隧道施工壓人式通風效果分析及參數優化研究

彭 佩，方 勇，2，周超月，2，陳先國

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031；3.四川公路橋梁建設集團有限公司,成都 610031)

隧道施工壓人式通風效果分析及參數優化研究

彭 佩1，方 勇1，2，周超月1，2，陳先國3

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031；3.四川公路橋梁建設集團有限公司,成都 610031)

對隧道臺階法施工壓入式通風效果進行分析并提出相關參數優化措施，利用流體力學軟件Fluent，建立隧道三維模型并進行了數值模擬，分別對上臺階不同開挖長度及風管不同布設位置下流場特性的對比，分析了通風系統各參數對通風效果的影響。模擬結果表明：臺階的存在改變了射流發展一般性，射流主體提前收縮，有效射程減少；上臺階長度越短，射流有效射程越大，渦流區域覆蓋范圍越小；風管沿側壁布設且管口至掌子面距離在5～10m時，通風效果最佳。

公路隧道；臺階法；壓入式通風；數值模擬；參數優化

由于隧道結構的封閉性,隧道施工過程中機械作業產生的尾氣、爆破產生的硝煙、地層溢出的有毒有害氣體等將會在隧道內積聚,威脅作業人員健康和施工安全。為改善公路隧道施工作業環境,保障施工人員的健康,必須采取適當的通風措施。特別是對于有瓦斯、H2S等有毒有害氣體存在的特殊危險隧道,必須要保證充足的通風量及風速,稀釋沖淡有毒有害氣體,對施工通風的要求更高。臺階法［1]是公路隧道施工中最常采用的施工方法之一,它將斷面分成上半斷面和下半斷面兩部分進行開挖。臺階法隧道施工中一般采用壓入式通風方法［2-3],即采用風機將后方新鮮氣流向作業面壓送,傳統的隧道臺階法施工通風方案往往局限于通風能力設計及風流組織［4],忽略了臺階法施工隧道空間結構的特殊性對通風效果的影響。

對通風流場的分析通常采用CFD相關軟件及技術,日本的中山伸介、內野健一等人對三維條件下掘進巷道風流的風速進行實驗室測定,得出了掘進巷道內的風流分布［5]。英國諾丁漢大學K.W.Moloney等人對采用輔助通風方式時井下獨頭巷道模型內測得的風流分布進行了研究［6],王海橋等人根據流體力學及射流理論,對獨頭巷道附壁射流通風流場進行了數值模擬,探討了流場內區域分布等,為研究獨頭巷道風流傳質過程、瓦斯運移規律及通風排污效率等提供了理論基礎［7],何坤等采用基于流體力學理論的三維數值模擬,對比分析隧洞掘進長度、通風方案等因素對長大隧道通風流場的影響［8]。

縱觀國內外的隧道通風數值模擬研究狀況可以發現,全斷面施工風管式通風是各國學者的普遍關注對象,而臺階法施工隧道中風管壓入式通風則少有涉及。本文依托于實際工程,應用計算流體力學軟件Fluent對采用臺階法施工的高速公路隧道內通風流場進行模擬仿真［9],通過對上臺階不同開挖長度、風管出風口與掌子面不同布設距離及布設形式下流場特性的對比,分析通風系統各設計參數對通風效果的影響,以此提出改善通風效果的有效途徑。

1 工程概況及模型建立

1.1 工程背景

銅鑼山隧道是一座位于四川自流盆地東部的雙向四車道高速公路隧道。隧道施工中全斷面法與臺階法結合使用,本標段獨頭掘進隧道范圍K132+095～K134+600,全長2 505 m。一般地段隧道建筑限界凈寬10.25 m,凈高5.00 m。自隧道進口起1 560 m內均采用壓入式通風,在臺階法施工段內風管布設位置如圖1所示,其中風管選用直徑1.6 m的軟管。

圖1 隧道臺階法施工橫斷面示意

1.2 模型建立

1.2.1 數值模型

針對銅鑼山隧道臺階法施工段,以隧道實際尺寸為參考(文中坐標基本單位均為m),利用Gambit建立簡化后隧道三維模型并網格化,如圖2所示。

圖2 三維模型網格剖分

分別以上臺階長度、風管管口至掌子面距離及風管布設形式為研究參數建立各工況計算數值模型。首先將風管布設于隧道側壁且管口至上臺階掌子面距離為25 m,令上臺階長度L1為變化參數,如圖3所示。

圖3 工況一模型示意（單位：m)

將風管布設于隧道側壁且上臺階長度L1=20 m。令L2為變化參數,如圖4所示。

圖4 工況二模型縱斷面示意（單位：m)

將保持風管出口與上臺階掌子面距離不變(假設L2=15 m),上臺階長度L1=20 m,改變風管5種布設位置,如圖5所示。

圖5 工況三模型橫斷面示意

1.2.2 數學模型及邊界條件

基本假設如下:

(1)馬赫數M≤0.2,氣體按不可壓縮處理；

(2)忽略隧道內機械及人體對流場的擾動。

經計算,各種工況下洞內氣體流動時雷諾數均大于臨界雷諾數,流動狀態為紊流［10],流體運動類型為非恒定流。可確定數學模型為標準的k-epsilon二方程紊流模型,其控制方程包括連續性方程、動量方程、k方程和epsilon方程。

邊界條件設定為:風管出風口為入口邊界(in1),類型為velocity-inlet,vx=19.397 m/s,vy=vz=0；風管送風口所在隧道斷面為出口邊界(out),類型為outflow；管壁及隧道內壁邊界類型均為wall,滿足無滑移條件。

2 施工通風流場分析及參數優化

2.1 通風流場特性分析

以第一種工況內模型(取上臺階長度L1=10 m)為對象進行模擬計算。經過后處理得到風流自管口至工作面的流速變化情況(取1條自管口中心垂直于掌子面的直線為觀測線),如圖6所示。

圖6 管口至上臺階掌子面的風速變化曲線

風流從管口射出后,軸心速度沿程減小,到達距上臺階掌子面5 m時射流方向偏移,圖6中x=20至x= 25段的曲線表示掌子面反向回流速度變化。

L1=10 m時,管口射流流場內速度分布情況如圖7所示(所取觀測面為z=3.5及y=-3.136 877)。由圖7(a)可見,風流從管口射出,上、右兩側受隧壁限制,表現為貼附射流［11],其余部分自由發展,不斷卷吸周圍空氣,流速由內向外逐漸減小,到達上臺階掌子面前一定距離流動方向開始偏移,部分風流開始沿偏移方向反向回流；部分到達掌子面,受壁面回彈作用向右側回流,偏移后的風流與掌子面回流相互作用在隧道內側形成渦流；附壁射流與回流的相互作用形成渦流。

由圖7(b)可見,風流從管口射出,受下臺階面空氣影響,射流斷面在風流行進15 m(臺階所在斷面)時達到最大,此時隧道空間突然縮小,射流無法繼續擴張,在隨后的5 m內逐漸縮小。射流卷吸下臺階前部分空氣,在狹小空間內形成渦流區。

綜上所述,臺階的存在改變了射流發展一般性,射流主體提前收縮,有效射程［12]減少,到達掌子面流量減小,通風效果受影響。

圖7 管口射流流場速度矢量圖

2.2 上臺階長度L1對流場特性的影響

為研究對掌子面進行壓入式通風時,上臺階開挖長度對局部通風流場特性的影響,分別對臺階長度參數L1取5、10、20、25、30、40、50 m的模型進行仿真實驗,7種情況下的管口射流流場如圖8所示(取截面z=3.5為管側面)。

由圖8可見,L1=5 m時,僅射流與回流區間存在渦流區A,射流充分發展至掌子面,L1=10 m時,射流方向在掌子面前一定距離開始發生偏移,與掌子面前回流作用形成第二個渦流區B,以L1=25 m為分界(此時風管管口與臺階在同一橫斷面上)發現:L1從10 m增大到25 m時,臺階面與管口相對距離逐漸減小,渦流區B逐漸增大；L1從30 m增大到50 m時,臺階面與管口相對距離逐漸增大,渦流區B范圍變化幅度小,但總體表現為逐漸減小。

綜上所述,在風管管口位置不變情況下,當臺階長度小于管口至掌子面距離時,上臺階長度越短,射流有效射程越大,各渦流區域覆蓋范圍越小；當臺階長度大于管口至掌子面距離時,臺階長度的增大對射流有效射程影響越來越小。

圖8 上臺階管口射流流場（截面z=3.5)

2.3 風管出風口至掌子面距離L2對流場的影響

當上臺階開挖長度一定時,風管出風口與掌子面的距離L2是影響通風效果的重要因素,此處對參數L2分別取5、10、15、20、25 m的模型進行模擬仿真,圖9為5種工況下管口中心點至掌子面的流速變化曲線(各曲線起點均為相應工況下管口中心點x坐標)。

圖9 不同距離下管口至工作面風速變化曲線

由圖9可見,在相同的入口速度條件下,距離上臺階掌子面越近,管口射流流速變化梯度越大,當L2= 20 m時,射流已無法以直線行進至掌子面,在到達距掌子面約7 m時方向發生偏移,L2越大,射流偏移直線行進越早,有效射程越短,對掌子面沖擊效果越弱。

圖10為管口至掌子面不同距離下流場內各個區域大小變化情況(分別取截面z=3.5為觀測面)。由圖10可見,當L2=5 m時,回流受管口射流影響較小,到達下臺階面時與周圍空氣相互作用,在臺階面前產生渦流區。隨著L2逐漸增大,下臺階至隧道出口區段內受管口射流所卷吸風量逐漸增大,射流衰減幅度增大,越早偏離直線方向行進,在掌子面前所形成的渦流區范圍也隨之增大。

總之,管口與掌子面距離過大,與下臺階面相對距離過小,回流及臺階面前空氣易被射流所卷吸,產生污風循環；管口與臺階面相對距離過大,易造成下臺階面前渦流產生,污染空氣發生積聚,無法沖散。

圖10 在不同L2下管口射流流場（截面z=3.5)

綜上所述,在上臺階開挖長度改變困難時,應盡量使風管管口靠近掌子面,但距離不宜過短,以5～10 m最佳,此時管口與下臺階面相對距離為(1/2～1/4) L1,對于上下斷面通風效果均有改善。

2.4 風管布設形式對流場的影響

在以上研究基礎上,進一步分析風管布設形式對流場的影響,對臺階法施工中通風系統參數設計進行進一步優化。令L1=20 m,L2=15 m,分別對5種典型布設形式的模型進行模擬仿真,經后處理得到風管在5種不同的布置形式下管口風流軸向速度變化曲線,如圖11所示。

圖11 風管在不同布設形式射流速度變化曲線

將布設位置分為兩類分別進行比較,A類為過隧道中線縱斷面布設(拱頂、中央、中心線貼上臺階底面)；B類為沿隧道邊墻布設(側壁、拐角)。由圖11可見,A類中3條曲線變化趨勢相近,射流從管口射出,以一定幅度減速行進,到達掌子面一定距離時,速度降幅增大,沖擊掌子面。從3條曲線的變化情況可知,風管與壁面的貼近度越大,射流到達掌子面時的速度梯度越大,沖擊作用越強。其中風管布設在拱頂時的作用效果最明顯,而沿中央布設時效果最差。同樣,B類中2條曲線變化趨勢與A類相比在射流初期速度略大,但發展到一定階段,速度下降速率增大,衰減加快,尤其是沿拐角布設時,射流到達掌子面2 m時已向左偏移,與掌子面回流相互作用在隧道右側角形成小渦流區。

圖12為改變上臺階掌子面通風風管布設位置時下臺階面風速變化曲線(取臺階面前1 m處y方向上直線進行速度監測)。由圖12(a)可見,A類布設位置中,風管沿中心線貼上臺階底面布設時正向沖擊速度與反向回流速度均較大,對下臺階面的沖擊力最強、回流也最快,沿拱頂布設次之,沿中央布設最弱。由圖12(b)可見,B類布設位置中,風管沿側壁布設時,正向沖擊速度與反向回流速度差較大,對下臺階面沖擊力作用最強,沿拐角布設次之。

圖12 風管在不同布設形式下下臺階面風速變化曲線

綜合考慮上下斷面污風排出效果,A、B兩類中較優布設位置分別為沿拱頂及沿側壁布設。進一步將上述2種布設形式下的隧道內斷面平均風速變化曲線相比較,如圖13所示。2種布設形式下隧道出口斷面平均風速值均為0.59 m/s,但在x=20至掌子面區段上,沿側壁布設時斷面平均風速均大于沿拱頂布設時的速度值。實際施工中,為提高通風效率,減少通風時間,以沿側壁布設較佳。

圖13 風管兩種布設位置下斷面平均風速變化曲線

3 結論

(1)臺階法施工隧道中壓入式通風流場有一定特殊性,射流發展一般性受臺階面影響,射流主體提前收縮,有效射程減少,到達掌子面流量減小。

(2)在風管管口位置不變情況下,當臺階長度小于管口至掌子面距離時,上臺階長度越短,射流有效射程越大,各渦流區域覆蓋范圍越小；當臺階長度大于管口至掌子面距離時,臺階長度的增大對射流有效射程影響越來越小。

(3)在上臺階長度不變情況下,管口與掌子面距離過大,與下臺階面相對距離過小,回流及臺階面前空氣易被射流所卷吸,產生污風循環；管口與臺階面相對距離過大,易造成下臺階面前渦流產生,污染空氣發生積聚,無法沖散。實際施工中,綜合考慮掌子面與下臺階面通風效果,管口至掌子面距離在5～10 m最佳,此時管口與下臺階面相對距離為(1/2～3/4)L1。

(4)在上臺階長度及管口至上臺階掌子面距離不變情況下,沿側壁布設風管對于改善通風效果更佳。

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Effect Analysis and Parameter OPtimization of Forced Ventilation during Tunneling

PENG Pei1,FANG Yong1,2,ZHOU Chao-yue1,2,CHEN Xian-guo3
(1.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China；2.Ministry of Education's Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China；3.Sichuan Road and Bridge Group Co.,Ltd.,Chengdu 610031；China)

To analyze the effect of forced ventilation during tunnel construction by bench-cut method,and to put forward relevant measures of parameter optimization,a three-dimensional model of the tunnel was established and numerical simulation was carried out by means of fluid mechanics software Fluent. Meanwhile,the flow field characteristics were respectively compared with each other when there were different excavation lengths and different air pipe arrangement at the upper bench.And then the ventilation system's various parameters,which have influences on the ventilation result,were analyzed. The simulation results show that:(a)It is the existence of the benches that cause the change of the general pattern of jet flow development,that result in the contraction of main jet flow ahead of time,and that result in a decreasing of effective jet range.(b)The shorter the length of the upper bench is,the larger the effective jet range will be,and also the smaller the coverage range of eddy zone will be.(c) There will be the best ventilation effect if not only the air duct is placed along the side wall but also the distance from the pipe orifice to the working face is within the range of five to ten meters.

highway tunnel；bench-cut method；forced ventilation；numerical simulation；parameter optimization

TU834.3+2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.024

1004-2954(2014)07-0102-05

2013-11-06；

2013-11-22

彭 佩(1990―),女,碩士研究生,E-mail:365228621@ qq.com。