风筒位置对隧道作业区风速场分布影响研究

韩富明

山西协力公路工程监理有限公司

摘 要：为提高钻爆法施工中通风降尘效果，提高施工效率与整体效益，通过现场实测统计分析施工过程中实际风速场分布特点，在此基础上基于气固两相流理论利用数值模型分析了台阶坡度变化以及台阶与风筒相对高程位置关系对于上台阶主要作业区域以及下台阶主要作业区域风速场分布的影响。将台阶坡度设为30%和50%2种工况研究当风筒出风口位置较低时台阶过渡方式对于风速场分布的影响；将出风口位置设为低于台阶、平行于台阶以及高于台阶对比分析台阶与风筒相对高程位置关系对于风速场分布的影响。研究结果表明：无论台阶过渡方式如何变化，风筒出风口高度高于台阶所在高程线的综合通风效率优于风筒高度低于台阶所在高程线的情况；当出风口位置因施工因素限制布置较低时，上下台阶过渡坡度越缓，通风效果越好，越有利于抑尘。

关键词：钻爆法施工;隧道作业区;风速分布;风筒布置;

基金：山西交控集团科技项目，项目编号19-JKKJ-41;

在山岭隧道修筑中，钻爆法因其经济高效的特性被广泛应用[1,2]。然而，由于钻爆法是一种人机共同作业的开挖方法，同时隧道又是一个半封闭空间，就导致施工中的粉尘对作业效率和工人健康产生巨大不利影响[3]。目前，针对隧道施工抑尘的主要措施包括通风降尘、水雾降尘、水压爆破、湿式凿岩等[4],而通风降尘作为最基础的降尘措施被广泛应用于山岭隧道钻爆法施工中。针对影响通风降尘效率的因素，大量学者做出了丰富的研究。已有研究表明，隧道内气流速度是影响粉尘颗粒在隧道空间内迁移变化的重要影响因素，同时隧道内有害颗粒浓度与通风量变化呈负相关，且有害颗粒浓度呈指数性变化[5,6];为进一步探究粉尘颗粒在气流场中的分布，一些学者通过试验和数学模型分析了粉尘与气流两相耦合关系得到了粉尘的分布规律并构建了两相耦合模型[7,8,9,10,11];由于粉尘分布随气流的变化而变化，因此有一些学者研究总结了压入式通风中风速场的分布特点，认为可将隧道主要施工区域风速场分为射流区、回流区和涡流区[12,13],同时隧道断面的大小决定了风筒到掌子面的距离，进而决定了通风降尘效果[14]。

综上所述，已有的研究主要研究通风降尘对于隧道整体的粉尘分布及迁移的影响，而针对风筒位置与台阶高度相对关系对于降尘效率的影响鲜有研究，然而风筒布置优化相比较于其他优化措施具有投入低，效益明显的特点。因此，本文以太行山区桥上隧道为依托，首先从实地监测隧道主要作业区域风速分布入手，在已有研究的基础上利用数值模拟探究风筒与隧道台阶相对位置关系对于主要作业区域风速分布的影响。

1 桥上隧道现场风速测定及结果分析

1.1现场风速测量

桥上隧道位于山西左权县桥上村，分为左右两线，施工时从左右两线进出口段同时施工，共有4个开挖作业面。每个作业面现场配有SDS-1120T-4PD1型射流风机1台，风机叶轮直径1 120 mm,最大出口风速33.5 m/s,流量33.0 m3/s,风机一共有中低高3个档位，实际施工中根据工序产尘量迥异调整风机工作档位。本次洞内风速测定试验选取左线进口段进行。图1为左线进口段风筒分布实景图。由图可以看出，左线进口段风道在中间设有折角，使得风筒紧贴路面。开展现场测量时施工作业面节点为LK34+490,施工段围岩等级为Ⅲ级，采用上下台阶法施工，下台阶距路面高约3 m。测试时，左线进口段出风口距上台阶约35 m,距离掌子面约50 m,风机工作档位为中档。

图1 风道布置实景照片 下载原图

风速测定试验范围为出风口至掌子面之间，沿隧道走向共测5条线，每1 m布置1个测点，沿隧道走向布置5行测点，分别为风筒轴线、隧道中线、风筒轴线对称线以及它们之间的中线，测量高度为距开挖底面1.5～2 m处，测点布置见图2。测量时使用CFJD5型电子式风速表，将风速表置于测点并静止，待读数稳定后读取风速波动中值。实际在左线进口段测量2组数据，一组数据为下台阶至上台阶坡道与风筒同侧，一组为异侧。根据现场测试数据绘制2个作业面测量范围内风速分布云图见图3,其中正值表示进风风向，负值表示回风风向。

图2 风速测点布置示意 下载原图

图3 风速平面分布云图 下载原图

1.2测量结果分析

由图3可知：桥上隧道射流风机产生的风流在出风口至掌子面的分布大致可分为3部分：射流区、涡流区以及回流区。其中涡流区风速并非为零，而是风向杂乱，易于变化，无法确定准确的风速和风向。

对比图3可以发现，当风筒与坡道同侧时，射流风可到达上台阶处，而风筒与坡道异侧时，射流风在上台阶与下台阶过渡处几乎完全消散。这表明当上台阶与下台阶过渡处为坡道时，部分风流可顺着坡道到达掌子面处，当上台阶与下台阶过渡处为直立面时，风流由于与过渡面垂直而直接撞击在过渡面上消散。由于坡道在施工过程中随下台阶开挖不停变化位置，因此调节风筒角度或者高度使得部分风流越过过渡面到达上台阶处可以有效提高掌子面通风抑尘效率。

为进一步探究风筒与台阶的相对位置关系对于施工主要作业区风速分布的影响，采用数值模型对不同位置关系下的风速场分布进行模拟分析。

2 数值模型建立及参数设定

2.1几何模型构建及网格参数设置

以桥上隧道左线进口段LK34+490处钻爆法开挖过程为模拟对象考虑现场实际情况可能对通风抑尘的影响，建立数值模型研究不同风筒布置下隧道内风速变化规律。隧道断面见图4,隧道断面由四心圆与隧道路面所截直线组成，洞口据上台阶85 m, 上台阶至掌子面15 m, 其中下台阶高3 m, 整体模型为在上下台阶处高度突变的半柱体空间；风筒直径为1.1 m, 出风口位置布置在距洞口50 m处，风筒紧贴隧道右侧。几何模型见图5,网格划分见图6。

图4 隧道断面参数 下载原图

图5 数值模型图示 下载原图

图6 模型网格示意 下载原图

2.2模拟参数及边界条件设定

根据现场实际情况和Fluent不同模拟方法特点确定使用Realizable k-epsilon模型，模型边界分为流体入口边界、出口边界和壁面，参数设置见表1。求解器选取及参数设定见表2。

表1 边界条件设置参数 导出到EXCEL

表2 求解器选取及参数设置 导出到EXCEL

3 不同工况数值结果分析

本节主要研究考虑风筒位置及上下台阶过渡方式变化通风抑尘过程中风速分布规律。考虑到各因素间耦合作用较弱，故采用单因素分析法对不同因素变化风速分布和粉尘迁移特点进行分析。

3.1不同台阶坡度对通风的影响分析

为研究台阶坡度对于施工人员主要作业区域通风效果的影响，设置2种工况：工况1将出风口布置在紧贴隧道内路面的左侧；工况2将出风口布置在与台阶线同一高程处(距底面高2.5 m)。2种工况风速为25 m/s, 分别比较坡度为50%和30%距路面高1.5 m和距上台阶高1.5 m处风速场变化，结果见图7和图8。

由图7(a)可以看出，下台阶与上台阶过渡坡度变化对于距隧道路面高1.5 m处射流区风速分布影响不大，但是对回流区风速分布影响较大。当坡度为50%时，回流区长度仅为9 m左右；当坡度变为30%时，回流区长度增至18 m左右，比坡度为50%时增长了约2倍。同时，由图7(a)可得，回流区最大风速分别为5.6 m/s和5.2 m/s, 台阶坡度变化对于风速大小影响并不大。通过上述分析可以发现，当风筒出风口位置低于台阶高度时，上下台阶过渡坡度越缓，回流区分布越广，越有利于将下台阶处工人作业区内粉尘排出洞外。

由图7(b)可以看出，下台阶与上台阶过渡处坡度变化对于距上台阶高1.5 m处射流区和回流区风速分布均有较大影响。当坡度为50%时，风流从出风口射出到达上台阶，射流区风流迅速扩张消散，且回流区长度明显较短；当坡度为30%时，风流从出风口射出到达上台阶，射流区风流仍较收敛，且回流区区域明显大于坡度为50%回流区区域。由上述分析可以得知，当风筒出风口位置低于台阶高度时，上下台阶过渡坡度越缓，风流在通过过渡区时消散的动能就越少，从而使得回流区范围更大，上台阶处粉尘更容易排出作业区。

由图8(a)以及图8(b)得知，当出风口高度接近台阶高度时，台阶坡度变化对于风速分布几乎没有影响。因此，当出风口相比较于上台阶高度较低时，应当考虑坡度对于通风效果的附加作用，而当出风口高度接近或者高于上台阶高度时，不应考虑坡度变化对于通风效果的附加作用。

图7 风速分布云图(出风口紧贴路面) 下载原图

图8 风速分布云图(出风口等高于台阶线) 下载原图

3.2不同风筒高度下的模拟结果及分析

风筒出风口风速固定为25 m/s, 上下台阶坡度过渡方式为垂直，考虑上下台阶高度影响，分别将出风口布置在几何中心据隧道底面高度0.55 m, 2.5 m, 3.05 m处计算隧道内风速分布，出风口位置与台阶高度关系见图9。距隧道底面高1.5 m(施工人员主要作业区域)和距上台阶底面高1.5 m的风速分布见图10。

图9 隧道数值模型纵方向视图 下载原图

图10 风速分布云图 下载原图

由图10(a)得知，风筒位置的变化对隧道内距路面高1.5 m处射流区风速、回流区域大小有较为显著地影响，但对回流区风速大小影响不显著。当风筒中心距路面高分别为0.55 m、2.5 m、3.05 m时，射流区最大风速分别为10.90 m/s、8.80 m/s、7.87 m/s, 风流在风筒位置调高后逐渐衰弱；同时随着风筒位置的调高，风筒中心距路面高0.55 m和2.5 m时回流区域大小相当，而风筒中心距路面高3.05 m处相比较前两者明显较小，考虑到风筒布置在0.55 m、2.5 m处与隧道内距路面高1.5 m处的绝对高差相近，可以认为距风筒位置高差越小，回流区域面积越大。

由图10(b)可看出，风筒位置的变化对隧道内距上台阶高1.5 m处风流无论从风速还是分布上均有显著影响。当出风口紧贴地面时，射流区风流在距上台阶高1.5 m处已明显发散，且无法到达上台阶处，导致回流区也主要集中在下台阶处；当出风口与上台阶交错时，射流区风流到达上台阶处时已经开始发散，回流区作用于上台阶处的区域也比较小；当出风口高于上台阶时，射流区风流到达上台阶时仍较为强劲，且回流区风流无论从强度还是分布上都远大于前2种工况，同时可以注意到在高差相差不大的情况下，即出风口位置距地面高2.5 m和3.05 m时最大风速为11.51 m/s和25.07 m/s, 相差1倍左右，因此可以认为当出风口位置不高于台阶时，台阶对于到达上台阶的风流强度削弱作用明显。

基于上述2组数据的统计分析可以得出，出风口高度对于下台阶处主要作业区域通风效果有一定影响，出风口高度与台阶高度的相对关系对于上台阶处主要作业区域通风效果有显著影响。因此，结合实际施工方式，考虑到上台阶处产尘量比下台阶处多，在实际布置风筒出风口位置时，应当将风筒出风口尽量布置在台阶所在高程线以上。

4 结语

(1)现场实测结果表明，上台阶与下台阶过渡方式对于掌子面处施工区域风速场分布有重要影响。

(2)以现场数据为基础，通过数值模拟软件Fluent模拟得到的桥上隧道风流分布方式基本与实测分布一致，即射流区、涡流区以及回流区分布区域基本相近，表明模拟结论可靠度高。

(3)当出风口位置因施工因素限制布置较低时，上下台阶过渡坡度越缓，通风效果越好，并且出风口布置越低，提升效果越明显；同时在出风口位置较低时，上下台阶过渡处有无坡度对于掌子面处作业区域风速场分布有显著影响。

(4)无论台阶过渡方式如何变化，当风筒出风口高度高于台阶高程线时，掌子面处作业区内通风效率可得到大幅改善，而下台阶作业区内通风效率受影响较小。因此，风筒出风口高度高于台阶所在高程线的综合通风效率优于风筒高度低于台阶所在高程线的情况。

参考文献

[1] 刘宝巨.隧道施工中的机械设备配套技术[J].科技创新导报，2010,(4):69.

[2] 李怀珍.长隧道施工机械配套与快速施工技术探讨[J].中国科技纵横，2010,(5):116-117.

[3] 孙忠强.公路隧道钻爆法施工粉尘运移规律及控制技术研究[D].北京科技大学，2015.

[4] 程卫民，刘伟，聂文，等.煤矿采掘工作面粉尘防治技术及其发展趋势[J].山东科技大学学报：自然科学版，2010,9(4):77-82.

[5] 徐景德，周心权.有源巷道中粉尘运移与浓度分布规律的实验研究[J].湘潭矿业学院学报，1999,(2):1-6.

[6] 陶坤.压入式通风在隧道施工中的动态设计与应用分析[[J].公路交通科技，2008,(6):168-171.

[7] 刘钊，陈兴周，冯璐，等.长隧道独头掘进压入式施工通风数值模拟[J].西北水电，2012,(1):66-69.

[8] Hall D A.Factor Affecting Airborne Dust Concentration with Special Reference to the Effect of Ventilation[J].Transactions Inst Mining Engineers,1957,(117):19-26.

[9] Hodkinson J R.The Mixing of Respirable Dust with the Mine Ventilation,studied by a Radio-Active Tracer Technique[J].Transactions Inst Mining Engineers,1957,(115):20-28.

[10] Soo S L.Multiphase Fluid Dynamics[M].Beijing:Science Press,1960.

[11] Wang J,Levy E K.Particle Motions and Distributions in Turbulent Boundary Layer of Air–particle Flow Past a Vertical flat plate[J].Experimental Thermal & Fluid Science,2003,27(8):845-853.

[12] 刘荣华，王海桥，施式亮.压入式通风掘进工作面粉尘分布规律研究[J].煤炭学报，2002,(3):233-236.

[13] 何青青.高壁温铁路隧道独头射流通风及喷雾降温数值计算研究[D].西南交通大学，2012.

[14] 李雨成，李智，高伦.基于风流及粉尘分布规律的机掘工作面风筒布置[J].煤炭学报，2014,39(S1):130-135.