鐵路隧道壓入式通風流場分析及施工參數優化

吳 波， 陳輝浩， 黃 惟

(1.廣西大學土木建筑工程學院, 南寧 530004； 2.工程防災與結構安全教育部重點實驗室， 南寧 530004)

中國是目前世界上隧道和地下工程數量最多、發展速度最快、地質及結構形式最復雜的國家[1]。截至2018年底,投入運營的鐵路隧道15 117座,總里程達16 331 km，在建鐵路隧道3 477座,總長 7 465 km，規劃鐵路隧道6 327座,總長15 634 km[2]；截至2016年底, 中國公路隧道為15 181處,總長14 039.7 km[3]。由于豐富的工程實踐經驗，中國的隧道施工技術已經達到世界領先水平，未來若干年，中國隧道工程建設仍將快速穩步發展。在隧道施工階段，施工通風對于保障施工作業人員的供氧量、機械設備的正常運轉及隧道降溫除塵等具有重要意義。臺階法是一種適用性強，應用比較廣泛的隧道施工方法。臺階法施工一般分為上下兩個臺階，為減少上下臺階工作的影響，上下臺階一般設置一定的開挖距離[4]。隧道壓入式通風是通過通風機械將新鮮空氣輸送到工作面的一種通風方式。壓入式通風在臺階法開挖隧道中應用廣泛。

近些年，一些專家學者就隧道施工通風開展了一系列研究。如Chang等[5]通過數值模擬研究隧道橫截面積、空氣速度等因素影響下，隧道施工過程中有害氣體的通風和擴散，得出污染物分布及施工通風時間函數。趙寧雨等[6]基于流量守恒原理，結合低海拔地區隧道施工壓入式通風經驗得到高海拔地區隧道壓入式通風的合理長度修正公式，并通過實際工程驗證了該公式的可行性。王海橋等[7]基于流體動力學理論和紊流射流理論對獨頭巷道在壓入式通風情況下巷道內風流場特征進行分析，得到了流場內射流分區等流場特征，為通風排污等奠定了理論基礎。喬力偉[8]針對壓入式通風方式在鉆爆法施工隧道中的粉塵濃度過高的問題，通過工程案例對比發現設置抽出式風幕可大大降低粉塵濃度。王文才等[9]通過巷道在使用長壓短抽式通風除塵時對壓入式和抽出式風管位置高度及距綜掘面的距離進行優化模擬，得出其與巷道高度和斷面面積的數學關系。Niu等[10]針對特定工程，分別就風管距掌子面距離和風管直徑對流場影響進行研究，得出適合該工程的最佳組合。

中外學者針對臺階法施工隧道壓入式通風的研究相對較少，并且臺階法施工隧道的通風方案研究不僅僅是通風能力設計，還應考慮臺階法施工隧道有限空間結構的特殊性及施工工序的影響等。現以實際工程為依托，采用FLUENT軟件對臺階法施工隧道壓入式通風進行數值模擬，通過對不同風管位置、上臺階長度、上臺階高度下通風流場的分析，得出各個參數對施工隧道通風效果的影響，因此提出改善臺階法施工隧道通風效果的有效途徑。

1 工程概況

1.1 工程背景

金井隧道位于興泉鐵路寧泉段內，為單線隧道，隧道起止里程DK233+968～DK241+260，全長7 292 m，分3個工區。其中出口工區起止里程DK239+327～DK241+260，長為1 933 m。隧道出口工區采用臺階法和全斷面施工開挖，其中DK240+820～DK241+260段為Ⅳ級、Ⅴ級圍巖，采用臺階法施工，且采用壓入式通風，風管為Φ1.8 m軟管。在臺階法施工段內隧道斷面形式及風管布設位置圖如圖1所示。

圖1 隧道斷面形式及風管布設位置Fig.1 Tunnel cross-sectional form and location of air duct layout

1.2 計算工況

為研究風管布置位置、風管出口距掌子面的距離L1、上臺階長度L2和上臺階高度L3對洞內流場的影響，各工況具體設置如下所示：

工況一：風管布置位置選為側部與頂部；

工況二：L1分別取為5、10、15、20 m；

工況三：L2分別取為5、10、20、30、40 m；

工況四：L3分別取為2、3、4、5、6 m。

通過對流場特征分析及風速監測，分別確定各因素的最佳值，并尋找其中的規律。

2 模型建立

2.1 建立網格模型

以金井隧道出口施工段實際尺寸為參考，進行橫斷面1∶1比例計算建立模型，選用隧道出口工區某臺階法施工段90 m作為研究對象。利用ANSYS ICEM CFD進行隧道三維建模及網格劃分，網格為非結構化網格，網格類型為Tetra/Mixed,生成方法為Robust(Octree),最大尺寸為1 m；壁面最大尺寸為0.2 m，高為0.004 2 m，高度比為1.1,共10層，大約有340萬個單元，將生成的網格模型導入FLUENT 進行設置運算，網格劃分如圖2所示。

圖2 隧道網格劃分Fig.2 Tunnel meshing

2.2 模型運算假定及參數設定

2.2.1 基本假設

(1)氣體視為不可壓縮。

(2)忽略人員機械對流場的擾動。

(3)隧道壁面為光滑壁面。

2.2.2 模型運算參數

據數值計算，洞內氣流雷諾數數量級達到107，大于臨界雷諾數，故洞內氣流視為湍流，計算模型選為k-ε模型。根據《鐵路隧道施工規范》(TB 10204—2002)[11]對洞內工作人員呼吸、炮煙稀釋、機械內燃機廢氣稀釋及風管百米耗損計算可得，數值模型計算長度內所需風量為1 753 m3/min，風管出口風速V=11.48 m/s。邊界條件設定為風管出口為速度進口邊界條件，速度為11.48 m/s，隧道進口設為壓力出口邊界條件，相對壓強為0；其余壁面均設置為無能量交換無滑移壁面；離散相采用二階迎風格式，速度和壓力耦合采用Simplec格式。

3 臺階法施工壓入式通風數值模擬及流場分析

3.1 壓入式通風流場分析

取L1=20 m、L2=10 m、L3=4 m為研究對象，對臺階法施工隧道流場進行研究分析。通過FLUENT進行計算可等到各等值面平均速度與距掌子面距離的關系曲線如圖3所示。

圖3 各等值面平均速度與距掌子面距離的關系曲線Fig.3 The relationship between the average speed of each iso-surface and the distance from thetunnel face

由圖3可知，風流自風管出口射入洞內，速度最大值出現在距上臺階工作面10 m位置，并隨距離的增加而沿程減小。在距掌子面45 m左右時，各等值面平均速度趨于穩定。

臺階法施工隧道內流場分布情況如圖4所示(參考面為y=5 m,x=2.25 m)。風流射入洞內，射流并不能充分發展，而是在距上臺階開挖面約10 m位置開始出現偏移，一部分受隧道內側壁限制表現為貼附射流[7,12-13]，經過一定距離的充分發展，開始沿偏移方向反向回流，與偏移風流相互作用在下臺階開挖面處形成渦流。另一部分同時受隧道側壁及上臺階開挖面限制，表現為貼附射流，在與射流風流匯合后，對射流產生一定作用力，使其發生偏移，因此在上臺階開挖面內形成另一個渦流。隧洞內由于臺階的存在，橫截面變小，射流發展至下臺階開挖面時，發展空間受到限制，因此下臺階開挖面前部空氣被射流卷吸形成渦流。

圖4 流場速度矢量Fig.4 Flow field velocity vector

臺階法施工隧道壓入式通風是有限空間的受限貼附射流[7]，射流受空間限制，射流可能得不到充分發展，合理通風易受到影響。

3.2 風管出風口位置確定

取L1=20 m、L2=10 m、L3=4 m，針對依托項目的實際需要，僅對風管出口位置位于拱頂和側部進行分析，其位置分布如圖5所示。

圖5 風管位置分布Fig.5 Location distribution of air duct

通過數值模擬分析得出各等值面平均速度隨距掌子面距離的關系曲線如圖6所示。由等值面平均速度與距掌子面距離關系曲線可知，風管布設于側部和頂部時，等值面平均速度沿距掌子面距離的變化趨勢幾乎是一致的，臺階所在截面平均速度達到速度峰值，并沿程逐漸減小。在距掌子面距離超過60 m后，風管出風口布置位置對各斷面平均速度大小的影響不大。但在距掌子面0～60 m內，風管出風口布設在側部時，各等值面平均速度均大于頂部布置情況，且在風管出風口所在斷面差值達到最大值0.68 m/s。在實際施工中，為盡快將粉塵、廢氣、炮煙等排出，提高通風效率，減少施工通風時間，節約時間經濟成本，因此選用風管側部布設為宜。

圖6 速度與距離關系曲線Fig.6 Speed and distance relationship curve

3.3 風管出風口距掌子面距離L1的確定

操作條件為風管出風口布置在側部，取L2=10 m，L3=4 m，L1分別取為5、10、15、20 m，在這些條件下進行數值模擬，得流場速度矢量圖如圖7所示(取y=5 m為參考面)。由圖7可知，當L1=5 m時，流場相對較為均勻，風流受到上臺階工作面和隧道側壁的限制，表現為貼附射流，并在上臺階工作面前和隧道右側出現小渦流，但對整個流場影響不大；當L1=10 m時，流場較為均勻，且隧道上臺階右側并無渦流；當L1=15 m和L1=20 m時，平面內出現明顯的渦區，且渦區有隨L1的增大而擴大的趨勢。

圖7 流場速度矢量Fig.7 Flow field velocity vector

可以得出結論：在L1處于各樣工況下，射流都出現了不同程度的偏移，且偏移幾乎都是在10 m處開始，因此隧道上臺階的存在對氣流存在一定的抬升作用。當L1越小時，射流的充分發展越被限制，且越易發生偏移，即射流偏移直線越早，但風速場相對均勻，渦流影響區域小。當L1越大時，上臺階工作面前越容易出現大渦流，且隨L1的增大而變大，不利于廢氣、粉塵等的排出。因此L1的取值以 5～10 m為宜。

3.4 臺階法施工上臺階長度L2的確定

操作條件為風管出風口布置在側部，L1=10 m，L3=4 m，L2分別取為5、10、20、30、40 m，在這些條件下進行數值模擬，得流場速度矢量圖如圖8所示(取y=5 m為參考面)。

圖8 流場速度矢量Fig.8 Flow field velocity vector

由圖8可知，L2在各工況下，射流發展均得到一定程度限制。當L2=5 m時，射流雖然出現偏移，但可以發展至上臺階工作面；L2=10 m時，射流出現比較明顯的偏移，射流不能發展至上臺階工作面且在上臺階工作面前出現渦流，這表明當L2≤L1時，上臺階長度越短，射流有效射程越大，上臺階工作面前渦流也越小[14]，射流偏移也越晚。同時也不難發現，當L1一定，L2≤L1時，射流一般在臺階處出現偏移，說明射流自大空間發展至臺階處時，發展空間急劇變小，射流順著臺階爬升，出現偏移。在L2=20、30、40 m三種工況下，射流均出現偏移，且受到隧道側壁和上臺階工作面的空間限制，在隧道左側壁和上臺階工作面上表現為貼附射流，隧道內流場特征基本一致，這表明當L2>L1時，臺階長度的增大對射流有效射程影響不大[14-15]，對流場的影響也越來越小。

綜上可得，當L2≤L1時，臺階越短，射流有效射程更大，上臺階工作面前出現的渦流較小，射流偏移也越晚，同時臺階對射流有一定的抬升作用。當L2>L1時，臺階長度變化對射流有效射程影響不大，對流場的影響較小。因此，上臺階長度L2為5～10 m 為宜。

3.5 臺階法施工上臺階高度L3的確定

操作條件為風管出風口布置在側部，L1=10 m，L2=5 m，L3=3、4、4.5、5、6 m模擬，得流場速度矢量圖如圖9所示(取y=5 m，x=2.25 m為參考面)。

圖9 不同臺階高度L3下隧道流場速度矢量Fig.9 The velocity vector of tunnel flow field under different step height L3

當L3=3 m時，隧洞內的空間相對較大，射流可以得到發展，但在上臺階工作面處受限，未能充分發展。當L3=4、4.5 m時，射流充分發展，在上臺階工作面前出現了偏移，但整個流場相對均勻，并未出現影響較大的渦區。當L3=5、6 m時，臺階高度大于風管出風口布置高度，射流被臺階擋住，射流不能充分發展。

綜上所述，上臺階高度L3不宜過高，否則射流易被擋住，不符合工程實際；上臺階高度L3又不宜過低，否則不能發揮臺階對隧道掌子面及圍巖的支承作用。為避免空間受限，確保射流充分發展，上臺階高度L3應小于風管布置高度，應以4～5 m為宜。

4 結論

(1)臺階法施工隧道壓入式通風是有限空間的受限貼附射流，射流受風管位置、風管出風口距工作面距離、臺階長度及臺階高度這些因素所組成的空間的影響。

(2)風管設置在側部時橫截面上各測點的速度值和縱向等值面的平均值均大于風管頂部布置，風管設置在側部更利于有限施工空間內空氣及時流通。

(3)當上臺階高度達到風管出風口一定距離時，隧道上臺階的存在對射流存在一定的抬升作用；當風管出風口距臺階工作面的距離L1≤L2時，L1越小，越易發生偏移但渦流影響區域小。當L1>L2時，L1越大，上臺階工作面前越容易出現大渦流，因此為利于廢氣、粉塵等的排出，L1的取值以5～10 m為宜。

(4)當L2≤L1時，臺階越短，射流有效射程更大，上臺階工作面前出現的渦流較小，射流偏移也越晚，同時臺階對射流有一定的抬升作用。當L2>L1時，臺階長度變化對射流有效射程影響不大，對流場的影響較小，上臺階長度L2以5～10 m為宜，但應小于L1。

(5)為避免空間受限，確保射流充分發展，上臺階高度L3應小于風管布置高度，應以4～5 m為宜。