隧道爆破冲击波的"波型效应"如何驱动近地粉尘扬起

学术动态 Nov 1, 2023

隧道钻爆法施工是中国地下工程最常用的开挖方式，超过90%的隧道和洞室由此建成。然而，每次爆破瞬间，积聚在隧道地面的粉尘会被冲击波猛烈扬起，在密闭空间内形成高浓度粉尘污染，严重威胁施工人员健康。传统研究多关注爆破后通风气流对粉尘的扩散与沉降，却忽略了一个关键问题：爆破产生的冲击波本身如何将地面粉尘"卷"入空中？

此前，学者们对冲击波扬尘的研究几乎都聚焦于平面冲击波（简称"平面波"），即波前平直、一维传播的冲击波。然而，隧道爆破后冲击波的传播并非只有平面波一种形态——在爆破面近区，冲击波以球面波（简称"球面波"）形式传播，波前触及隧道壁面后发生正反射、斜反射和马赫反射，经过一定距离才演化为稳定的平面波。球面波虽然持续时间短，但其作用范围恰是人员和设备最密集的爆破近区。因此，球面波与平面波对粉尘扬升的影响差异，是一个不容忽视的科学空白。

隧道爆破后冲击波波型演化纹影图 — 图1 隧道爆破后冲击波波型演化过程。(a) 纹影图展示波前从球面波到平面波的演化；(b) 波前入射角随隧道距离的变化；(c) 波型演化的三阶段：自由传播球面波(0-2.5 ms)、球面波反射(2.5-90 ms)、稳定平面波传播(>90 ms)

本研究基于可压缩流数值模拟，建立了气-固两相流模型，系统对比了球面波和平面波两种典型波型下近地粉尘的扬升特征。模拟以花岗岩围岩长直半圆拱形隧道钻爆施工为工程背景，初始冲击波压力设为3 MPa、温度2000 K，粉尘粒径50 μm。研究采用SST k-ω湍流模型精确捕捉近地边界层流场，并通过自编UDF程序追踪2000个粉尘颗粒的实时运动参数。

球面波与平面波驱动粉尘扬升过程对比 — 图2 球面波(a)与平面波(b)驱动粉尘扬升过程对比。两种波型下粉尘均呈现"翻滚+扬升"特征，但球面波下粉尘先被压下再扬起，平面波下粉尘即刻斜向上扬升

核心发现令人瞩目：两种波型下粉尘扬升的共同特征是"翻滚+扬升"——上层颗粒向前翻滚并逐渐上移，下层颗粒持续滞后。但关键差异在于扬升模式：球面波下，入射波先将粉尘层前缘沿入射方向向下压缩，反射波产生后才将后缘粉尘向上扬起，呈现"先压后扬"的周期性压缩-扬升交替；平面波下，粉尘层无壁面反射干扰，随冲击波持续斜向上扬升。定量对比显示，平面波驱动的粉尘扬升高度和速度均高于球面波，水平迁移距离也更远。然而，球面波因壁面反射导致粉尘垂直速度持续波动，扬尘持续时间反而更长。

球面波与平面波下粉尘扬升特征参数对比 — 图3 球面波与平面波下粉尘扬升特征参数随时间变化。(a) 水平迁移距离Lx；(b) 扬升高度Ly；(c) 水平速度Vx；(d) 垂直速度Vy。平面波下扬升高度和速度更高，球面波下垂直速度因壁面反射而持续波动

球面波扬尘模式示意图 — 图4 球面波扬尘模式：入射波压缩粉尘层前缘，反射波扬起后缘，形成周期性"压缩-扬升"交替

平面波扬尘模式示意图 — 图5 平面波扬尘模式：无壁面反射，粉尘层随冲击波持续斜向上扬升

研究还引入了无量纲参数σ（冲击波压力与粉尘重力之比）来刻画不同粉尘物性参数下的扬尘规律。当σ<1时，平面波扬尘高度高于球面波；当σ>1时，球面波扬尘高度反而超过平面波，且σ越大差异越明显。这一发现为不同工况下的通风除尘设计提供了定量依据。模拟结果与Chowdhury激波管实验对比验证，最大扬尘高度相对误差仅1.4%，证实了模型的可靠性。

隧道爆破后粉尘污染源示意图 — 图6 隧道爆破后粉尘污染源构成：爆破面粉尘源、球面波扬尘源、平面波扬尘源三部分共同作用，传统研究仅关注前者而忽略了后两者

本研究首次提出冲击波扬尘的"波型效应"概念，揭示了隧道爆破后粉尘污染不仅来自爆破面直接产生的粉尘，还包括冲击波驱动近地沉积粉尘扬起所形成的二次污染源。这一认识从根本上改变了隧道爆破粉尘分布的研究思路：通风除尘设计应考虑冲击波扬尘源，水幕、风幕和小型除尘设备应依据各波型段的粉尘特征和影响长度合理布置，施工期间应及时清理隧道壁面积尘以减少冲击波二次扬尘。未来研究将进一步探索不同冲击波强度下的扬尘规律，完善多时间尺度耦合的粉尘迁移模型。

论文引用

Jing Hu, Angui Li, Haihang Cui, Shuaishuai Zhang, Li Chen, Jinnan Guo. Wave pattern effect on the lifting of near-ground dust driven by shock waves after tunnel blasting. Powder Technology, 2023, 429: 118935.

DOI: 10.1016/j.powtec.2023.118935