摘 要：為解決獨頭壓入式通風不能滿足超長隧道施工通風需求的難題。以秦嶺天臺山隧道為依托工程，通過三維非穩(wěn)態(tài)k-ε雙方程模型進行數(shù)值模擬。對比分析獨頭壓入式、風機接力式、風倉接力式3種通風方案的優(yōu)劣，并通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證了模擬結果的正確性，討論不同通風方式的通風效率和經(jīng)濟效益。結果表明：(1)風機接力式通風效率最佳，洞內(nèi)排污能力好，風倉接力式次之，獨頭壓入式最差；(2)風機接力式的經(jīng)濟效益最佳，成本投入低，獨頭壓入式次之，風倉接力式經(jīng)濟投入最高；(3)風機接力式的設備損耗及維修養(yǎng)護費用最低，獨頭壓入式次之，風倉接力式由于設備投入大，維修養(yǎng)護費用最高。

關鍵詞：超長隧道;雙斜井;獨頭壓入式;風機接力式;風倉接力式;

作者簡介：楊磐石，男，大學本科，高級工程師;

1 前言

長大隧道作為高速公路的控制性地下空間結構物，通風問題是影響其施工的一個重大難題。目前隧道施工中的常用通風方式是獨頭壓入式，但這種通風方式隨著掘進距離的增加，通風效果逐漸變差，養(yǎng)護維修費用逐漸增高，因此對于長大隧道施工通風方案的優(yōu)化研究成為了工程中亟待解決的問題。

中國學者對特長隧道的施工通風優(yōu)化進行了一定研究，韓現(xiàn)民[1]等提出了分隔斜井與正洞風管聯(lián)合通風優(yōu)化方案，解決了關角隧道長距離施工通風難題；翟志恒[2]以安琶特長隧道施工通風為實例，檢驗了射流巷道式通風的應用效果；羅燕平[3]等對金家莊特長螺旋隧道施工通風方案進行優(yōu)化分析，提出了風倉式通風方案；張云龍[4]等提出了瓦斯特長隧道的風管最佳布置方案；張恒[5]等通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，優(yōu)化了瓦斯隧道現(xiàn)場施工通風方案；王明年[6]等通過理論研究，確定了鄭萬線隧道機械化快速施工的通風時間；雷帥[7]等對南大梁高速公路華鎣山隧道施工通風方案進行了優(yōu)化研究；李明[8]等對雪山梁隧道獨頭壓入式通風方案進行了驗證；宋旭彪[9]通過實測數(shù)據(jù)證明了壓出式空氣幕通風技術的優(yōu)越性；王帥帥[10]等以圭嘎拉隧道為研究對象，對比分析了獨頭壓入式通風方案和巷道式通風方案；譚信榮[11]等基于洞內(nèi)空氣質(zhì)量現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析結果，提出了隧道內(nèi)干式除塵機與壓入式通風、巷道式通風相結合的通風措施；李勇[12]等采用壓入式、抽排混合式和大風機接力式通風技術，克服了長距離獨頭通風和多工作面通風的難題：古尊勇[13]等對高原地區(qū)特長隧道施工通風技術進行了補充和優(yōu)化；王應權[14]采用理論分析與數(shù)值模擬，對長大鐵路隧道施工通風方案進行了選擇及改進。上述學者對于隧道施工通風方案的研究，大多針對單一的通風方式，而對于幾種通風方案的對比研究較少，該文在前人研究的基礎上，結合工程實例，對獨頭壓入式、風倉接力式、風機接力式3種通風方案的研究進行補充。

以秦嶺天臺山隧道為依托，采用Gambit進行建模，流體力學軟件Fluent計算，分別從技術、經(jīng)濟、維修養(yǎng)護等方面對3種通風方案進行分析，確定隧道施工的最佳通風方式，為天臺山超長隧道施工通風提供技術指導，亦可為其他同類工程參考。

2 工程概況

寶雞至坪坎高速公路(G85)秦嶺天臺山隧道長15.56 km, 設計為雙向六車道，其建設規(guī)模目前居世界第一，采用縱向集中送排式通風方式，設置2斜井1豎井。其中1號斜井工區(qū)，布置主副斜井各1個，承擔了主洞3 185 m的施工任務，如圖1所示。

隧道施工通風分為兩階段，第一階段采用獨頭壓入式通風，如圖2所示，但隨著隧道的掘進，洞內(nèi)通風效果降低，空氣環(huán)境變差，污染物濃度增加，因此需要對通風方案進行優(yōu)化，擬比選的第二階段施工通風方案如圖3所示。各型號風機參數(shù)如表1所列。

圖1 秦嶺天臺山隧道示意圖

3 通風數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型與計算方法

隧道及車行橫通道的斷面尺寸如圖4所示；利用Gambit建立隧道網(wǎng)格模型，其中網(wǎng)格節(jié)點483.3萬個，單元2 588.7萬個，類型為四面體Tet網(wǎng)格，平均尺寸為1 m, 局部區(qū)域網(wǎng)格加密至0.5 m, 隧道局部區(qū)域網(wǎng)格建模如圖5所示。此次計算采用有限體積法對控制方程進行離散；湍流模型采用三維非穩(wěn)態(tài)k-ε雙方程紊流模型；壓力-速度耦合計算方法采用SIMPLE算法。

圖2 第一階段施工通風方案(單位：m)

表1 風機參數(shù)

3.2 邊界條件

根據(jù)隧道實際情況，主斜井風流進口定義為壓力式進口(Pressure-inlet),副斜井風流出口定義為壓力式出口(Pressure-outlet),相對大氣壓強進行設置，數(shù)值為0 Pa; 射流風機和風管進出口均設置為速度進口(Velocity-inlet),數(shù)值參照表1,以正負號區(qū)分流進和流出；隧道壁面、風管周壁定義為固壁邊界條件(Wall),摩擦系數(shù)分別設置為0.015[15]和0.009。

3.3 計算結果驗證

為了驗證數(shù)值模擬結果的準確性，將現(xiàn)場實測風速與數(shù)值模擬風速進行對比。首先根據(jù)現(xiàn)場掘進尺寸建模，提取出現(xiàn)場實測對應位置的斷面風速，因為在隧洞內(nèi)除了風管出口風速變化較大外，其余位置風速幾乎沒有變化，因此只提取掌子面前方900 m范圍的風速進行對比，結果如圖6所示。

由于現(xiàn)場實測情況的復雜性，導致圖中風速對比存在偏差，測量儀器操作不當，風管漏風以及風速測量儀器讀數(shù)不穩(wěn)等問題是導致以上偏差的直接原因，但實測風速與模擬風速數(shù)值接近，可以認為數(shù)值模擬結果接近現(xiàn)場實測情況，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)是可靠的。

圖3 第二階段3種通風方案(單位：m)

圖4 隧道斷面圖(單位：m)

4 結果分析

4.1 掌子面附近風速計算

掌子面前方100 m作為開挖和二襯施工的主要場所，其空氣質(zhì)量直接影響隧道施工進度以及施工人員的身體健康。隧道常常通過改變掌子面的風速，加快污染空氣排出，以此來提高通風效果。掌子面附近通風效果對比如圖7所示。

由圖7可知：掌子面前方50 m范圍內(nèi)，風機接力式通風方式的風速最大，空氣置換速度快，掌子面污染物濃度低，通風效果最佳。獨頭壓入式通風左洞由于通風距離過長，考慮到管壁摩擦帶來的沿程損失，導致掌子面風速較小。到50 m之后，3種通風方式的風速變化趨勢相當，但仍可以看出風機接力式的通風效果較好。左右洞的風速變化云圖如圖8、9所示。

4.2 隧道全程風速分析

參照JTG F60—2009《公路隧道施工技術規(guī)范》[16],隧道全斷面開挖時，風速不應小于0.15 m/s, 導洞內(nèi)風速不應低于0.25 m/s, 但均不應大于6 m/s。左右洞隧道全程風速如圖10所示。

圖5 有限元模型圖

圖6 數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測風速對比

圖7 左右洞掌子面前方風速對比圖

圖8 右洞風速云圖(單位：m/s)

圖9 左洞風速云圖(單位：m/s)

圖10 左右洞隧道全程風速圖

由圖10可得：左右洞全程風速均大于規(guī)范要求最低風速。風機接力式通風方式的全程平均風速較大，風倉接力式次之，獨頭壓入式最低。在七號橫通道回風口處，左洞污染風通過橫通道進入右洞，導致右洞風量增加，風速加大，且趨勢明顯，經(jīng)過回風口，風機接力式通風方式的風速較大，污染物排放較好，排污效果最佳。

4.3 局部風速分析

七號車行橫通道作為左洞與右洞的連接，是左洞污染物到右洞的主要通道，為加快隧道內(nèi)空氣的流動，在車行橫通道內(nèi)和主洞內(nèi)均放置了一臺37 kW的射流風機。因此，流經(jīng)此處斷面的平均風速增大，且增長速度較大，隧道通風量為左洞和右洞之和，經(jīng)過回風口之后，速度迅速降低，恢復到之前的水平(圖11、12)。

圖11 右洞與七號車通交匯處風速圖

圖12 七號車通局部風速云圖(單位：m/s)

由圖11、12可以看出：風機接力式通風方式的通風效果較好。

在右洞與斜井交匯處，自然風流從主斜井進入主洞，遭遇副斜井回流污風的影響，風速顯著降低，后經(jīng)副斜井內(nèi)射流風機的增壓作用，風速增加，風機接力式增加后的風速最大，因此效果最佳(圖13)。

圖13 右洞與斜井交匯處風速圖

綜上所述，對于該隧道的施工通風方式，風機接力式通風方式的通風效果最佳，隧道全長的風速都達到較高水平。

5 經(jīng)濟性對比

通風方式的經(jīng)濟性對比主要考慮一次性固定設備投入和后期養(yǎng)護維修費用，其中一次性投入主要包括風機和風管購買費用和其他材料，其他材料主要指鐵皮、鋼架等；維修養(yǎng)護費用包括電費和維修費用。

設備維修養(yǎng)護費用的影響因素主要有通風效率、工期、設備數(shù)量等，由于獨頭壓入式通風效果差，風機工作時間長，設備耗損率大，維修養(yǎng)護費用較高，耗電量也高；風機接力式恰恰相反，良好的通風效果能夠縮短施工通風時間，減少設備損耗和用電量，提高施工效率，縮短工期。3種方案經(jīng)濟性對比如表2所示。

風倉接力式所需設備較多，給隧道施工通風帶來的增益不大，且風倉的安裝施工過程繁瑣，設備維修養(yǎng)護費用較高；獨頭壓入式固定設備投入較少，安裝簡單，但風機工作時間長，電費和維修費用較高；風機接力式通風效果最佳，能有效提高隧道施工效率，減少設備維修養(yǎng)護投入，是經(jīng)濟性最好的通風方式。

表2 通風方案經(jīng)濟性對比

表2 通風方案經(jīng)濟性對比

6 結論

(1) 通過通風效果的對比，風機接力式的通風效果最好，洞內(nèi)風速大，排污能力強，能夠較好地調(diào)節(jié)洞內(nèi)空氣環(huán)境，提高空氣質(zhì)量，風倉接力式居中，獨頭壓入式最差。

(2) 通風效果的提升能夠良好地改善隧道洞內(nèi)環(huán)境，并能加快隧道施工進度，以此來減少整個施工過程的成本投入。風機接力式的成本投入最少，風倉接力式和獨頭壓入式相差不大。

(3) 風倉在安裝過程中，需要耗費大量的鋼材，且后期設備損耗快，維修及養(yǎng)護費用高；獨頭壓入式的通風距離長，設備負荷大，風機損耗快，風管和風機維修頻繁；風機接力式縮短了通風距離，減少了設備負荷，維修養(yǎng)護費用較前兩種通風方式低。

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