[发明专利]基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法

说明书

本发明公开了基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法，包括下列内容：(1)将通风数值模拟和地下洞室群施工进度仿真结合，建立基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化数学模型；(2)提出地下洞室群施工通风两相流混合模拟理论方法；(3)建立地下洞室群施工通风数值模拟参数库；(4)建立地下洞室群施工通风三维精细物理模型并划分网格；(5)实现不同开挖进度下地下洞室群施工通风两相流混合模拟；(6)结合通风数值模拟结果进行地下洞室群施工全过程仿真优化分析。通过本发明方法不仅求解得出洞室群内整体风流结构和污染物空间分布及动态变化规律，还可得出通风难点区域的风流场瞬态脉动信息和尘粒弥散机理。

技术领域

本发明属于地下工程施工技术领域，具体的说，是涉及一种基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法。

背景技术

地下工程施工是一个极其复杂的过程，尤其是对于地下洞室群工程，其施工过程是一个复杂的带有随机因素的系统，不仅面临着开挖量大、施工条件复杂等问题，还涉及开挖方式多样等难点。因此，有必要系统地分析研究施工中各方面因素，协调各施工环节间的相互关系，使施工方案更加合理，达到施工快速、经济、安全的目的。而采用全过程仿真技术对于这一过程进行分析研究，可在工程实际施工前进行多方案预演，从而对不同方案进行比较与分析，进而制定出较为合理的施工方案。

施工通风作为工程施工钻爆循环中的重要一环以及施工进度仿真中的重要参数，它的科学取值严重影响着整个工程的施工进度和施工安全。在地下洞室群钻爆法开挖过程中会产生大量的有害气体和粉尘，风流由于空间限制形成的涡流结构，流体间因密度差形成的异重流，以及洞室间布置错综复杂的特点，通风拐角、死角的存在都会阻碍烟尘排出。有害气体和粉尘长期滞留在洞室内，将极大损害施工人员的身体健康；同时，洞室内空气的含氧量下降，使的燃油设备的施工效率下降，影响施工进度。

目前传统的地下洞室群施工全过程仿真技术虽然可实现施工方案的优选和施工过程的描述，但是初始仿真系统中通风参数的取值多是根据施工人员的经验判断，很难定量估算出排烟效率，对洞室群中的风流路径和有害气体扩散过程也难以预测。因此，有必要采用先进的计算机技术和科学的计算流体力学方法对水电地下洞室群施工通风过程进行数值模拟研究，得出科学合理的施工通风散烟时间，从而为仿真过程的优化和工程实际提供理论指导和技术支持。

现有对于地下工程施工通风时间科学取值的数值模拟研究局限于单一引水隧洞独头掘进施工通风雷诺时均单相流模拟方面[1]；而地下洞室群不仅具有各洞室立体交叉的群体结构特点，而且其通风拐角、死角多，导致施工通风强度高、难度大，并且其通风过程是一个气固两相相互掺混相互影响的复杂物理过程，因此有必要利用两相流方法对其进行深入细致的研究。目前地下工程施工通风两相流模拟研究主要集中在矿井巷道方面[2-4]，在水电地下工程施工通风研究方面初有涉及，王晓玲等[5]建立了引水隧洞三维瞬态Euler-Euler两相流数学模型，模拟了水电站地下引水洞独头掘进面爆破开挖后的施工通风过程，分析了壁面糙率等因素对粉尘迁移的影响。王晓玲[6]和Liu等[7]针对某水电站深埋引水隧洞钻爆施工后的通风散烟困难问题，建立了瞬态Euler–Lagrange两相流模型，模拟得出隧洞群内壁面热交换系数和粉尘迁移变化，并通过洞口质量率指标得出不同开挖长度下的通风散烟时间。

由上述可知，目前缺乏基于通风数值模拟的地下洞室群施工通风时间科学取值的研究，且相关地下工程通风数值模拟多集中在单相流方面。此外，目前的两相流施工通风模拟研究均是对于施工通风过程的雷诺时均模拟，求解得出的是洞室群内整体风流结构和污染物空间分布及动态变化规律，无法模拟得出地下洞室群内洞室连接处、拐角、死角等通风难点区域的风流场瞬态脉动信息和尘粒弥散机理。

参考文献：

[1]张静.引水地下管道施工方案综合优化研究[D].天津：天津大学，2007.