敞开式 TBM 隧洞通风系统布置及除尘效果研究

摘要：

为了研究敞开式TBM施工通风布置方案并提高通风除尘效果,以引汉济渭秦岭输水隧洞TBM工程为依托,利用数值计算软件FLUENT对不同送风风速,不同送风管位置下的洞内除尘效果进行了计算研究,并将模拟计算与现场实测结果对比,优化了施工通风系统布置。研究结果表明:粉尘质量浓度从拱架作业区至主控室逐渐增大,随着到掌子面的距离增加,粉尘浓度降低;送风风速越大,洞内粉尘危险浓度区域越广,敞开式TBM内人员集中作业区的粉尘质量浓度越小;送风管距掌子面越远,人员集中作业区粉尘浓度越高,送风管布置在距掌子面15 m时,作业区粉尘浓度最低。优化方案将送风风管和除尘风管分别布置在距掌子面15 m和25 m,送风风速和除尘风速为40 m/s和15 m/s时,作业区粉尘质量浓度可控制在2 mg/m3规范限值以下。

关键词：

敞开式TBM; 隧道通风; 布置方案; 除尘;

薛永庆(1983—)男,高级工程师,学士,主要从事工程项目管理工作。Email:352548127@qq.com;

引用：

薛永庆． 敞开式 TBM 隧洞通风系统布置及除尘效果研究［J］. 水利水电技术，2020，51(2): 98-104.

XUE Yongqing． Study on layout of ventilation system for open-type TBM Tunneling and its dust removal effect［J］. Water Ｒesources and Hy-

dropower Engineering，2020，51(2): 98-104.

图1 岭北TBM施工段典型地质剖面

0 引 言

随着我国经济的高速发展,铁路、公路和引水隧洞的修建在全国各地展开。为提高掘进效率,加快施工进度并保证工程质量,隧道工程越来越多地采用TBM法对长距离隧洞进行施工。TBM掘进中刀盘凿岩、皮带出渣和喷锚等工序产生了大量的粉尘。在实际施工中因为对通风除尘认识不足和相应的技术方案的缺乏,施工人员工作环境烟尘弥漫,大量的粉尘进入人体内,造成不同程度的尘肺病,对工人的身体健康和生命造成巨大的伤害。因此针对长距离隧洞中敞开式TBM施工,掌握粉尘的扩散运移规律和通风排尘的效果是保证人员身体健康和工程顺利进行的基本。

国内已有学者对TBM施工隧洞通风排尘效果展开了研究。曹正卯等依托中天山特长铁路隧道施工,利用FLUENT软件对TBM工作面流场进行分析,以此得到粉尘浓度分布规律。郭春等对中天山隧道TBM施工环境中的粉尘含量进行了数值模拟和现场测试,得出施工环境中粉尘的分布规律。胡宜研究了通风除尘管道不同匹配参数对隧道内掘进区域粉尘浓度的影响。与此同时,粉尘在煤巷综掘面的运移研究也能提供参考。秦跃平等通过现场实测与模拟结果的对比分析,得出了压入式通风风流作用下的粉尘运移规律。杜翠凤等以平煤集团十一矿综掘工作面为研究背景,确定了与掘进机相配套的长压短抽式通风除尘系统。白本祥等合理选取与粉尘浓度相关的风速。此外,国内外其他科研人员针对TBM通风系统展开了大量的研究。这些研究成果对研究隧道施工时粉尘的产生与扩散有重要的意义,但针对除尘风管和送风风管共同工作的隧道中,由工作面产生的粉尘在TBM复杂的内部结构中的扩散规律和通风排尘效果的研究还较少。

1 工程概况

1.1 工程简介

陕西省引汉济渭工程是促进 “关中-天水经济区”发展的大型水利工程。引水隧洞岭北施工段工程主洞设计全长16 690 m,坡降为1/2 473。TBM施工段主要采用一台直径8.02 m敞开式硬岩掘进机施工,连续皮带机出渣,同步衬砌施工。在掘进施工时,掘进机对掌子面岩层的切割、压碎及摩擦等作用产生大量粉尘,危害工程人员的身体健康。岭北TBM施工段地质剖面如图1所示。

引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段除尘风管与送风管布置在距离掌子面约25 m位置处,除尘风与新鲜风风速均为15 m/s,风管直径为0.9 m。工程整体通风平面布置如图2所示。

图2 引汉济渭岭北段TBM隧道通风平面布置

1.2 粉尘浓度控制标准

TBM掘进隧道内,由掘进机切割掘进面产生的粉尘被称为原生粉尘,占隧道总产尘量的 80%以上。根据《公路隧道施工技术规范》(JTGF60—2009),相关粉尘质量浓度规定如表1所列。

综合分析可知,敞开式TBM施工粉尘允许浓度为每立方米空气中含有10%以上的游离二氧化硅的粉尘不得大于2 mg。

表1 粉尘容许浓度

2 数值模拟方法

2.1 计算模型

式中,t为颗粒运动时间(s);FD(u-up)为颗粒单位质量阻力(N);u为流体相速度(m/s);up为颗粒运动速度(m/s);gx为重力加速度(m/s2);ρp为颗粒密度(kg/m3);ρ为流体密度(kg/m3)。

与此同时,采用SIMPLEC算法计算连续相流场,采用Reynolds中的标准k -ε模型模拟三维湍流,得到速度场等信息,并创建离散相喷射源,设定喷射源的位置、尺寸、颗粒粒径的大小和初速度等,最后求解耦合流动,在拉格朗日坐标下对颗粒群中的各个颗粒进行轨道积分,最后用Display图形界面来跟踪离散相,从而得出超长TBM施工隧洞中的粉尘浓度分布。

2.2 几何模型及 络划分

根据引汉济渭秦岭隧洞工程所用TBM机实际参数,如图3所示,隧道模型几何尺寸如下:隧道几何模型总长度为500 m,断面直径为8 m;除尘风管直径为0.9 m,与送风管对称布置于隧道两侧位置,通风管道出口位于隧道出口。与此同时,模拟建立TBM机主体结构,用以模拟粉尘在TBM掘进机中的扩散效果。

图3 几何模型平面示意(单位:m)

采用适应性较强的四面体 格,对已建好的三维数值计算模型进行 格划分, 格边长取0.5 m,风管采用边长为0.1 m的 格加密划分,局部 格划分情况如图4所示。

图4 络划分部分示意

2.3 边界条件

基本计算边界条件如下:除尘风管口为速度入口(velocity-inlet);隧道出口为出流边界(outflow);粉尘喷射源为面喷射(surface),喷射面为掌子面;粉尘材料组成为二氧化硅,材料密度2 320 kg/m3,粉尘粒径采用R-R分布函数,平均粒径为2 μm;隧道底部的DPM边界设置为trap,除尘风管与隧道出口DPM边界为escape,其余壁面均为reflect。

3 粉尘浓度分布计算结果及分析

3.1 数值模拟与现场实测对比

结合水工隧洞施工通风设计,针对引汉济渭秦岭TBM隧道工程开挖时粉尘浓度纵向分布规律进行现场实测。如图5所示,测试设备采用CCZ-1000型粉尘测量仪现场采集数据样本并记录。

图5 TBM掘进段粉尘仪现场测试

图6 粉尘浓度现场测点布置(单位:m)

▲为现场布置测点

针对TBM机中工程人员集中的几处重点工作区域进行测试,沿程布置6个测点,分别间隔50 m,并在主控室位置处增设测点(见图6),单个测点测量时间为5 min。设置监测点监测时间在掘进开始后30 min进行,此时TBM掘进机环境基本稳定,但刀盘仍然运作且在不断产尘,对人体产生较大危害。

将秦岭隧洞TBM施工通风参数代入模型进行数值计算分析,得出隧道中轴线纵断面上空气流速云图如图7所示。

图7 实测工况下隧道中线纵断面空气流速云图(单位:m/s)

取TBM机身段内沿程各断面平均粉尘浓度值,将计算值与实测值进行对比如图8所示。由图8可知,模型计算结果与实测数据规律基本相同。粉尘质量浓度由敞开式TBM的拱架作业区开始逐渐增大,距掌子面35 m主控室周围粉尘质量浓度达到最大值约8 mg/m3,随着到掌子面的距离继续增加,粉尘浓度开始降低,在约80 m后粉尘浓度在规范值以下。由于重力作用,粉尘颗粒在运移过程中将会沉降到隧道底部。模型计算设置隧道底部捕获边界,以此模拟粉尘颗粒的沉降作用。与此同时,现场实测数据与模拟计算结果存在合理范围内的偏差,距掌子面50 m后实测粉尘浓度较计算值稍高,主要原因是现场实测受到设备运输及皮带震动产生的二次扬尘影响。

图8 粉尘浓度计算值与实测值对比

3.2 不同送风风速下粉尘运移分布规律

超长隧洞TBM施工时,独头通风送入的新鲜风量难以保证,因此需要研究不同送风量下粉尘在机身范围内的分布扩散规律,通过对比找出最利于降低粉尘浓度的风量范围。依托秦岭隧洞工程,模拟计算送风口风速分别为5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s和25 m/s时洞内的粉尘浓度,其余基本参数与前节相同。模拟计算刀盘掘进30 min,取隧道中间纵断面粉尘质量浓度分布云图如图9所示。由图9可知,TBM开始掘进,粉尘由掌子面向洞内扩散,施工30 min后,图9中红色区域即部分洞段粉尘质量浓度超过规范限值。送风风速越大,洞内超过规范限值的粉尘危险区域越广,施工作业受影响区域越大。由于受重力作用,粉尘易聚集在隧洞的中下方,该区域粉尘浓度较大。

图9 不同风速粉尘浓度分布云图(单位:kg/m3)

分析研究粉尘质量浓度沿程分布规律,取洞内各横断面粉尘平均质量浓度如图10所示。由图10可知,送风风速越小,掌子面附近的粉尘质量浓度越大,送风风速为5 m/s时,该区域粉尘浓度约为12 mg/m3,风速为25 m/s时,粉尘浓度约为4 mg/m3;与此同时,送风风速越大,粉尘在隧洞中的扩散距离越长,风速较小时,粉尘在风流中的运移速度较慢,沉降到隧道底面的概率加大,增大风速一定程度上降低了TBM前端50 m范围内的粉尘浓度,但却加大了粉尘扩散距离。

图10 不同送风风速下粉尘浓度沿程分布

因此,需针对TBM机身内人员相对集中区域,对比分析不同风速下该区域的粉尘浓度变化规律,以此得到排尘风速选择范围。取距掘进面10 m处的拱架支护区域,监测该断面不同风速下的粉尘浓度变化如图11所示。由图11可知, 送风风速越大,拱架作业区的粉尘质量浓度越小,越有利于敞开式TBM施工人员的健康。TBM开始掘进后,该人员集中区域的粉尘浓度增大,并逐渐保持平稳,送风风速为25 m/s时,粉尘浓度稳定在3 mg/m3左右,较送风条件较差时的5 m/s,粉尘浓度降低了约60%。

图11 不同风速下拱架作业区粉尘浓度监测结果

3.3 不同风管位置下粉尘运移分布规律

科学合理的通风排尘系统布置是达到良好除尘效果的重要因素。因此针对秦岭隧洞工程实际,需研究风管位置变化对排尘效果的影响规律,通过对比研究,选择适于人员工作的通风布置方案。模拟计算送风风管位置距掌子面分别为10 m、15 m、20 m、25 m和30 m时,粉尘扩散分布规律,依据秦岭隧洞工程实际,送风风速为15 m/s,除尘风管距掌子面25 m,风速为15 m/s。刀盘掘进30 min后,取纵向断面的平均粉尘浓度,隧洞内沿程粉尘质量浓度如图12所示。由图12可知,送风管距离掌子面15 m时,掌子面附近区域,即敞开式TBM人员主要集中作业位置粉尘质量浓度相对最低。在送风风管位置距离掌子面不超过25 m时,隧洞内属于长压短抽的排尘通风方式,送风管距掌子面越远,作业区粉尘浓度越高。送风管距离掌子面10 m时,抽压风管距离较远,容易在掌子面附近部分区域形成涡流,造成粉尘浓度较大。由于粉尘粒径较小,容易悬浮在空气当中,施工通风会加速其在隧道中的运移扩散,改变通风系统布置,一定程度上可以降低施工集中作业区的粉尘浓度。

图12 不同送风管位置下粉尘浓度沿程分布

因此,针对人员集中工作的距掘进面10 m处的拱架支护区域,监测该断面不同通风布置下的粉尘浓度变化,对比得出最佳通风布置方式及粉尘浓度在该区域随时间的变化规律如图13所示。由图13可知,随着TBM施工的进行,粉尘由掌子面逐渐向外扩散,该区域粉尘浓度在掘进3 min后突然增大并逐渐趋于稳定。通风系统布置的变化对该断面的粉尘浓度影响较小,粉尘质量浓度随时间趋于稳定后,送风管布置在15 m时粉尘浓度最大,送风管布置在25 m时粉尘浓度最大。因此,根据长压短抽的排尘通风原理,当除尘风管距掌子面25 m时,布置送风管距掌子面15 m,更有利于敞开式TBM施工的有序进行。

图13 不同送风管位置下粉尘浓度监测结果

3.4 通风排尘系统优化

由上述可知,加大风量可以降低作业区粉尘浓度,一定的通风系统布置可以优化除尘效果,但在上述风速和风管位置的计算条件下,作业区粉尘浓度均高于规范限值。因此本节模拟计算送风风管和除尘风管分别距掌子面15 m和25 m的最优通风系统布置下,送风风速为25 m/s、30 m/s、35 m/s和40 m/s时作业区粉尘浓度,比选能使作业区粉尘浓度小于2 mg/m3的最优风速条件。监测距掘进面10 m处的拱架支护区域不同风速下的粉尘浓度变化如图14所示。由图14可知,在优化通风布置的基础上,加大送风风速可以降低敞开式TBM人员集中作业区的粉尘浓度。送风风速增大到40 m/s时,作业区粉尘质量浓度基本稳定在2 mg/m3规范限值以下。因此,秦岭隧洞的排尘优化送风风速为40 m/s,可有效改善敞开式TBM施工环境。

图14 优化通风布置下的粉尘浓度监测结果

4 结 论

通过对比分析引汉济渭秦岭隧洞粉尘浓度分布,对不同送风风速和不同通风布置下敞开式TBM内粉尘扩散分布规律进行计算和分析,主要得出以下结论:

(1)粉尘质量浓度从拱架作业区至主控室逐渐增大,最大值约8 mg/m3,随着到掌子面的距离增加,粉尘浓度降低,在约90 m后粉尘浓度在规范值以下。

(2)除尘风速及位置不变条件下,送风风速越大,洞内粉尘危险浓度区域越广,敞开式TBM内人员集中作业区的粉尘质量浓度越小,送风风速越小,掌子面附近粉尘质量浓度越大。

(3)除尘风速及位置不变条件下,送风管距掌子面越远,敞开式TBM内人员集中作业区粉尘浓度越高,送风管布置在15 m时,作业区粉尘浓度最低。

(4)除尘风速及位置不变条件下,加大风量可以降低作业区粉尘浓度,通风系统布置可以优化除尘效果,送风风管和除尘风管分别距掌子面15 m和25 m,送风风速和除尘风速分别为40 m/s和15 m/s时,作业区粉尘质量浓度可控制在2 mg/m3规范限值以下。

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