長大山嶺瓦斯隧道施工通風(fēng)影響下瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律探究

蔣小平 張軍 韓正 劉磊

（四川路航建設(shè)工程有限責(zé)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(xiàn)，隧道施工通風(fēng)難度日益增大[1][2]。隧道中賦存瓦斯等有害氣體，嚴(yán)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(shí)瓦斯的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律[3][4]。本文依托五指山瓦斯隧道實(shí)際施工通風(fēng)方案，結(jié)合數(shù)值模擬分析，比較了單一壓入式通風(fēng)和輔以射流風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)兩種通風(fēng)方案下的隧道風(fēng)流場和瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律，研究成果可以為山嶺隧道的瓦斯監(jiān)測方案設(shè)計(jì)、施工通風(fēng)方案提供有益借鑒。

二、通風(fēng)影響下的瓦斯擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)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(wǎng)規(guī)劃的G42滬蓉高速公路成都至麗江聯(lián)絡(luò)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(biāo)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(shè)計(jì)，隧道出口段包括6條車行橫通道、7條人行橫通道。隧址區(qū)域巖體主要以灰色粉砂質(zhì)泥巖、灰白色細(xì)（粉）砂巖互層為主及少量炭質(zhì)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(jù)《公路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)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(qū)段為高瓦斯工區(qū)。

（二）數(shù)值模型建立

為了盡可能地反映真實(shí)的瓦斯擴(kuò)散運(yùn)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(fēng)條件下瓦斯擴(kuò)散運(yùn)移；風(fēng)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(fēng)機(jī)分別設(shè)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(jì)算參數(shù)設(shè)定

本文假設(shè)隧道內(nèi)氣體為不可壓縮的黏性紊流，采用隱式算法進(jìn)行非耦合求解，求解參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 模型參數(shù)表

根據(jù)施工隧道通風(fēng)的實(shí)際情況，邊界條件設(shè)置如下：

進(jìn)口邊界：通風(fēng)管口和風(fēng)機(jī)均選用速度入口（Velocity inlet），風(fēng)流方向設(shè)置為風(fēng)筒出口法向正方向。根據(jù)依托工程具體情況，通風(fēng)管口風(fēng)速大小設(shè)置為19.45m/s，新鮮空氣中氧氣含量為21%，風(fēng)機(jī)噴流風(fēng)速大小為26.2 m/s；

出口邊界：設(shè)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(shè)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(xiàng)：設(shè)立源項(xiàng)（source）來模擬隧道瓦斯涌出情況，并在建模時(shí)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(jù)工程實(shí)際計(jì)算得到其單元源項(xiàng)S=0.012kg/(m3·s-1)。

圖2 不同通風(fēng)時(shí)刻下掌子面的瓦斯?jié)舛仍茍D

（四）瓦斯擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛群退淼里L(fēng)流流場緊密相連，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛葓龊屯咚沟南♂尦潭榷紩艿斤L(fēng)流流場的影響，根據(jù)隧道內(nèi)有無射流風(fēng)機(jī)的風(fēng)流流場情況，分析實(shí)際工況的瓦斯?jié)舛取?/p>

1.單一式壓入通風(fēng)下的瓦斯?jié)舛确治?/p>

單一壓入式通風(fēng)條件下，不同通風(fēng)時(shí)刻的隧道掌子面瓦斯?jié)舛确植既鐖D2所示，左、右線隧道掌子面瓦斯?jié)舛确植蓟鞠嗤Ｔ谇?0s內(nèi)，因隧道掌子面瓦斯不斷涌出，而風(fēng)管出口的風(fēng)流并未抵達(dá)掌子面，故而瓦斯?jié)舛炔粩嘣龃螅敝吝_(dá)到峰值，此時(shí)掌子面瓦斯局部濃度達(dá)1.5%。伴隨新鮮風(fēng)流的進(jìn)入，稀釋了掌子面瓦斯，瓦斯?jié)舛葟耐L(fēng)30s時(shí)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?jié)舛确植稼呌诜€(wěn)定，局部最大瓦斯?jié)舛燃s為1.1%，平均瓦斯?jié)舛燃s為0.32%。

由于通風(fēng)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(xù)通風(fēng)，瓦斯逐漸與隧道內(nèi)空氣混合，掌子面處瓦斯?jié)舛炔粩鄿p小，瓦斯分布不均勻程度逐漸增大。同時(shí)瓦斯被吹向底板和遠(yuǎn)離風(fēng)筒的一側(cè)，因此正對著風(fēng)管出口的掌子面區(qū)域內(nèi)瓦斯含量較低，掌子面處靠近風(fēng)管側(cè)壁的瓦斯?jié)舛纫黠@比遠(yuǎn)離風(fēng)管的一側(cè)壁掌子面區(qū)域瓦斯?jié)舛鹊汀Ｔ谕L(fēng)1min后，掌子面的瓦斯?jié)舛确植紳u漸趨于穩(wěn)定。另外，由圖2可知整個(gè)掌子面瓦斯?jié)舛认鄬^高的區(qū)域?yàn)檫h(yuǎn)離風(fēng)管一側(cè)的隧道墻腳區(qū)域，所以施工中應(yīng)該加強(qiáng)對該區(qū)域的瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測。

結(jié)合隧道內(nèi)風(fēng)流速度矢量分布如圖3所示，隨著風(fēng)流的噴流、回流，以及卷吸等作用影響，瓦斯在渦流區(qū)的濃度明顯稍高于周圍區(qū)域，雖然隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，瓦斯?jié)舛戎饾u降低，但該區(qū)域仍然是瓦斯?jié)舛确逯挡课弧５蝻L(fēng)管出口噴出風(fēng)流帶走隧道靠近風(fēng)管一側(cè)的瓦斯，使得靠近風(fēng)管隧道一側(cè)的瓦斯?jié)舛纫琅f低于遠(yuǎn)離風(fēng)管一側(cè)。而另一部分瓦斯繼續(xù)向隧道口擴(kuò)散，在通風(fēng)10min～20min時(shí)，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?jié)舛瘸霈F(xiàn)略微上升，直到30min～40min時(shí)，整個(gè)隧道的瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定，并開始逐漸向隧道外排出，其穩(wěn)定濃度約為0.16%。

圖3 不同通風(fēng)時(shí)刻下右線隧道瓦斯?jié)舛确植记€

2.輔以射流風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)下的瓦斯?jié)舛确治?/p>

輔以射流風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)條件下，不同通風(fēng)時(shí)刻的隧道掌子面瓦斯?jié)舛确植既鐖D4所示。

圖4 不同通風(fēng)時(shí)刻下掌子面的瓦斯?jié)舛仍茍D

由圖4可知，在設(shè)置了射流風(fēng)機(jī)之后，左、右線隧道掌子面瓦斯?jié)舛确植寂c不設(shè)射流風(fēng)機(jī)基本相同。首先，因隧道掌子面瓦斯不斷涌出，而風(fēng)管出口的風(fēng)流并未抵達(dá)掌子面，故而在前10s內(nèi)瓦斯?jié)舛戎饾u增大，直至達(dá)到峰值，此時(shí)掌子面瓦斯局部濃度達(dá)1.5%。隨著新鮮風(fēng)流的到來稀釋了掌子面的瓦斯?jié)舛龋陲L(fēng)流還未充分到達(dá)時(shí)，由于射流風(fēng)機(jī)的卷吸作用，掌子面的瓦斯?jié)舛仍谏淞黠L(fēng)機(jī)對應(yīng)位置小于周圍。通風(fēng)30s后，掌子面瓦斯?jié)舛乳_始下降，高濃度瓦斯的范圍逐漸減小，此后掌子面瓦斯?jié)舛确植稼呌诜€(wěn)定，局部最大瓦斯?jié)舛燃s為1.1%，平均濃度約為0.31%。此外，穩(wěn)定后掌子面瓦斯?jié)舛确植寂c單一式壓入通風(fēng)時(shí)掌子面的瓦斯?jié)舛确植蓟疽恢拢咚瓜鄬^高的區(qū)域均在遠(yuǎn)離風(fēng)管一側(cè)的隧道墻腳區(qū)域，所以施工中應(yīng)該加強(qiáng)對這個(gè)區(qū)域的瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測。

圖5為隧道右線在不同通風(fēng)時(shí)間下的瓦斯?jié)舛确植记€圖。結(jié)合圖2～圖5可知，在風(fēng)流的噴流、回流和風(fēng)管及射流風(fēng)機(jī)的卷吸等作用下，在渦流區(qū)的瓦斯?jié)舛让黠@更高，雖然該區(qū)域瓦斯?jié)舛葧S時(shí)間而逐漸降低，但該區(qū)域仍是瓦斯?jié)舛鹊姆逯挡课弧ｏL(fēng)管出口噴出的風(fēng)流帶走隧道靠近風(fēng)管一側(cè)的瓦斯，使得靠近風(fēng)管隧道一側(cè)的瓦斯?jié)舛热匀坏陀谶h(yuǎn)離風(fēng)管的隧道一側(cè)。而另一部分瓦斯繼續(xù)向隧道口進(jìn)行擴(kuò)散，在經(jīng)過射流風(fēng)機(jī)時(shí)，瓦斯受到射流風(fēng)機(jī)作用，擴(kuò)散速度加快，隧道瓦斯?jié)舛让黠@下降，由0.16%下降到0.065%。在通風(fēng)10min～20min時(shí)，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?jié)舛瘸霈F(xiàn)略微上升，同時(shí)由于橫通道的射流風(fēng)機(jī)作用，在橫通道區(qū)域的瓦斯?jié)舛仍俅蜗陆档?.048%。到30 min～40min時(shí)，整個(gè)隧道的瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定，并開始逐漸向外隧道外排出，受射流風(fēng)機(jī)作用，隧道瓦斯?jié)舛仍俅蜗陆担€(wěn)定狀態(tài)的瓦斯?jié)舛葹?.03%。

圖5 不同通風(fēng)時(shí)刻下右線隧道瓦斯?jié)舛确植记€

三、結(jié)語

本文結(jié)合五指山瓦斯隧道工程的實(shí)際通風(fēng)方案，針對其瓦斯隧道施工過程中的風(fēng)流流場、瓦斯?jié)舛确植肌⑼咚惯\(yùn)移規(guī)律選取FLUENT數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了探究分析，主要結(jié)論如下：

壓入式隧道的通風(fēng)風(fēng)流具有顯著的附壁噴流、碰壁回流等特點(diǎn)，且回流區(qū)大于噴流區(qū)。

左、右線隧道掌子面瓦斯?jié)舛龋趩我粔喝胧酵L(fēng)與壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)時(shí)基本相同；掌子面瓦斯主要集中在遠(yuǎn)離風(fēng)管一側(cè)的隧道墻腳區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)對該區(qū)瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測。

壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)的方式對瓦斯運(yùn)動(dòng)規(guī)律有顯著影響；不設(shè)置射流風(fēng)機(jī)時(shí)，通風(fēng)30min～40min瓦斯充滿整個(gè)隧道，穩(wěn)定狀態(tài)的瓦斯?jié)舛葹?.16%；而設(shè)置射流風(fēng)機(jī)時(shí)，經(jīng)過三次射流風(fēng)機(jī)作用，整個(gè)隧道穩(wěn)定狀態(tài)的瓦斯?jié)舛冉档椭?.03%。