V形跨海隧道钻爆施工通风中的风流速度衰减特性及分区控尘方法

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Airflow velocity attenuation characteristics and a zoned dust control method in ventilation for drill-and-blast construction of V-shaped cross-sea tunnels

　　

摘要：针对V型海底隧道钻爆施工中，因空气泄漏、沿程摩擦阻力及纵向坡度导致远距离强制通风除尘效率低的问题，本研究以琼州海峡海底隧道工程为背景，建立了考虑坡度效应的风速衰减和风机压头需求模型，系统揭示了漏风率、通风距离和纵向坡度对风筒送风能力的影响机制。提出了一种基于空气幕隔离的分区间洁净通风方法，有效将掌子面附近的污染区与下游区段的清洁区隔离，从而抑制爆破粉尘沿隧道轴向的远距离扩散。结果表明：下坡坡度增大使15分钟内平均粉尘衰减率从86.31 mg/min降至57.81 mg/min；坡度每增加1°，通风时间平均增加约6.92%。分区间洁净通风方法可将高浓度粉尘控制在掌子面100 m范围内，在通风距离为4600 m时，分区间洁净通风模式下的平均粉尘浓度仅为传统强制通风模式下的56.96%。此外，该通风模式通过延长通风时间，在超远距离条件下仍能保持有效的除尘效果。研究成果为V型海底隧道的通风设计和粉尘控制提供了理论依据。

引言：海底隧道是连接被海洋屏障分隔的陆上交通网络的关键基础设施，在现代综合交通运输体系中发挥着重要作用。此类隧道通常具有距离长、埋深大、空间封闭和纵向坡度变化显著等特点。随着通风距离的增加，风筒沿程摩擦阻力、局部损失和隧道坡度效应逐步累积，对风机压头提出更高要求。当风机压头不足以克服系统阻力时，风筒出口的送风能力显著降低，导致掌子面风速降低。因此，爆破产生的粉尘和有害气体无法被有效及时排出，增加了施工管理和通风控制的复杂性。青岛胶州湾海底隧道[1]和厦门翔安海底隧道[2]等项目的成功实施，充分证明了钻爆法在跨海隧道施工中的可行性。然而，在钻爆施工中，如果爆破产生的大量粉尘不能及时有效排出，不仅严重威胁工人的健康，还会沿隧道轴向远距离扩散，导致工期延误[3]。因此，改善远距离变坡条件下的爆破污染物去除效率，抑制污染气流向下游作业区扩散，并阐明其传输机制，对通风系统设计和施工环境优化具有重要的工程意义。

钻爆隧道施工产生的粉尘构成典型的气固两相流，其传输受气流平流、湍流扩散、粒子惯性和重力沉降的综合影响。当Brown C. E.[4]首次使用显微技术量化粉尘颗粒微观尺寸时，为后续污染物扩散机制研究奠定了基础。普遍认为，气流中的粉尘传输可纳入多相流理论框架，本质上视为气固两相流[5]进行。Stokes推导出在不可压缩粘性流体中以恒定速度运动的小球所受阻力。在此基础上，Einstein将扩散系数与流体阻力联系起来，并结合热力学涨落推导出Einstein关系。该关系后来与Stokes定律结合形成Stokes-Einstein方程，从统计力学角度定量描述细颗粒的随机运动[6]。Soo[7]开发了颗粒系统的拟流体模型，其中两相均被视为连续介质，其耦合行为使用Euler-Euler两流体模型描述。进入21世纪，两相流理论得到进一步发展。Chen等[8]基于计算流体力学和气固两相流理论研究了隧道掘进机动态施工中的粉尘扩散，建立了颗粒输运数学模型。Bakke B.[9]通过建立三维数值模型，刻画了非定常粉尘行为的演化。随着数值模拟技术的进步，研究污染物扩散出现了新方法。Liu等[10]研究了螺旋隧道中的爆破粉尘，基于相似试验和数值模拟开发了粉尘分布模型，揭示了粉尘释放率、速度和隧道曲率对扩散行为的影响，为通风除尘提供了理论依据。Pang等[11]采用离散相模型（DPM）模拟地下金属矿爆破隧道中的粉尘扩散，全面模拟了气流与粉尘颗粒之间的相互作用力，并使用离散随机游走模型描述湍流扩散，从而揭示了气流湍流和颗粒迁移的控制机制。爆破粉尘能否及时去除不仅取决于颗粒传输特性，还取决于施工通风系统能否持续向掌子面输送足够的清洁空气。隧道通风技术的首次应用可追溯至1927年美国纽约荷兰隧道，这是首个采用机械通风的隧道，为该方法的可行性奠定了重要基础[12]。随着隧道施工长度的不断增加，传统通风模式逐渐难以满足施工需求，促使研究者探索优化通风方案。Wu等[13]证明通风系统参数显著影响隧道中污染物的扩散和颗粒滞留，合理优化风筒尺寸和送风参数可以改善空气质量和污染物去除效率。其中，Ruan等[14]提出的远距离分段供排风及冷却系统，通过三维CFD模拟证明其在除尘、散热和能效方面优于传统单机械强制冷却通风。此外，随着空气幕技术的快速发展，其在粉尘控制中的应用日益广泛，受到广泛关注。Long等[15]发现增加送风率可加速隧道中有害污染物的排出并缩短安全进入时间。然而，随着通风条件的变化，改善效果逐渐减小，且伴随通风能耗增加，表明单纯增加送风率无法同时保证污染物控制效率和运行经济性。Guo等[16]提出了一种改进的贴壁通风系统，并通过全尺寸数值模拟和现场试验验证了其除尘性能。与传统强制通风相比，该系统使钻渣工人的呼吸区粉尘浓度降低了6.4%~8.7%，在优化风筒长宽比及其与隧道壁距离后，最大降幅达27.3%。除增强送风能力外，将掌子面附近高浓度污染空气限制在局部区域也是保证下游作业区空气质量的重要手段。J. C. Elicer-Cortés等[17]研究了火灾热控条件下隧道中双层双射流空气幕的热隔离，为气流组织和污染物扩散控制机制提供了重要见解。Lu等[18]利用1:10比例模型试验考察了在出口分岔隧道中应用排烟空气幕的可行性，表明射流速度和火灾释放热（HRR）显著影响密封性能。Gon?alves J. C.等[19]系统分析了空气幕参数与性能之间的关系，揭示了最优射流角与操作距离及两侧温差之间的比例关系，并推导了最优射流角的计算方法。关于坡度变化对污染物扩散的影响，Xie等[20]发现喷嘴配置和喷雾压力等参数显著影响液滴粒径、速度和流量的空间分布，合理匹配喷雾参数可有效改善粉尘控制性能。Sun等[21]系统综述了隧道钻爆施工中使用的湿式除尘技术，指出优化设备参数、组合多种除尘措施和引入特种材料可有效克服单一除尘技术在适用性和控制性能方面的局限性。对于V型跨海隧道，纵向坡度的显著变化进一步增加了施工通风和粉尘控制的复杂性。Zubin Ai等[22]结合数值模拟和公路螺旋隧道现场试验，系统研究了坡度对施工期间污染物传输特性的影响，阐明了其对不同类型污染物的作用机制。Elio Ortega等[23]研究了火灾场景，揭示了隧道坡度改变浮力驱动的压力和气流结构，从而影响污染物分层行为，可为施工通风优化提供参考。综上所述，现有针对爆破施工期间粉尘抑制的研究主要集中于常规隧道条件，对V型跨海隧道在远距离变坡条件下的通风能力衰减及其导致的除尘效率下降关注不足。因此，相应的控制方法仍需进一步完善。

为改善远距离V型跨海隧道复杂工况下的通风和除尘效率，本研究以琼州海峡跨海隧道工程为背景，建立了远距离强制通风中气流速度衰减和风机压头需求的理论计算框架。系统研究了漏风率和纵向坡度对通风风筒内气流分布及通风系统压力特性的影响机制。在此基础上，提出了分区间洁净通风模式，构建了掌子面爆破粉尘扩散的数值模拟模型，分析了不同坡度条件下粉尘传输与扩散的演化特征，并在不同通风距离下对传统强制通风模式与分区间洁净通风模式的除尘性能进行了系统对比。

工程背景：琼州海峡跨海隧道是连接中国大陆与海南岛的关键基础设施工程，旨在建立固定的跨海运输通道，从根本上缓解渡轮运输对气象条件的依赖。主线海底段长度约21 km，最大水深约120 m，最大纵向坡度约0.7°。隧道采用分离式布置方案。

强制通风风筒中气流的计算模型：为建立远距离强制通风风筒中气流速度衰减及相应风机压头需求的理论基础，本节开发了加压通风风筒中气流的计算模型。远距离强制通风时，风筒内气流的压力损失主要由两部分组成：（i）气流与风筒内壁之间沿流向的摩擦阻力损失；（ii）局部阻力损失。

分区间洁净通风模式：针对传统强制通风中污染空气扩散失控的问题，本研究提出了适用于跨海隧道爆破施工的分区间洁净通风模式，该模式适用于可布置空气幕装置和局部排风系统的工况。该模式利用空气幕隔离技术，有效将掌子面爆破产生的污染区与其后方的清洁区隔离开来，从而抑制污染空气无序扩散。

结论：基于琼州海峡跨海隧道工程，建立了考虑坡度效应的气流速度衰减和风机压头模型，揭示了漏风率、通风距离和纵向坡度对送风能力的影响机制。提出了一种基于空气幕隔离的分区间洁净通风方法，通过气固两相流数值模拟对两种通风模式的除尘效果进行了对比。

CRediT作者贡献声明：Yan-Gao：监督、项目管理、资金获取、概念设计。Tianxing Zhang：初稿撰写、验证、软件。Jingran Miao：资源、项目管理、数据整理。

Weili Chen：可视化、调查、形式分析、概念构思。Jiying Geng：可视化、软件、资源。Jianyou Liu：监督、项目管理、资金获取。利益冲突声明作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢本研究由江苏省研究生科研与实践创新计划（项目编号：SJCX25_2198）资助。Yan-Gao | Tianxing Zhang | Jingran Miao | Weili Chen | Jiying Geng | Jianyou Liu