鐵路瓦斯隧道獨頭施工通風數值模擬分析

蒲 實, 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

經過幾十年的發展，我國鐵路建設事業已經取得了輝煌的成績，同時鐵路修建技術已經有了極大的提升。川藏線即將開工建設，其工程地質極為復雜，埋深大于1 000 m，長度超過20 km的超深埋特長隧道眾多[1]，這對隧道施工通風又提出了新的要求。為保證施工進度，通常情況下在修建特長隧道時多采用多個工作面同時進行的開挖方式，隧道內風流場復雜[3]。某些隧道在施工過程中，常常因為通風問題導致工作效率降低，進度緩慢，同時也面臨著通風成本巨大的問題[2]。對于瓦斯隧道來說，還存在安全風險，將特長鐵路瓦斯隧道在施工期間產生的瓦斯濃度控制在安全范圍內，是瓦斯隧道通風的基本要求[4]。

因此應用現有的流體計算軟件Fluent對瓦斯隧道施工期間降低瓦斯濃度效果進行模擬計算，為隧道施工通風提供指導。

1 牛峒山隧道施工通風模型建立及參數選擇

1.1 工程概況

牛峒山隧道地處福建省龍巖市連城縣隔川鄉，線路總體由南到北方向。隧道通過地層中含炭質頁巖和煤層，會產生有害氣體積聚，加上隧道底的煤系地層中的瓦斯等有害氣體可能會沿著巖石節理、裂隙向上溢出。全隧長3 022 m，預測瓦斯發生的長度為2 070 m，占全隧的68.5 %，施工安全風險高、技術難度大。

1.2 模型建立

主要研究掌子面附近的風流場及瓦斯分布規律，因此建立長200 m的隧道模型。利用軟件Hypermesh對三維模型進行網格劃分。風管直徑1.8 m，根據《瓦斯隧道施工技術規范》取風管出口離掌子面的距離為5 m。隧道整體模型及網格劃分如圖1所示。

圖1 隧道模型及網格

1.3 參數選擇設置

數值模擬邊界條件的設置,如表1所示。

(1)進口邊界：風管出口選用速度入口邊界，風速大小為v=20m/s。

(2)出口邊界：隊道出口邊界條件設置為壓力出口，相對壓力取0 Pa。

表1 參數選擇設置

(3)壁面邊界：將隧道內所有壁面均定義為固定壁面，視為無滑移邊界條件，所有壁面均視為絕熱。

(4)瓦斯源項：通過設置源項來對隧道瓦斯涌出進行模擬。

2 風流流場數值模擬分析

實際上隧道施工通風，就是風管出口的風流射向掌子面進行送風，當隧道周圍的圍巖限制了射流的擴散運動，因此自由射流的規律在有限空間就不再適用。瓦斯及污染物的擴散規律，是以風流的流動為基礎的。因此，在研究瓦斯及污染物擴散規律前，應先充分認識在有限空間射流的風流場特征。

2.1 射流結構

風速流場趨于平穩時掌子面附近縱斷面上風速矢量圖如圖2所示。

圖2 y-z平面風速矢量(x=0)

由于射流屬于紊流流體，紊流的橫向脈動使得射流與周圍的空氣之間不斷發生動量交換，帶動周圍空氣的流動，但是由于隧道邊壁限制了射流邊界層的發展擴散，射流的橫向范圍沿隧道縱向并不是不斷擴大，這就形成了向隧道掌子面擴散的流動場。但是對于瓦斯隧道，風管出口離掌子面的距離近，并且風管出口風速比較大，風流從風管口射出后很快就達到了掌子面，其射出的風流對周圍空氣的席卷作用并不能得到充分的發展，因此附壁射流區不是特別明顯。

從圖3可以看出，風筒出口附近處，風流從風筒射出，緊貼隧道側壁向前射出。此時風筒出口處的風速最大，隧道的其余部分幾乎沒有風速。隨著距離風筒出口的距離增大，風筒附近范圍內的風速逐漸升高，風速圍繞風筒形狀出現明顯的層次性。此時，風筒射流出現明顯的貼壁射流現象，隨著距離風筒出口距離的增加，貼壁流面積越大，風速分層現象更加明顯。

圖3 距風筒出口截面速度矢量

當風流到達掌子面處時，對掌子面產生沖擊，形成沖擊射流區。風流沖擊掌子面端頭壁面后，隨即又沖擊隧道地板后產生回流，與射流形成反方向的流動，形成回流區。當回流與射流相遇時，回流被射流撞擊后分為兩部分，一部分繼續與射流反方向流動，流向隧道出口，另一部分風流被射流區席卷后再次吹向掌子面。

回流風影響加上隧道空間的限制，從不斷席卷空氣變為不斷析出空氣。析出空氣和席卷空氣兩者有明顯的分界，分界處形成漩渦，這一區域即為渦流區。射流風流大達到掌子面后產生的回流風流與射流風流的方向相反，由于流體之間的相互摩擦，在貼壁射流區范圍內在射流風流的上下區域形成兩個明顯的渦體，越往渦體內部其風速越小，這對通風不利，應該在施工時采取相應的措施加以消除。

因此，可以知道掌子面附近的風流場由貼壁射流區、沖擊射流區、回流區以及渦流區四部分組成。

2.2 動力特征

風管出口至掌子面各斷面壓強變化如圖4所示。

由圖4壓強云圖可以看出，風從風管射流出來之后，其射流結構內部的壓強變化規律為，隨著射程的增大，由于流體需要克服隧道壁面引起的壓力損失，在縱向上總壓逐漸減小；另外，隨著射程的增大，由于射流的席卷作用，壓強增加的范圍逐漸增大，到掌子面處范圍最大，這對污染物的排出是有利的。

3 瓦斯分布數值模擬分析

對于瓦斯隧道應重點關注掌子面附近的瓦斯濃度場規律，因此對掌子面附近局部瓦斯擴散規律進一步研究。探明瓦斯擴散隨時間的變化規律及瓦斯在隧道不同橫斷面上的分布規律見圖5～圖8。

從圖5～圖8中可以很明顯的看出瓦斯在洞內的運移過程。當通風20 s時，瓦斯擴散到離掌子面大約15 m的位置，通風360 s后，瓦斯排出洞外，隧道的瓦斯濃度基本趨于穩定。射流與回流流體之間的相互摩擦作用，在掌子面附近射流風流的上下區域形的渦體位置使得此處瓦斯分布不均，擴散效果不好。

圖5 通風20s時掌子面附近Y-Z切片瓦斯濃度云圖

圖6 通風100s時掌子面附近Y-Z切片瓦斯濃度云圖

圖7 通風180s時掌子面附近Y-Z切片瓦斯濃度云圖

圖8 通風360s掌子面附近Y-Z切片瓦斯濃度云圖

掌子面附近不同通風時間的Y-X平面瓦斯濃度云圖如圖9所示。

圖9 通風20s、100s、180s、360s時瓦斯濃度分布

剛通風時，瓦斯從掌子面溢出一段距離后與風管噴出的新鮮風混合，隧道掌子面附近瓦斯濃度較大。隨著隧道通風的進行，掌子面瓦斯濃度逐漸降低。瓦斯主要聚集在風管異側拱腳位置，這對排出瓦斯非常不利，應該在施工時采用防爆型局扇引導風流，使其快速排出。

計算收斂后，瓦斯布滿整個隧道，隧道不同截面處的瓦斯濃度分布規律大致相同。主要呈現出近風筒端瓦斯濃度較低，遠離風筒端瓦斯濃度較高，且兩邊分層現象較為明顯。同時遠離風筒端隧道拱腳處的瓦斯濃度最高，直到風回流到離掌子面大約12 m的位置時，拱腳較高濃度的瓦斯才消散。隨著距離掌子面的距離越來越大，瓦斯整體濃度呈現下降趨勢，當距離超過15 m后，瓦斯濃度趨于平穩。如圖10所示。

圖10 離掌子面2m、5m、12m、20m位置橫斷面瓦斯分布

綜上可知，整個隧道內風流能很好的控制瓦斯濃度。但是在隧道縱向一定距離內風管異側拱腳位置有瓦斯聚集的可能，為保證施工應采用相應措施。

4 結論

采用Fluent軟件，對牛峒山鐵路瓦斯隧道的進行數值模擬計算。最終得出的結論如下：

(1)在射流末端區域形成兩個明顯的渦體，越往渦體內部其風速越小。

(2)射流結構內部的壓強變化規律為，隨著射程的增大，在縱向上總壓逐漸減小；在橫向上壓強增加的范圍逐漸增大，到掌子面處范圍最大。

(3)整個隧道內風流能很好的控制瓦斯濃度。但是在隧道縱向一定距離內風管異側拱腳位置有瓦斯聚集的可能，為保證施工應采用相應措施。