兩河口長(zhǎng)隧道獨(dú)頭掘進(jìn)壓入式施工通風(fēng)三維數(shù)值模擬

鄧祥輝，劉 釗，劉釗春

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064；2.西安工業(yè)大學(xué) 建工學(xué)院，西安 710032；3.國(guó)電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，成都 610041；4.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，西安 710048）

兩河口長(zhǎng)隧道獨(dú)頭掘進(jìn)壓入式施工通風(fēng)三維數(shù)值模擬

鄧祥輝1，2，劉 釗3，劉釗春4

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064；2.西安工業(yè)大學(xué) 建工學(xué)院，西安 710032；3.國(guó)電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，成都 610041；4.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，西安 710048）

兩河口公路隧道埋深大且無條件修建斜豎井，只能獨(dú)頭掘進(jìn)3 000余m，施工通風(fēng)問題突出?；贑FD理論，對(duì)壓入式通風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)采用三維紊態(tài)RNG k-ε湍流模型進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到了施工期隧道內(nèi)流場(chǎng)和濃度場(chǎng)隨時(shí)間在洞內(nèi)的分布變化規(guī)律。研究表明，掌子面附近為回流區(qū)，風(fēng)流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，回流區(qū)以外風(fēng)流分布逐漸穩(wěn)定；爆破后的有害氣團(tuán)在隧道內(nèi)是一個(gè)動(dòng)態(tài)“移動(dòng)”和“擴(kuò)散”的過程，這個(gè)過程中有害氣團(tuán)從爆破掌子面逐漸擴(kuò)散，并被稀釋和排出隧道。同時(shí)，在3種工況下，根據(jù)CO的進(jìn)入濃度和允許濃度對(duì)工作人員的進(jìn)洞時(shí)間進(jìn)行了研究。

長(zhǎng)隧道；壓入式通風(fēng)；三維數(shù)值模擬；進(jìn)洞時(shí)間

隨著西部大開發(fā)進(jìn)程的加快，出現(xiàn)了很多特長(zhǎng)公路隧道。而目前特長(zhǎng)隧道施工通風(fēng)往往僅根據(jù)規(guī)范和施工人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工通風(fēng)［1］，效果很差，一旦措施不合理，對(duì)施工人員的身體危害很大。在特長(zhǎng)公路隧道施工中，由于獨(dú)頭掘進(jìn)和隧道長(zhǎng)度的關(guān)系，如果等炮煙和其他有害氣體完全從隧道內(nèi)排放出去，則需要非常長(zhǎng)的時(shí)間，會(huì)大大影響工程進(jìn)度；如果選擇較短時(shí)間進(jìn)入施工，則對(duì)施工人員危害很大。因此，解決特長(zhǎng)隧道施工通風(fēng)問題具有重要意義。

在公路隧道通風(fēng)問題的研究中，其他國(guó)家開展相關(guān)研究較早，特別是瑞士、挪威、日本以及奧地利等國(guó)家，對(duì)公路隧道通風(fēng)問題進(jìn)行了大量研究［2－4］。但由于全真隧道通風(fēng)的試驗(yàn)費(fèi)用非常高，所以在這方面取得的成果有限，大部分研究主要集中在計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬領(lǐng)域。而且，研究方向主要在隧道建成后的運(yùn)營(yíng)通風(fēng)［5－8］，對(duì)隧道施工階段的通風(fēng)問題卻少有研究。在中國(guó)，相對(duì)于研究公路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)，隧道施工通風(fēng)研究非常少，而且研究成果主要集中在公路隧道縱向通風(fēng)的影響因素、通風(fēng)方式、有害氣體濃度分布規(guī)律以及縱向通風(fēng)計(jì)算模型等方面［5－8］。對(duì)仿真試驗(yàn)研究、隧道三維流場(chǎng)數(shù)值模擬等方面幾乎很少涉及［9－12］。

目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使隧道施工通風(fēng)的三維數(shù)值分析、流場(chǎng)和濃度場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化研究成為可能。本文在總結(jié)和借鑒已有的公路隧道通風(fēng)運(yùn)營(yíng)、施工通風(fēng)的研究成果上［13－19］，采用大型有限元軟件ADINA中的CFD模塊對(duì)獨(dú)頭掘進(jìn)的長(zhǎng)隧道進(jìn)行整條隧道有限元數(shù)值分析。

1 兩河口隧道工程概況

兩河口水電站交通工程1＃公路隧道位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)，1＃公路隧道全長(zhǎng)5 855 m，隧道海拔高程3 000 m左右。隧道埋深大，不適宜修建豎井或斜井，做到長(zhǎng)隧短打，只能獨(dú)頭掘進(jìn)3 000余m，通風(fēng)問題成為制約隧道快速掘進(jìn)的瓶頸。

兩河口1＃公路二級(jí)公路，隧道內(nèi)輪廓為三圓心設(shè)計(jì)，隧道內(nèi)輪廓凈寬度為11.0 m，高7.3 m。隧道施工方法為全斷面開挖方法。隧道采用壓入式通風(fēng)，通風(fēng)管距地面3 m左右，風(fēng)管直徑為1.8 m。爆破產(chǎn)生的主要?dú)怏w有：一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫和三硝基甲苯（TNT）等［20］。由于有害氣體中CO危害較大，在爆破前采用水幕降塵措施，使得爆破后氣體中主要剩下CO且濃度穩(wěn)定，因此，隧道施工通風(fēng)中以CO濃度大小作為評(píng)判通風(fēng)效果的依據(jù)。

2 隧道通風(fēng)數(shù)值計(jì)算原理

采用有限元軟件ADINA中的CFD模塊對(duì)不同工況下整條隧道的通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬。隧道壓入式通風(fēng)為貼壁受限射流，流場(chǎng)中存在射流、回流、滯流等氣體流動(dòng)，因此，采用三維紊態(tài)RNG k-ε湍流模型進(jìn)行分析。

2.1 基本假定

基本假定主要有以下3個(gè)方面：1）假定通風(fēng)氣流為三維粘性不可壓縮流體；2）氣體流動(dòng)不產(chǎn)生熱能耗散，忽略隧道壁的傳熱性；3）從已有成果來看，爆破后產(chǎn)生的有害氣體在稀釋和向洞外移動(dòng)過程，主要取決于初始有害氣體量，而與初始分布關(guān)系不大，因此，假定通風(fēng)前初始有害氣體均勻分散在出風(fēng)口和掌子面之間。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)假定，隧道風(fēng)流模型適用于Navier-stokes方程，并采用RNG k-ε紊流模型使方程組封閉。隧道內(nèi)空氣湍流流動(dòng)和濃度擴(kuò)散控制方程如下。

根據(jù)質(zhì)量、動(dòng)量和能量守衡方程：

式中：ρ為空氣密度；μ為層流粘度；vi（i＝1，2，3）為速度矢量；Γ為濃度擴(kuò)散系數(shù)；T為溫度；P為空氣壓力；k為溫度擴(kuò)散系數(shù)；Si、ST、SC分別為動(dòng)量守衡方程、能量守衡方程和濃度擴(kuò)散方程的源項(xiàng)；c為濃度；C1ε，C2ε，Cμ，σε，σk為湍流項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

3 計(jì)算模型

分別對(duì)掘進(jìn)500、1 000、2 000、3 130 m 4種情況進(jìn)行模擬。建立隧道分析模型如圖1所示。

3.1 邊界條件

根據(jù)已有試驗(yàn)和分析成果［20，22］，并結(jié)合實(shí)際情況設(shè)定邊界條件如下。

3）壁面邊界：采用無滑移固壁邊界條件，即Vi＝0。

圖1 3 130 m隧道整體模型

3.2 初始條件

隧道整體模型長(zhǎng)度為3 130 m，如圖1所示。有限單元節(jié)點(diǎn)為110 924個(gè)，單元數(shù)為95 069個(gè)?？紤]到隧道中CO濃度在斷面不同位置和時(shí)間上的動(dòng)態(tài)變化，為便于研究，在隧道斷面設(shè)AⅠ～AⅤ的分析控制點(diǎn)，這樣，某斷面CO濃度可以表示為5個(gè)控制點(diǎn)CO濃度的平均值。根據(jù)控制點(diǎn)的CO濃度，可以更好掌握CO濃度對(duì)施工人員的危害。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析討論

4.1 隧道流場(chǎng)分析

根據(jù)總結(jié)現(xiàn)有研究成果，隧道獨(dú)頭掘進(jìn)中，風(fēng)流變化規(guī)律在不同掘進(jìn)距離規(guī)律大致相同［19］。因此，模型對(duì)隧道獨(dú)頭掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)距離為3 130 m時(shí)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

在分析中，隧道內(nèi)流場(chǎng)很快穩(wěn)定，而且從洞口到掌子面流場(chǎng)穩(wěn)定所需的時(shí)間逐漸變短。圖2為洞口斷面平均風(fēng)速隨時(shí)間的變化規(guī)律。洞口斷面風(fēng)速在100 s后就已基本穩(wěn)定，洞內(nèi)其余部分的流場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)間均小于100 s，在后面的分析中，可不考慮流場(chǎng)隨時(shí)間的變化，把濃度場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律放在穩(wěn)定的流場(chǎng)中分析。

圖2 洞口斷面平均風(fēng)速隨時(shí)間變化

根據(jù)其他研究成果和本模型計(jì)算結(jié)果，把隧道流場(chǎng)分為3個(gè)區(qū)域：回流區(qū)、回流影響區(qū)、穩(wěn)定區(qū)。

1）回流區(qū) 回流區(qū)位于掌子面到風(fēng)筒出口附近。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，截取掌子面附近Z＝3.8 m截面的流場(chǎng)矢量，如圖3所示。從圖中可見，從掌子面到風(fēng)筒出口附近的風(fēng)流形成一個(gè)漩渦。風(fēng)流在射向掌子面后，折射后從隧道另一側(cè)返回，當(dāng)其返回到風(fēng)管出口附近時(shí)，部分風(fēng)流受風(fēng)管出口風(fēng)流影響又流回掌子面，部分風(fēng)流流出此回流區(qū)域。根據(jù)計(jì)算，回流區(qū)位于風(fēng)管出口與掌子面之間，距離掌子面約18 m。圖4為回流區(qū)中心（X＝3 112 m）橫斷面風(fēng)速分布圖，圖中G是風(fēng)速為0的等風(fēng)速線，此線基本與隧道斷面中線重合，其左側(cè)風(fēng)速為流向掌子面方向，其右側(cè)風(fēng)速為流向洞口方向。結(jié)合圖3、4，可知掌子面附近流場(chǎng)是一個(gè)以距掌子面18 m處橫斷面的中軸線為中心，以風(fēng)管出口附近到掌子面為范圍的大漩渦。

圖3 掌子面附近斷面（Z＝3.8 m）流場(chǎng)方向

圖4 回流區(qū)中心橫斷面風(fēng)速分布（單位：m／s）

2）回流影響區(qū) 根據(jù)分析結(jié)果，回流影響區(qū)為風(fēng)筒出口附近到距離掌子面約300 m左右的一個(gè)區(qū)域。這個(gè)區(qū)域受回流區(qū)流場(chǎng)的影響，風(fēng)速因斷面的位置不同而差異較大，并且規(guī)律性不明顯。圖5為隧道掘進(jìn)至3 130 m工況下不同斷面和同一斷面不同高度的風(fēng)速分布圖。從圖可見，距離掌子面越近，風(fēng)速波動(dòng)越大。當(dāng)距離掌子面超過300 m，風(fēng)速逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 3 130 m隧道內(nèi)風(fēng)速分布

3）穩(wěn)定區(qū) 從圖5可見，距離掌子面300 m，風(fēng)速區(qū)域穩(wěn)定。同時(shí)，風(fēng)速在斷面的分布是中間大，逐漸向隧道側(cè)壁減小。這一規(guī)律，與流體力學(xué)理論完全一致。圖6為X＝1 000 m處橫斷面風(fēng)速分布等值線圖，從距離掌子面約300 m以后各橫斷面風(fēng)速分布均基本與此圖相同。

圖6 穩(wěn)定區(qū)橫斷面風(fēng)速分布（單位：m／s）

4.2 CO濃度隨時(shí)間變化規(guī)律

根據(jù)前面對(duì)流場(chǎng)的研究，可以看出掌子面附近的回流區(qū)會(huì)阻礙有害氣體的排出。同時(shí)，風(fēng)速中間大，周圍小的特點(diǎn)對(duì)有害氣體的排出也有一定的影響。下面僅對(duì)3 130 m情況下的規(guī)律進(jìn)行研究。

隧道內(nèi)濃度場(chǎng)變化規(guī)律與流場(chǎng)分布規(guī)律密切相關(guān)，圖7、8分別為隧道掘進(jìn)3 130 m時(shí)通風(fēng)1 min和5 min時(shí)回流區(qū)（Z＝3.8 m）CO濃度場(chǎng)分布。從圖中可見，在距離掌子面18 m左右形成一個(gè)大漩渦，其中心CO濃度最高。并且中心處與流場(chǎng)的回流區(qū)中心重合。隨著時(shí)間的推移回流區(qū)CO濃度逐漸降低，梯度基本不變，但其回流區(qū)中心濃度大并向周圍逐漸減小的規(guī)律保持不變。

圖7 1 min時(shí)回流區(qū)（Z＝3.8 m）CO濃度分布（單位：mg／m3）

圖8 5 min時(shí)回流區(qū)CO濃度分布（單位：mg／m3）

圖9為隧道掘進(jìn)3 130 m時(shí)不同時(shí)間整條隧道內(nèi)CO濃度分布。從圖中不同時(shí)間隧道內(nèi)CO濃度隨距離掌子面遠(yuǎn)近呈現(xiàn)出以下規(guī)律：1）通風(fēng)時(shí)間最短的5和9 min時(shí)，CO濃度的最大峰值剛好處于回流區(qū)范圍；2）隨著通風(fēng)時(shí)間的變長(zhǎng)，CO濃度的峰值明顯減小，CO氣團(tuán)隨通風(fēng)時(shí)間增加而整體向洞外移動(dòng)；3）隨通風(fēng)時(shí)間的增加，CO濃度的峰值降低并呈現(xiàn)出跨度逐漸變大的趨勢(shì)，這說明CO氣團(tuán)整體在逐漸向隧道洞口移動(dòng)和擴(kuò)散。

圖9 掘進(jìn)3 130 m時(shí)不同時(shí)間洞內(nèi)CO濃度分布

4.3 不同掘進(jìn)距離CO濃度隨時(shí)間變化規(guī)律

在保證施工人員安全的情況下，加快施工進(jìn)度是研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。規(guī)范規(guī)定施工時(shí)CO濃度為不得大于30 mg／m3，若情況特殊，則可以放寬到不超過100 mg／m3，但工作時(shí)間不能超過30 min［24］。本隧道屬于特長(zhǎng)隧道，若等隧道內(nèi)CO濃度降到為30 mg／m3，需要很長(zhǎng)時(shí)間，這對(duì)施工進(jìn)度會(huì)造成很大影響。因此，可考慮以CO濃度降到100 mg／m3時(shí)進(jìn)入隧道作為進(jìn)洞時(shí)間來研究。

下面分別在掘進(jìn)距離500、1 000、2 000、3 130 m等4種情況下，以CO的進(jìn)入濃度（100 mg／m3，不得滯留超過30 min）和允許濃度（30 mg／m3）為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)通風(fēng)時(shí)間進(jìn)行分析。

根據(jù)實(shí)際情況，掘進(jìn)前1 500 m選取掌子面供風(fēng)量3 000 m3／min計(jì)算，掘進(jìn)1 500 m以后選取掌子面供風(fēng)量4 500 m3／min計(jì)算。

圖10 掘進(jìn)500 m時(shí)不同時(shí)間洞內(nèi)CO濃度分布

圖11 掘進(jìn)1 000 m時(shí)不同時(shí)間洞內(nèi)CO濃度分布

圖12 掘進(jìn)2 000 m時(shí)不同時(shí)間洞內(nèi)CO濃度分布

圖10～12以及圖9分別為隧道掘進(jìn)500、1 000、2 000、3 130 m時(shí)洞內(nèi)CO濃度在不同時(shí)間的分布。圖中進(jìn)入濃度取為100 mg／m3，安全濃度取為30 mg／m3。這4副圖的規(guī)律基本相同，與5.2中分析的掘進(jìn)3 130 m時(shí)的基本規(guī)律相符，僅因條件不同具體數(shù)值不同。這4副圖通風(fēng)5和9 min的曲線都有雙峰值，且第一個(gè)峰值影響范圍均約離掌子面40 m內(nèi)，這是由于4個(gè)模型均把風(fēng)筒出口設(shè)在離掌子面35 m處，但由于前1 500和1 500 m以后掌子面供風(fēng)量不同，掘進(jìn)2 000 m和掘進(jìn)3 130 m情況下，CO濃度第1個(gè)峰值的下降速度和第2個(gè)峰值的移動(dòng)速度均明顯大于掘進(jìn)500和1 000 m情況下的CO濃度相應(yīng)峰值的變化速度。圖10中可看出回流效應(yīng)的有效影響僅為十幾分鐘，而該條件下通風(fēng)時(shí)間需二十多分鐘，掘進(jìn)越深其相對(duì)影響時(shí)間就越短。所以，在較長(zhǎng)隧道的通風(fēng)散煙的數(shù)值模擬中對(duì)進(jìn)洞時(shí)間的計(jì)算可不考慮回流效應(yīng)對(duì)有害氣體滯留作用的影響。

CO是隧道內(nèi)流場(chǎng)流體的組成部分，所以CO氣團(tuán)的移動(dòng)速度與風(fēng)速有一定的關(guān)系。表1列出了在4種條件下CO濃度峰值移動(dòng)速度和相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的平均風(fēng)速。

表1 風(fēng)速與CO移動(dòng)速度對(duì)照表

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，通風(fēng)距離越長(zhǎng)CO峰值移動(dòng)速度就越接近于風(fēng)速。根據(jù)該模型的計(jì)算原理，當(dāng)不存在風(fēng)流的紊動(dòng)CO的移動(dòng)速度就是風(fēng)速。掌子面附近的回流效應(yīng)對(duì)CO的擴(kuò)散有一定的影響，通風(fēng)距離越長(zhǎng)其相對(duì)影響就越小。所以，當(dāng)通風(fēng)距離較長(zhǎng)時(shí)可近似認(rèn)為CO峰值移動(dòng)速度等于風(fēng)速；當(dāng)通風(fēng)距離較短時(shí)需考慮掌子面附近的回流紊動(dòng)區(qū)對(duì)通風(fēng)時(shí)間的影響。

另外，圖9～12中曲線以及表中數(shù)據(jù)反映出，圖12基本可與圖10前2 000 m重合，風(fēng)速也相等。圖11與圖10也有相同的關(guān)系。因此，在精度要求不是很高的情況下，工程人員可在3 130 m條件下的數(shù)值模擬圖中，分別在圖9中截取不同掘進(jìn)距離的CO濃度，并進(jìn)行推斷。

4.4 進(jìn)洞時(shí)間及安全時(shí)間建議

進(jìn)洞時(shí)間即為洞內(nèi)CO濃度降至進(jìn)入濃度以下所需的時(shí)間，安全時(shí)間為洞內(nèi)CO濃度完全降至允許濃度之下所需的時(shí)間，回流區(qū)影響時(shí)間為回流區(qū)CO濃度峰值減小到30 mg／m3以下所用時(shí)間。

根據(jù)前文所述分析方法、邊界條件以及初始條件等，分別分析不同通風(fēng)能力，在不同掘進(jìn)距離條件下工作人員的進(jìn)洞時(shí)間。具體的工況如下：1）工況1，掘進(jìn)前1 500 m，供風(fēng)量為3 000 m3／min，掘進(jìn)1 500 m以后，供風(fēng)量為4 500 m3／min；2）工況2，掘進(jìn)前1 500 m，供風(fēng)量為2 400 m3／min，掘進(jìn)1 500 m以后，供風(fēng)量為3 600 m3／min；3）工況3，掘進(jìn)前1 500 m，供風(fēng)量為3 600 m3／min，掘進(jìn)1 500 m以后，供風(fēng)量為5 400 m3／min。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

在表2中，給出了不同通風(fēng)能力，分別掘進(jìn)500、1 000、2 000、3 130 m各情況下進(jìn)洞時(shí)間、安全時(shí)間和回流區(qū)影響時(shí)間。施工人員可在計(jì)算進(jìn)洞時(shí)間后進(jìn)入工作面作業(yè)，此時(shí)，已過回流效應(yīng)的影響時(shí)間，對(duì)施工人員影響較小。同時(shí)，從表2中的時(shí)間差一項(xiàng)可以看出當(dāng)隧道掘進(jìn)距離越長(zhǎng)時(shí)，掌握進(jìn)洞時(shí)間對(duì)隧道快速施工的意義就更為明顯。

表2 各工況部分計(jì)算結(jié)果對(duì)比

在建模條件下，回流區(qū)影響時(shí)間只與掌子面供風(fēng)量有關(guān)，掌子面供風(fēng)量越大其影響時(shí)間就越短，回流區(qū)影響時(shí)間在較長(zhǎng)的通風(fēng)情況下與進(jìn)洞時(shí)間相比相對(duì)越短，所以在較長(zhǎng)隧道的通風(fēng)中可不考慮此效應(yīng)。

5 結(jié)論

根據(jù)兩河口1＃公路隧道的實(shí)際情況和施工方法，建立了隧道掘進(jìn)500、1 000、2 000和3 130 m等4種情況下隧道施工通風(fēng)的模型，并對(duì)隧道流場(chǎng)分布和CO濃度變化規(guī)律進(jìn)行了研究。通過研究掘進(jìn)3 130 m工況下隧道內(nèi)流場(chǎng)及CO濃度場(chǎng)的變化，得出獨(dú)頭掘進(jìn)隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)流場(chǎng)分布和濃度場(chǎng)變化的一般規(guī)律。對(duì)4種情況下CO濃度場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)不同工況下施工人員合理的進(jìn)洞時(shí)間進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下：

1）隧道獨(dú)頭掘進(jìn)時(shí)，采用壓入式進(jìn)行施工通風(fēng)時(shí)，在距離掌子面18 m左右形成回流紊動(dòng)區(qū)，范圍為距離掌子面40 m之內(nèi)；在距離掌子面40～300 m范圍為回流影響區(qū)；超過300 m，為流場(chǎng)穩(wěn)定區(qū)。同時(shí)，有害氣體團(tuán)在逐漸向洞口移動(dòng)的過程中發(fā)生擴(kuò)散，中心濃度逐漸減小。

2）掌子面附近回流區(qū)對(duì)CO氣體排離掌子面有一定的阻滯作用，回流區(qū)中心形成一個(gè)CO濃度的局部峰值，CO濃度也以一個(gè)與回流區(qū)流場(chǎng)相似的漩渦狀從中心向周圍逐漸降低。在相同的隧道輪廓、相同的風(fēng)管直徑以及相同的風(fēng)管出口到掌子面距離的情況下，回流區(qū)對(duì)CO的阻滯時(shí)間僅與掌子面供風(fēng)量有關(guān)，供風(fēng)量越大，阻滯時(shí)間越短。在較長(zhǎng)隧道的施工通風(fēng)中回流區(qū)影響時(shí)間相對(duì)較短，可不考慮此效應(yīng)對(duì)進(jìn)洞時(shí)間的影響。

3）CO氣體是隧道流場(chǎng)介質(zhì)的組成部分，其運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)等于流場(chǎng)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度，但由于回流區(qū)對(duì)CO移動(dòng)的阻滯作用，在通風(fēng)距離較短時(shí)CO平均移動(dòng)速度明顯小于風(fēng)速，當(dāng)通風(fēng)距離較長(zhǎng)時(shí)CO氣體移動(dòng)速度可近似等于風(fēng)速。

4）根據(jù)規(guī)范和具體施工條件，分析了3種工況下，獨(dú)頭隧道掘進(jìn)500、1 000、2 000、3 130 m施工人員的進(jìn)洞時(shí)間和安全時(shí)間。

［1］張恒，楊家松，高輝.錦屏隧道施工通風(fēng)研究［J］.廣西水利發(fā)電，2008（5）：11-13.

Zhang H，Yang J S，Gao H.Study of Jinping tunnel construction ventilation［J］.Guangxi Water Resources＆ Hydropower Engineering，2008（5）：11-13.

［2］Rudin C.Fires in long ruilwuv lunnels-the ventilation concepts adopted in the alptransit projects ［C］／／10th International Symposium on the Aerodynamics Ventilation of Vehicle Tunnels，2000.

［3］Chow W K.Dispersion of carbon monoxide from a vehicular tunnel with the exit located along a hillside［J］.Tunneling and Underground Space Technology，1989，2（4）：231-234.

［4］Vardy A. On Semi-transverse ventilation systems［C］／／7thInternational Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels，1991：629-646.

［5］杜翠鳳，于明章，李懷宇.單條沿脈巷道通風(fēng)網(wǎng)路炮煙運(yùn)動(dòng)分析及對(duì)策［J］.金屬礦山，2000，6（6）：40-42.

Du C F，Yu M Z，Li H Y.Analysis of the blasting fume movement in single strike drive ventilation net and the countermeasures［J］.Metal Mine，2000，6（6）：40-42.

［6］胡自林，彭立敏，劉勝利.中長(zhǎng)公路隧道縱向通風(fēng)計(jì)算模型［J］.湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，18（2）：34-37.

Hu Z L，Peng L M，Liu S L.Vertical ventilation calculating model for mid-long highway tunnels ［J］.Journal of Xiangtan Mining Institute，2003，18（2）：34-37.

［7］王永東，夏永旭.公路隧道縱向通風(fēng)系統(tǒng)局部影響數(shù)據(jù)模擬［J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21（4）：50-54.

Wang Y D，Xia Y X.Parts effect numerical simulation of longitudinal ventilation system of highway tunnel［J］.Journal of Xi'an Highway University，2001，21（4）：50-54.

［8］危寧，李力，王春燕.隧道施工通風(fēng)中的有害氣體濃度變化分析［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，28（4）：324-327.

Wei N，Li L，Wang C Y.Analysis of harmful gas concentration variation in tunneling ventilation ［J］.Journal of China Three Gorges University：Natural Sciences，2006，28（4）：324-327.

［9］高輝，楊家松，陳壽根，等.錦屏輔助交通特長(zhǎng)隧道爆破通風(fēng)數(shù)值模擬［J］.公路遂道，2008（1）：10-13.

Gao H，Yang J S，Chen S G，et al.Long tunnel blasting ventilation numerical simulation of experimental traffic［J］.Highway Tunnel，2008（1）：10-13.

［10］劉釗春.獨(dú)頭掘進(jìn)隧道施工通風(fēng)數(shù)值模擬［D］.西安：西安理工大學(xué)，2010.

［11］劉釗春，柴軍瑞，賈曉梅，等.壓入式通風(fēng)掘進(jìn)面有害氣體濃度擴(kuò)散數(shù)值模擬［J］.巖土力學(xué)，2009，12（30）：536-539.

Liu Z C，Chai J R，Jia X M，et al.Numerical simulation of concentration diffusion of harmful gas in heading face with forced ventilation［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，12（30）：536-539.

［12］陳衛(wèi)忠，郭小紅，曹傳林，等.公路分岔隧道循環(huán)風(fēng)相互影響及其對(duì)策研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（6）：1137-1147.

Chen W Z，Guo X H，Cao C L，et al.Research on interrelationship of exhaust air of highway forked tunnel and countermeasures ［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（6）：1137-1147.

［13］趙海東.烏鞘嶺隧道輔助坑道對(duì)運(yùn)營(yíng)通風(fēng)的影響及特長(zhǎng)隧道定點(diǎn)防災(zāi)研究［D］.成都：西南交通大學(xué).2009.

［14］Patankar S V，Spalding D B.A calculation procedure for heat， mass and momentum transfer in threedimensional parabolic flows［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1972，15（15）：1787-1806.

［15］王洪德，林琳，趙軼.地鐵隧道火災(zāi)事故通風(fēng)方式數(shù)值模擬［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，29（2）：177-181.

Wang H D，Lin L，Zhao Y.Numerical simulation on ventilation modes in subway tunnel fire［J］.Journal of Liaoning Technical University：Natural Science，2010，29（2）：177-181.

［16］李炎鋒，朱濱，孫旋，等.利用大渦模擬研究地鐵區(qū)間火災(zāi)的煙氣擴(kuò)散［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33（10）：1060-1065.

Li Y F，Zhu B，Sun X，et al.Study of fire smoke diffusion in subway tunnel by large eddy simulation［J］.Journal of Beijing University of Technology，2007，33（10）：1060-1065.

［17］Woodburn P J，Britter R E.CFD simulations of a tunnel fire-PartⅠ ［J］.Fire Safety Journal，1996，26：35-62.

［18］馬洪亮.基于區(qū)網(wǎng)藕合模擬的礦井通風(fēng)系統(tǒng)抗災(zāi)能力分析［D］.北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2008.

［19］Kunsch J P.Simple model for control of fire gases in a ventilated tunnel［J］.Fire Safety Journal，2002，37（1）：67-81.

［20］張國(guó)樞.通風(fēng)安全學(xué)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［21］趙彬，李先庭，彥啟森.入口紊亂參數(shù)對(duì)室內(nèi)空氣分布的影響研究［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2000（1）：1-4.

Zhao B，Li X T，Yan Q S.Influence of turbulence parameters at supply opening on indoor air distibution［J］.Building Energy ＆ Environment，2000（1）：1-4.

［22］高建良，張生華.壓入式局部通風(fēng)工作面風(fēng)流分布數(shù)值模擬研究［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，14（1）：93-96.

Gao J L，Zhang S H.Numerical simulation of airflow pattern at working face with forced auxiliary ventilation［J］.China Safety Science Journal，2004，14（1）：93-96.

［23］Nakayama S，Uchino K，Masahiro M.3 Dimensional flow measurement at heading face and application of CFD ［J］.The Mining and Materials Processing Institute of Japan，1996，112（9）：638-644.

［24］TB 10204—2002鐵路隧道施工規(guī)范［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.

（編輯 王秀玲）

3D Numerical Simulation on Forced Construction Ventilation of Long Single Head Tunnel of Lianghekou

Deng Xianghui1，2，Liu Zhao3，Liu Zhaochun4
（1.School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，P.R.China；2.College of Civil and Architecture Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an 710032，P.R.China；3.Daduhe Hydropower Development Co.，Ltd，Chengdu 610041，P.R.China；4.College of Hydroelectric Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，P.R.China）

There is no suitable condition to build any shaft（vertical or oblique shafts）due to the complex geological environment of Lianghekou.Furthermore，the tunnel has to be constructed blind heading.So the problem of ventilation is serious.Based on the theory of CFD，the wind current produced in forced ventilation is simulated by 3D RNG k-ε Turbulent Model，and then the Time-dependent Variation Rules of the flow field and the concentration field during the construction period are shown by numerical simulation of 3D.Results show that the backflow area which is located near the working face has the complex situation of wind current，and the air current distribution becomes stable gradually when it is far away from the backflow area.Meanwhile，the movement of the harmful air produced after blasting can be described as“moving”and“diffusing”.The result of moving makes the harmful air run out of the tunnel from working face.The result of diffusing makes the harmful air deliquated along with the process of moving.In addition，the time that the workers spend on getting into the tunnel has been studied according to the concentrations of CO （in and allowance concentrations respectively）.

long tunnel；forced ventilation；the 3D numerical simulation；entrance time

O319.56

A

1674-4764（2014）02-0035-07

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.02.006

2013-06-25

國(guó)家自然科學(xué)基金（50579092）；交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（2013318J12330）；陜西省教育廳自然科學(xué)基金（2010JK599）

鄧祥輝（1976-），男，副教授，博士（后），主要從事地下工程數(shù)值計(jì)算模擬研究，（E-mail）dh＿gl＠163.com。