長大山嶺瓦斯隧道施工通風影響下瓦斯運移擴散規律探究

蔣小平 張軍 韓正 劉磊

（四川路航建設工程有限責任公司一分公司，四川 成都 610039）

一、引言

近年來，隨著我國各類長大隧道大量涌現，隧道施工通風難度日益增大[1][2]。隧道中賦存瓦斯等有害氣體，嚴重威脅施工人員的人身安全，因此有必要探究在隧道施工時瓦斯的運移擴散規律[3][4]。本文依托五指山瓦斯隧道實際施工通風方案，結合數值模擬分析，比較了單一壓入式通風和輔以射流風機壓入式通風兩種通風方案下的隧道風流場和瓦斯運移擴散規律，研究成果可以為山嶺隧道的瓦斯監測方案設計、施工通風方案提供有益借鑒。

二、通風影響下的瓦斯擴散運移規律探究

（一）工程概況

四川省仁壽至屏山新市公路是國家高速公路網規劃的G42滬蓉高速公路成都至麗江聯絡線的重要組成部分，主線長158.029km，馬邊支線長43.799km，路線全長201.828km，其中五指山瓦斯隧道為該標段的控制性工程。五指山瓦斯隧道為雙向四車道高速公路隧道，左線全長9392m，右線全長9405m，按單洞分離式設計，隧道出口段包括6條車行橫通道、7條人行橫通道。隧址區域巖體主要以灰色粉砂質泥巖、灰白色細（粉）砂巖互層為主及少量炭質頁巖（煤線、層）組成。五指山隧道左線出口絕對瓦斯涌出量為1.892m3/min，絕對二氧化碳涌出量為0.568m3/min；右線出口絕對瓦斯涌出量為1.949m3/min，絕對二氧化碳涌出量為0.533m3/min。根據《公路瓦斯隧道技術規程》（DB51/T 2243-2016）判定五指山瓦斯隧道左線出口洞口至掌子面（里程樁號ZK140+683）及右線出口洞口至掌子面（里程樁號K140+601）的施工區段為高瓦斯工區。

（二）數值模型建立

為了盡可能地反映真實的瓦斯擴散運移情況，本文建立了從掌子面到洞口的隧道幾何模型（總長2100m），如圖1所示。其中橫通道距掌子面720m，模擬了施工通風條件下瓦斯擴散運移；風管直徑取為1.8m，距掌子面5m，懸掛在拱肩；二襯臺車距掌子面90m，射流風機分別設置于二襯模筑臺車前方20m，以及橫通道中間位置。

圖1 三維幾何模型圖

（三）計算參數設定

本文假設隧道內氣體為不可壓縮的黏性紊流，采用隱式算法進行非耦合求解，求解參數設置如表1所示。

表1 模型參數表

根據施工隧道通風的實際情況，邊界條件設置如下：

進口邊界：通風管口和風機均選用速度入口（Velocity inlet），風流方向設置為風筒出口法向正方向。根據依托工程具體情況，通風管口風速大小設置為19.45m/s，新鮮空氣中氧氣含量為21%，風機噴流風速大小為26.2 m/s；

出口邊界：設置壓力出口（Pressure outlet）為隧道出口的邊界，相對壓力為0Pa；

壁面邊界：設置固定壁面為隧道的所有壁面（Wall），并視作絕熱，邊界條件為無滑移；

瓦斯源項：設立源項（source）來模擬隧道瓦斯涌出情況，并在建模時將距掌子面很近的一部分厚度為0.1m氣體層作為瓦斯源，根據工程實際計算得到其單元源項S=0.012kg/(m3·s-1)。

圖2 不同通風時刻下掌子面的瓦斯濃度云圖

（四）瓦斯擴散數值模擬研究

隧道內瓦斯濃度和隧道風流流場緊密相連，隧道內瓦斯濃度場和瓦斯的稀釋程度都會受到風流流場的影響，根據隧道內有無射流風機的風流流場情況，分析實際工況的瓦斯濃度。

1.單一式壓入通風下的瓦斯濃度分析

單一壓入式通風條件下，不同通風時刻的隧道掌子面瓦斯濃度分布如圖2所示，左、右線隧道掌子面瓦斯濃度分布基本相同。在前10s內，因隧道掌子面瓦斯不斷涌出，而風管出口的風流并未抵達掌子面，故而瓦斯濃度不斷增大，直至達到峰值，此時掌子面瓦斯局部濃度達1.5%。伴隨新鮮風流的進入，稀釋了掌子面瓦斯，瓦斯濃度從通風30s時開始逐步降低。掌子面瓦斯高濃度的范圍逐漸減小，此后掌子面瓦斯濃度分布趨于穩定，局部最大瓦斯濃度約為1.1%，平均瓦斯濃度約為0.32%。

由于通風的噴流和卷吸作用，使得掌子面處瓦斯的濃度分布不均。隨著持續通風，瓦斯逐漸與隧道內空氣混合，掌子面處瓦斯濃度不斷減小，瓦斯分布不均勻程度逐漸增大。同時瓦斯被吹向底板和遠離風筒的一側，因此正對著風管出口的掌子面區域內瓦斯含量較低，掌子面處靠近風管側壁的瓦斯濃度要明顯比遠離風管的一側壁掌子面區域瓦斯濃度低。在通風1min后，掌子面的瓦斯濃度分布漸漸趨于穩定。另外，由圖2可知整個掌子面瓦斯濃度相對較高的區域為遠離風管一側的隧道墻腳區域，所以施工中應該加強對該區域的瓦斯濃度的監測。

結合隧道內風流速度矢量分布如圖3所示，隨著風流的噴流、回流，以及卷吸等作用影響，瓦斯在渦流區的濃度明顯稍高于周圍區域，雖然隨著通風時間的增加，瓦斯濃度逐漸降低，但該區域仍然是瓦斯濃度峰值部位。但因風管出口噴出風流帶走隧道靠近風管一側的瓦斯，使得靠近風管隧道一側的瓦斯濃度依舊低于遠離風管一側。而另一部分瓦斯繼續向隧道口擴散，在通風10min～20min時，左線隧道的瓦斯通過橫通道匯入右線隧道，橫通道與右線隧道連接處斷面的瓦斯濃度出現略微上升，直到30min～40min時，整個隧道的瓦斯濃度趨于穩定，并開始逐漸向隧道外排出，其穩定濃度約為0.16%。

圖3 不同通風時刻下右線隧道瓦斯濃度分布曲線

2.輔以射流風機壓入式通風下的瓦斯濃度分析

輔以射流風機壓入式通風條件下，不同通風時刻的隧道掌子面瓦斯濃度分布如圖4所示。

圖4 不同通風時刻下掌子面的瓦斯濃度云圖

由圖4可知，在設置了射流風機之后，左、右線隧道掌子面瓦斯濃度分布與不設射流風機基本相同。首先，因隧道掌子面瓦斯不斷涌出，而風管出口的風流并未抵達掌子面，故而在前10s內瓦斯濃度逐漸增大，直至達到峰值，此時掌子面瓦斯局部濃度達1.5%。隨著新鮮風流的到來稀釋了掌子面的瓦斯濃度，在風流還未充分到達時，由于射流風機的卷吸作用，掌子面的瓦斯濃度在射流風機對應位置小于周圍。通風30s后，掌子面瓦斯濃度開始下降，高濃度瓦斯的范圍逐漸減小，此后掌子面瓦斯濃度分布趨于穩定，局部最大瓦斯濃度約為1.1%，平均濃度約為0.31%。此外，穩定后掌子面瓦斯濃度分布與單一式壓入通風時掌子面的瓦斯濃度分布基本一致，瓦斯相對較高的區域均在遠離風管一側的隧道墻腳區域，所以施工中應該加強對這個區域的瓦斯濃度的監測。

圖5為隧道右線在不同通風時間下的瓦斯濃度分布曲線圖。結合圖2～圖5可知，在風流的噴流、回流和風管及射流風機的卷吸等作用下，在渦流區的瓦斯濃度明顯更高，雖然該區域瓦斯濃度會隨時間而逐漸降低，但該區域仍是瓦斯濃度的峰值部位。風管出口噴出的風流帶走隧道靠近風管一側的瓦斯，使得靠近風管隧道一側的瓦斯濃度仍然低于遠離風管的隧道一側。而另一部分瓦斯繼續向隧道口進行擴散，在經過射流風機時，瓦斯受到射流風機作用，擴散速度加快，隧道瓦斯濃度明顯下降，由0.16%下降到0.065%。在通風10min～20min時，左線隧道的瓦斯通過橫通道匯入右線隧道，橫通道與右線隧道連接處斷面的瓦斯濃度出現略微上升，同時由于橫通道的射流風機作用，在橫通道區域的瓦斯濃度再次下降到0.048%。到30 min～40min時，整個隧道的瓦斯濃度趨于穩定，并開始逐漸向外隧道外排出，受射流風機作用，隧道瓦斯濃度再次下降，穩定狀態的瓦斯濃度為0.03%。

圖5 不同通風時刻下右線隧道瓦斯濃度分布曲線

三、結語

本文結合五指山瓦斯隧道工程的實際通風方案，針對其瓦斯隧道施工過程中的風流流場、瓦斯濃度分布、瓦斯運移規律選取FLUENT數值模擬軟件進行了探究分析，主要結論如下：

壓入式隧道的通風風流具有顯著的附壁噴流、碰壁回流等特點，且回流區大于噴流區。

左、右線隧道掌子面瓦斯濃度，在單一壓入式通風與壓入式通風輔以射流風機時基本相同；掌子面瓦斯主要集中在遠離風管一側的隧道墻腳區域，應加強對該區瓦斯濃度的監測。

壓入式通風輔以射流風機的方式對瓦斯運動規律有顯著影響；不設置射流風機時，通風30min～40min瓦斯充滿整個隧道，穩定狀態的瓦斯濃度為0.16%；而設置射流風機時，經過三次射流風機作用，整個隧道穩定狀態的瓦斯濃度降低至0.03%。