隧道掌子面瓦斯分布三維分析

何 強

(中鐵二局三公司貴廣項目部，四川 成都 610031)

在隧道施工中，施工人員根據(jù)經(jīng)驗和規(guī)范進行施工通風(fēng)［1］，［2］，缺少對工程的具體分析和研究，普遍存在通風(fēng)質(zhì)量差的問題，對施工人員的健康構(gòu)成了威脅，因此，迫切需要將現(xiàn)有通風(fēng)理論和計算軟件應(yīng)用于施工通風(fēng)分析。資料表明，在國內(nèi)外的爆破工程中，炮煙中毒的死亡事故占整個爆破事故的28.3%。可見，加強對爆破通風(fēng)排煙的研究已成為一個急需解決的課題。

對通風(fēng)問題的研究，最早出現(xiàn)在鐵路隧道中。后來由于公路隧道的出現(xiàn)，特別是近年來長大公路隧道建設(shè)的高速發(fā)展，針對公路隧道通風(fēng)的研究也空前活躍。在隧道通風(fēng)的數(shù)值模擬方面多運用CFD計算流體力學(xué)軟件進行模擬。歐洲國家從20世紀(jì)70年代就開始對此進行了研究，如M·A·Gailard［3］針對瑞士哥達低線鐵路隧道的通風(fēng)與溫度控制問題進行了數(shù)學(xué)模擬研究，設(shè)計了該隧道通風(fēng)及冷卻系統(tǒng)。Alan Vardy［4］就某隧道通風(fēng)系統(tǒng)計算程序的理論基礎(chǔ)、模擬計算值與實測值的比較、通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化和通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的選用、峰值濃度或平均濃度的影響因素作了重點討論和簡述，并對法國太思隧道進行了模擬計算。瑞士學(xué)者Rudin對特長隧道的煙氣擴散進行了研究［5］。Chow利用CFD技術(shù)對公路隧道CO濃度的擴散進行了數(shù)值模擬［6］。國內(nèi)對公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)研究起步于20世紀(jì)90年代。如西南交通大學(xué)［7］對于多維和動態(tài)情況作了初步研究，采用空氣動力學(xué)模型、交通模型、污染模型對豎井吸出式縱向通風(fēng)系統(tǒng)進行了動態(tài)模擬。

公路隧道通風(fēng)研究以往都是針對運營通風(fēng)，而對于隧道施工過程中的通風(fēng)研究很少。在隧道施工現(xiàn)場，施工人員是根據(jù)經(jīng)驗和相關(guān)規(guī)范進行施工通風(fēng)設(shè)計，缺少對工程的具體分析研究，普遍存在通風(fēng)質(zhì)量差的問題，對施工人員的健康構(gòu)成了威脅，因此迫切需要將現(xiàn)有通風(fēng)理論和計算軟件應(yīng)用于施工通風(fēng)設(shè)計中，對隧道施工通風(fēng)進行優(yōu)化。本文結(jié)合貴廣高速鐵路小范坪隧道的施工，采用國際通用計算流體力學(xué)軟件，對隧道施工通風(fēng)進行了數(shù)值仿真研究，為現(xiàn)場施工提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

貴廣高速鐵路小范坪隧道位于貴州省貴定縣昌明鎮(zhèn)新安村境內(nèi)，隧道起止里程為DK75+080～D3K76+720，全長為1640 m，是位于巖溶地區(qū)的高瓦斯隧道。

DK75+620～+700(梁山組)含煤線、炭質(zhì)泥巖，瓦斯涌出量0.17 m3/min，頂?shù)装逵砍隽?.24 m3/min，在開挖斷面上總涌出量0.41 m3/min，為低瓦斯段;DK75+080～D3K76+000段為低瓦斯工區(qū)。D3K76+390～+540(大搪階)，煤層瓦斯涌出量0.32 m3/min，頂?shù)装寤液谏宽搸r瓦斯涌出量0.29 m3/min，開挖面上總涌出量0.61 m3/min，為高瓦斯段。D3K76+000～D3K76+720段為高瓦斯工區(qū)。

DK75+220～D3K75+420、D3K75+680～D3K75+860段洞身附近電阻異常，推測為溶蝕破碎帶或填充溶洞發(fā)育區(qū);DK75+080～D3K75+560、D3K75+700～D3K75+940段為剝蝕低山巖溶峰叢地貌，地形起伏較大，下伏基巖為灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r，地表溶蝕發(fā)育強烈，有大型洼地、落水洞、漏斗等，洞身遇溶洞可能性很大，且容易引起坍方、突水突泥、瓦斯聚集。圖1為小范坪隧道現(xiàn)場通風(fēng)情況，圖2為小范坪隧道正洞凈空斷面。

小范坪隧道通風(fēng)采用單風(fēng)機單風(fēng)管壓入式通風(fēng)，在洞口設(shè)置兩臺SDZ－125型135 kW的軸流風(fēng)機(一臺作為備用)，配置直徑1800 mm的風(fēng)筒，風(fēng)機的性能見表1，通風(fēng)設(shè)備見表2，風(fēng)機安裝在距洞口20 m處，采用風(fēng)機雙回路電源。高瓦斯段通風(fēng)方式見圖3，掌子面通風(fēng)采用一臺135 kW軸流風(fēng)機。

圖1 小范坪隧道現(xiàn)場通風(fēng)

圖2 小范坪隧道凈空斷面

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圖3 小范坪隧道高瓦斯段施工通風(fēng)

2 數(shù)值模擬分析

2.1 邊界條件的確定

對小范坪高瓦斯段的施工通風(fēng)進行了數(shù)值模擬計算，計算邊界條件設(shè)置［8］:①隧洞底部和上部設(shè)為墻面，并根據(jù)實際的粗糙度給定相應(yīng)的壁面參數(shù);②隧洞進風(fēng)口設(shè)為等速邊界條件;③隧洞出風(fēng)口設(shè)為壓力邊界條件;④軸流風(fēng)機出口高檔速度v=12.5 m/s，邊界條件為速度邊界，風(fēng)機壁面設(shè)為固體邊界;⑤高瓦斯段瓦斯初始濃度7.32%。

2.2 高瓦斯隧道掌子面附近軸流式通風(fēng)三維仿真

為了分析計算風(fēng)管的有效射程，對風(fēng)管出口到工作面的距離L分別為30 m、35 m進行了數(shù)值模擬計算，獲得了較理想的結(jié)果。圖4和圖5分別為三維模型圖及網(wǎng)格劃分圖。

圖4 三維模型

圖5 模型整體網(wǎng)格劃分

圖6、圖7分別為風(fēng)管出口距工作面30 m、35 m時風(fēng)管中心水平平面的速度矢量圖和標(biāo)量圖在射流運動過程中，射流不斷卷吸周圍的空氣，射流范圍擴大，但由于空間受限和回流的影響，射流范圍的擴展受到一定的限制，射流不再卷吸周圍的空氣，而是向外析出空氣。計算結(jié)果明顯地表現(xiàn)了附壁射流區(qū)、沖擊射流附壁區(qū)與回流區(qū)，以及射流的卷吸與析出，射流的卷吸與析出有明顯的分界，分界處有渦流。從圖6(b)中可以明顯看到，當(dāng)L=35 m時，射流不能到達工作面，相反在工作面附近形成了渦流區(qū)，而渦流區(qū)的流動方向與射流區(qū)的流動方向相反。

圖6 風(fēng)管中心水平面速度矢量分布

圖7 風(fēng)管中心水平面速度矢量分布

4 結(jié)論

本文通過采用國際通用計算流體力學(xué)軟件FLUENT，對隧道掌子面風(fēng)管有效射程進行三維計算，從理論上得出了掌子面有限空間受限貼附射流通風(fēng)的規(guī)律。計算結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)管管口距工作面35 m時，在工作面附近形成了渦流區(qū)，在工作面附近其瓦斯?jié)舛让黠@偏高，將不利于瓦斯的快速排出，所以在施工時應(yīng)盡量將風(fēng)管管口布置在距工作面30 m內(nèi)。

［1］劉榮華，王海橋.壓入式通風(fēng)掘進工作面粉塵分布規(guī)律研究［J］.煤炭學(xué)報，2002，27(3):233 －236

［2］張恒，楊家松，高輝.錦屏隧道施工通風(fēng)研究［J］.廣西水利水電，2008(5):11－13

［3］M.A.Gaillard，Ventilation and cooling of a Long Railway Tunnel，Second International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels，1976:E2－23－ －EZ－55

［4］M.A.蓋拉爾德.長隧道的通風(fēng)及冷卻——哥達基線鐵路隧道的數(shù)學(xué)模擬方法［J］.金學(xué)易，譯.隧道譯叢，1980(3)

［5］鄭晉麗.隧道通風(fēng)系統(tǒng)模擬計算和結(jié)論［J］.地下工程與隧道，1997(1)

［6］C·Rudin.Fires in long railway tunnels－the ventilation concepts adopted in the A1pTransit projects［C］∥10thInternational Symposium on the Aerodynamics Ventilation of Vehicle Tunnels，2000

［7］W·K·Chow，Dispersion of Carbon Monoxide from a Vehicular Tunnel with the Exit Located along a Hillside［J］.Tunneling and Underground Space Technology.1989，4(2):231 －234

［8］西南交通大學(xué)等，《公路隧道縱向通風(fēng)研究》研究文集.1998

［9］王瑞金，王凱，王剛.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實例［M］.清華大學(xué)出版社，2007

［10］JTJ 042－94公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］