不同開挖方法對鐵路瓦斯隧道通風(fēng)效果的影響研究

關(guān)鍵詞：開挖方式；瓦斯隧道；數(shù)值模擬；隧道通風(fēng)

中圖分類號：U453.5 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）08-0075-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.08.013

Abstract： [Purposes] This paper aims to explore the influence of diffrent excavation methods on the ventilation effect of railway gas tunnel.[Methods] Based on the actual engineering，numerical simulation analysis of gas tunnel under different excavation methods is carried out using FLUENT software.[Findings]The simulationresults show that the ventilation effectof the tunnel excavated bythebench method is better than that of the tunnel excavated by the fullsection excavation method，which reduces the gas concentration in the tunnel and makes it reach a stable state.The stable value of gas concentration is （204號 0 . 1 5 % ，and the required ventilation time is shorter，which is 15Os ;when the tunnel is excavated by the step method，the distance required for the tunnel gas concentration to reach a stable value is shorter.The stable point of the gas concentration is located at 2O m from the working face，and the influence range of the eddy current is smaller.[Conclusions] When the construction conditions permit，the step excavation method can more effectively enhance the ventilation effect of the fan and effectively reduce the gas concentration in the tunnel.

Keywords： excavation method; gas tunnel; numerical simulation; tunnel ventilation

0 引言

況，特別是煤系地層或富含瓦斯的地段，隧道在穿越過程中會面臨瓦斯涌出的風(fēng)險，因此，建設(shè)隧道時確保施工通風(fēng)的有效性成了不可或缺的關(guān)鍵環(huán)在隧道建設(shè)過程中難免會遇到復(fù)雜的地質(zhì)情節(jié)。眾多學(xué)者針對瓦斯隧道施工中的通風(fēng)技術(shù)問題進行了研究，陳波1對特長瓦斯隧道工程施工通風(fēng)技術(shù)進行了探討，為瓦斯隧道通風(fēng)問題的解決提供一定的理論指導(dǎo)；王中岐等2結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究通風(fēng)對隧道瓦斯?jié)舛鹊挠绊懀l(fā)現(xiàn)隨著通風(fēng)時間的增加，瓦斯?jié)舛燃帮L(fēng)速在距離掌子面1 2 0 m 處達到穩(wěn)定；陳治宇等3使用FLUENT軟件進行數(shù)值模擬，揭示了在不同臺階長度和風(fēng)筒出風(fēng)口距掌子面距離及雙風(fēng)筒布設(shè)形式下，隧道掌子面及附近區(qū)域的通風(fēng)流場特征和瓦斯運移規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證；吳濤4以實際工程為例，研究了具體通風(fēng)方式，構(gòu)建了具備通風(fēng)參數(shù)檢測、通風(fēng)狀態(tài)監(jiān)控等多項功能的通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)；孫晉鋒等5在設(shè)計隧道通風(fēng)施工方案時引入隔斷壓入式通風(fēng)措施，設(shè)計出系統(tǒng)可靠、通風(fēng)效果好、經(jīng)濟性好的通風(fēng)方案；權(quán)曉甜等設(shè)計了一種盾構(gòu)施工隧道通風(fēng)稀釋涌入瓦斯氣體的模擬試驗系統(tǒng)。

目前，在瓦斯隧道施工通風(fēng)領(lǐng)域國內(nèi)外的研究主要聚焦于對單一影響因素的分析探討，而對于在不同開挖方式下的通風(fēng)效果的研究則相對較少。鑒于此，本研究依托工程實際，采用FLUENT軟件，對瓦斯隧道在兩種不同施工工況下進行通風(fēng)數(shù)值模擬研究。

1工程概況

本研究中的隧道位于四川省達州市通川區(qū)磐石鎮(zhèn)和達川區(qū)斌郎鎮(zhèn)之間，隧道長 4 1 3 6 m ，最大埋深約 3 6 0 m 。測區(qū)海拔為 3 5 0 ～ 7 4 0 m ，相對高差3 9 0 m ，自然坡度一般為 。隧道進口端地勢較平緩，出口段山勢陡緩相接。隧道進出口地表植被較好，大部分為喬木，測區(qū)交通條件較好，進出口都有鄉(xiāng)村道路與隧道口附近相通。隧址區(qū)下伏基巖為砂巖泥巖互層、砂巖夾泥巖、頁巖夾灰?guī)r、泥巖、炭質(zhì)頁巖夾煤。區(qū)域內(nèi)碳質(zhì)含量較多，具有一定的生烴能力。根據(jù)測試數(shù)據(jù)、計算結(jié)果及相關(guān)工程資料綜合分析結(jié)果，隧道為高瓦斯隧道，進口為低瓦斯工區(qū)，出口為高瓦斯工區(qū)。

2隧道所需風(fēng)量計算

隧道所需風(fēng)量按照以下5種方法分別計算，取其最大值設(shè)計通風(fēng)量，具體計算如下。

① 為保證作業(yè)人員的正常工作，瓦斯段每人每分鐘需要 的新鮮空氣，非瓦斯段每人每分鐘需要 的新鮮空氣，供風(fēng)量按隧道內(nèi)同時工作最多

人數(shù)進行計算，見式（1）。

式中： q 為每人需要的新鮮空氣標準，本研究取 k 為風(fēng)量備用系數(shù)，一般取1.10＼～1.25，本次取 1 . 2 5 ; m 為同一時間洞內(nèi)工作最多人數(shù)，本次取75人。

② 按隧道內(nèi)同時放炮使用最多炸藥量爆破排煙計算風(fēng)量，具體見式（2）。

式中： 為通風(fēng)時間，取 為一次起爆的炸藥量， k g; S 為開挖通風(fēng)斷面面積，取 為稀釋污染空氣所需長度，取 5 4 0 m; K 為淋水系數(shù)，本次取

③ 按隧道內(nèi)稀釋瓦斯絕對涌出量計算風(fēng)量，具體見式（3）。

式中： 為瓦斯絕對涌出量，參照該地區(qū)同類型地層隧道計算瓦斯?jié)舛? 為工作面允許瓦斯?jié)舛龋凑铡惰F路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》取值為 0 . 5 % ; b 為送入風(fēng)中瓦斯?jié)舛龋?0 ; M 為瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.5。

④ 按稀釋和排除內(nèi)燃機械廢氣需風(fēng)量計算風(fēng)量，具體見式（4）。

式中： N i 為各內(nèi)燃機功率，本研究設(shè)置2臺XE205GH裝載機，功率共 ；設(shè)置2臺EQ3318GF出碴車，功率共 4 2 6 k W ，合計功率為7 4 0 k W; T i 為同時工作的柴油機設(shè)備利用率系數(shù)，取 0 . 6 5 。

⑤ 按最低風(fēng)速計算風(fēng)量，具體見式（5）。

式中： v 為洞內(nèi)允許最小風(fēng)速， 為隧道通風(fēng)最大斷面積，取 。

根據(jù)上述公式計算可得，隧道需風(fēng)量計算值結(jié)果見表1。

根據(jù)表1的計算結(jié)果，本研究取最大值設(shè)計通風(fēng)量為 。

3模型建立與結(jié)果分析

3.1 模型建立

為探究不同開挖方式下的瓦斯隧道通風(fēng)效果，本研究依托實際工程，選取隧道掌子面后方 2 0 0 m 的區(qū)域，利用SpaceClaim軟件建立物理模型，隧道模型橫截面如圖1所示。風(fēng)筒布置于隧道拱腰處，風(fēng)筒直徑為 ，距地面高度為 6 m ，風(fēng)管出風(fēng)口距掌子面 1 5 m 。不同開挖方法隧道縱斷面如圖2所示，工況1為全斷面開挖法，工況2為臺階法開挖法。工況2中上臺階長度為 1 0 m ，臺階高度為 5 m 。本研究利用FLUENT軟件分別對兩種工況進行數(shù)值模擬計算，分析兩種工況下隧道內(nèi)的通風(fēng)和瓦斯稀釋情況。

圖1隧道模型橫截面

3.2 數(shù)值計算

3.2.1求解模型參數(shù)設(shè)置。具體見表2。在數(shù)值模擬計算過程中，需要考慮重力的作用，重力加速度取值為 ，在計算時，采用監(jiān)控殘差的方式來評估解的收斂程度。一旦計算過程中殘差降至預(yù)設(shè)的精度閾值以下，即表明解已達到滿意的收斂狀態(tài)，此時，迭代計算將自動停止，從而提高計算效率并確保結(jié)果的精確性。

3.2.2邊界條件。邊界條件參數(shù)見表3。將風(fēng)管出風(fēng)口定義為風(fēng)速入口，邊界類型為速度入口；將隧道進口定義為氣體出口，邊界類型為壓力出口；隧道壁面和風(fēng)管壁面定義為無滑移壁面，且等溫隔熱。根據(jù)上文所計算出的隧道需風(fēng)量得到風(fēng)速為 1 4 . 3 9 m / s 。將掌子面前方 的區(qū)域劃分為瓦斯源項，瓦斯涌出采用瓦斯源項進行模擬，隧道瓦斯實際涌出量為 ，根據(jù)瓦斯源項公式計算得到瓦斯源項為 。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1不同工況瓦斯?jié)舛入S時間變化分析。不同工況條件下隧道掌子面瓦斯?jié)舛入S時間變化曲線如圖3所示。由圖3可知，在相同的通風(fēng)時間內(nèi)，工況2掌子面瓦斯?jié)舛日w上低于工況1掌子面瓦斯?jié)舛取９r2掌子面瓦斯?jié)舛仍谕L(fēng)150s后基本穩(wěn)定，穩(wěn)定值為 0 . 1 5 % ，而工況1掌子面瓦斯?jié)舛仍谕L(fēng)300s后才趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為 0 . 2 % ，高于工況2掌子面瓦斯穩(wěn)定濃度。結(jié)果表明，通風(fēng)條件一致的情況下，當隧道采用臺階法施工時，通風(fēng)效果更好，降低隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛炔⑹蛊溥_到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間更短，可有效增加瓦斯隧道的通風(fēng)效率。

3.3.2不同工況風(fēng)流場變化分析。選取通風(fēng)時間 3 0 m i n 作為穩(wěn)定狀態(tài)對不同工況條件下的隧道通風(fēng)流場進行分析，兩種工況下隧道通風(fēng)管中心截面拱頂高度為 1 1 m 的風(fēng)流場速度矢量圖如圖4所示。當射流由風(fēng)筒出風(fēng)口射出時，由于隧道空間內(nèi)部的局限性，射流貼壁發(fā)展，在向掌子面方向移動的過程中工況2射流發(fā)生偏移的情況早于工況1。當射流到達掌子面，與其發(fā)生撞擊后在通風(fēng)管另一側(cè)回流，由于風(fēng)筒出風(fēng)口周圍的風(fēng)流速度較大，故部分回流風(fēng)受到影響被射流卷吸，在掌子面前形成渦流。由圖4可知，在工況1條件下，瓦斯隧道內(nèi)距掌子面 的區(qū)域為渦流區(qū)的影響范圍，而在工況2條件下，瓦斯隧道渦流區(qū)影響范圍為掌子面前方 3～1 0 m 的區(qū)域。與工況1相比，工況2掌子面附近的風(fēng)速矢量整體上來看分布更為密集，更多的回流風(fēng)不受射流的影響由風(fēng)管另一側(cè)向隧道出口移動。由此可知，臺階法開挖的隧道在進行施工通風(fēng)時，隧道內(nèi)的風(fēng)流流場更穩(wěn)定，渦流的影響范圍小于全斷面開挖法隧道，更有利于隧道內(nèi)瓦斯的稀釋和排出，從而提升了通風(fēng)的整體效果。

3.3.3不同工況沿隧道軸向瓦斯變化分析。選取一條測線對通風(fēng)穩(wěn)定狀態(tài)下不同工況的瓦斯?jié)舛茸兓M行分析，測線坐標為（6.7，11），測線長度為隧道長度 2 0 0 m 。通風(fēng)穩(wěn)定狀態(tài)下不同工況瓦斯變化曲線如圖5所示。由圖5可知，通風(fēng)穩(wěn)定狀態(tài)下，工況1與工況2瓦斯?jié)舛染哂休^大差異，工況1瓦斯?jié)舛瓤傮w上高于工況2瓦斯?jié)舛取９r1掌子面處的瓦斯?jié)舛葹?0 . 2 1 % ，工況2掌子面處的瓦斯?jié)舛葹?0 . 1 4 % ，故不同施工條件對隧道通風(fēng)效果具有不同的影響。在通風(fēng)穩(wěn)定狀態(tài)下，工況1瓦斯?jié)舛确€(wěn)定點位于距離掌子面 3 0 m 的位置，而工況2瓦斯?jié)舛确€(wěn)定點則位于距離掌子面 2 0 m 的位置，工況2瓦斯?jié)舛确€(wěn)定位置較工況1距掌子面的距離更近。此外，工況2的瓦斯?jié)舛茸兓噍^于工況1更為平穩(wěn)。因此，在相同的通風(fēng)條件下，與全斷面開挖法相比，當隧道采用臺階法開挖時隧道瓦斯?jié)舛饶茉诟叹嚯x內(nèi)達到穩(wěn)定值，且穩(wěn)定值更低。由此可得出，在一定的通風(fēng)條件下，臺階法開挖隧道的通風(fēng)效果優(yōu)于全斷面開挖法隧道。

4結(jié)論

通過對不同施工條件下的瓦斯隧道進行數(shù)值模擬，并對兩種工況條件下的通風(fēng)流場和瓦斯?jié)舛茸兓闆r進行對比分析，得出以下結(jié)論。

① 采用臺階法施工時，降低隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛炔⑹蛊溥_到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間為150s，相較于全斷面開挖法所需時間更短，有效增加了瓦斯隧道的通風(fēng)效率。

② 在相同的通風(fēng)時間下，臺階法開挖隧道內(nèi)的風(fēng)流流場比全斷面開挖法隧道更穩(wěn)定，渦流的影響范圍更小，其影響范圍為掌子面前方 3～1 0 m 的區(qū)域，更有利于隧道內(nèi)瓦斯的稀釋和排出。

③ 在一定的通風(fēng)條件下，相較于全斷面開挖法隧道，臺階法開挖施工隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛仍谒淼垒S向的分布能在較接近掌子面的范圍內(nèi)快速穩(wěn)定，瓦斯?jié)舛确€(wěn)定點位于距離掌子面 的位置，并且維持在一個較低的水平，其穩(wěn)定值為 0 . 1 4 % 。

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