公路瓦斯隧道壓入式通風數(shù)值模擬分析

王閱章 李 鳴 宿成智 張立爽 閆少澤

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

經(jīng)過多年的建設(shè)和發(fā)展，我國在公路隧道建設(shè)事業(yè)方面取得了豐富的成果。同時，公路隧道方面的建造技術(shù)有了很大的提升。在我國公路隧道數(shù)量不斷增加的同時，隧道掘進周邊的地質(zhì)環(huán)境也越發(fā)復雜，復雜的地質(zhì)條件里就包括煤系地層等含有瓦斯的區(qū)域，這就使技術(shù)人員應(yīng)該在隧道通風時采取更嚴格的質(zhì)量管理和更多的通風措施。通常在這種復雜的地質(zhì)條件下，為了保證隧道掘進工程的進度，特長隧道一般都是采用多工作面同時開挖。由于隧道內(nèi)的風流流場較為復雜，通風工程的措施常常沒有做到位，所以在一些隧道常規(guī)的施工過程中，通風工程里出現(xiàn)的問題會降低隧道內(nèi)施工人員的工作效率，同時也可能威脅到施工人員的人身安全，并增加大量不必要的成本投入。所以，通風工程的措施在隧道掘進施工過程中是必要的[1]。同時，在隧道施工前，對隧道內(nèi)部空氣流場的數(shù)值模擬也是必要的。將隧道內(nèi)部的瓦斯氣體濃度控制在符合人體健康的安全規(guī)范范圍內(nèi)是對于該工程的基本要求。

因此，以雞鳴山瓦斯隧道的實際工程為背景，依據(jù)該背景數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的數(shù)值模型，并且運用流體計算軟件Ansys Fluent對該瓦斯隧道在施工中的工況進行模擬，分析隧道內(nèi)部的流場和瓦斯運移規(guī)律，為該瓦斯隧道的通風工程措施提供理論上的支持。

1 雞鳴山隧道施工通風模型建立及參數(shù)選擇

1.1 工程概況

重慶城口至開州高速公路雞鳴隧道為雙向四車道，主洞限寬10.25 m，限高5.0 m。左洞起訖樁號為：ZK59+707～ZK67+142.2，全長7 435.2 m；右洞起訖樁號為：K59+698～K67+150，全長7 452 m。隧道洞身段多為山脊和陡坡，無大型的地表水體，局部發(fā)育季節(jié)性沖溝；隧址區(qū)構(gòu)造形跡總體走向為北西～南東向，以褶皺構(gòu)造為主，斷裂次之，褶皺構(gòu)造以背斜、向斜相間出現(xiàn)，構(gòu)造軸線延伸較遠，斷裂構(gòu)造以逆沖斷層為特征。雞鳴隧道最大埋深達1 130 m。隧道圍巖級別主要為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級。其中Ⅲ級圍巖（雙洞合計長2 595 m），占隧道總長度的17.4%；Ⅳ級圍巖（雙洞合計長9 392 m），占隧道總長度的63.1%；Ⅴ級圍巖（雙洞合計長2 900.2 m），占隧道總長度的19.5%。

1.2 模型建立

該模型主要是研究探明在隧道通風的時候，掌子面附近范圍的流場和瓦斯?jié)舛鹊姆植记闆r及規(guī)律變化情況。因此，建立長100 m的隧道模型，利用軟件ICM CFD對隧道模型進行網(wǎng)格劃分。風管直徑設(shè)置為1.8 m。根據(jù)《瓦斯隧道施工技術(shù)規(guī)范》，風管出口距離掌子面的距離設(shè)置為15 m。對該隧道的幾何建模如圖1所示，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 隧道橫截面

圖2 隧道模型劃分網(wǎng)格

2 風流流場數(shù)值模擬分析

實際隧道施工時的通風，就是風從風管出口涌出，射向隧道掌子面進行送風。由于在施工掘進中的隧道周圍存在圍巖，所以流場里面的射流運動的自由射流規(guī)律就不再適用于此。瓦斯等有害氣體在隧道內(nèi)的運動規(guī)律，是基于流場內(nèi)的風流流動。所以，應(yīng)該首先了解并認識在有限空間內(nèi)的射流流場特征。

2.1 射流結(jié)構(gòu)

隧道內(nèi)部的射流處于紊流狀態(tài)，紊流具有橫向的脈沖作用，射流在這種脈沖作用小會不斷同周圍氣體交換動量，帶動周圍氣體流動。出風口位置的流場如圖3所示。因為流場是在隧道內(nèi)部，所以隧道內(nèi)的圍巖限制了射流邊界層的發(fā)展。

圖3 y-z平面風速矢量圖（x=4）

圖4 風筒出口附近內(nèi)的x-y截面速度矢量圖

圖5 距離掌子面5 m范圍內(nèi)x-y截面壓力云圖

在隧道的縱向，射流在橫向的分布范圍沒有擴大，所以流場就逐漸向掌子面擴散。然而，在隧道通風過程中，出風口距離掌子面較近，而且在高功率的風機作用下，出風口的風速比較大，風管內(nèi)涌出的風因為速度較大，很快就會遇到掌子面，所以導致射流沒有實際帶動周圍的空氣流動，席卷作用比較弱，所以在流場中看不到明顯的附壁射流區(qū)域。

從圖4中可以看出，風流從出風口涌出，在風筒出口的附近貼著隧道內(nèi)圍巖的內(nèi)壁往前射出。

這段時間內(nèi)，在出風口的位置的風速為最大值。但是隧道內(nèi)部的其他位置，因為風流還沒有達到這些位置，所以基本沒有風速。從風速矢量圖可以看出，距離出風口遠的位置，風速逐漸增大。風管平面范圍內(nèi)的風速逐漸分層。這時，可以在壁面附近看到鐵壁射流的現(xiàn)象。并且，距離風管出風口越遠的位置，貼壁射流的范圍就會變得越大，風速的矢量圖就會顯得更加層次分明。

風流在達到隧道掘進掌子面時，會與掌子面產(chǎn)生撞擊，風速矢量方向改變，進而會在掌子面周圍產(chǎn)生回流區(qū)域。射流與掌子面產(chǎn)生沖擊后反彈至地面會形成回流，進而回流與射流產(chǎn)生沖擊導致回流分為兩部分，其中一部分保持原方向向隧道洞口方向涌出，另一部分在射流的帶領(lǐng)下繼續(xù)向掌子面流動。

隧道本身是一個密閉的空間，再加上回流區(qū)的影響，回流從席卷空氣轉(zhuǎn)變成為析出空氣。由于這兩者的不同會在之間產(chǎn)生了一個明顯的分界，進而在分界處產(chǎn)生旋渦，即漩渦區(qū)域。因為射流與掌子面沖擊后產(chǎn)生了回流，回流的風速方向與射流的風速方向相反，所以在其碰撞的時候會產(chǎn)生摩擦，隨之在貼壁射流區(qū)域的上下會形成2個渦體。

越靠近渦流的中心，風速就逐漸減小。在隧道內(nèi)瓦斯等有害氣體進行輸移的時候，這就會擾亂氣體的流場和流動速度，不利于有害氣體及時排出。所以在這種情況下，要采取相應(yīng)的措施去消除渦流帶來的影響。

2.2 風壓特征

風管出口至掌子面各斷面壓強變化如圖5和圖6所示。

由圖5、圖6壓強云圖可以看出，風從風管射流出來以后，其射流結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓強變化規(guī)律。隨著射程的增大，由于流體在隧道內(nèi)部逐漸沖散，距離掌子面較近的地方，在縱向上壓力分布的范圍減小。另外，隨著射流射程的增大，由于射流對空氣的席卷作用和與掌子面的沖擊作用，掌子面范圍內(nèi)的壓強基本分布于隧道上部，也就是瓦斯?jié)舛染奂膮^(qū)域，這對瓦斯等有害氣體的排出是有利的。

3 瓦斯分布數(shù)值模擬

在隧道進行掘進開挖時，掌子面附近的區(qū)域是施工的重點區(qū)域，瓦斯也容易在此聚集[2]。所以，掌子面附近的瓦斯氣體運移規(guī)律是隧道施工通風工程中研究分析的重點。因此，隧道開挖時，掌子面附近的瓦斯氣體濃度規(guī)律還需要更進一步的研究和分析。研究在不同的時間段，隧道的不同斷面上瓦斯氣體濃度擴散規(guī)律。

從圖7～圖9中顯然可以看出瓦斯氣體在隧道內(nèi)部的輸移過程。在通風進行了20 s的時候，瓦斯氣體輸移到距離掘進掌子面大概10 m的區(qū)域，通風40 s的時候，瓦斯氣體輸移大概在距離掌子面20 m的位置，通風60 s的時候，瓦斯氣體輸移到大致在距離隧道掘進掌子面40 m的位置。因為出風口產(chǎn)生的射流方向在到達掌子面附近時會與壁面產(chǎn)生碰撞，從而產(chǎn)生回流。射流與回流碰撞區(qū)域會形成渦流，渦流使隧道上部的瓦斯氣體分布不均勻，導致瓦斯輸移的速度收到影響，通風效果不好。同時，通風過程中瓦斯聚集在隧道上部輸移，隧道的氣體區(qū)域基本上沒有瓦斯氣體，這對通風的效率是不利的。所以在隧道現(xiàn)場施工作業(yè)的時候，應(yīng)該在一些位置采用防爆型的風扇對瓦斯聚集的區(qū)域進行導流，使其在流場中均勻分布，并快速排出[3]。在隧道內(nèi)部進行通風的時候，掌子面里的瓦斯溢出相應(yīng)的距離與風管噴出的空氣相混合，在流場的作用下進行輸移。在瓦斯氣體進行輸移的過程中，對隧道內(nèi)部的不同橫斷面進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，可以看出瓦斯氣體的濃度分布在掌子面的附近較高。并且在隧道通風工程的不斷進行過程中，因為流場將瓦斯氣體不斷向隧道出口輸移，該區(qū)域的瓦斯氣體濃度逐漸降低。并且也可以從上圖看出，距離掌子面越遠的位置，瓦斯氣體的濃度越低。

圖6 距離掌子面10 m范圍內(nèi)x-y截面壓力云圖

圖7 通風20 s時隧道模型y-z截面瓦斯?jié)舛仍茍D

圖8 通風40s時隧道模型y-z截面瓦斯?jié)舛仍茍D

圖9 通風60 s時隧道模型y-z截面瓦斯?jié)舛仍茍D

綜上所述，隧道內(nèi)部的流場能夠較好地輸移瓦斯氣體，并且使內(nèi)部瓦斯?jié)舛仍谝粋€比較好的水平。但是，在隧道通風管地上部可能會出現(xiàn)瓦斯氣體的聚集。為了保證通風的效率和隧道工程施工作業(yè)中的安全，應(yīng)該采取一些對應(yīng)的措施。

4 結(jié)語

運用Ansys Fluent流體計算軟件。對雞鳴山高瓦斯隧道的內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬分析。可以得出以下的特征規(guī)律：在壁面射流與隧道掘進掌子面的碰撞區(qū)域，因為射流與回流的碰撞會產(chǎn)生2個渦流區(qū)域，越靠近渦流中心的位置，能看到風速越來越小。在通風的時候，隧道內(nèi)部的流場中，距離掌子面越遠的地方，縱向的壓強分布的范圍越大。掌子面附近的壓強分布主要是在隧道的頂部，所以隧道內(nèi)部的流場能夠較好地輸移瓦斯氣體。但是還是會因為隧道內(nèi)部的渦流而產(chǎn)生瓦斯聚集區(qū)域，需要在通風工程中采取一定的措施。