隧道掌子面施工風管布設方式對稀釋瓦斯效果影響研究

張云龍，郭　春，徐建峰，孫志濤

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都　610031；2.西南交通大學土木工程學院，成都　610031)

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隧道掌子面施工風管布設方式對稀釋瓦斯效果影響研究

張云龍1，2，郭春1，2，徐建峰1，2，孫志濤1，2

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都610031；2.西南交通大學土木工程學院，成都610031)

以成貴鐵路白楊林隧道為研究對象，對瓦斯隧道施工壓入式通風效果進行分析，利用CFD流體動力學軟件，建立模型并進行數值模擬計算，得到不同風管出口距掌子面距離下，隧道內風速流場和瓦斯濃度的分布規律，并與現場測試數據進行對比，優化流場分布，減少瓦斯在掌子面附近積聚的現象。計算結果表明：一定風速條件下，風管末端距掌子面距離直接影響施工通風效果和掌子面瓦斯濃度分布。風管末端距離掌子面越大，稀釋瓦斯效果越差，掌子面瓦斯積聚現象越嚴重。單側風管通風情況下，掌子面瓦斯穩定濃度為0.07%，瓦斯濃度隨風管末端距掌子面的增加而升高。根據白楊林隧道瓦斯溢出和施工通風情況，得出其風管末端距掌子面距離為13m可使瓦斯不形成聚集，保證施工安全。

瓦斯隧道；施工通風；CFD；通風優化；鐵路隧道

隨著我國隧道數量的增多，隧道穿越的地質條件也越來越復雜，隧道穿越煤系地層和瓦斯富含區時，常常伴有瓦斯溢出的現象。截止2009年，我國已經是世界上隧道和地下工程最多、最復雜、今后發展最快的國家[1]。2000年至今，我國共修建瓦斯隧道70多座，其中半數以上為高瓦斯隧道，為復雜環境下瓦斯隧道的修建積累了寶貴經驗[2]。施工通風是瓦斯隧道修建過程中的重要部分，國內外學者對此展開了一系列的研究，研究均認為施工通風風速、通風量等是影響瓦斯隧道施工通風安全的重要因素[3-15]。但針對具體瓦斯隧道施工過程中，施工通風風管位置布設、風管出口距掌子面距離等相關內容，并無詳細研究。

根據白楊林瓦斯隧道實際施工通風狀況建立數值模擬模型，研究其在不同通風距離下隧道內部流場的變化情況和瓦斯濃度的分布，依據現場實測與數值模擬的對比，優化隧道施工通風設計，減少瓦斯積聚現象，提高通風效果，為瓦斯隧道的施工通風技術提供一定的參考。

1　工程概況

成貴鐵路白楊林隧道起訖里程為：DK473+030～DK474+810，全長1780 m。隧道進口270 m為平坡，其余為25‰的單面上坡。隧道最大埋深約206 m。隧道以Ⅳ級、Ⅴ級圍巖為主，占隧道長度78.6%，其次為Ⅲ級圍巖，占隧道長度21.4%。隧道高10.6 m，最大寬度12.9 m，隧道斷面積為111.6 m2。隧道DK473+600～DK474+420段為高瓦斯工區，其余地段為低瓦斯工區，斷層帶及泥巖頂板等附近也有瓦斯聚集的可能性。根據現場測試資料，白楊林隧道瓦斯涌出量為4.55 m3/min，涌出量較小。

隧道出口設置2臺132 kW的軸流通風機進行壓入式通風，1臺正常工作，1臺備用，輔以局部風扇防止瓦斯積聚，風管采用抗靜電、阻燃風管。進入隧道的風機及配套設施均采取防爆型。風管直徑1.8 m，布置形式如圖1所示。

圖1　現場通風設施布置(單位：m)

2　現場測試

為了解白楊林隧道現場施工通風及瓦斯情況，對白楊林隧道進行為期7 d的現場測試。

2.1測試內容

測試內容主要包括風速測試和瓦斯濃度測試。

(1)風速測試：風管末端風速、回風風速。

(2)瓦斯濃度測試：掌子面瓦斯濃度、掌子面附近30 m處瓦斯濃度、拱頂瓦斯濃度、拱頂兩側瓦斯濃度。

2.2測試儀器

風速測試主要采用壓差計連接皮托管測試測點的風速，如圖2(a)所示。主要參數見表1。

表1　壓差計測試參數

瓦斯濃度測試采用光干涉式甲烷濃度測試器，分為低濃度測試器與高濃度測試器2種，低濃度測試器主要測試10%以內的甲烷濃度，高濃度測試器主要測試10%以上的甲烷濃度。如圖2(b)所示。

圖2　測試儀器

2.3測試結果

現場測試時隧道內風管懸掛于隧道左側拱肩位置，風管末端距離掌子面為5 m。

(1)風速測試結果(表2)

表2　風速測試結果　m/s

(2)瓦斯濃度測試結果

拱頂測試結果主要由白楊林隧道瓦斯監測系統監測，監測點位于掌子面前方2.5 m處，分別懸掛于拱頂和拱頂兩側，掌子面瓦斯濃度主要由人工監測獲得。現場監測情況如圖3所示。監測數據如表3、表4所示。

圖3　現場測試情況

距離/m瓦斯濃度/%距離/m瓦斯濃度/%00.13160.0640.04200.0780.05250.07120.06300.07

表4　拱頂拱腰瓦斯監控

從監測結果可以看出，白楊林隧道施工通風效果良好，掌子面附近沒有發生瓦斯積聚的現象，風速滿足規范要求。瓦斯分布表現出一定的區域性特點，距離掌子面越來越遠，瓦斯出現先急劇降低后緩慢增加的趨勢。拱頂瓦斯濃度比右側略高，與左側相差較大，瓦斯分布呈現出明顯的右側高，左側低的分布趨勢。

3　瓦斯隧道施工通風數值模型建立

3.1數值計算模型

利用Fluent前處理模塊Gambit進行模型的建立，依托白楊林隧道實際斷面尺寸，建立三維模型，模型長度取80 m。通過改變風管末端距掌子面之間的距離L，研究隧道縱向和橫向之間的風速流場變化及瓦斯濃度分布。模型斷面形式如圖4所示。

圖4　隧道橫斷面

對上述模型采用非結構網格劃分，網格采用四面體與六面體混合Copper劃分，劃分結果最大歪斜率為0.8，小于0.99，網格質量良好。網格劃分模型如圖5所示。

圖5　隧道模型網格劃分

3.2數學模型

隧道施工通風中風速較低，風速變化平緩，通風計算中視作不可壓縮紊流處理，對于一般的紊流模型，標準k-ε模型具有較高的穩定性、經濟性和計算精度，適合較高雷諾數湍流。其張量形式主要如下。

(1)質量守恒方程

(1)

(2)動量守恒方程

(2)

(3)能量守恒方程

(3)

(4)湍流動能k方程

(4)

(5)湍流動能耗散率ε方程

(5)

(6)濃度擴散方程

(6)

式中，vi(1，2，3)為速度矢量；P、T分別為空氣壓力和溫度；ρ、μ分別為空氣密度和層流黏度；k、Γ分別為溫度擴散系數和濃度擴散系數；Si、ST、SC分別為動量守恒方程、能量守恒方程和濃度擴散方程的源項；C1ε、C2ε、C3ε、Cμ、σε、σk均為湍流項經驗常數。

3.3邊界條件

模型計算域取80 m，不考慮計算域外對風流場造成的影響，采用組分輸運模型，涉及到邊界條件如下。

(1)速度進口：設置風管風速為速度進口，風速方向為垂直風管末端方向，大小為8 m/s。

(2)壓力出口:設置隧道入口為壓力出口條件，工作壓力為0 Pa。

(3)壁面條件：隧道壁面與風管管壁的邊界類型均為壁面條件，且滿足無滑移條件。

(4)交界面：二襯處隧道斷面不同，為保證計算連續性，設置一對交界面。

(5)流體域：為模擬瓦斯從掌子面的釋放過程，設置掌子面厚度10 cm的區域為瓦斯釋放區域，質量流量與動量由區域大小與瓦斯釋放量確定。

3.4模擬工況

為了研究在不同通風長度下獨頭通風隧道內部風流流場以及瓦斯濃度的變化，特設置以下幾組工況：

掌子面距風管末端的距離為L，設置L=5 m、L=9 m、L=13 m、L=17 m、L=21 m 5組工況進行對比，其中現場施工通風L=5 m。

為定量研究不同位置處風速及瓦斯濃度的變化情況，在模型中設置監測面與監測點，如圖6所示。

圖6　監測位置的設置

4　瓦斯隧道施工通風數值模擬結果分析

4.1風速流場變化分析

風管末端距掌子面的距離影響風流流場在隧道內的分布。為優化施工通風效果，對不同工況下的風速分布進行研究。測點風速如圖7所示。

圖7　測點風速(L=9 m)

由圖7可以看出，掌子面5 m范圍內風速下降幅度很大，從5 m/s下降至1 m/s。之后風速下降緩慢，風速趨于穩定，穩定值在0.5 m/s左右。大部分測點在L>10 m后風速變化不大，說明回流區影響范圍在10 m左右。風流趨于穩定后，測點7、測點6位于速調右側，風速高于其他測點風速，說明隧道右側通風效果良好。

風流經風管末端流出后到達前方掌子面，流經掌子面時風速變小，風向改變，并與掌子面釋放出的瓦斯氣體混合后，形成回流，由隧道出口流出隧道。隧道縱向風速矢量圖如圖8所示。

圖8　隧道縱向風速矢量圖(x=4.3 m，L=9 m)

由圖8可以看出，風流在掌子面10 m范圍內形成回流區，風向為流向掌子面；回流區之后矢量圖中風向分布稀疏，主要受到右側回風風流的影響，風向背離掌子面。白楊林隧道風管懸掛于隧道左側，因此，回風風流主要表現在右側，右側通風良好。左側由于回流區的影響，回流區內通風效果良好，回流區外通風質量差。

測點4位于隧道左側風管附近，因此可根據測點4的速度變化(圖9)判定隧道左側通風效果。

圖9　測點4風速變化

由圖9可知，風管距掌子面的距離不同，測點4風速的變化規律也不同，L=5 m時，測點4掌子面風為3.7 m/s，且風速很快下降，距離掌子面7 m以后，速度趨于平穩；隨著L的增加，渦流區的影響范圍不斷擴大，在L=21 m時，測點4在掌子面的風速下降至2.7 m/s，風速下降較緩，距離掌子面21 m后，風速趨于平穩。因此，風速不變的情況下，適當增加風管末端至掌子面的距離是增加通風效果的有效措施。

4.2瓦斯濃度變化分析

為保證數值模擬的準確性，在掌子面附近20 m內測點3處進行現場瓦斯濃度測試。測試結果與數值模擬結果見圖10。

圖10顯示模擬值與現場實測值相差很小，濃度差值在0.01%左右，達到測量儀器的最小精度，瓦斯濃度變化趨勢相同。因此，可以證明數值模擬結果的有效性。

風管末端距掌子面的距離不同，瓦斯濃度分布相似，以L=9 m為例，掌子面附近30 m各測點瓦斯濃度變化如圖11所示。

由圖11可以看出，隨著距掌子面距離的增加，瓦斯濃度分布呈先減小后增大的趨勢，掌子面5 m范圍內，瓦斯濃度由0.15%降低到0.05%左右，下降幅度較大，L大于5 m時，瓦斯濃度逐漸增大，至30 m處趨于平穩，濃度為0.07%。圖11反映出瓦斯分布的規律，瓦斯濃度較大的區域主要分布在隧道的右側和上部，且距離掌子面越近，瓦斯濃度分布的不均勻性就越明顯。

圖12顯示了風管末端距掌子面距離下的瓦斯濃度變化。掌子面附近5 m內，瓦斯濃度變化趨勢相同。L越大，瓦斯濃度越高，瓦斯稀釋效果越不利。L=5 m時，瓦斯濃度最小，瓦斯濃度有0.069%，瓦斯稀釋效果最好；L=21 m時，瓦斯濃度最大，達到0.08%，瓦斯稀釋效果最差。距離掌子面距離大于30 m時，瓦斯濃度趨于均勻。

圖10　模擬值與實測值比較

圖11　掌子面30 m內測點瓦斯濃度

圖12　不同距離下測點3瓦斯濃度變化

隨著風管末端距掌子面距離的變化，瓦斯的上浮現象也明顯不同，監測z=50斷面處不同工況下瓦斯濃度分布情況。如圖13所示。

由圖13可知，L=5 m時，隧道右側風速較大，瓦斯濃度較大的區域主要表現在右側，L=17 m時，隧道內風速趨于均勻，瓦斯的上浮作用表現出來，瓦斯濃度較高的區域逐漸向隧道中上部擴散，影響范圍不斷增大，L=21 m時，由于隧道內橫向風流的影響，瓦斯濃度較高區域有向左側移動的趨勢。隨著L的增大，掌子面附近紊流區范圍擴大，強度減弱，風速減小，不足以使瓦斯與風流充分混合，瓦斯上浮積聚。因此，在隧道施工通風中，提高風管供風量和縮短風管距離掌子面的距離是解決瓦斯上浮現象的有效方法。

圖13　隧道橫向瓦斯分布

5　結論

針對白楊林瓦斯隧道壓入式施工通風方式，采用現場實測與數值模擬的方法，系統地研究了通風距離對于瓦斯隧道內風速流場分布和瓦斯濃度分布的變化規律，得出如下結論。

(1)風管懸掛于隧道單側時，風管側受到回流區的影響，通風效果較差。風管末端距掌子面距離越小，風管側通風效果越差。

(2)壓入式施工通風中，風管懸掛于隧道單側，瓦斯濃度在掌子面附近分布不均，表現為風管側濃度低于異側濃度，掌子面上部濃度大于下部濃度，高瓦斯區域集中于風管異側上部區域。隨著風管末端距離掌子面越來越遠，受渦流區影響，瓦斯濃度增加然后趨于平穩。穩定濃度約為0.07%。同一橫斷面下瓦斯濃度隨風管末端距掌子面的增加而升高。

(3)掌子面風速隨著風管末端距掌子面距離的增加而減小，同時掌子面附近渦流區強度減小，瓦斯與風流未能充分混合，并且由于瓦斯的上浮作用，瓦斯濃度較高區域出現在拱頂并有向左移動的趨勢。

(4)綜合上述通風效果影響分析，比較不同工況下施工通風效果，當風管末端距掌子面距離13 m時，渦流區影響范圍較大，瓦斯濃度不高，瓦斯上浮現象不明顯，施工通風效果較其他工況更優。因此，建議白楊林隧道在瓦斯施工通風過程中，風管末端距掌子面距離保持13 m。

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Research on the Effect of Air Duct Arrangement on Gas Dilution of Gas Tunnel

ZHANG Yun-long1，2, GUO Chun1，2, XU Jian-feng1，2, SUN Zhi-tao1，2

(1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Ministry of Education， Chengdu 610031， China; 2.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

With reference to Baiyanglin tunnel on Chengdu-Guiyang Railway， the pressed ventilation effect on gas tunnel construction is analyzed. The flow field and gas distribution law in different distances from the air duct outlet to the heading face are calculated with CED fluid dynamics software and model numerical simulation. The simulation results are compared with the field test values to optimize flow field and minimize gas accumulation at the heading face. The results indicate that the distance from air duct outlet to heading face imposes direct effect on the ventilation and gas distribution at certain wind speed. The gas diluting is getting less effective and the gas accumulation heavier at the heading face as the distance from air duct outlet to heading face increases. The gas concentration value is stable at 0.07% when the air duct is installed on only one side of the tunnel. The gas concentration increases with the increase of the distance from the air duct outlet to the heading face. According to the gas tunnel of Baiyanglin， it is concluded that where the distance is 13 m， there is no gas accumulation and normal construction is ensured．

Gas tunnel; Construction ventilation; CFD; Ventilation optimization; Railway tunnel

2015-12-17；

2016-01-11

國家自然科學基金(51478393)；四川省科技支撐計劃(2015GZ0244)；四川省教育廳資助科研項目(14SA0251，15SB0457)；四川省科技服務業示范項目(16FWSF0089)

張云龍(1991—)，男，碩士研究生，主要從事地下和隧道工程設計與研究工作，E-mail：zyl@my.swjtu.edu.cn。

郭春(1979—)，男，副教授，E-mail:guochun@swjtu.edu.cn。

1004-2954(2016)08-0095-05

U453.5

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.020