隧道掌子面瓦斯分布三維分析

何 強

(中鐵二局三公司貴廣項目部，四川 成都 610031)

在隧道施工中，施工人員根據經驗和規范進行施工通風［1］，［2］，缺少對工程的具體分析和研究，普遍存在通風質量差的問題，對施工人員的健康構成了威脅，因此，迫切需要將現有通風理論和計算軟件應用于施工通風分析。資料表明，在國內外的爆破工程中，炮煙中毒的死亡事故占整個爆破事故的28.3%。可見，加強對爆破通風排煙的研究已成為一個急需解決的課題。

對通風問題的研究，最早出現在鐵路隧道中。后來由于公路隧道的出現，特別是近年來長大公路隧道建設的高速發展，針對公路隧道通風的研究也空前活躍。在隧道通風的數值模擬方面多運用CFD計算流體力學軟件進行模擬。歐洲國家從20世紀70年代就開始對此進行了研究，如M·A·Gailard［3］針對瑞士哥達低線鐵路隧道的通風與溫度控制問題進行了數學模擬研究，設計了該隧道通風及冷卻系統。Alan Vardy［4］就某隧道通風系統計算程序的理論基礎、模擬計算值與實測值的比較、通風系統的優化和通風衛生標準的選用、峰值濃度或平均濃度的影響因素作了重點討論和簡述，并對法國太思隧道進行了模擬計算。瑞士學者Rudin對特長隧道的煙氣擴散進行了研究［5］。Chow利用CFD技術對公路隧道CO濃度的擴散進行了數值模擬［6］。國內對公路隧道通風系統研究起步于20世紀90年代。如西南交通大學［7］對于多維和動態情況作了初步研究，采用空氣動力學模型、交通模型、污染模型對豎井吸出式縱向通風系統進行了動態模擬。

公路隧道通風研究以往都是針對運營通風，而對于隧道施工過程中的通風研究很少。在隧道施工現場，施工人員是根據經驗和相關規范進行施工通風設計，缺少對工程的具體分析研究，普遍存在通風質量差的問題，對施工人員的健康構成了威脅，因此迫切需要將現有通風理論和計算軟件應用于施工通風設計中，對隧道施工通風進行優化。本文結合貴廣高速鐵路小范坪隧道的施工，采用國際通用計算流體力學軟件，對隧道施工通風進行了數值仿真研究，為現場施工提供理論指導。

1 工程概況

貴廣高速鐵路小范坪隧道位于貴州省貴定縣昌明鎮新安村境內，隧道起止里程為DK75+080～D3K76+720，全長為1640 m，是位于巖溶地區的高瓦斯隧道。

DK75+620～+700(梁山組)含煤線、炭質泥巖，瓦斯涌出量0.17 m3/min，頂底板涌出量0.24 m3/min，在開挖斷面上總涌出量0.41 m3/min，為低瓦斯段;DK75+080～D3K76+000段為低瓦斯工區。D3K76+390～+540(大搪階)，煤層瓦斯涌出量0.32 m3/min，頂底板灰黑色含炭頁巖瓦斯涌出量0.29 m3/min，開挖面上總涌出量0.61 m3/min，為高瓦斯段。D3K76+000～D3K76+720段為高瓦斯工區。

DK75+220～D3K75+420、D3K75+680～D3K75+860段洞身附近電阻異常，推測為溶蝕破碎帶或填充溶洞發育區;DK75+080～D3K75+560、D3K75+700～D3K75+940段為剝蝕低山巖溶峰叢地貌，地形起伏較大，下伏基巖為灰巖夾白云質灰巖，地表溶蝕發育強烈，有大型洼地、落水洞、漏斗等，洞身遇溶洞可能性很大，且容易引起坍方、突水突泥、瓦斯聚集。圖1為小范坪隧道現場通風情況，圖2為小范坪隧道正洞凈空斷面。

小范坪隧道通風采用單風機單風管壓入式通風，在洞口設置兩臺SDZ－125型135 kW的軸流風機(一臺作為備用)，配置直徑1800 mm的風筒，風機的性能見表1，通風設備見表2，風機安裝在距洞口20 m處，采用風機雙回路電源。高瓦斯段通風方式見圖3，掌子面通風采用一臺135 kW軸流風機。

圖1 小范坪隧道現場通風

圖2 小范坪隧道凈空斷面

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圖3 小范坪隧道高瓦斯段施工通風

2 數值模擬分析

2.1 邊界條件的確定

對小范坪高瓦斯段的施工通風進行了數值模擬計算，計算邊界條件設置［8］:①隧洞底部和上部設為墻面，并根據實際的粗糙度給定相應的壁面參數;②隧洞進風口設為等速邊界條件;③隧洞出風口設為壓力邊界條件;④軸流風機出口高檔速度v=12.5 m/s，邊界條件為速度邊界，風機壁面設為固體邊界;⑤高瓦斯段瓦斯初始濃度7.32%。

2.2 高瓦斯隧道掌子面附近軸流式通風三維仿真

為了分析計算風管的有效射程，對風管出口到工作面的距離L分別為30 m、35 m進行了數值模擬計算，獲得了較理想的結果。圖4和圖5分別為三維模型圖及網格劃分圖。

圖4 三維模型

圖5 模型整體網格劃分

圖6、圖7分別為風管出口距工作面30 m、35 m時風管中心水平平面的速度矢量圖和標量圖在射流運動過程中，射流不斷卷吸周圍的空氣，射流范圍擴大，但由于空間受限和回流的影響，射流范圍的擴展受到一定的限制，射流不再卷吸周圍的空氣，而是向外析出空氣。計算結果明顯地表現了附壁射流區、沖擊射流附壁區與回流區，以及射流的卷吸與析出，射流的卷吸與析出有明顯的分界，分界處有渦流。從圖6(b)中可以明顯看到，當L=35 m時，射流不能到達工作面，相反在工作面附近形成了渦流區，而渦流區的流動方向與射流區的流動方向相反。

圖6 風管中心水平面速度矢量分布

圖7 風管中心水平面速度矢量分布

4 結論

本文通過采用國際通用計算流體力學軟件FLUENT，對隧道掌子面風管有效射程進行三維計算，從理論上得出了掌子面有限空間受限貼附射流通風的規律。計算結果表明，當風管管口距工作面35 m時，在工作面附近形成了渦流區，在工作面附近其瓦斯濃度明顯偏高，將不利于瓦斯的快速排出，所以在施工時應盡量將風管管口布置在距工作面30 m內。

［1］劉榮華，王海橋.壓入式通風掘進工作面粉塵分布規律研究［J］.煤炭學報，2002，27(3):233 －236

［2］張恒，楊家松，高輝.錦屏隧道施工通風研究［J］.廣西水利水電，2008(5):11－13

［3］M.A.Gaillard，Ventilation and cooling of a Long Railway Tunnel，Second International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels，1976:E2－23－ －EZ－55

［4］M.A.蓋拉爾德.長隧道的通風及冷卻——哥達基線鐵路隧道的數學模擬方法［J］.金學易，譯.隧道譯叢，1980(3)

［5］鄭晉麗.隧道通風系統模擬計算和結論［J］.地下工程與隧道，1997(1)

［6］C·Rudin.Fires in long railway tunnels－the ventilation concepts adopted in the A1pTransit projects［C］∥10thInternational Symposium on the Aerodynamics Ventilation of Vehicle Tunnels，2000

［7］W·K·Chow，Dispersion of Carbon Monoxide from a Vehicular Tunnel with the Exit Located along a Hillside［J］.Tunneling and Underground Space Technology.1989，4(2):231 －234

［8］西南交通大學等，《公路隧道縱向通風研究》研究文集.1998

［9］王瑞金，王凱，王剛.Fluent技術基礎與應用實例［M］.清華大學出版社，2007

［10］JTJ 042－94公路隧道施工技術規范［S］