高地温小断面隧道施工通风排污降温效果研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中铁二十三局集团有限公司科技研究开发计划课题()作者简介:王政松()男四川广元人高级工程师主要从事土木工程施工管理方面的工作:.引文格式:王政松.高地温小断面隧道施工通风排污降温效果研究.铁道建筑技术():.高地温小断面隧道施工通风排污降温效果研究王政松(中铁二十三局集团有限公司 四川成都)摘 要:为评估高地温隧道施工拱顶送风效果以成昆铁路米攀段保安营 号隧道为依托采用数值模拟方法建立围岩 衬砌 洞内系统掌子面模型研究不同送风速度和温度下施工通风排污降温时效得到隧道施工通风期间洞内 浓度和温度分布时空变化规律:()在通风温度 下距掌子面 范围内爆破产生的 清空时间随风速增加而减少/风速仅需约 /风速需要约 而/风速需要通风 难以满足施工排烟需要()在通风温度 下大于等于 /风速均能使隧道内气温下降至施工需求且./和 /风速其降温效果相当而/风速降温效果较差()在设计通风风速./下距掌子面 范围内隧道气温下降用时随风温增加而增加 和 风温分别用时约为 和 而 风温只能使距掌子面 范围内的气温满足规范要求关键词:高地温 小断面隧道 施工通风 送风速度 送风温度 排污降温中图分类号:.文献标识码:./.():.:()./.()/./.()./.:引言随着我国交通基础设施不断向西部山区深入高海拔、高地温、高瓦斯等复杂环境隧道工程层出不穷给交通建设带来了极大挑战 污浊及高温环境会对施工作业人员的身体健康和施工机具的正常运作造成严重威胁 作为隧道内外空气流通的唯一手段施工通风在隧道施工过程中可为洞内降温、提供新鲜空气、排除铁道建筑技术 ()王政松:高地温小断面隧道施工通风排污降温效果研究粉尘及有毒有害气体维持了施工机械设备正常运行保障了施工作业人员的健康安全是整个隧道工程安全建设的“生命线”目前大量学者围绕隧道施工通风排污降温开展了系列研究 张文坤结合理论分析与现场监测等手段制定了高海拔特长山岭隧道通风专项技术方案并通过现场监测验证其通风效果 刘杰等分析不同送风风速、掘进面与风筒口不同距离下隧道洞内风流场和 分布特征建立了螺旋施工隧道内 扩散测算模型 陈宝智等研究分析巷道压入式通风的风流结构得出其流场分布及变化规律 刘钊春等通过对压入式通风下隧道内气体浓度扩散进行分析得到了隧道内流场分布状态 张国梁等基于紊流扩散理论分析了不同海拔高度隧道有害气体的迁移规律和质量浓度分布 张皓等建立施工通风模型并结合现场测试分析了施工爆破压入式通风后有害气体的扩散迁移规律及其控制指标 刘强对比全断面开挖和台阶法开挖的施工通风效果发现台阶法的通风及瓦斯稀释效果更好 刘春等通过建立流体力学分析模型研究压入式通风下超大断面隧道瓦斯浓度和风速的变化规律以及风筒位置对隧道风流流场及瓦斯浓度的影响 谷柏森通过工程类比结合理论计算总结了国内外高地温区隧道病害的应对措施以及施工通风和运营通风计算方法 李湘权通过对水电站引水隧洞高温问题的研究提出了高地温区隧道以通风为主、低温冷水辅助的综合降温方法 张智、胡元芳对隧道内热交换规律进行分析并建立了压入式通风下预测掌子面温度的数学模型 周小涵等分析季节性风温、不同程度高温和铺设隔热层等对高地温隧道传热的影响 李俊生等对比分析高地温隧道在内侧壁压入式、混合式和拱顶压入式通风下掌子面的温控效果 袁艳平等研究常规通风条件下隧道流场分布规律并提出有效的喷雾降温方法 王海桥通过分析掘进通风射流产生过程及隧道掌子面压入式通风流场结构得到了回流区平均速度及最大回流速度 前述研究主要集中于只存在单一不利条件的常规隧道工程对同时存在高地应力、高瓦斯、高地温等复合不良环境的小断面隧道施工通风排污降温效果的研究较少本文以成昆铁路保安营 号隧道为工程依托采用数值模拟方法深入分析隧道施工通风过程中不同送风速度的排污降温效果和不同送风温度的降温效果以期提供良好的作业环境在保障依托工程安全高效修建的同时为类似工程提供技术参考 工程概况成昆铁路米(易)攀(枝花)段为客货共线单线电力牵引铁路 其中保安营 号隧道位于攀枝花境内进口里程 出口里程 全长 最大埋深 具有高地应力、高瓦斯、高地温等特点 为满足施工工期、防灾救援、施工通风等需要全隧共设 座斜井长度分别为 、号隧道与 斜井、斜井及 斜井相对位置关系如图 所示图 工程所在地及相关位置关系 计算模型选取影响隧道内温度场分布的主要因素即送风速度与送风温度建立数值模型对保安营隧道通风效果进行研究.模型几何概况利用流体计算软件建立围岩 衬砌 洞内系统掌子面模型如图 所示 整个模型长度为 正洞长 斜井长 风管出风口距掌子面 风管直径.计算参数选取隧道最大埋深为 根据地应力测试报告:超过 地温的隧道埋深为 根据地温梯度./计算最高温度为 据此将隧道围岩初始温度设置为 进行计算 模型参数如表 所示铁道建筑技术 ()王政松:高地温小断面隧道施工通风排污降温效果研究表 模型参数及边界条件材料类型比热容/()密度/(/)导热系数/()粘性指数/()岩石.混凝土.空气.计算工况设置为了分析不同送风速度和送风温度下隧道施工通风排污降温效果共设置 个工况如表 所示表 正洞段施工通风工况模拟工况计算区段送风温度送风速度工况 工况 工况 正洞./工况 工况 工况 斜井 ./.监测面设置计算时正洞段设置 个监测面分别位于距离掌子面、和 处斜井段设置 个监测面分别位于距离掌子面、处如图 所示图 计算模型 结果分析.设计风速下的排污效果计算中隧道内流域 扩散云图如图 所示图 浓度扩散云图由图 可知在./风速下通风 时掌子面处 迅速被稀释 通风 后 气体大部分聚集在距掌子面 范围内且浓度显著降低 通风 后有 从隧道中逸出 通风至 后除隧道断面上半区域的管道部分有残留外主体部分 已经逸出隧道 规范规定隧道内 浓度不得大于 当浓度小于 时可以组织施工人员在掌子面作业取监测面中心部位数据绘制曲线如图 所示图 监测面中心处 浓度曲线由图 可知在 前风管前方隧道内 依然超标 浓度首先在横截面一侧降低随后整个截面 浓度降低 通风 后掌子面 范围内大部分 逸出 浓度下降 风管周围空间狭小部分 流动速度较慢 延迟逸出 通风 后距掌子面 处 浓度达到峰值 范围内 开始逸散 时距离掌子面 范围内 基本清空.不同送风速度的排污效果取距离掌子面、截面中点的 浓度值绘制曲线如图 所示铁道建筑技术 ()王政松:高地温小断面隧道施工通风排污降温效果研究图 不同风速下隧道 浓度对比由图 可知/送风速度下 排出效率更好通风 后 范围内的 将完全清空 随着通风时间增加/风速下 排出速度较快 而/工况下 排出速度较低很难满足施工排烟需要在 断面处 聚集时间较久预计通风 才能保证掌子面后方 范围内达到 限值.不同送风速度的降温效果取不同送风速度下各横截面中心温度绘制曲线如图 所示图 不同风速隧道截面降温对比图 表明通风 时 /送风速度下降温效果远低于.及/送风速度下的降温效果 通风 后在、.、/送风速度下掌子面 附近的温度分布差异不大 相同通风时间内较高送风速度促使洞内冷热空气对流加快一定范围内降低了空气温度 而过小的出风口速度导致风压不足无法使新风有效扩散 在相同的送风温度下风速越快掌子面附近冷却范围越大相同通风时间下洞内温度越低若送风温度为 则大于等于 /送风速度均可使洞内气温下降至 以下且.和/工况通风效果相当当隧道内温度稳定后各截面温度相差不多 以距掌子面 范围为例:和./工况下通风 达到施工环境需求/送风速度下通风 达到施工环境需求 通风 时.和 /风速下隧道掌子面 范围内气体温度已降至 以下而 /工况下仍保持较高的温度.不同送风温度的降温效果送风温度 、下隧道纵截面温度分布如图 所示图 隧道纵截面温度分布不同送风温度下距掌子面越远隧道气温越高 风温的降温效果最好距掌子面 的断面维持在 左右且降温速度最快通风 左右即可达到施工环境要求 通入 空气也可以达到不错的降温效果降温速度稍慢通风 左右距掌子面 范围内可达到施工环境要求 处断面气温稳定在 左右 而 风温不能使全隧道达到规范 的降温要求仅能使距掌子面 范围气温维持在 以下降温效果不够好取不同送风温度下距掌子面、和 处断面中点温度绘制曲线如图 所示从图 可看出由于送风速度相同 种送风温度下同一截面开始降温的时间点相同分别在 、开始降温 当隧道温度稳定后 曲线的最高温度为 曲线最高温度为 曲线最高温度超过了 另外隧道各截面达到最低温度所需时间相同说明隧道通风的降温机理是先将隧道内的热空气排出再由新鲜风与围岩进行对流换热(下转第 页)铁道建筑技术 ()莫万远:冻融循环对剑麻纤维加筋黄土抗剪强度性能的影响参考文献 杨立中王高峰王爱军等.陇东黄土丘陵区滑坡形成机理分析 以环县西北地区为例.中国地质灾害与防治学报():.李坤泓.干湿及冻融循环交替作用下压实黄土变形特性的试验研究.北京:北京交通大学.王文刚王彬顾汪明等.冻融循环对黑土团聚体稳定性与微结构特征的影响.水土保持学报():.王贺陈学军宋宇等.外掺剂对红黏土微观结构及脆性指数影响.科学技术与工程():.杨晓华张建伟张莎莎等.黄土地区高速公路地基处理技术研究进展.长安大学学报(自然科学版)():.:.何玫玫.冻融循环作用下纤维黄土的力学性质试验研究.西安:西安理工大学.钟汉林刘春辉张俊等.随机分布剑麻纤维对砂土力学特性的影响.烟台大学学报(自然科学与工程版)():.吴燕开牛斌桑贤松.随机分布剑麻纤维加筋土力学性能试验研究.水文地质工程地质():.王龙威刘瑾奚灵智等.基于高分子复合材料改良砂土三轴剪切试验研究.水文地质工程地质():.():.杨永亮.不同击实因素对黄土状粉土击实特性及抗剪强度影响的试验研究.太原:太原理工大学.(上接第 页)在对流换热过程中隧道内离掌子面越远的地方风流受到围岩加热时间越长其气温越高图 不同送风温度隧道气温时程曲线 结束语本文建立拱顶送风模式下的隧道三维数值模型分析不同送风速度和送风温度下隧道内的通风排污和降温效果研究成果如下:()冬季理想通风温度 和设计风速./下通风 后距离掌子面 范围内绝大部分 已清空 /送风速度下清空 范围 仅需约 而 /送风速度下 清排速度较低预计通风 才能满足施工排烟需要()若通风温度为 则大于等于/送风速度均能使隧道内气温下降至 以下当隧道温度稳定后纵向温度分布差异不大()在./设计通风风速下 和 的送风温度均能使距离掌子面 范围内隧道环境气温下降至 以下分别用时约 和 而 的送风温度有效降温范围距掌子面 参考文献 张文坤.高海拔特长山岭隧道施工通风技术.铁道建筑技术():.刘杰周皓文王婉青等.某高原螺旋施工隧道 分布及扩散特征.中国安全科学学报():.陈宝智关绍宗陈荣策.掘进巷道压入式通风的风流结构及排尘作用的研究.东北工学院学报():.刘钊春柴军瑞贾晓梅等.压入式通风掘进面有害气体浓度扩散数值模拟.岩土力学():.张国梁蒋仲安王睿.高海拔隧道出渣过程 分布分析及需风量研究.湖南大学学报(自然科学版)():.张皓赵子成刘建明等.公路隧道压入式施工通风有毒有害气体现场测试研究.公路():.刘强.瓦斯隧道在不同开挖方式下通风效果研究.建筑安全():.刘春杜俊生郭臣业等.大断面瓦斯隧道风筒布置对瓦斯浓度的影响研究.现代隧道技术():.谷柏森.隧道高地温应对措施及通风设计 高黎贡山铁路特长隧道可行性研究.现代隧道技术():.李湘权代立新.发电引水隧洞高地温洞段施工降温技术.水利水电技术():.张智胡元芳.深埋长大隧道施工掌子面温度预测.世界隧道():.周小涵曾艳华杨宗贤等.高地温隧道温度场的数值解.铁道科学与工程学报():.李俊生宗仁栋敖小兵等.不同通风方式对高温隧道掌子面温降效果研究.湖南工业大学学报():.袁艳平何青青曹晓玲等.铁路隧道热湿环境研究综述.铁道建筑():.王海桥.掘进工作面射流通风流场研究.煤炭学报():.铁道建筑技术 ()