高速铁路长隧道环境特点与通风研究

2022-09-11

1 施工期与运营期长隧道的环境特点

对于施工期而言, 主要是由于隧道施工的过程中会产生很多有毒气体。隧道施工会产生大量的粉尘及有害气体。其中施工粉尘主要来自两个方面:一是运输材料过程中由于道路凹凸不平或装运过满等原因造成抛洒及车辆身后真空吸力造成的道路扬尘;二是施工工地装卸、堆放材料及施工过程中由于地面干燥松散由吹风引起的风扬灰尘, 大大增加了大气的浮尘含量。同时施工期间各种车辆和施工机械在行驶和作业过程中要排放大量尾气、严重影响大气环境。对于运营期, 长隧道环境的主要特点是湿热环境的恶化。

2 长隧道环境特点的影响因素与不利影响

2.1 运营期长隧道湿热环境的成因及其产生的不利影响

影响隧道空气温度的主要因素为隧道长度、列车速度、列车行车密度、环境温度等。走行越快, 列车的散热量也就越大, 隧道越长、行车密度越大的隧道其散热叠加现象就越严重, 由此导致的隧道中热湿环境就越糟。当隧道内空气温度超过35°C时会对列车运行的安全性和可靠性带来危害。就铁路发展的趋势来看, 列车运行速度将不断提高, 隧道的长度将不断增加, 列车运输量和运营密度都将不断加大, 这些因素将大大地增加列车向隧道的散热量, 从而更加恶化隧道内热环境。

2.2 施工期长隧道空气环境被污染的成因和不利影响

施工产生的这些有害气体主要来源有以下几个方面:一是爆破产生的炮烟 (主要成分为CO、SO2、CO2等) ;二是柴油机产生的废气 (有CO、NOX、CO2、SO2、醛类等) ;围岩中产生的有害气体 (CH4、C2H6、H2S) 等。《铁路隧道设计规范规定》:开挖面装药爆破前甲烷含量应小于1%, 超过2%时人员必须撒离到安全地点。三是:喷锚支护造成的水泥污染和铺设聚氯乙烯防水板时焊烟中的氯化物和苯系物以及NOX。隧道施工中由于打眼、放炮、装卸渣、车辆运输、混凝土拌和、喷射混凝土等作业, 均产生大量的无机粉尘, 这些粉尘和前面提到的有害气体不仅危害作业人员的健康和安全。施工期空气环境隧道作业是在狭小密闭的空间进行, 新鲜空气稀少, 施工爆破、钻孔以及喷射混凝土过程中又产生大量粉尘, 遇含煤地层, 施工中还可能有瓦斯、二氧化硫等有害气体溢出, 环境空气质量差, 如不采取有效措施防尘、防有害气体, 将严重影响施工人员的健康甚至危及生命。

3 铁路长隧道的通风研究

3.1 从施工期角度论述铁路长隧道的通风

分以下几个方面论述: (1) 有害气体的允许浓度和通风区段。我国 ( (铁路隧道设计规范》第13.0.16条规定工作面的CO允许浓度为30mg/m3, 但当施工人员进入工作面检查时, 浓度可为100mg/m3, 并未对柴油机进洞后的允许浓度作出单独的规定。采用无轨运输后, 出渣结束后废气浓度逐渐减小所以不能再采用100mg/m3。应对隧道内的不同地段实施不同的卫生标准。对隧道内主要施工地段采用CO允许浓度, 对于其它地段采用CO进入浓度。 (2) 风量的确定。主要可以按“排除炮烟、隧道内同时作业最多人数、最低允许风速、稀释和排除内燃机废气”四个方面确定风量。 (3) 通风方式的分类与选择。通风方式按照通风的动力划分, 可分为自然通风和机械通风。其中自然通风受自然条件和施工方法影响很大, 很少采用。机械通风在长隧道施工通风中应用较多。它包括多种方式, 根据隧道的长短、是否存在辅助坑道和自然地质条件来选择不同的通风方式, 如:排风式 (或抽出式) 、送风式 (或压入式) 、送排混合通风方式、利用辅助坑道通风等。

3.2 从运营期角度论述长隧道通风

通风方案的理论确定应当包括以下几个方面: (1) 全面收集隧道施工段的基础资料, 如隧道所处环境资料、工程资料、隧道形式 (单洞双线或单洞单线) 、列车运行密度以及洞内列车运行速度等, 确定隧道运营的通风方式。这里面还应当注意收集已经成功运营的通风方式的资料。 (2) 确定隧道的单列车 (多列车) 行驶时活塞风速度计算方程以及双线隧道气流加速度方程。列车通过隧道时隧道内气流的流动是一个非恒定的流动过程。隧道的活塞风速较低, 其马赫数远小于0.3。气体的压缩性对流动的影响可以忽略不计。因此, 在隧道通风计算时, 可按一维、不可压缩、非恒定流模型来考虑。 (3) 相关参数的确定与验证性计算。参数确定过程中, 除了要满足交通运营通风外, 还必须满足火灾发生时的通风需求, 即把正常运营和火灾时的通风看作是整个通风系统的两种工况。要细化通风方案, 确定合理的通风方式, 确定风机选型参数、辅助坑道经济断面、变工况下辅助坑道气流调控方法和调节参数。 (4) 隧道内湿热环境的物理模型和数学模型的建立。物理模型包括:隧道内空气、湿度的物理模型、隧道内壁及周围岩土层温度场的物理模型、隧道内形式列车车体温度场的物理模型、温度的物理模型等的建立。以第一者为例, 根据隧道内空气的热交换和湿量的传热传质过程的影响因素, 简化得隧道内空气的热湿环境的物理模型为:圆柱体一维不稳定传热传湿过程。数学模型包括隧道温度和湿度模拟计算的数学模型的建立。 (5) 隧道湿热环境的模拟。主要包括隧道风速的模拟计算、隧道内空气温度的模拟预测与湿度的模拟预测等。

长隧道运营通风方案主要包括:全纵向射流诱导式、斜 (竖) 井压入式通风、利用斜 (竖) 井压入式 (轴流+射流) 、利用斜 (竖) 井压出式 (轴流) 共四种方案。其中, 第一种的优点是:无需要辅助坑道、风流组织简单、风机位于洞口地段, 便于管理和维修控制。缺点是:新鲜空气流经长度大, 风速、需风量均较大;风机功率最大;悬挂风机地段隧道需要扩大。第二种的优点是:新鲜空气流经长度小, 风速、需风量均小;无需扩大正洞, 缺点是:洞口漏风量大、风机功率大、风流组织复杂、风机位于洞内, 维修不便。第三种的优点是:新鲜空气流经长度较小洞内风速最小, 需风量最小;风机总功率最小。缺点是:需利用斜 (竖) 井;悬挂风机地段隧道需要扩大;风流组织复杂;风机位于洞内, 维修不便;两种类型的风机, 不便于控制和管理。第四种的优点是:洞内风速较小, 需风量较小, 风机总功率较小, 无需扩大正洞, 缺点是:需利用竖井;风流组织复杂;风机位于洞内, 维修不便。具体工程中应当根据工程实际情况, 权衡利弊, 选择合理的通风方案。