14.7 m/s。

3联合式通风方案的制定

根据虹梯关隧道实际情况，制定联合式通风方案，具体将联合式施工通风分为两阶段。

第1阶段，前2 000 m采用独头压入通风技术，在横洞口设置2台SDF-N012.5风机，分别引入到左右洞，将新鲜空气送至工作面，污浊空气沿洞身排出洞外。

第2阶段，从2 000 m处开始到斜井处，采用巷道式联合通风，利用右线隧道已衬砌段作为新鲜风进口，将左、右两线布置在洞口的风机移入到相应横通道所在位置处；右线直接利用轴流风机，通过风管将风送至掌子面附近；左线通过布设在右线的轴流风机，将新鲜风通过风管送至掌子面。右线隧道的污风通过横通道进入左线隧道，与左线掌子面过来的污风一同排出洞外。具体实施如图2所示。

3.1风管长度

选择联合式通风方案后，需确定轴流风机的风管长度，根据不同长度下对应的主洞风机应输出的最小有效功率并结合经济性与施工难易程度确定合理的风管长度，如表4所示。

表4　各风管长度下主洞风机功率

通过表4可以看出，当采用500 m风管进行供风时，施工简单通风效果好，设备使用功率小，但是更换设备位置的频率较高；当采用1 000 m风管进行供风时，施工简单通风效果较好，设备使用功率稍大，更换设备的频率较为适中；当采用1 500 m风管通风时，为了保证通风效果，导致通风机械太大，同时风管距离的增加导致漏风率增大。结合施工现场现有设备，采用1 000 m风管进行供风。

3.2风机数量及选型

结合联合式通风特点及风管长度选择合适的射流风机及轴流风机，射流风机选用SSFNO.14单向通风型射流式风机，具体参数如表5所示。

表5SSFNO.14型单向通风型射流式风机性能参数

Table 5 SSFNO.14 type one-way ventilation jet fan performance parameters

直径/mm流量/(m3·s-1)轴向推力/N出口风速/(m·s-1)功率/kW升压力/Pa120016170131.44316.6

轴流风机选用SDF(C)-No12.5型(高效风量为2 385 m3/min，全压为5 355 Pa，电机功率为110×2 kw)可以满足虹梯关隧道通风要求。

鉴于通风设计中单台射流风机提升压力为16.6 Pa，1台就完全满足4.5 km通风阶段时所需的升压力，同时所选用轴流风机在满足风量的情况下，轴流风机的风压足够的大，能满足升压要求，故在实际工程中决定只采用轴流风机。

4联合式通风方案优化分析

通过上节分析，初步制定了联合式施工通风方案。为了保证风机的开启效率，保证在节约资源的前提下达到最理想的通风效果，利用FLUENT先对炮烟扩散规律的特性进行研究，同时提出了污风回流控制策略。

4.1炮烟分布规律及特性研究

4.1.1模型尺寸

有限元模型以虹梯关隧道实际尺寸为依据。具体几何尺寸为：横断面面积87.02 m2，长度为4.5 km；风管直径1.8 m。所建模型如图3所示。

图3　有限元模型示意图Fig.3 Finite element model diagram

4.1.2边界条件

采用k—ε不可压缩紊流模型及Species Transport组分运输模型。设置软管进风口为速度进口，风速为17.1 m/s，进口空气的温度和洞外气温相同为280 K。隧道洞门设置为压强出口，相对压强为0。隧道壁面设为粗糙壁面，粗糙度常熟CK为0.6，粗糙度的厚度值Ks为0.03，壁面初始温度290 K。

隧道内CO初始浓度为和烟气段CO的生成量可由公式算出，也可以经由实测得出。本次计算采用实测值，洞内CO排放量为2.1×10-3m3/s，质量流速为1.0×10-4kg/m3s。

4.1.3计算结果

将模型进行CFD非稳态计算分析，得到施工通风10，20，30和40 s 时CO浓度在开挖工作面的分布情况，如图4所示。

(a)10 s；(b)20 s；(c)30 s；(d)40 s图4　不同通风时间后掌子面炮烟浓度Fig.4 Blasting fume concentration in the tunnel face after different ventilation time

由图4可知，施工通风10 s时炮烟在风流作用下沿风流方向快速迁移，进风口位置及顶部射流区内CO浓度最低，中心涡流区内浓度偏大，这是因为射流区风速较大，新鲜空气的大量涌入使得上部CO浓度较低，上部CO随风流从隧洞顶部快速稀释。同时，掌子面回风风流携带CO快速排向洞外，涡流区内CO由于受到风流回旋的作用稀释较慢，浓度稍大。

图4整体表现出随着通风时间的增长，工作面附近CO浓度因新鲜风注入稀释而逐渐下降。在理论需风量下，洞内炮烟(CO)随风流快速向洞外移动，施工通风初期，掌子面附近炮烟(CO)浓度下降相对最快，CO质量分数在10 s内由初始的2.193×10-3下降到1.68×10-3以下；在爆破完成后40 s时掌子面各处炮烟已经被有效稀释到规范标准之内。

鉴于以上规律提取通风10 min时洞内CO浓度分布情况如图5所示。

图5　通风10 min时洞内CO浓度分布情况Fig.5 CO concentration distribution after ventilation 10 min

由图5可以看出，随着施工通风的不断进行， CO浓度影响区域逐渐往洞外移动，同时洞内排烟(CO)浓度稀释速度开始变的缓慢，10 min左右掌子面及附近区域CO已被稀释到卫生规范规定50 ppm以下，为保证CO影响区进一步远离掌子面，建议通风10 min以上可进洞施工。

4.2污风回流形式研究

联合式施工通风中容易出现污风回流造成二次污染。为避免虹梯关隧道施工通风因污风回流导致通风效果下降、资源浪费，结合现场施工实际情况，考虑了在排风口设置排风机和不设置排风机2种情况，同时每种情况大致存在右线供风左线供风(工况1)、右线供风左线停风(工况2)、右线停风左线供风(工况3)3个工况。

4.2.1模型的建立

模型具体尺寸仍根据虹梯关隧道实际情况，如图6建立双洞模型进行研究。

图6　污风回流有限元模型示意图Fig.6 Polluted air recirculation finite element model diagram

4.2.2边界条件及设定参数

有无排风机时隧道洞门设均置为压强出口，相对压强为0。隧道壁面设为粗糙壁面，粗糙度常熟CK为0.5，粗糙度的厚度值Ks为0.01，壁面初始温度290 K。

根据实际情况中风机进风量与出风量，得到各工况下设定参数具体如表6所示。考虑增加排风机时不同处就是在左线排风道加入了轴流风机1台，主要起排出污风的作用。风机进出口边界条件均设置为速度边界条件，速度为17.6 m/s，位置距污风出口为100 m。其余边界条件不做改变。

表6　工况参数表

4.2.3计算结果

1)无排风机计算结果

将无排风机情况的模型进行CFD计算分析。采用基于压力的压力—速度修正算法(SIMPLE算法)。迭代计算800次后，计算收敛，结果如图7。

(a)工况1；(b)工况2；(c)工况3图7　无排风机时横通道附近压力云图Fig.7 Stress nephogram near cross channel without fan

由图7可知，除风管进出口附近压力变化较为明显外，其余并无太大变化，同时左右线无明显的压差，也就不能在横通形成明显的空气流动，对于排出右线污风和限制污风回流是极度不利的。

在对压力云图分析的基础上，提取无排风机情况下速度云图和速度矢量图可以得出，3种工况下都是在进出风口处的速度较为明显，风管出口影响下掌子面处的风速较大；掌子面污风速度在距离掌子面300 m附近速度将趋于隧道内的平均流速，有利于污风进入横通，排出洞外；有限元计算结果显示将风管出口布置在左线，可以有利于右线污风沿右洞左侧进入横通道排入左线，同时左线污风沿左线左侧排出洞外，减小左线污风进入右线的可能性。但是右线污风不能进入左线，左线污风部分由左线排出，部分进入右线重新被风机吸入造成二次污染。

2)有排风机计算结果

同样采用基于压力的压力—速度修正算法(SIMPLE算法)对有排风机情况的模型进行CFD计算分析，迭代计算900次后计算收敛。计算结果如图8。

(a)工况1；(b)工况2；(c)工况3图8　有排风机时横通道附近压力云图Fig.8 Stress nephogram near cross channel with fan

由图8可以看出，与无排风机情况对比，左线压力明显小于右线，这种压力差满足了右线污风进入左线的压力分布；压力突变区域与无排风机情况相同，均出现在风机布置处；排风机附近洞口处压力大于风机后方压力，主要是由于大功率轴流风机的排风工作方式，出风口压力增大，进风口压力减小，不违背风流高压流向低压的定理。

通过分析有风机情况下隧道内3种不同风机开启情况下的速度云图，可以得出在掌子面、风机口以及横通道的速度流动都较为明显；横通道附近速度云图显示在横通道附近，右线污风通过横通道进入左线，符合控制污风回流的策略。

通过分析隧道内隧道矢量图，特别是横通道附近速度矢量图可以得到，在工况1条件下，左线污风经左洞直接排除洞外右线污风经过横通道进入左线排出；工况2下，右线污风经过横通道进入左线排出；工况3下，左线污风直接由左洞排出；满足了控制污风回流的要求。

对比分析后决定在虹梯关隧道联合式通风中设置排风机进行污风回流控制。

4.3风机布置位置优化

以上分析了隧道内施工通风时的污风回流形式，但是2个轴流风机的布置位置同样也影响掌子面供风效率和污风排除效果，因此本节通过数值模拟分析风机布置位置与横通道之间距离的关系。

有限元模型与上节相同，采用有排风机的方案进行模拟，分别模拟分机布置在距离横通道的不同距离，因为考虑到现场施工，风机距离横通道太近可能导致施工不方便，故结合现场建议风机距离横通道不小于30 m，本次模拟主要研究距离风机在30，50，80和100 m情况下污风回流是否满足标准，其余边界条件不做改变。

利用CFD计算分析不同风机位置的影响。迭代计算576次后，计算收敛。数值分析结果显示风机安装在距离横通道30，50，80和100 m时风流均可随着横通道进入了左线，4种情况都能满足污风回流要求。通常情况下为了节约风管，应尽量满足风管使用越短越好，但结合虹梯关隧道实际情况，如果风机距离横通道太近影响施工机械进出，故选择将风机布置在距离横通道50 m左右。

5结论

1)制定了特长公路隧道施工通风控制标准，包括有害气体最高允许浓度值、粉尘允许浓度、氧含量、温度，并由此计算出了掌子面最小需风量2 244 m3/min。

2)隧道爆破后进风口位置及顶部射流区内CO浓度最低，中心涡流区内浓度偏大。同时随着通风时间的增长，工作面附近CO浓度逐渐下降。

3)联合式通风中在无排风机情况下，隧道内部除风管进出口附近，隧道其余部分压力相差不大。左右线污风会经过横通道混合新鲜空气被风机再次吸入导致掌子面均被污风污染，不能达到要求，必须在左线采用排风机或者右线采用送风机。

4)联合式通风在有排风机情况下，左线压力明显小于右线，右线气流可以进入左线并排除。若只有左线供风时，左线污风与横通道污风交汇，产生涡流，影响左线污风排出，不过影响不大，可以在横通道附近再增设一台小型增压风机。同时，控制好污风回流对于空压机进洞提供了设备条件。

5)风机布置在距离横通道50 m左右，在隧道进风道与排风道形成压力差，右线气流可以进入左线并排除。这样保证了移动式空压机组设置于左右线通风机组前并跟随压入式通风机组前移而前移。移动空压机处于通风机的进风段，良好的空气质量及流动的空气，为移动空压机组的正常工作提供了必备条件。

6)基于有限元计算结果，虹梯关特长公路隧道施工通风设计对联合式通风方案进行优化。具体参数为：采用移动式变压器高压进洞供电，每个工作面配置1台轴流风机，风机位于出口端，距最近横通道不超过50 m，风机至出口段采用联合通风，掌子面至风机段采用管道压入式通风，风管长度不超过1 000 m。该设计方案在实际工程取得了很好的效果，10 min内(规范规定为30 min)将隧道掌子面及附近区域的CO浓度稀释至规范要求，为快速掘进提供了良好的条件。

参考文献：

[1] 方勇，彭佩，赵子成，等.风管出口位置对隧道施工通风效果影响的研究[J]. 地下空间与工程学报，2014(2)：468-473.

FANG Yong, PENG Pei, ZHAO Zicheng, et al. Numerical simulation of the effect of outlet position of air duct on the construction ventilation of the tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2014(2)：468-473.

[2] 陈长坤, 朱从祥, 康恒.不同断面形状隧道火灾下通风因子及中性层高度分析[J].铁道科学与工程学报,2014,11(6):79-84.

CHEN Changkun，ZHU Congxiang，KANG Heng. Analysis of ventilation factor and neutral layer height for tunnel fire under different section shapes[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(6): 79-84.

[3] 刘小刚, 贾元霞, 朱永全, 等. 风火山隧道寒季施工通风与温度场控制[J]. 铁道科学与工程学报, 2005, 2(6): 27-36.

LIU Xiaogang, JIA Yuanxia, ZHU Yongquan, et al. Construction ventilation and temperature field control of fenghuoshan tunnel in winter[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2005, 2(6): 27-36.

[4] 刘敦文, 甘如鲁, 张聪, 等.隧道出碴过程CO浓度监测与模拟研究及应用[J]. 铁道科学与工程学报, 2014, 11(5): 90-95.

LIU Dunwen，GAN Rulu，ZHANG Cong, et al. Research and application of CO concentration monitoring and simulation under tunnel mucking process [J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(5): 90-95.

[5] 丁亭.高速公路隧道纵向射流通风特性的研究[D].长沙：湖南大学，2007.

DING Ting. The research of characteristic of the direction jet ventilation of high way tunnel[D]. Changsha: Hunan University，2007.

[6] 张中厚，邓元发，曾杰. 山岭隧道施工通风设计全程表格选配法[J]. 地下空间与工程学报，2013 (9)：1726-1729.

ZHANG Zhonghou，DENG Yuanfa，ZENG Jie. Full form matching method for ventilation design in mountain tunnel construction [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2013 (9)：1726-1729.

[7] 李孜军, 林晓光, 李明, 等. 双洞隧道独头掘进CO扩散效应模拟分析[J]. 铁道科学与工程学报, 2013, 10(4): 82-87.

LI Zijun, LIN Xiaoguang, LI Ming, et al. Simulation analysis of CO diffusion for double tube tunneling excavated from single end [J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2013, 10(4): 82-87.

[8] 陈卫忠，郭小红，曹传林，等.公路分岔隧道循环风相互影响及其对策研究[J]. 岩石力学与工程学报，2008，27(6)：1137-1149.

CHEN Weizhong，GUO Xiaohong，CAO Chuanlin et al. Research on interrelationship of exhaust air of highway forked tunnel and countermeasures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27 (6)：1137-1149.

[9] 王晓雯，蒋树屏.公路长隧道纵向组合通风计算方法及应用[J]. 中国公路学报，1996, 9(3)： 62-71.

WANG Xiaowen, JIANG Shuping. Calculating method and application of longitudinally combined ventilation in a long highway tunnel project[J]. China Journal of Highway and Transport, 1996,9(3)：62-71.

[10] 张建国.深埋特长隧道通风关键技术研究[D]. 成都：西南交通大学，2011.

ZHANG Jianguo. Study on key technology of ventilation in deeply buried super-long tunnels[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University，2011.

Ventilation energy saving technology for Hongtiguanextra-long highway tunnel constructionLI Ziqiang1,2, XIE Wenqiang1,2, WANG Mingnian1,2, YU Li1,2

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract:In order to study the ventilation energy saving technology for extra-long tunnel construction, this paper took the Hongtiguan extra-long highway tunnel as the project background and uses the CFD commercial software FLUENT to establish three-dimensional model for finite element analysis. The extra-long highway tunnel construction ventilation control standards and air airflow were calculated and determined through the investigation and research. The extra-long highway tunnel combined ventilation mode and optimize the duct length, number and type selection of fan, fan position and other aspects of ventilation scheme were set as well. Contrast analysis of the effects of different conditions with or without ventilation exhaust fan were conducted. Research results show that: head ventilation alone cannot achieve good effect in the extra-long highway tunnel construction ventilation, it needs to adopt combined ventilation mode which meet with the requirement of polluted air reflux. This way can not only quickly make the CO concentration in the tunnel face and the adjacent region diluting to the specification requirements and improve the conditions of ventilation, but also ensure the construction progress, save much manpower and financial resources.

Key words:highway tunnel; construction ventilation; combined ventilation; numerical simulation

中图分类号：U455.1

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)04-0760-07

通讯作者：李自强(1987-)，男，重庆人，博士，从事桥梁、地下工程等领域的科研工作；E-mail：lzq1102dd@163.com

收稿日期：2015-09-24