長大隧道與復雜地下工程施工通風特性及關(guān)鍵技術(shù)研究

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

2、風流品質(zhì)參數(shù)在長大隧道與復雜地下工程的施工過程中，由于對隧道的通風參數(shù)涵蓋風機的型號、功率等各種因素1。因此隨著風機參數(shù)的有效運行，可以很好的實現(xiàn)對風機啟動的停止與調(diào)節(jié)。而地下項目的相關(guān)通風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，所以還需要確保風流品質(zhì)。1.2設(shè)備和通風布置參數(shù)在大長隧道的通風布置中，影響通風設(shè)備的主要參數(shù)由設(shè)備的型號以及數(shù)量等參數(shù)決定，而通風布置中，需要掌握風機、風管以及通風道等參數(shù)的布置情況。1.3風量影響參數(shù)風量影響參數(shù)包括洞室內(nèi)施工人員所需風量、爆破排煙所需風量、廢氣稀釋所需風量這三項。而施工人員所需風量影響參數(shù)是需要根據(jù)實際項目工程的情況進行

3、計算所需風量的，計算公式如下Qp=VpmKp，在這個公式中，Qp是指地下洞室內(nèi)施工作業(yè)人員所需求的風量，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量，單位為3.0m3/min，m是指地下洞室內(nèi)作業(yè)時最多的人數(shù)，Kp是指風量備用系數(shù)，通常取值范圍使1.1-1.15之間。在地下洞室內(nèi)爆破排煙所需風量中，由壓入式通風量和混合式通風量為主，其中壓入式通風量的計算公式是Qb=21.4tASL，而混合式通風量的計算公式是Qb=7.8t3Asl2，在這兩個公式中，混合式通風量的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則是指通風時間，單

4、位是min，L是隧洞長度，Lk是有效射程，當LLk時，取L，當LLk時，Lk=400A/I。在對洞內(nèi)有害氣體的稀釋所需風量中，就是風量的公式如下Qg=KgNi，在公式中，Qg是指稀釋內(nèi)燃機排煙風量，單位是m3/min，是指單位功率通風計算系數(shù)，而Ni是指洞內(nèi)計算區(qū)域施工設(shè)施的總功率，Kg是指高程修正系數(shù)2。2.地下工程施工通風特點和計算模型2.1地下工程施工通風衛(wèi)生控制標準無論是公路、鐵路以及水利工程的隧道工程施工通風中，對地下工程期間的施工環(huán)境標準作出了如下規(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20米范圍內(nèi)，需要

5、空氣中的瓦斯?jié)舛刃∮?%，同時巷道內(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，同時作業(yè)時間不得超過30分鐘，溫度不得超過28，噪音分貝小于90，這些通風衛(wèi)生控制標準具體可見表1和表2所示，在國家相關(guān)標準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：長達隧道地下工程作業(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：長大隧道地下工程作業(yè)場所粉塵容許濃度2.2流體動力學計算數(shù)學模型利用流體動力學計算數(shù)學模型，可以對隧道及地下工程內(nèi)空氣流分布特征進行數(shù)值計算，而流體在流場內(nèi)的運動往往需要遵循物理學的三大守恒定律，才能確保流體動力學計算的正確性。而在地下工程通風數(shù)據(jù)模型的計算中，以粉塵運移計算為例，需要對隧道內(nèi)的氣體、固體粉塵的流動建立相應的模型，可以更好地實現(xiàn)對隧道內(nèi)離散粉塵和風流連續(xù)流暢運動軌跡的有效掌握，同時對粉塵顆粒的運移特征和相關(guān)濃度進行檢測分析，從而可以有效地進行研究3。利用拉格朗日法追蹤顆粒相的運動軌跡，能夠?qū)娚湓吹母黜梾?/p>

7、數(shù)進行定義，當隧道實施爆破工程獸，借助拉格朗日法可以計算出隧道內(nèi)粉塵運動軌跡，從而進行求解計算，能夠得到離散顆粒的運動軌道，并只考慮阻力作用和重力效應，計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指顆粒運動的時間，F(xiàn)D(u-up)是指顆粒單位質(zhì)量阻力，u是指流體的相對速度，單位是m/s，up是指顆粒運動速度，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)通風計算模型在推動通風網(wǎng)絡(luò)方法的過程中，通過逐步解決復雜的網(wǎng)絡(luò)中各分支風量的分配問題，可以有效調(diào)節(jié)管理等工作的基礎(chǔ)，在實際的工程應用過程中，回路風量法和節(jié)點風壓法具有如下特點。

8、首先是對回路風量進行計算時，由于回路風量是當前通風網(wǎng)絡(luò)解算中比較常見的一種計算方法，可以實現(xiàn)快速運算，但同時也存在很多不足之處，通常在對通風系統(tǒng)的計算中，需要避免出現(xiàn)單向回路的通風情況，否則會導致回路風壓平衡的計算出現(xiàn)無效性。其次是在節(jié)點風壓法中，對那些不需要的回路風壓平衡性進行計算，由于其通風網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)使以節(jié)點風壓作為主要的變量方程組，所以不需要選擇通風網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都具有風壓計算值，只需要對任意復雜的通風系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采取適當?shù)娘L量法，就可以計算出通風網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的初始風壓值是否合理。3.控制施工環(huán)境和溫度所需風量的計算方式 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，地溫就會升高1.8-4.4，所以在深埋隧道開挖的過程中，風流通過的初始溫度會發(fā)生改變，從而會導致隧道內(nèi)通風溫度出現(xiàn)季節(jié)性的變化。由于隧道內(nèi)圍巖的調(diào)節(jié)作用，會導致隧道內(nèi)風溫季節(jié)性變化情況減小，當外界溫度降低時，隧道會向空氣釋放熱量。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熱源和相對熱源兩種不同的熱源形式，在這兩種熱源中，絕對熱源包括化學反應、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。在通風散熱中，對不同的風速計算結(jié)果進行分析，將溫度設(shè)置為10、15、20、25、30等計算結(jié)果進行統(tǒng)計，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

10、計算數(shù)據(jù)中，可以看出隧道內(nèi)側(cè)點最高溫度會隨著風溫度的升高而升高。3.2控制有害氣體所需風量系數(shù)隧道內(nèi)在施工的過程中，會產(chǎn)生大量的有害氣體，因此就需要對這些有害氣體進行及時排出，根據(jù)這些有害氣體的分布規(guī)律和運移特征進行研究。首先是通過計算機進行三維數(shù)值模擬計算，利用FLUENT流體計算機軟件對隧道內(nèi)的一氧化碳等擴散規(guī)律和分布特征進行數(shù)值模擬。通過模擬出一條長度為1000米的隧道，并對風管布設(shè)形式進行研究，可以按照圖1所示進行布置同時對風管在隧道內(nèi)的位置，風管口和掌子面之間的距離進行布置，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的通風管進行供風，建立起隧道斷面模型

11、的網(wǎng)格劃分，并將坐標軸的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，可以按照海拔高度為0的情況下對隧道內(nèi)的有害氣體進行計算，能夠計算出風量是34m3/s，在這種情況下，一氧化碳的濃度在滿足30mg/m3的要求時，能夠?qū)Σ煌╋L量的數(shù)值進行模擬計算，從而得出一氧化碳的濃度需要滿足的供風量曲線變化情況。圖1：隧道內(nèi)風管位置簡圖3.3施工通風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械設(shè)備開挖等原因?qū)е隆Ｍㄟ^建立數(shù)值模擬計算模型，同時利用FLUENT流體計算機軟件的方式，可以對隧道

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