随着我国“西部大开发”政策的不断深入，隧道工程的修建逐渐向“海拔更高，长度更长”的趋势发展. 其中最具代表性的为川藏铁路，雅安到林芝段的平均海拔高度达到3 800 m，沿线总计69座隧道，隧线比为82.6%^[1]. 在此背景下，隧道施工过程中由于高海拔所造成的污染物排放量增加为施工期隧道通风带来了新的挑战.

目前国内外针对平原地区隧道施工过程中产生的粉尘及气体污染物的运移扩散规律的研究取得了丰富的成果，Sasmito等^[2]研究作业过程隧道产生的瓦斯以及大型机械产生的CO分布和移动规律. 对于隧道施工过程中产生的粉尘，Gosteev等^[3-4]认为粉尘在隧道中会受到Saffman力、重力及浮力的作用，提出基于多种力的综合作用下的粉尘颗粒运动模型. Toraño等^[5-8]研究隧道中的粉尘运移扩散规律，提出相应的降尘措施. 刘钊春等^[9-11]在研究隧道中CO的扩散规律时发现，在隧道通风过程中CO分布不均并且容易发生聚集现象，认为单纯增加风量不一定有利于排除CO. 目前，国内外对平原地区隧道施工过程中污染物扩散规律的研究较多，但是很少有学者将研究重点聚焦在高海拔隧道施工上.

受限于国外地区国家地理环境及人口的分布规律，我国高海拔隧道建设相对国外地区较多，对于高海拔隧道中施工通风的研究相对较多. 早期众多学者研究高海拔隧道施工通风过程中需风量、风机效率、风管漏风率及通风阻力等各种关键参数的海拔高度修正系数^[12-16]，为高海拔隧道施工作业提供了理论指导. 除此之外，对于高海拔隧道中施工中污染物的研究，严涛等^[17-19]基于不同车型在高海拔地区进行车辆尾气排放量检测的结果，对CO及烟雾海拔高度系数计算公式和现行规范中汽车污染物的基准排放量折减率取值进行推导和修正. 曹正卯等^[20-21]针对高海拔地区隧道施工期粉尘和有害气体的运移特性进行研究. 蒋仲安等^[22]依托实际工程，研究高海拔隧道爆破粉尘运移与沉降轨迹以及粉尘的时空演变规律，采用灰色关联分析法研究海拔高度、通风参数与粉尘质量浓度变化的关联度. 张国梁等^[23]研究不同海拔高度隧道出渣过程中CO质量分数和质量浓度变化的影响因素和需风量. 孙三祥等^[24]分析隧道内出渣车行驶时产生的二次扬尘对施工环境的影响，研究其扩散规律. 综上所述，目前绝大部分研究内容还停留在海拔高度对施工通风过程中各种参数的影响，缺乏对高海拔隧道施工过程中污染物扩散规律的研究.

本研究以川藏铁路芒康山隧道为依托，采用数值模拟和现场测试相结合的方法，选择施工过程中产生的粉尘和CO作为特征污染物，研究污染物在高海拔隧道中的扩散规律. 探究高海拔隧道中海拔高度对主要污染物扩散的影响，为改善高海拔隧道作业环境质量及通风效果提供理论指导.

芒康山隧道位于川藏铁路雅安至林芝段，隧道设计为单洞双线铁路隧道，全长为30.7 km，工程地质条件极为复杂，最大埋深约为1 180 m. 川藏铁路芒康山隧道全线海拔高度均大于3 000 m，其中隧道进口地面高程为3 780 m，出口地面高程为3 204.08 m，为高海拔特长隧道，断面面积为120.607 m². 本标段施工区域海拔约为3 800 m，全年近一半时间冰雪覆盖，高原地区低气压、低含氧、高寒和大风，施工环境极其恶劣，高寒高海拔低氧环境对人员及机械效率的影响极大，隧道施工期的通风问题比较突出，污染物的扩散较平原地区具有一定的特殊性^[21].

根据芒康山隧道的施工方案设计，数值计算的几何模型设置如下：隧道断面为半径为6 m、角度为209.8°的扇形，隧道进口通风方式为压入式通风，风筒布置在隧道拱腰处，风筒直径为1.8 m，距地面高度为3.5 m，风筒出风口距掌子面的距离为20 m，模拟隧道长度为300 m. 采用Fluent软件来模拟高海拔隧道施工过程中的污染物扩散，忽略隧道在施工期间的台车及其他特殊部分，使用三维绘图软件Solidworks绘制隧道几何模型，如图1所示.

在流体力学的数值模拟分析中，模型网格的质量将直接影响数值模拟结果的精度和计算效率，因此对数值模型进行网格独立性检验至关重要. 风流量是影响污染物扩散规律模拟结果的主要因素，因此将风速设定为网格独立性检验的主要参数^[23]. 对于隧道通风的数值计算模型来说，网格的质量会对模拟结果产生较大的影响，而采用结构化网格能够得到更加精确的模拟结果，因此使用ICEM软件对几何模型进行网格划分，生成网格1（763 364）、网格2（982 529）、网格3（1 106 353）3种不同数量的网格. 针对3种不同的网格，分别进行独立性检验，结果如图2所示. 图中，v为风速，d为与掌子面的距离. 从图2可知，网格2与网格3结果相近，只有网格1结果在离掌子面距离小于100 m的范围内与网格2、3略有差异，但总体来说，差异性较小. 考虑到计算机性能和网格质量，采用网格2进行网格划分和计算.

当对模型网格进行划分时，为了更加符合实际，对模型交界处设置边界层，最终网格数量为982 529个，网格质量良好，满足本研究的计算要求. 隧道模型及网格如图3所示，隧道进口处的网格划分情况如图4所示.

隧道爆破过程产生的炮烟会充满掌子面附近的一段空间，这个空间长度被定义为炮烟抛掷长度^[25]，分析隧道现场爆破过程的测试数据，提出炮烟抛掷长度计算的经验公式. 爆破后CO的质量浓度和炮烟抛掷长度的计算公式如下：

式中： $\;\rho$为CO质量浓度， $b$为1 kg炸药产生的CO体积， $L$为炮烟抛掷长度， $S$为掌子面断面面积， ${m_{\rm{G}}}$为一次爆破所用的炸药质量.

在本文计算模型中，隧道掌子面开挖的面积为120.607 m²，炮烟抛掷距离为65 m，爆破过程中产生的一氧化碳质量浓度为0.002 64 kg/m³. 具体模型的示意图如图5所示.

在数值模拟求解器的设置过程中，一氧化碳扩散边界条件如表1、2所示.

在数值模拟求解器的设置过程中，粉尘扩散的边界条件如表3~5所示.

通过数值模拟计算高海拔隧道施工通风过程中隧道作业环境的通风流场情况，如图6所示为高海拔隧道通风过程中掌子面附近空气流场的三维流线分布情况. 可以看出，采用压入式通风过程中隧道内的流场非常简单，洞外的新鲜空气在轴流风机的作用下被输送到掌子面，从风筒出口流出的新鲜空气在流经掌子面后和掌子面附近产生的污染物空气和粉尘汇合，流出洞外. 从掌子面附近的流场图可以看出，新鲜风流在掌子面的阻挡作用下形成回流的过程中，会在掌子面附近形成较大的漩涡，通常将其称之为涡流区，在该区域涡流中心，风速小且非常容易导致污染物气体和粉尘在此处聚集，威胁作业人员身体健康. 从三维流线图可以看出，掌子面附近的涡流区主要集中在隧道的上部，且主要分布在风筒悬挂的高度附近，该侧风速较高，而靠近风筒一侧的风速较小. 随着紊乱复杂的风流逐渐远离掌子面，风流开始逐渐变得平滑，流速逐渐降低，当与掌子面距离大于30 m时，隧道内逐渐形成稳定的风流，最终流出洞外.

在距离掌子面每5 m处取一个截面，观察截面上的风速分布情况，结果如图7所示. 可以看出，距离掌子面越近的截面风速越大，但是截面上的风速变化情况越明显. 从图7(a)、(b)可以看出，风速分布呈现两边高、中间低的趋势. 从图6可知，隧道中间区域出现了涡流，引起了截面中间的低风区，该区域的风速低于规范要求的隧道最低风速水平. 随着与掌子面的距离增大，靠近风筒一侧的风速低于远离风筒一侧的风速. 在与掌子面的距离大于30 m的范围内，风流流场结构更平稳，截面风速几乎相同.

粉尘在扩散过程中会受到重力、浮力及粉尘之间的黏聚力等力的影响. 由于这些力的作用，粉尘的运动形式与气体不同，尤其是在风流作用下. 例如当风速过大时，粉尘会受到风流的浮力作用而漂浮在空间中.

如图8所示为隧道爆破作业后粉尘的三维扩散情况. 图中， $\;\rho _{\rm{d}} $为粉尘质量浓度. 从图8可知，爆破后产生的粉尘会迅速填满位于掌子面前的区域，与掌子面的距离越小，粉尘质量浓度越高，最高质量浓度达到200 mg/m³，严重超过了国家标准中对隧道粉尘浓度的规定要求. 受到风流的作用，掌子面附近的粉尘开始向隧道外部扩散. 受到掌子面附近涡流区的影响，粉尘在一定时间内仍在掌子面附近聚集，因此粉尘质量浓度较高. 掌子面附近的粉尘质量浓度逐渐呈现出上部低、下部高的趋势，这是因为粉尘在扩散过程中会受到重力的作用而发生沉降，隧道底部的粉尘质量浓度相对较大.

如图9所示为距掌子面不同距离处隧道截面上的粉尘质量浓度分布情况. 可以看出，在距掌子面10 m的截面上出现了中间质量浓度较低、两侧质量浓度较高的现象. 结合对掌子面附近空气流场情况的分析可知，粉尘在涡流作用下会在掌子面前形成漩涡区，该漩涡区对粉尘的扩散效率会产生较大的影响. 随着与掌子面的距离逐渐增大，粉尘的质量浓度在隧道内不同截面上呈现逐渐降低的趋势. 这说明粉尘在扩散中会受到自身重力的作用，不断发生沉降落到地面，空气中的粉尘质量浓度会降低. 由于粉尘颗粒之间的吸附作用，小粒径粉尘在扩散过程中逐渐聚集成“粉尘团”，在重力的作用下发生沉降落到地面，隧道中的粉尘质量浓度进一步降低. 这种现象表明粉尘在隧道中扩散的过程不是一种均匀扩散的过程. 由图9可知，在隧道壁面附近存在明显的粉尘聚集现象，这表明粉尘主要是以贴壁流动的形式向隧道外移动. 要完全排出隧道中的粉尘，仅凭通风作用的效果是不够的.

如图10所示为距离掌子面10 m、50 m、100 m和150 m处截面上的作业人员呼吸高度处的粉尘质量浓度变化散点图. 可知，随着与掌子面距离的增大，隧道中粉尘的峰值质量浓度逐渐降低，说明粉尘在扩散过程中受到重力作用产生沉降，整体质量浓度逐渐降低. 观察某一截面处的粉尘质量浓度随时间的变化可以看出，质量浓度的波动范围很大，常常在间隔几秒的时间内监测到质量浓度发生剧烈改变，说明粉尘在向洞外扩散的过程中是以“团状”形式向洞口移动的. 当通风时间约为50 s时，粉尘开始逐渐扩散到离掌子面小于150 m的区域；随着通风时间的增加，在360 s时距掌子面小于150 m范围内的粉尘质量浓度已小于允许质量浓度2 mg/m³. 从粉尘在隧道中的扩散状况来看，在离掌子面小于50 m的区域内，随着通风时间的增加，粉尘质量浓度一直很小. 这是由于在掌子面附近存在风速较大的旋涡区，导致粉尘飘浮在空气中，难以沉降，掌子面附近区域的粉尘质量浓度下降速率较慢. 随着逐渐远离掌子面，风速逐渐平稳下降，粉尘开始迅速沉降. 这一现象表明，在施工通风过程中过大的风速不利于降低隧道内的粉尘质量浓度.

对于高海拔隧道来说，CO主要是由爆破作业及掌子面附近的重型机械柴油机在低氧浓度的环境中不充分燃烧产生的. 在研究掌子面爆破工序后，分析乳化炸药爆炸后产生的CO在隧道通风过程中的运移演化规律. 如图11所示为在模拟的芒康山隧道进口工区压入式通风段，CO质量浓度随时间扩散过程的云图.

从图11可以看出，在爆破之后掌子面附近充满了CO气体，该区域的长度与炮烟抛掷距离相同. 随着时间的推移，CO气体会随着隧道中的风流逐渐向洞外扩散. 从图11中30 s时的CO质量浓度分布云图可以看出，由于新鲜风流的输送，掌子面附近的CO质量浓度迅速降低，之后在新鲜风流的稀释和压力作用下，CO不断向洞口迁移，且在迁移过程中有一部分区域的CO质量浓度很大. 随着通风时间的增加，掌子面附近的CO质量浓度进一步降低，而由CO高度聚集而成的“CO气团”的体积逐渐增大，但整体质量浓度逐渐降低，在迁移过程中逐渐形成“U形”的分布趋势. 这是由于在迁移过程中，靠近隧道壁面区域的CO气体受到隧道壁面沿程阻力作用，造成隧道壁面区域的CO气体移动速度小于中间区域的CO气体移动速度.

从图11可知，在隧道中CO气体不是均匀地向洞外迁移，而是会出现分布不均的现象. 有必要了解CO气体在隧道截面上的分布. 如图12所示为距掌子面5、20、40、60、80、100、150、200和300 m处的9个截面上不同时间的CO质量浓度分布情况. 可以看出，爆破产生的CO在隧道风流作用下向洞外扩散过程中质量浓度逐渐降低，在10 min左右时CO气体扩散至洞口，此时的CO峰值质量浓度大幅降低. 在扩散过程中，各截面上的CO分布规律呈现出明显的变化趋势，尤其是掌子面附近的截面和隧道中部截面相比，CO质量浓度分布情况出现了比较明显的差异.

如图13所示为掌子面附近区域及隧道中部的几个典型断面上的CO分布情况. 比较图13(a)、(b)可以发现，在掌子面附近仅相距3 m的断面上出现了2种完全相反的CO分布情况. 结合对掌子面附近的流场分析可知，在隧道通风过程中掌子面附近存在较大的涡流区，涡流会导致CO在此处聚集，且会随着涡流产生螺旋形的运动轨迹，造成掌子面附近仅隔了3 m距离的2个截面上出现了完全相反的CO分布形式. 隧道风流在与掌子面距离大于30 m的范围内开始逐渐趋于平稳，随着CO气体逐渐向洞口扩散，隧道中部不同截面上的CO分布出现了几乎相同的分布形式. 此时，在隧道中形成了中间高、四周低的CO质量浓度分布规律，越靠近隧道壁面，CO的质量浓度越低. 这说明在CO气体的扩散过程中，隧道壁面沿程阻力会对CO运移产生较大的影响.

如图14所示为与掌子面距离为50、100和150 m的3个截面上作业人员呼吸高度处的CO质量浓度变化情况. 可知，随着时间的推移，CO气体不断向洞口移动，观测点的CO质量浓度峰值逐步降低. 随着通风时间的增加，“CO气团”的总体积逐渐增大，跨度逐渐增加，而CO质量浓度的下降速率逐渐减缓，最终趋于稳定. 观察掌子面附近截面的情况可以发现，随着通风时间的增加，掌子面附近的CO气体逐渐被稀释. 以距掌子面50 m为标准，该区域是作业人员的集中区域，当通风时间约为420 s时，该区域的CO质量浓度已经降至0.001 95 kg/m³，低于允许范围（<0.000 3 kg/m³）.

为了验证高海拔隧道CO扩散规律数值模拟的准确性，对芒康山隧道的CO质量浓度进行现场测试，CO测试仪如图15所示，设备性能参数如表6所示. 在距掌子面50 m、100 m和150 m位置的断面布置3个测点，测点位于作业人员呼吸带高度（1.6 m），采样总时间为1 200 s，采样时间间隔为60 s.

如图16所示为利用数值模拟计算得到的隧道内CO质量浓度变化与隧道现场测试得到的数据结果对比图. 可知，对于高海拔隧道内CO扩散规律的研究，采用数值模拟计算得到的结果与隧道现场实际测量得到的结果基本吻合，误差均小于20%，最大误差出现在240 s的100 m处，误差为19.38%，说明数值模拟结果具有较好的准确性和适用性.

为了研究高海拔隧道施工过程中海拔高度对CO气体扩散的影响，分别计算海拔高度为0、1 000、2 000、3 000、4 000和5 000 m 6种工况下的隧道CO质量浓度变化. 除海拔高度外，其余参数设置均与2.2节相同. 具体的计算工况参数如表7所示. 表中，H为海拔高度，p_a为大气压力，ρ_a为空气密度.

随着海拔高度的增加，大气环境中的各种环境因素比如空气密度、大气压力、温度和湿度等均会发生变化，这种变化作用会导致污染物气体的体积随着海拔高度的增加而增大，造成隧道污染物扩散过程中洞室内的污染物气体质量浓度分布出现差异. 其中大气压的变化是造成高海拔地区隧道通风差异的最主要原因，大气压的变化导致隧道洞室中的静压分布发生改变，而静压是隧道排除污染物的主要动力^[21]. 当研究海拔高度的变化对隧道CO扩散的影响时，忽略温度和湿度的变化，只考虑大气压和空气密度2个因素.

在通风过程中隧道掌子面附近会产生涡流区，因此在CO扩散初期，受涡流和风流回流的影响，掌子面附近的CO分布规律十分复杂. 研究通风时间为300 s时CO在隧道中的分布规律，此时CO分布相对平稳. 选取距掌子面50、100、150 m处的截面，计算在不同海拔高度下CO质量浓度的变化情况，结果如图17所示. 可知，随着海拔高度逐渐升高，隧道同一测点上的CO质量浓度会升高.

为了探究在扩散过程中CO质量浓度随着海拔高度的变化关系，可以选择在隧道中增加观测点. 当通风时间为300 s时，“CO气团”的扩散区域大致位于距掌子面50~150 m处，因此选择在该区域内每隔5 m取一个监测点，计算在该区域内CO质量浓度随海拔高度的变化，结果如表8所示.

从表8可以发现，随着海拔高度的增加，CO质量浓度增加，因此引入基于海拔高度的CO质量浓度修正系数 $K$. 在相同的通风时间及距离下，高海拔隧道中的CO质量浓度可以近似为

式中： $\;{\rho _{\rm{H}}}$为高海拔隧道中的CO质量浓度， $\;{\rho_0}$为平原隧道中的CO质量浓度， $K$为基于海拔高度的CO质量浓度修正系数.

由式（3）可得

将表8的数据代入式（4）并取平均值，结果如表9所示.

对表9的数据进行拟合，拟合后的曲线如图18所示. 可以看出，利用表9的实验数据拟合的方程的拟合度R²大于99%，说明了预测模型的准确性.

对图18中各项拟合曲线的数据进行整理，可得不同海拔高度隧道通风排污过程中基于海拔高度的CO质量浓度修正系数 $K$的方程式如下：

根据我国现行标准《公路隧道通风设计细则》 (JTG/T D70/2-02-2014)^[26]的规定可知，海拔为0时的CO质量浓度修正系数为1. 对式（5）进行修正，得到方程式如下：

当前规范中对CO在高海拔地区的海拔高度修正系数进行相应的规定. 对于海拔高度超过2 400 m的隧道，规范中没有给出明确的定义，因此提出的不同海拔高度隧道通风排污过程中基于海拔高度的CO质量浓度修正系数 $K$可以起到很好的补充作用.

选取距离掌子面50 m和150 m处的截面，分别计算在不同海拔高度处监测点的CO质量浓度达到规范允许的质量浓度所需的时间t_r，计算结果如图19所示. 可以看出，随着海拔高度的增加，隧道作业环境中的CO质量浓度达到规范规定的质量浓度的时间会增加. 当海拔高度为0时，距隧道掌子面0~50 m和0~150 m区域的CO质量浓度达到允许值的时间分别为342 s和812 s，当海拔高度增大至5 000 m时的时间为374 s和852 s，分别增加了32 s和40 s. 本文在计算中设定的风筒出风速度为20.8 m/s，通过模拟得到的隧道中的风流流速均达到0.5 m/s. 在实际工程中，由于风筒漏风率和风机效率问题的存在，隧道内的风速不能达到该标准，同时隧道中存在的大型机械及台车都会增加额外的风阻，影响污染物气体的扩散. 为了保证作业人员的生命安全，在高海拔隧道爆破施工后，需要延长作业人员进入洞室的时间.

（1）在高海拔隧道通风过程中，掌子面附近0~30 m内存在面积较大的涡流区，该区域涡流中心的风速小，容易导致污染物在此处聚集，与掌子面距离大于30 m后风流逐渐平稳.

（2）粉尘主要是以贴壁流动的形式向洞外扩散，在该过程中粉尘会聚集成为“粉尘团”，在重力作用下发生沉降，降低了隧道内的粉尘质量浓度. 在与掌子面距离小于50 m的范围内，掌子面附近涡流区的存在会导致粉尘飘浮在空中难以沉降，掌子面附近区域的粉尘质量浓度下降速率较小，隧道内风速过大不利于降低粉尘质量浓度.

（3）隧道爆破产生的CO会形成气团向洞口迁移，在扩散过程中CO气团体积逐渐扩大、峰值质量浓度逐渐下降，并逐渐形成“U形”分布趋势. 芒康山隧道CO质量浓度的现场测试结果与数值模拟结果基本吻合，误差均小于20%，说明了数值模拟结果的准确性.

（4）隧道内CO质量浓度随着隧道海拔高度的增加而增大. 建立隧道通风过程中基于海拔高度的CO质量浓度修正系数 $K$的方程式： $K = 1+ 0.094\;01H+ 0.005\;96{H^2}$，对当前规范中的CO的海拔高度修正系数进行很好的补充.

（5）隧道内CO质量浓度达到规范要求的时间随着海拔高度的上升而增大，因此高海拔隧道需要在爆破作业后延迟作业人员进入洞室.