兩河口長隧道獨頭掘進壓入式施工通風三維數值模擬

摘要：兩河口公路隧道埋深大且無條件修建斜豎井，只能獨頭掘進3 000余 m，施工通風問題突出。基于CFD理論，對壓入式通風氣流運動采用三維紊態RNG kε湍流模型進行三維數值模擬，得到了施工期隧道內流場和濃度場隨時間在洞內的分布變化規律。研究表明，掌子面附近為回流區，風流結構復雜，回流區以外風流分布逐漸穩定；爆破后的有害氣團在隧道內是一個動態“移動”和“擴散”的過程，這個過程中有害氣團從爆破掌子面逐漸擴散，并被稀釋和排出隧道。同時，在3種工況下，根據CO的進入濃度和允許濃度對工作人員的進洞時間進行了研究。

關鍵詞：長隧道；壓入式通風；三維數值模擬；進洞時間

中圖分類號：O319.56

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）02003507

Abstract：There is no suitable condition to build any shaft（vertical or oblique shafts） due to the complex geological environment of Lianghekou. Furthermore， the tunnel has to be constructed blind heading. So the problem of ventilation is serious. Based on the theory of CFD，the wind current produced in forced ventilation is simulated by 3D RNG kε Turbulent Model，and then the Timedependent Variation Rules of the flow field and the concentration field during the construction period are shown by numerical simulation of 3D. Results show that the backflow area which is located near the working face has the complex situation of wind current， and the air current distribution becomes stable gradually when it is far away from the backflow area. Meanwhile， the movement of the harmful air produced after blasting can be described as “moving” and “diffusing”. The result of moving makes the harmful air run out of the tunnel from working face. The result of diffusing makes the harmful air deliquated along with the process of moving. In addition， the time that the workers spend on getting into the tunnel has been studied according to the concentrations of CO （in and allowance concentrations respectively）.

Key words：long tunnel；forced ventilation；the 3D numerical simulation；entrance time

隨著西部大開發進程的加快，出現了很多特長公路隧道。而目前特長隧道施工通風往往僅根據規范和施工人員的經驗進行施工通風[1]，效果很差，一旦措施不合理，對施工人員的身體危害很大。在特長公路隧道施工中，由于獨頭掘進和隧道長度的關系，如果等炮煙和其他有害氣體完全從隧道內排放出去，則需要非常長的時間，會大大影響工程進度；如果選擇較短時間進入施工，則對施工人員危害很大。因此，解決特長隧道施工通風問題具有重要意義。

在公路隧道通風問題的研究中，其他國家開展相關研究較早，特別是瑞士、挪威、日本以及奧地利等國家，對公路隧道通風問題進行了大量研究[24]。但由于全真隧道通風的試驗費用非常高，所以在這方面取得的成果有限，大部分研究主要集中在計算機數值模擬領域。而且，研究方向主要在隧道建成后的運營通風[58]，對隧道施工階段的通風問題卻少有研究。在中國，相對于研究公路隧道運營通風，隧道施工通風研究非常少，而且研究成果主要集中在公路隧道縱向通風的影響因素、通風方式、有害氣體濃度分布規律以及縱向通風計算模型等方面[58]。對仿真試驗研究、隧道三維流場數值模擬等方面幾乎很少涉及[912]。

目前，隨著計算機技術的快速發展，使隧道施工通風的三維數值分析、流場和濃度場動態變化研究成為可能。本文在總結和借鑒已有的公路隧道通風運營、施工通風的研究成果上[1319]，采用大型有限元軟件ADINA中的CFD模塊對獨頭掘進的長隧道進行整條隧道有限元數值分析。

1兩河口隧道工程概況

兩河口水電站交通工程1#公路隧道位于四川省甘孜州雅江縣境內，1#公路隧道全長5 855 m，隧道海拔高程3 000 m左右。隧道埋深大，不適宜修建豎井或斜井，做到長隧短打，只能獨頭掘進3 000余m，通風問題成為制約隧道快速掘進的瓶頸。

兩河口1#公路二級公路，隧道內輪廓為三圓心設計，隧道內輪廓凈寬度為11.0 m，高7.3 m。隧道施工方法為全斷面開挖方法。隧道采用壓入式通風，通風管距地面3 m左右，風管直徑為1.8 m。爆破產生的主要氣體有：一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫和三硝基甲苯（TNT）等[20]。由于有害氣體中CO危害較大，在爆破前采用水幕降塵措施，使得爆破后氣體中主要剩下CO且濃度穩定，因此，隧道施工通風中以CO濃度大小作為評判通風效果的依據。

2 隧道通風數值計算原理

采用有限元軟件ADINA中的CFD模塊對不同工況下整條隧道的通風進行數值模擬。隧道壓入式通風為貼壁受限射流，流場中存在射流、回流、滯流等氣體流動，因此，采用三維紊態RNG kε湍流模型進行分析。

2.1基本假定

基本假定主要有以下3個方面：1）假定通風氣流為三維粘性不可壓縮流體；2）氣體流動不產生熱能耗散，忽略隧道壁的傳熱性；3）從已有成果來看，爆破后產生的有害氣體在稀釋和向洞外移動過程，主要取決于初始有害氣體量，而與初始分布關系不大，因此，假定通風前初始有害氣體均勻分散在出風口和掌子面之間。

2.2數學模型

根據假定，隧道風流模型適用于Navierstokes方程，并采用RNG kε 紊流模型使方程組封閉。隧道內空氣湍流流動和濃度擴散控制方程如下。

4數值計算結果及分析討論

4.1隧道流場分析

根據總結現有研究成果，隧道獨頭掘進中，風流變化規律在不同掘進距離規律大致相同[19]。因此，模型對隧道獨頭掘進時，掘進距離為3 130 m時進行重點分析。

在分析中，隧道內流場很快穩定，而且從洞口到掌子面流場穩定所需的時間逐漸變短。圖2為洞口斷面平均風速隨時間的變化規律。洞口斷面風速在100 s后就已基本穩定，洞內其余部分的流場穩定時間均小于100 s，在后面的分析中，可不考慮流場隨時間的變化，把濃度場隨時間的變化規律放在穩定的流場中分析。

根據其他研究成果和本模型計算結果，把隧道流場分為3個區域：回流區、回流影響區、穩定區。

1）回流區回流區位于掌子面到風筒出口附近。根據計算結果，截取掌子面附近Z=3.8 m截面的流場矢量，如圖3所示。從圖中可見，從掌子面到風筒出口附近的風流形成一個漩渦。風流在射向掌子面后，折射后從隧道另一側返回，當其返回到風管出口附近時，部分風流受風管出口風流影響又流回掌子面，部分風流流出此回流區域。根據計算，回流區位于風管出口與掌子面之間，距離掌子面約18 m。圖4為回流區中心（X=3 112 m）橫斷面風速分布圖，圖中G是風速為0的等風速線，此線基本與隧道斷面中線重合，其左側風速為流向掌子面方向，其右側風速為流向洞口方向。結合圖3、4，可知掌子面附近流場是一個以距掌子面18 m處橫斷面的中軸線為中心，以風管出口附近到掌子面為范圍的大漩渦。

2）回流影響區根據分析結果，回流影響區為風筒出口附近到距離掌子面約300 m左右的一個區域。這個區域受回流區流場的影響，風速因斷面的位置不同而差異較大，并且規律性不明顯。圖5為隧道掘進至3 130 m工況下不同斷面和同一斷面不同高度的風速分布圖。從圖可見，距離掌子面越近，風速波動越大。當距離掌子面超過300 m，風速逐漸趨于穩定。

3）穩定區從圖5可見，距離掌子面300 m，風速區域穩定。同時，風速在斷面的分布是中間大，逐漸向隧道側壁減小。這一規律，與流體力學理論完全一致。圖6為X=1 000 m處橫斷面風速分布等值線圖，從距離掌子面約300 m以后各橫斷面風速分布均基本與此圖相同。

4.2CO濃度隨時間變化規律

根據前面對流場的研究，可以看出掌子面附近的回流區會阻礙有害氣體的排出。同時，風速中間大，周圍小的特點對有害氣體的排出也有一定的影響。下面僅對3 130 m情況下的規律進行研究。

隧道內濃度場變化規律與流場分布規律密切相關，圖7、8分別為隧道掘進3 130 m時通風1 min和5 min時回流區（Z=3.8 m）CO濃度場分布。從圖中可見，在距離掌子面18 m左右形成一個大漩渦，其中心CO濃度最高。并且中心處與流場的回流區中心重合。隨著時間的推移回流區CO濃度逐漸降低，梯度基本不變，但其回流區中心濃度大并向周圍逐漸減小的規律保持不變。

圖10～12以及圖9分別為隧道掘進500、1 000、2 000、3 130 m時洞內CO濃度在不同時間的分布。圖中進入濃度取為100 mg/m3，安全濃度取為30 mg/m3。這4副圖的規律基本相同，與5.2中分析的掘進3 130 m時的基本規律相符，僅因條件不同具體數值不同。這4副圖通風5和9 min的曲線都有雙峰值，且第一個峰值影響范圍均約離掌子面40 m內，這是由于4個模型均把風筒出口設在離掌子面35 m處，但由于前1 500和1 500 m以后掌子面供風量不同，掘進2 000 m和掘進3 130 m情況下，CO濃度第1個峰值的下降速度和第2個峰值的移動速度均明顯大于掘進500和 1 000 m情況下的CO濃度相應峰值的變化速度。圖10中可看出回流效應的有效影響僅為十幾分鐘，而該條件下通風時間需二十多分鐘，掘進越深其相對影響時間就越短。所以，在較長隧道的通風散煙的數值模擬中對進洞時間的計算可不考慮回流效應對有害氣體滯留作用的影響。

從表1中數據可以看出，通風距離越長CO峰值移動速度就越接近于風速。根據該模型的計算原理，當不存在風流的紊動CO的移動速度就是風速。掌子面附近的回流效應對CO的擴散有一定的影響，通風距離越長其相對影響就越小。所以，當通風距離較長時可近似認為CO峰值移動速度等于風速；當通風距離較短時需考慮掌子面附近的回流紊動區對通風時間的影響。

另外，圖9～12中曲線以及表中數據反映出，圖12基本可與圖10前2 000 m重合，風速也相等。圖11與圖10也有相同的關系。因此，在精度要求不是很高的情況下，工程人員可在3 130 m條件下的數值模擬圖中，分別在圖9中截取不同掘進距離的CO濃度，并進行推斷。

4.4進洞時間及安全時間建議

進洞時間即為洞內CO濃度降至進入濃度以下所需的時間，安全時間為洞內CO濃度完全降至允許濃度之下所需的時間，回流區影響時間為回流區CO濃度峰值減小到30 mg/m3以下所用時間。

根據前文所述分析方法、邊界條件以及初始條件等，分別分析不同通風能力，在不同掘進距離條件下工作人員的進洞時間。具體的工況如下：1）工況1，掘進前1 500 m，供風量為3 000 m3/min，掘進1 500 m以后，供風量為4 500 m3/min；2）工況2，掘進前1 500 m，供風量為2 400 m3/min，掘進1 500 m以后，供風量為3 600 m3/min；3）工況3，掘進前1 500 m，供風量為3 600 m3/min，掘進1 500 m以后，供風量為5 400 m3/min。計算結果如表2所示。

在表2中，給出了不同通風能力，分別掘進500、1 000、2 000、3 130 m各情況下進洞時間、安全時間和回流區影響時間。施工人員可在計算進洞時間后進入工作面作業，此時，已過回流效應的影響時間，對施工人員影響較小。同時，從表2中的時間差一項可以看出當隧道掘進距離越長時，掌握進洞時間對隧道快速施工的意義就更為明顯。

在建模條件下，回流區影響時間只與掌子面供風量有關，掌子面供風量越大其影響時間就越短，回流區影響時間在較長的通風情況下與進洞時間相比相對越短，所以在較長隧道的通風中可不考慮此效應。

5結論

根據兩河口1#公路隧道的實際情況和施工方法，建立了隧道掘進500 、1 000、2 000和3 130 m等4種情況下隧道施工通風的模型，并對隧道流場分布和CO濃度變化規律進行了研究。通過研究掘進3 130 m工況下隧道內流場及CO濃度場的變化，得出獨頭掘進隧道施工通風系統流場分布和濃度場變化的一般規律。對4種情況下CO濃度場隨時間變化規律進行對比，并對不同工況下施工人員合理的進洞時間進行分析。主要結論如下：

1）隧道獨頭掘進時，采用壓入式進行施工通風時，在距離掌子面18 m左右形成回流紊動區，范圍為距離掌子面40 m之內；在距離掌子面40～300 m范圍為回流影響區；超過300 m，為流場穩定區。同時，有害氣體團在逐漸向洞口移動的過程中發生擴散，中心濃度逐漸減小。

2）掌子面附近回流區對CO氣體排離掌子面有一定的阻滯作用，回流區中心形成一個CO濃度的局部峰值，CO濃度也以一個與回流區流場相似的漩渦狀從中心向周圍逐漸降低。在相同的隧道輪廓、相同的風管直徑以及相同的風管出口到掌子面距離的情況下，回流區對CO的阻滯時間僅與掌子面供風量有關，供風量越大，阻滯時間越短。在較長隧道的施工通風中回流區影響時間相對較短，可不考慮此效應對進洞時間的影響。

3）CO氣體是隧道流場介質的組成部分，其運動速度應等于流場介質的運動速度，但由于回流區對CO移動的阻滯作用，在通風距離較短時CO平均移動速度明顯小于風速，當通風距離較長時CO氣體移動速度可近似等于風速。

4）根據規范和具體施工條件，分析了3種工況下，獨頭隧道掘進500、1 000、2 000、3 130 m施工人員的進洞時間和安全時間。

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（編輯王秀玲）