独头隧道钻爆法施工爆生气体扩散过程模拟(1).pdf

第 37 卷 第 1 期 2020 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 37 No. 1  Mar. 2020 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2020. 01. 019 独头隧道钻爆法施工爆生气体扩散过程模拟* 朱应伟 1a， 章 光1a， 胡少华1a， 罗 忆1b， 蒲青松2 （1. 武汉理工大学 a. 安全科学与应急管理学院； b. 道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室， 武汉 430070； 2. 中铁五局集团有限公司， 长沙 550003） 摘 要 为研究隧道钻爆法施工产生的有害气体压入式通风效果， 以我国成兰铁路跃龙门隧道工程为依 托， 通过建立独头隧道内气体湍流流动与浓度扩散有限元模型， 模拟风机出口风速 13. 2 m/ s 时， 掌子面爆破 作业后爆生有害气体的扩散过程， 研究了不同风管布设位置与施工方法下 CO 浓度场时空演化规律。研究 结果表明 掌子面 CO 浓度随通风时间呈负指数下降， CO 浓度在 300 900 s 内到达浓度限值。对比各风管 布设位置， 风管拱顶布设时通风效果最好， 通风 600 s 内 CO 浓度可降低至浓度限值。对比各施工方法， 台阶 法施工下通风 350 s 内 CO 浓度可降低至浓度限值， 同时该隧道结构能够避免通风前期的 CO 滞留现象。 关键词 压入式通风；风管布设；施工方法；CO 浓度；扩散规律 中图分类号 TU45 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2020） 01 -0126 -08 Simulation of Diffusion Process of Harmful Gas Produced by Drill-blast Construction in One Ended Tunnel ZHU Ying-wei1a， ZHANG Guang1a， HU Shao-hua1a， LUO Yi1b， PU Qing-song2 （1. a. School of Safety Science and Emergency Management； b. Hubei Key Laboratory of Roadway Bridge and Structural Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China； 2. China Railway Fifth Bureau Group Co Ltd， Changsha 550003， China） Abstract To explore the forced ventilation effect of the harmful gas produced by drill-blast construction， a finite element model is established to show gas turbulent flow and concentration diffusion in a one ended tunnel， based on the Yuelongmen tunnel project of Chenglan railway in China. When the wind speed at the exit of the simulated fan is 13.2 m/ s， the diffusion process of the harmful gas produced by blasting at the working face of the tunnel is simula- ted. Meanwhile， the temporal and spatial evolution law of CO concentration field for different positions and excavation modes of the air duct is studied. The results show that CO concentration at the working face decreased negatively with the ventilation time， and the CO concentration reached the concentration limit within 300 900 s. Comparing the lay- out position of each air duct， the ventilation effect is best when the duct arch is laid， and the CO concentration within 600 s of ventilation can be reduced to the concentration limit. Comparing the construction s， the CO concentra- tion in the 350 s ventilation under the bench can be reduced to the concentration limit. At the same time， the tunnel structure can avoid the CO retention phenomenon in the early stage of ventilation. Key words forced ventilation；ventilation layout；construction ；CO concentration；diffusion law 万方数据 收稿日期 2019 -10 -21 作者简介 朱应伟 （1995 - ） ， 男， 安徽马鞍山人， 硕士， 研究方向为地 下空间内有害气体防治方面的流体动力学模拟，（E-mail） wuhtzyw1995163. com。 通讯作者 章 光 （1958 - ） ， 男， 教授、 博士， 主要从事地下空间安全 技术方面的教学与研究，（E-mail） gzhang58163. com。 基金项目 武汉理工大学自主创新研究项目 （2019 - zy - 302） ； 国家 自然科学青年基金项目 （51609184） ； 国家自然科学基金 资助项目 （51779197） 随着我国铁路线网正不断向西南地区铺设， 受 西南地区地理条件的限制， 隧道成为西南区域铁路 线网升级的关键工程。钻爆法由于其施工方法简 单、 高效经济， 是目前隧道施工的主要方法， 但其爆 破施工后生成大量的有毒气体会导致施工人员窒息 甚至隧道爆炸 ［1］。因此， 研究爆破施工后隧道内有 毒气体分布规律， 对保障施工人员职业健康、 施工安 全和工程进度具有重要意义 ［2］。 目前关于隧道内爆生有毒气体通风排出问题的 研究方法可分为现场实测、 模型试验、 理论分析与数 值模拟 ［3］。谭信荣等对钻爆法施工隧道空气质量 进行了现场测试， 研究了隧道断面积， 风管漏风率， 通风长度对净化空气质量所需要的通风时间影 响 ［4］。张欣等通过建立等比例隧道模型， 得出了通 风段射流升压力变化对隧道内风量及风量分配的影 响规律 ［5］。杨立新基于 PC-STEL 标准的风量计算 方法， 研究了不同的通风方式下隧道钻爆排烟风量 计算方法 ［6］。曹杨等对排烟时间影响因素进行灰 色关联度计算， 计算得出了主要影响因素的敏感性 大小 ［7］。陈赞成等模拟了通风长度与风管出口距 掌子面距离下的炮烟扩散规律， 并得到具体理论公 式 ［8］。张恒等基于隧道壁面粗糙条件对风流场的 影响， 提出了壁面粗糙常数的计算公式 ［9］。 国内外学者研究表明通风长度、 风管出口距掌 子面距离与隧道尺寸等对 CO 扩散有着明显的影 响。但其多数的研究是基于风管拱腰布设与全断面 法施工等常见的通风方式与施工方法下。由于跃龙 门隧道穿越山体断裂带， 其地质条件与水文地质条 件复杂， 现阶段采用的全断面法施工下的风管拱腰 布设通风已难以满足隧道内爆生气体的稀释需求， 而对于其他布设方式与施工方法下的通风问题， 有 关的研究工作则相对不足。不同方式所导致的隧道 内部风流结构的差异性使得爆生有毒气体的扩散过 程与分布特性更难以预测 ［10］， 所以有必要对不同布 设方式与施工方法下的通风规律进行深入研究， 并 提出相应的优化措施。 1 独头隧道钻爆法施工压入式通风数 学模型 独头隧道钻爆法施工压入式通风问题属于流体 力学中典型的湍流流动问题， 隧道内气流运动规律 服从 Navier-stokes 方程。该文假定如下 ① 爆破前 隧道内原有空气不计入在内， 有害气体来源仅为爆 生气体， 且在掌子面均匀分布； ② 隧道内气体视为 三维黏性不可压缩气体； ③ 隧道内温度恒定， 隧道 壁面绝热， 并忽略流体黏性力做功所引起的耗散热； ④ 忽略隧道内其他设备对流场的影响。基于上述 基本假定， 隧道内气体流动与浓度扩散控制方程如 下 ［11］ （1） 连续性方程 ∂ρ ∂t ∂ ∂x i （ρvi）＝ 0（1） 式中 ρ 为气体密度； vi为 xi方向上速度； t 为通 风时间。 （2） 动量守恒方程 ∂ ∂t （ρvi） ∂ ∂x i （ρvivj）＝ - ∂ρ ∂x i ρfxi ∂τij ∂x i （2） 式中 p 为静压； τij为粘性应力分量； fxi为 i 方向 上重力体积力与外部体积力。 （3） 能量守恒方程 ∂ ∂t （ρT） ∂ ∂x i （ρviT）＝∑ ∂ ∂x i K cp ∂T ∂x i ST （3） 式中 T 为温度； K 为流体的传热系数； cp为比 热容； ST为粘性散耗项。 （4） 组分质量守恒方程 ∂ ∂t （ρcs） ∂ ∂x i （ρcsvi）＝ ∂ ∂x i DS ∂ ∂x i （ρcs [] ）（4） 式中 cs为 s 组分质量浓度； DS为该组分的扩 散系数。 为求解 τij使方程组封闭， 并计算处理隧道中出 现的高应变率及流线弯曲程度较大的湍流流动问 题， 引入 RNG k-ε 湍流模型 ∂ ∂t （ρk） ∂ ∂x i （ρkvi）＝ ∂ ∂x i αkueff ∂k ∂x j Gk- ρε （5） ∂ ∂t （ρε） ∂ ∂x i （ρεvi）＝ ∂ ∂x i αεueff ∂ε ∂x j C* 1ε k Gk- C 2ε ρ ε2 k （6） 式中 ueff为有效粘性系数； Gk为紊动能生产项； 721第 37 卷 第 1 期 朱应伟， 章 光， 胡少华， 等 独头隧道钻爆法施工爆生气体扩散过程模拟 万方数据 k 为湍流动能； ε 为湍流耗散率； C*1ε、 C 2ε、 α k 、 α ε 为 模型常数。 2 有限元模型与计算工况 2. 1 有限元模型建立 跃龙门隧道是成兰铁路穿越龙门山断裂带与千 佛山断裂带的控制性工程。其中 3横洞 HD3K0 148 段横洞净空尺寸为 7. 65 m （宽）6. 85 m （高） ， 断面面积为 47. 68 m2。该段具有巷道狭窄， 独头掘 进长度长， 通风压力大等特点， 属于跃龙门隧道中的 典型工况。掌子面附近涌水量约 800 m3/ d， 围岩以 炭质千枚岩为主， 如图 1 所示。基于上述基本条件， 建立如图 2 所示的有限元模型。 图 1 HD3K0 148 段掌子面现场及围岩 Fig. 1 HD3K0 148 section of the working face and surrounding rock 图 2 独头隧道有限元模型 Fig. 2 One ended tunnel finite element model 2. 2 初始条件与边界条件 （1） 初始条件 掌子面处有毒有害气体初设浓度。施工隧道爆 破作业完成后， 由于使用的岩石乳化炸药爆破过程 属于化学变化， 爆破后在掌子面附近会产生 CO、 NOx等有毒有害气体， 以及由爆炸波所引起的粉 尘 ［12］。由于该段隧道内湿度较大， 除 CO 外其他物 质在隧道空间内易发生物理吸附或化学反应， 为简 化模拟过程， 采用 CO 稀释与排出情况来衡量隧道 通风效果。根据爆生气体抛掷经验公式， 掌子面处 爆破产生的 CO 初始浓度可通过下式计算 ［13］ C ＝ Gb LA （7） 式中 C 为 CO 的初始浓度； G 为爆破炸药用量， kg； b 为每千克炸药产生的 CO 量， m3/ kg； L ＝ 15 G/5 为爆生气体抛掷长度， 即爆破后爆生气体弥漫 区域的长度， m； A 为施工隧道断面面积， m2。 根据跃龙门隧道 3横洞 HD3K0 148 爆破施 工方案， 一次爆破施工炸药用量约为 63 kg， 炮烟抛 掷长度为 27. 6 m， 通过式 （7） 可计算出 CO 平均初 始浓度约为 900 mg/ m3。 （2） 隧道边界条件 ① 隧道壁面设为标准固壁边界， 壁面粗糙度函 数如下 ΔB ＝ 1 κ ln （1 CsKs）（8） 式中 κ 为经验常数， 取 0. 4； 跃龙门隧道 3横 洞已初次支护衬砌至 HD3K0 148 段， 已衬砌支护 段壁面为均匀砂粒表面， 粗糙常数取 C1s＝0. 5， 粗糙 颗粒高度取 K1s＝0. 09； 未支护段壁面为裸露的岩石 表面 ［14］， 粗糙常数取 C 2s ＝ 0. 7， 粗糙颗粒高度取 K2s＝0. 3。 ② 风管进风口设为等速边界条件， 掌子面配置 一台 2 200 kW 型 SDF （B） -6-No18 通风机， 可提供 的风量为 5792 m3/ min， 半径 R ＝ 0. 75 m， 出口风速 为 13. 2 m/ s。 ③ 隧道出口设为自由出口边界条件。隧道出口 压力为1 atm， 除压力外所有流动参数法向梯度为0。 2. 3 工况设计 （1） 风管布设 依据 铁路隧道工程施工技术指南（TZ204 2008） ， 施工隧道压入式通风建议采用风管靠边拱 腰布设， 可采用中央拱顶布设、 隧道中部布设、 拐角 布设。风管各布设方式见图 3， 其中 A、 B 为掌子面 处 CO 浓度监测点， 监测时段为爆破后通风 30 min 内掌子面附近 CO 浓度变化情况。 （2） 隧道施工方法 不同隧道施工方法对 CO 浓度的扩散也有很大 的影响。CO 扩散除现阶段采用的全断面法施工外， 台阶施工法与下导洞超前施工法均适用于该段， 台 阶法施工与下导洞超前法施工布置见图 4 和图 5。 因此以全断面法、 台阶法与下导洞超前法为例， 讨论 风管靠边拱腰布设时， 不同隧道施工方法对 CO 浓 度分布特性的影响。 3 独头钻爆施工隧道压入式通风数值 模拟结果分析 3. 1 风管布设方式对 CO 扩散规律的影响 如图 6 所示为掌子面 A、 B 处 CO 通风扩散浓度 变化曲线。独头掘进隧道一次钻爆施工后， 掌子面 821爆 破 2020 年 3 月 万方数据 附近 CO 浓度变化可分为三个阶段。第一阶段 通 风 5 min， CO 在新鲜射流空气稀释作用下自掌子面 快速向隧道中部扩散， 此时 CO 浓度下降最为迅速。 第二阶段 通风 5 15 min， 掌子面附近残余 CO 在 射流空气与隧道内部旋涡状风流作用下不断被稀 释， 该期间内 CO 浓度下降速率不断减小， 直至掌子 面 CO 浓度降低至标准限值。第三阶段 通风 15 min 后， 掌子面附近残余极少量的 CO， 此阶段内 CO 浓度下降速率逐步趋于 0， 直至掌子面附近 CO 完全稀释排除干净。当风管布设在拱顶时， A 处 CO 浓度降低至标准限值所需的为 588 s； 而风管布设在 隧道中部、 拱腰处与拐角处时， 分别需要 786 s、 847 s、 738 s 才可使 CO 浓度降低至标准限值。B 处 CO 浓度降低至标准限值所需的为 511 s； 而风管布 设在隧道中央、 拱腰处与拐角处时， 分别需要 614 s、 742 s、 879 s 才可使 CO 浓度降低至标准限值。 图 3 全断面法施工与通风示意 （单位 m） Fig. 3 Full-section construction and ventilation （unit m） 图 4 台阶法施工与通风示意 （单位 m） Fig. 4 Bench construction and ventilation （unit m） 图 5 下导洞超前法施工与通风示意 （单位 m） Fig. 5 Advance bottom heading technology construction and ventilation （unit m） 图 6 爆破后掌子面 CO 通风扩散浓度变化曲线 Fig. 6 CO ventilation diffusion concentration curve at the point A and B of the face after blasting 由于不同风管布设条件下掌子面 CO 浓度可在 900 s 内达到标准限值 20 mg/ m3， 故以掌子面通风 300 s、 600 s、 900 s 时隧道中轴面 CO 浓度分布情况 分析 CO 浓度场时空演化规律， 如图 7 所示。 当风管布设在隧道近壁拱腰处 （如图 7 （a） 、 图8 （a） ） ， 通风 300 s 时， CO 主要富集在距掌子面 50 60 m 处的空间内， 距掌子面约 70 m 外空间内 无 CO 气体， 但在距掌子面 60 70 m 处的空间内 921第 37 卷 第 1 期 朱应伟， 章 光， 胡少华， 等 独头隧道钻爆法施工爆生气体扩散过程模拟 万方数据 CO 有向隧道底部沉降趋势。同时由于风管布设于 隧道一侧， 在掌子面附近 CO 浓度分布不均匀。通 风 600 s 时， CO 高浓度区域已迁徙至距掌子面 95 85 m 处的空间内， 且主要分布在隧道上方， 同时在 距掌子面 85 65 m 出的空间内赋存的 CO 浓度差 异较大。通风 900 s 时， 在距掌子面 2 m 前的空间 内的 CO 浓度已经低于 20 mg/ m3， 满足隧道施工要 求。风管布设在隧道近壁拐角处时 （如图 7 （b） 、 图 8 （b） ） ， 通风后的前 600 s 内， CO 赋存状态与近壁拱 腰布设时相似。通风 900 s 时， 掌子面前 25 m 的空 间内已是安全区域。 图 7 爆破后隧道内 CO 通风扩散浓度变化云图 Fig. 7 Cloud image of CO ventilation diffusion concentration change after blasting 当风管布设在隧道近壁拱顶处 （如图 7 （c） 、 图 8 （c） ） ， 通风 300 s 时， 由于射流空气在掌子面处运 动受阻， 产生冲壁射流现象， 导致在距掌子面约 4 5 m 的隧道中部空间内出现 CO 滞留， 该区域内 CO 浓度略高于四周其他空间内的 CO 浓度。其余空间 内 CO 赋存状态与近壁拱腰布设、 近壁拐角布设相 似。通风 600 s 时， 掌子距面约 19 m 空间已经属于 安全区范围。同时 CO 高浓度区域已迁徙至距掌子 面 80 90 m 处的空间内。通风 900 s 时， 掌子面前 40 m 空间内 CO 浓度均小于 20 mg/ m3， 此时 CO 浓 度最高处位于距隧道出口 4 10 m 的底部空间内， 且最高浓度为 504 mg/ m3。当风管布设在隧道中央 处 （如图 7 （d） 、 8 （d） ） 。通风 900 s 内 CO 赋存状态 与近壁拱顶布设相似， 但是由于风管与隧道拱顶的 间距较大， 使得 CO 在拱顶处滞留时间较长， 不利于 排出， 当通风 900 s 时， 隧道出口拱顶位置 CO 浓度 为 644mg/ m3， 是隧道空间内最高浓度。 对比各风管布设方式下的 CO 浓度分部与变化 情况， 由于 CO 密度略小于空气易聚积于隧道底部， 当风管布设在隧道近壁拱顶处时掌子面 CO 浓度降 低至标准限值所需时间最短， 隧道内 CO 排出速率 最快， 故将风管布置在此处， 有利于隧道施工与施工 人员的职业健康。 3. 2 隧道施工方法对 CO 扩散特性的影响分析 图 9 所示为不同施工方法下掌子面 A 处 CO 浓 度变化情况， 可知台阶法施工通风在 326 s 时 A 处 CO 浓度降低至标准限值 20 mg/ m3， 全断面法施工 与下导洞超前法施工通风则分别需要 874 s、 784 s 方可使 CO 浓度降低至标准限值。台阶法施工所需 通风时间短于全断面法施工与下导洞超前法施工， 是其上台阶段空间较小， 造成风流对该段掌子面的 冲击更强， 有利于掌子面附近 CO 的稀释排出。 对比全断面法施工与下导超前法施工通风， 在 通风初始阶段两种施工方法 A 处 CO 浓度下降相 同， 后因掌子面风流随着通风时间的增加不断涌入 下导超前段， 使得下导超前法施工在部分通风时间 段内掌子面 A 处 CO 浓度下降趋势缓于全断面法， 在持续通风后下导超前段风流回流至掌子面， 促进 了 A 处 CO 的稀释， 导致掌子面 CO 浓度下降趋势略 快于全断面法。 031爆 破 2020 年 3 月 万方数据 图 8 隧道 z ＝1. 5 m 中轴线 CO 浓度变化曲线 Fig. 8 Tunnel z ＝1. 5 m central axis CO concentration curve 图 9 爆破后掌子面 A 处 CO 通风扩散浓度变化曲线 Fig. 9 CO ventilation diffusion concentration curve at the point A of the face after blasting 图10 所示为隧道施工方法对 CO 扩散特性的影 响。采用台阶法施工时 （如图10 （b） ） ， 通风300 s 时， CO 主要富集在距掌子面 50 60 m 处的空间内， 且 CO 最高浓度小于其他两种施工方法， 同时上台阶掌 子面已出现安全区。通风 600 s 时， 上台阶掌子面空 间的 CO 浓度已基本满足施工需求， 但下台阶掌子面 CO 浓度高于周边空间。通风900 s 时， 在上台阶掌子 面安全空间扩张较小， 上台阶掌子面 CO 浓度有所降 低但任不满足施工需求。采用下导洞超前法施工时 （如图10 （c） ） ， 通风前 600 内的 CO 赋存状态与全断 面法施工相似， 但是在通风至 900 s 时， 掌子面前 25 m 空间的大部分区域内 CO 浓度低于20 mg/ m3。 全断 面 法 施 工 通 风 900 s 后 最 高 浓 度 为 476 mg/ m3， 台阶法施工与下导洞超前法施工则分 别为 336 mg/ m3、 420 mg/ m3。对比三种施工方法， 台阶法施工使得下台阶掌子面空间存在稀释死区， 但隧道内的 CO 浓度整体低于全断面法施工。采用 下导洞超前法施工通风后期的掌子面空间大部分区 域内 CO 浓度低于 20 mg/ m3。综上所述， 台阶法施 工通风对 CO 稀释效果最佳。 由于不同施工方法下的隧道空间结构不同， 使 得隧道内风流结构发生改变， 最终导致对掌子面 CO 稀释效果的差异。因此， 有必要对三种施工方法下 掌子面附近风流结构的差异性进行分析。由图 10 可知， 各施工方法下掌子面处 CO 赋存状态的差异 性是由掌子面前涡流所导致的。采用全断面法施工 131第 37 卷 第 1 期 朱应伟， 章 光， 胡少华， 等 独头隧道钻爆法施工爆生气体扩散过程模拟 万方数据 时 （如图 10 （a） ） ， 掌子面前 2 7 m 处存在涡流区， 使得通风前期掌子面前出现 CO 滞留现象。采用台 阶法施工时 （如图 10 （b） ） ， 射流空气冲击上台阶底 面后改变方向， 其运动轨迹成抛物线状向隧道出口 处运动， 导致下台阶出现稀释死区。采用下导洞超 前法施工时 （如图 10 （c） ） ， 下导洞与掌子面前均有 涡流区， 在通风阶段使得这两个部位附近都存在 CO 滞留现象。 图 10 爆破后隧道通风 CO 扩散浓度变化云图与掌子面速度矢量图 Fig. 10 CO ventilation diffusion concentration change in tunnel after blasting cloud map and working face speed vector 4 结论 通过采用， 对跃龙门隧道 3横洞 HD3K0 148 段爆钻施工后 CO 浓度变化及扩散特性进行了模 拟， 得出的主要结论如下 （1）基于湍流流动 Navier-stokes 方程和 RNG k- ε 湍流模型， 建立了独头钻爆施工隧道压入式通风 计算模型； 通过建立跃龙门隧道 3横洞 HD3K0 148 段有限元模型， 实现了风管布设方式与隧道施 工方法下 CO 动态扩散模拟。 （2）通过比较风管布设方式， 当风管近壁布设 于隧道拱顶处的通风效果最佳。此时掌子面附近 CO 在通风 600 s 内浓度降低至浓度限值。同时拱 顶布设时， CO 更易聚集于隧道底部， 使得隧道内 CO 分布更为均匀， 可以避免局部空间内 CO 滞留现象。 （3）通过比较隧道施工方法， 当采用台阶法施工 下的隧道结构更利于隧道内的 CO 稀释排出。该方 法在通风350 s 内上台阶掌子面 CO 浓度降低至标准 限值， 且整个隧道空间内的 CO 浓度要低于相同通风 时段内的气体两种施工方法。此外采用全断面法施 工与下导洞超前法施工时， 其产生的涡流区距掌子面 较近， 不利于掌子面附近空间内的 CO 稀释。 参考文献 （References） ［1］ 于飞飞， 张 娜， 张宪堂， 等. 水平层状岩隧道炮孔参数 231爆 破 2020 年 3 月 万方数据 优化及爆破成形研究 ［J］ . 爆破， 2019， 36 （1） 63-69. ［1］ YU Fei-fei， ZHANG Na， ZHANG Xian-tang， et al. 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