興隆坪隧道施工通風流場及天然氣瓦斯分布規律研究

丁浩江

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031；2.中鐵二院地質創新工作室，四川 成都 610031)

0 前 言

天然氣瓦斯主要來源于生烴源巖，生烴源巖可能有多種，是通過巖體結構通道運移、儲存的瓦斯。在天然氣瓦斯隧道施工過程中，一旦控制措施不當，將很可能導致瓦斯積聚，引發瓦斯安全事故，威脅洞內作業人員生命安全。在目前的天然氣瓦斯隧道臺階法施工中，通常采用局部壓入式施工通風方式，往往忽略了臺階法施工隧道空間結構的特殊性和天然氣瓦斯與空氣相互作用及其運移規律等對通風效果的影響[1]。為進一步提天然氣瓦斯隧道施工通風效果，有必要依托實際工程，結合現有理論并利用可行軟件對臺階法施工通風過程中存在瓦斯溢出時隧道內風流分布、瓦斯濃度分布規律進行研究。

為了驗證天然氣瓦斯隧道壓入式通風措施是否能有效降低洞內瓦斯濃度，本文以成都至貴陽高鐵興隆坪天然氣高瓦斯隧道壓入式通風設計為案例，運用離散化的數學方法模擬、分析流體流動和熱交換軟件，通過選取適當的計算參數，對興隆坪隧道開挖進行通風數值模擬，研究通風狀態下瓦斯的分布及運動規律，并對比分析了壓入式通風不同時間段洞內不同位置的天然氣瓦斯濃度、壓力、逸散速度的變化情況，為防止瓦斯積聚，改善通風效果有效措施的提出提供了依據。

1 數值模擬

1.1 工程概況

興隆坪隧道位于四川省宜賓市長寧縣老翁鎮境內，是成貴高鐵長寧至興文區間內的重點隧道之一。隧道設計全長2 803 m，行車速度250 km/h，按客運專線雙線隧道設計。隧道最大埋深約60 m，全隧為單面上坡，縱坡為14.5‰。隧址區屬北東向構造帶，為川南低陡斷褶帶次級構造單元，線路大角度穿越構造線，洞身橫穿老翁場儲氣背斜構造(老翁場氣田)，巖層傾角緩斜，節理較發育。隧道主要地層巖性為侏羅系中統上沙溪廟組(J2s)砂巖夾泥巖，隧址區位于盆地南部油型天然氣聚集區，巖石物性較好，屬于油氣有利儲集層，有利于油氣儲集，瓦斯涌出量為0.5 m3/min，為天然氣高瓦斯隧道。

1.2 數學模型建立

1)隧道通風模擬計算假定。由于在隧道通風模擬中，隧道內通風壓力一般為常壓，且溫度變化較小，隧道內的通風氣流為低速氣體，空氣的密度和體積變化不足以影響計算結果的精度。因此，可以將隧道內的氣體視為不可壓縮流體[2]。同時，忽略隧道內不可壓縮流體運動時的摩擦力以及其可能產生的耗散熱能，而且隧道壁面無法傳遞能量，氣體在運動過程中沒有發生任何化學反應，因此可以將流場視為恒溫的；其次，為了便于模擬，隧道內的有害氣體均由掌子面涌出，不存在其他涌出源。

2)流體能量守恒定律。不可壓縮流體在隧道內的運動可以視為湍流運動，有害氣體在隧道內的運動過程主要包括有害氣體擴散、有害氣體與空氣的對流和空氣的紊流等過程。而有害氣體和空氣的紊流擴散和運移控制方程主要包括組分傳輸方程、動量守恒方程和質量守恒方程。紊流模型則選擇Reynolds平均法中湍流粘性系數法的標準k-ε模型，近壁面的氣體流動則選擇標準壁面函數法來處理[3]。

根據以上假定和設定條件，可以用通用的微分方程形式來表示隧道中穩態的氣流和瓦斯湍流流動控制方程：

(1)

式中，u、v、w分別為x、y、z方向上的速度分量；?在不同的模型中可表示不同的意思，如速度、組分質量分數、紊流動能等；Г?為與?對應的擴散系數；S?為與?對應的源項。

1.3 物理模型

本次模擬選取興隆隧進口工區道掘進至埋深最大處1 200 m時進行模擬研究。風筒口距離掌子面15 m，風筒直徑為1.6 m，風筒置于隧道頂部，與隧道上壁面相切。按照隧道工程的實際尺寸，簡化模型設置，使用Solidworks軟件建立三維隧道模型，如圖1所示，圖中深色區域為掌子面。

圖1 興隆坪隧道物理模型圖

模型運用數值軟件進行網格劃分，采用了結構化網格劃分法，整個模型共劃分了150萬個網格，且在通風管道避免附近進行了網格加密設置，使得網格劃分更加精細。網格劃分如圖2所示。

1.4 參數選擇設置

通過對興隆坪隧道各參數的分析以及應用不同參數所得模擬結果的相互比較，對參數進行不斷調整和優化，確定了模擬隧道瓦斯運移擴散的常規數值模型。

1)ANSYS Fluent模擬模型參數設置。模型所用的模型參數見表1。

2)數值模擬邊界條件設置。ANSYS Fluent模擬的邊界條件是指在求解域邊界上所求解的變量隨著時間變化的規律，表2列出了模擬中涉及的一些參數。

(1)入口邊界：通風管道口設定為速度入口邊界，自然風沿通風管道均勻進入隧道，風速v=21.61 m/s，該風流中沒有瓦斯氣體。

(2)出口邊界：將隧道進口設置為自由出流邊界，即出口位置壓強為大氣壓。

(3)壁面條件：將隧道內壁面、底板等均視為固定壁面，視為無滑移邊界條件，而且選擇標準壁面函數來處理近壁面，且上述壁面均視為絕熱。

(4)瓦斯源項：為了便于處理，本文將瓦斯的實際涌出源視為由掌子面均勻涌出，瓦斯源項的值根據瓦斯的實際涌出量來確定。據勘察實測數據可知，隧道瓦斯涌出量為0.5 m3/min。

表2 ANSYS Fluent 模擬參數表

2 成果分析

2.1 隧道通風風場分析

由通風管道射入隧道內而形成的氣流稱為空氣射流。但由于隧道內壁面對空氣射流會產生不同程度的影響，因此空氣射流又可以分為自由射流和受限射流。對于流速比較大、處于紊流狀態的空氣射流又可稱為紊流射流[4]，而壓入式通風即屬于此種類型。這種通風模式一般通過風管將空氣傳送至離隧道掌子面一定距離處，其后從風管口噴出的射流沿隧道壁面慢慢向掌子面運動，稀釋帶走該區域的瓦斯、粉塵等有害物質，再回流到隧道口排出隧道。研究隧道壓入式通風的風場規律有利于進一步揭示隧道內氣體流動過程、瓦斯的運動規律，因此需要先對隧道的風場進行研究分析。

圖3為風機開啟后不同時刻隧道內部氣流流線圖，可以看出，從風管內吹出的風流能夠到達掌子面，表明在上述通風條件下，風管口到掌子面的距離設計為15 m時是在有效射程內，能基本保證有害氣體的排出。氣流流出風管后，由于受到掌子面的阻擋，開始由頂部向下流動，并沿隧道形成渦流區。隨著時間的推移，渦流區向隧道口方向擴散，并逐漸被耗散，在距離掌子面約30 m處基本消失，流動由紊流逐漸恢復為層流。

(a)t=0 min

(b)t=1 min

(c)t=2 min

(d)t=3 min

(e)t=4 min

(f)t=5 min

(g)t=30 min

(h)t=60 min

(i)t=120 min

選取距離地面高度1.8、3、7、12.9 m的隧道橫切面觀察隧道內不同高程斷面壓力、速度分布狀態，如圖4所示。可以看出，風管中的空氣從風管口到達掌子面后與掌子面瓦斯混合，在20 m左右的范圍內，兩股氣流受到渦流區的作用，快速摻混。隨著通風的持續，隧道內的風流逐漸向隧道口進行回流運動，壓力逐漸趨于恒定，速度亦變為定值。

(a)壓力分布

(b)速度分布

隧道軸線瓦斯濃度分布如圖5所示，垂直方向上，在距掌子面15 m范圍內，高度越低，瓦斯濃度越低，這是由于氣流渦流區和浮力共同作用的結果。在距離掌子面30 m范圍內，瓦斯與空氣基本完全摻混，摻混后瓦斯濃度為0.12%左右，在靠近掌子面的拐角處，由于流動條件較差，不利于瓦斯等有害氣體的排放，所以瓦斯濃度有所增加，最大濃度為0.284%，在施工過程中應該重點加強監測，并輔以局扇補充通風。

圖5 瓦斯濃度分布

為觀察通風管口至掌子面在通風狀態下瓦斯的分布情況，選取隧道內氣流達到相對平衡狀態時各橫斷剖面進行對比分析，如圖6～9所示。從圖6～9可以看出，自然風流在到達掌子面后，由于受到掌子面的限制開始向隧道口方向回流。隨著持續通風，風流迅速充滿整個隧道，并在整個隧道截面上出現明顯的風流分區現象[5]。

從圖6(a)、圖7(a)、圖8(a)、圖9(a)可以看出，風管口的風速明顯高于遠離風管口一側的風速，而隧道中間區域的風速又呈現出小于兩側風速的特征；其次，由于掌子面瓦斯的均勻逸出，由通風管噴射的風流在到達掌子面后會與瓦斯混合，從而出現由風管口向掌子面壓力逐漸減小的現象(見圖6(b)、圖7(b)、圖8(b)、圖9(b))；由于持續通風，掌子面處的瓦斯得到有效擴散，但由于風管噴出的氣流壓力過大，導致其垂直壓入在掌子面范圍內的瓦斯無法立刻向周圍擴散，在該范圍內還存在一定瓦斯聚集(見圖6(c)、圖7(c)、圖8(c)、圖9(c))。

(a)速度分布

(b)壓力分布

(c)濃度場分布

(a)速度分布

(b)壓力分布

(c)濃度場分布

(a)速度分布

(b)壓力分布

(c)濃度場分布

(a)速度分布

(b)壓力分布

(c)濃度場分布

2.2 隧道內瓦斯濃度場分析

隧道內瓦斯濃度的變化情況受控于隧道內風流流場的分布情況，同時隧道內瓦斯的稀釋情況也受其影響。圖10為在通風條件下隧道掌子面在不同時刻的瓦斯濃度分布云圖，掌子面瓦斯濃度隨通風時間變化的情況[6]如圖11所示。

(a)t=1 s

(b)t=2 s

(c)t=3 s

(d)t=5 s

(e)t=10 min

(f)t=20 min

(g)t=1 min

(h)t=2 min

(i)t=3 min

(j)t=5 min

(k)t=30 min

(l)t=60 min

圖11 掌子面瓦斯濃度隨時間變化曲線

可以看出，由于剛開始風管內的風流尚未到達掌子面，加上掌子面處瓦斯持續逸出，故在該時間段內掌子面瓦斯濃度急劇地增加，直到達到一個最大值；而后，隨著風流的到來，掌子面的瓦斯得到有效稀釋，瓦斯濃度在很短的時間內出現急劇下降。然而，由于掌子面的限制，在通風4 s左右瓦斯濃度又出現急劇上升，在5 s時已經達到0.482%。隨后又開始急劇下降，在300 s時達到最小值0.053%。此后，瓦斯濃度又出現緩慢升高，逐漸達到一個相對穩定的值，穩定值約為0.054%。

由隧道通風風流流場分析可知隧道內存在渦流區，為了得出渦流區內瓦斯濃度分布情況，選取距掌子面40 m的范圍分析該段瓦斯濃度的分布情況，如圖12所示。從圖12中可看出，因掌子面的限制、通風管內風流的持續射流和回流作用所形成的渦流區內，掌子面瓦斯濃度明顯稍高于隧道的其他區域[7]。然而，隨著時間的推移，該區域的瓦斯濃度又逐漸降低，但同時又保持著該區域瓦斯濃度高于其他區域的特點。

圖13為穩定通風下隧道內各點瓦斯濃度分布情況。從圖13可以看出，對隧道進行通風后，隧道內瓦斯濃度急劇下降。當通風穩定后，隧道內瓦斯濃度也相對趨于穩定，在掌子面處瓦斯濃度最大；從掌子面到隧道口方向，瓦斯濃度呈現出先急劇下降，然后再緩慢升高，最后慢慢達到一個相對穩定值的狀態。由于隧道長度以及渦流的影響，靠近隧道口一側的瓦斯濃度稍高于隧道內側，但整體濃度均低于0.04%。規范規定，瓦斯隧道在運營中，瓦斯濃度在任何時間、任何地點都不得大于0.5%[8]，故在該通風條件下滿足要求，通風能有效降低隧道內天然氣瓦斯濃度。

圖12 各節點瓦斯濃度分布曲線

圖13 隧道各節點瓦斯濃度分布曲線

綜上所述，興隆坪隧道在壓入式通風條件下能將隧道內的瓦斯濃度降低到規定限值以下，表明通風是快速降低瓦斯濃度的有效方式之一。然而，從模擬結果來看，隧道內還存在部分區域瓦斯濃度值偏高。為了使整個隧道瓦斯濃度值保持在限值的范圍，在實際的施工中不能僅以壓入式通風作為唯一的通風方式，還需在隧道內設置通風豎井，并配合局部風扇。

3 結 論

1)氣流流出風管后，由于受到隧道掌子面的阻擋，開始由頂部向下流動，并沿隧道形成渦流區。隨著時間的推移，渦流區向隧道口方向擴散，并逐漸被耗散，在距離掌子面約30 m處基本消失，流動由紊流逐漸恢復為層流。

2)通過對隧道掌子面天然氣瓦斯濃度的分析，在風管內的風流尚未到達掌子面這段時間內，掌子面天然氣瓦斯濃度急劇增加，直到達到一個最大值；而后，隨著風流的到來，掌子面的瓦斯得到有效稀釋，瓦斯濃度在很短的時間內出現急劇下降。然而，由于掌子面的限制，在通風4 s左右瓦斯濃度又出現急劇上升，在5 s時已經達到0.482%。隨后又開始急劇下降，300 s時達到最小值0.053%，此后瓦斯濃度又開始緩慢升高，慢慢達到一個相對穩定的值，穩定值為0.054%。

3)當通風穩定后，隧道內天然氣瓦斯濃度也相對趨于穩定，掌子面瓦斯濃度最大。由于隧道長度以及渦流的影響，靠近隧道口一側的天然氣瓦斯濃度稍高于隧道內側，但整體濃度均低于0.04%，滿足規范中瓦斯隧道內瓦斯濃度在任何時間、任何地點都不得大于0.5%的要求，通風能有效降低隧道內瓦斯濃度。

4)通過數值分析方法對興隆坪天然氣瓦斯隧道在壓入式通風條件下隧道內風場、瓦斯濃度分布及其運動規律進行模擬分析，結果表明：在壓入式通風條件下，隧道內還存在部分區域瓦斯濃度值偏高的情況。為使整個隧道瓦斯濃度值保持在允許范圍內，在設計中需增設通風豎井并配合局扇作為補充措施，以確保施工安全。

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