隧道掌子面瓦斯分布三维分析

何 强

(中铁二局三公司贵广项目部，四川 成都 610031)

在隧道施工中，施工人员根据经验和规范进行施工通风［1］，［2］，缺少对工程的具体分析和研究，普遍存在通风质量差的问题，对施工人员的健康构成了威胁，因此，迫切需要将现有通风理论和计算软件应用于施工通风分析。资料表明，在国内外的爆破工程中，炮烟中毒的死亡事故占整个爆破事故的28.3%。可见，加强对爆破通风排烟的研究已成为一个急需解决的课题。

对通风问题的研究，最早出现在铁路隧道中。后来由于公路隧道的出现，特别是近年来长大公路隧道建设的高速发展，针对公路隧道通风的研究也空前活跃。在隧道通风的数值模拟方面多运用CFD计算流体力学软件进行模拟。欧洲国家从20世纪70年代就开始对此进行了研究，如M·A·Gailard［3］针对瑞士哥达低线铁路隧道的通风与温度控制问题进行了数学模拟研究，设计了该隧道通风及冷却系统。Alan Vardy［4］就某隧道通风系统计算程序的理论基础、模拟计算值与实测值的比较、通风系统的优化和通风卫生标准的选用、峰值浓度或平均浓度的影响因素作了重点讨论和简述，并对法国太思隧道进行了模拟计算。瑞士学者Rudin对特长隧道的烟气扩散进行了研究［5］。Chow利用CFD技术对公路隧道CO浓度的扩散进行了数值模拟［6］。国内对公路隧道通风系统研究起步于20世纪90年代。如西南交通大学［7］对于多维和动态情况作了初步研究，采用空气动力学模型、交通模型、污染模型对竖井吸出式纵向通风系统进行了动态模拟。

公路隧道通风研究以往都是针对运营通风，而对于隧道施工过程中的通风研究很少。在隧道施工现场，施工人员是根据经验和相关规范进行施工通风设计，缺少对工程的具体分析研究，普遍存在通风质量差的问题，对施工人员的健康构成了威胁，因此迫切需要将现有通风理论和计算软件应用于施工通风设计中，对隧道施工通风进行优化。本文结合贵广高速铁路小范坪隧道的施工，采用国际通用计算流体力学软件，对隧道施工通风进行了数值仿真研究，为现场施工提供理论指导。

1 工程概况

贵广高速铁路小范坪隧道位于贵州省贵定县昌明镇新安村境内，隧道起止里程为DK75+080～D3K76+720，全长为1640 m，是位于岩溶地区的高瓦斯隧道。

DK75+620～+700(梁山组)含煤线、炭质泥岩，瓦斯涌出量0.17 m3/min，顶底板涌出量0.24 m3/min，在开挖断面上总涌出量0.41 m3/min，为低瓦斯段;DK75+080～D3K76+000段为低瓦斯工区。D3K76+390～+540(大搪阶)，煤层瓦斯涌出量0.32 m3/min，顶底板灰黑色含炭页岩瓦斯涌出量0.29 m3/min，开挖面上总涌出量0.61 m3/min，为高瓦斯段。D3K76+000～D3K76+720段为高瓦斯工区。

DK75+220～D3K75+420、D3K75+680～D3K75+860段洞身附近电阻异常，推测为溶蚀破碎带或填充溶洞发育区;DK75+080～D3K75+560、D3K75+700～D3K75+940段为剥蚀低山岩溶峰丛地貌，地形起伏较大，下伏基岩为灰岩夹白云质灰岩，地表溶蚀发育强烈，有大型洼地、落水洞、漏斗等，洞身遇溶洞可能性很大，且容易引起坍方、突水突泥、瓦斯聚集。图1为小范坪隧道现场通风情况，图2为小范坪隧道正洞净空断面。

小范坪隧道通风采用单风机单风管压入式通风，在洞口设置两台SDZ－125型135 kW的轴流风机(一台作为备用)，配置直径1800 mm的风筒，风机的性能见表1，通风设备见表2，风机安装在距洞口20 m处，采用风机双回路电源。高瓦斯段通风方式见图3，掌子面通风采用一台135 kW轴流风机。

图1 小范坪隧道现场通风

图2 小范坪隧道净空断面

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图3 小范坪隧道高瓦斯段施工通风

2 数值模拟分析

2.1 边界条件的确定

对小范坪高瓦斯段的施工通风进行了数值模拟计算，计算边界条件设置［8］:①隧洞底部和上部设为墙面，并根据实际的粗糙度给定相应的壁面参数;②隧洞进风口设为等速边界条件;③隧洞出风口设为压力边界条件;④轴流风机出口高档速度v=12.5 m/s，边界条件为速度边界，风机壁面设为固体边界;⑤高瓦斯段瓦斯初始浓度7.32%。

2.2 高瓦斯隧道掌子面附近轴流式通风三维仿真

为了分析计算风管的有效射程，对风管出口到工作面的距离L分别为30 m、35 m进行了数值模拟计算，获得了较理想的结果。图4和图5分别为三维模型图及网格划分图。

图4 三维模型

图5 模型整体网格划分

图6、图7分别为风管出口距工作面30 m、35 m时风管中心水平平面的速度矢量图和标量图在射流运动过程中，射流不断卷吸周围的空气，射流范围扩大，但由于空间受限和回流的影响，射流范围的扩展受到一定的限制，射流不再卷吸周围的空气，而是向外析出空气。计算结果明显地表现了附壁射流区、冲击射流附壁区与回流区，以及射流的卷吸与析出，射流的卷吸与析出有明显的分界，分界处有涡流。从图6(b)中可以明显看到，当L=35 m时，射流不能到达工作面，相反在工作面附近形成了涡流区，而涡流区的流动方向与射流区的流动方向相反。

图6 风管中心水平面速度矢量分布

图7 风管中心水平面速度矢量分布

4 结论

本文通过采用国际通用计算流体力学软件FLUENT，对隧道掌子面风管有效射程进行三维计算，从理论上得出了掌子面有限空间受限贴附射流通风的规律。计算结果表明，当风管管口距工作面35 m时，在工作面附近形成了涡流区，在工作面附近其瓦斯浓度明显偏高，将不利于瓦斯的快速排出，所以在施工时应尽量将风管管口布置在距工作面30 m内。

［1］刘荣华，王海桥.压入式通风掘进工作面粉尘分布规律研究［J］.煤炭学报，2002，27(3):233 －236

［2］张恒，杨家松，高辉.锦屏隧道施工通风研究［J］.广西水利水电，2008(5):11－13

［3］M.A.Gaillard，Ventilation and cooling of a Long Railway Tunnel，Second International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels，1976:E2－23－ －EZ－55

［4］M.A.盖拉尔德.长隧道的通风及冷却——哥达基线铁路隧道的数学模拟方法［J］.金学易，译.隧道译丛，1980(3)

［5］郑晋丽.隧道通风系统模拟计算和结论［J］.地下工程与隧道，1997(1)

［6］C·Rudin.Fires in long railway tunnels－the ventilation concepts adopted in the A1pTransit projects［C］∥10thInternational Symposium on the Aerodynamics Ventilation of Vehicle Tunnels，2000

［7］W·K·Chow，Dispersion of Carbon Monoxide from a Vehicular Tunnel with the Exit Located along a Hillside［J］.Tunneling and Underground Space Technology.1989，4(2):231 －234

［8］西南交通大学等，《公路隧道纵向通风研究》研究文集.1998

［9］王瑞金，王凯，王刚.Fluent技术基础与应用实例［M］.清华大学出版社，2007

［10］JTJ 042－94公路隧道施工技术规范［S］