铁路瓦斯隧道独头施工通风数值模拟分析

蒲 实, 张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

经过几十年的发展，我国铁路建设事业已经取得了辉煌的成绩，同时铁路修建技术已经有了极大的提升。川藏线即将开工建设，其工程地质极为复杂，埋深大于1 000 m，长度超过20 km的超深埋特长隧道众多[1]，这对隧道施工通风又提出了新的要求。为保证施工进度，通常情况下在修建特长隧道时多采用多个工作面同时进行的开挖方式，隧道内风流场复杂[3]。某些隧道在施工过程中，常常因为通风问题导致工作效率降低，进度缓慢，同时也面临着通风成本巨大的问题[2]。对于瓦斯隧道来说，还存在安全风险，将特长铁路瓦斯隧道在施工期间产生的瓦斯浓度控制在安全范围内，是瓦斯隧道通风的基本要求[4]。

因此应用现有的流体计算软件Fluent对瓦斯隧道施工期间降低瓦斯浓度效果进行模拟计算，为隧道施工通风提供指导。

1 牛峒山隧道施工通风模型建立及参数选择

1.1 工程概况

牛峒山隧道地处福建省龙岩市连城县隔川乡，线路总体由南到北方向。隧道通过地层中含炭质页岩和煤层，会产生有害气体积聚，加上隧道底的煤系地层中的瓦斯等有害气体可能会沿着岩石节理、裂隙向上溢出。全隧长3 022 m，预测瓦斯发生的长度为2 070 m，占全隧的68.5 %，施工安全风险高、技术难度大。

1.2 模型建立

主要研究掌子面附近的风流场及瓦斯分布规律，因此建立长200 m的隧道模型。利用软件Hypermesh对三维模型进行网格划分。风管直径1.8 m，根据《瓦斯隧道施工技术规范》取风管出口离掌子面的距离为5 m。隧道整体模型及网格划分如图1所示。

图1 隧道模型及网格

1.3 参数选择设置

数值模拟边界条件的设置,如表1所示。

(1)进口边界：风管出口选用速度入口边界，风速大小为v=20m/s。

(2)出口边界：隊道出口边界条件设置为压力出口，相对压力取0 Pa。

表1 参数选择设置

(3)壁面边界：将隧道内所有壁面均定义为固定壁面，视为无滑移边界条件，所有壁面均视为绝热。

(4)瓦斯源项：通过设置源项来对隧道瓦斯涌出进行模拟。

2 风流流场数值模拟分析

实际上隧道施工通风，就是风管出口的风流射向掌子面进行送风，当隧道周围的围岩限制了射流的扩散运动，因此自由射流的规律在有限空间就不再适用。瓦斯及污染物的扩散规律，是以风流的流动为基础的。因此，在研究瓦斯及污染物扩散规律前，应先充分认识在有限空间射流的风流场特征。

2.1 射流结构

风速流场趋于平稳时掌子面附近纵断面上风速矢量图如图2所示。

图2 y-z平面风速矢量(x=0)

由于射流属于紊流流体，紊流的横向脉动使得射流与周围的空气之间不断发生动量交换，带动周围空气的流动，但是由于隧道边壁限制了射流边界层的发展扩散，射流的横向范围沿隧道纵向并不是不断扩大，这就形成了向隧道掌子面扩散的流动场。但是对于瓦斯隧道，风管出口离掌子面的距离近，并且风管出口风速比较大，风流从风管口射出后很快就达到了掌子面，其射出的风流对周围空气的席卷作用并不能得到充分的发展，因此附壁射流区不是特别明显。

从图3可以看出，风筒出口附近处，风流从风筒射出，紧贴隧道侧壁向前射出。此时风筒出口处的风速最大，隧道的其余部分几乎没有风速。随着距离风筒出口的距离增大，风筒附近范围内的风速逐渐升高，风速围绕风筒形状出现明显的层次性。此时，风筒射流出现明显的贴壁射流现象，随着距离风筒出口距离的增加，贴壁流面积越大，风速分层现象更加明显。

图3 距风筒出口截面速度矢量

当风流到达掌子面处时，对掌子面产生冲击，形成冲击射流区。风流冲击掌子面端头壁面后，随即又冲击隧道地板后产生回流，与射流形成反方向的流动，形成回流区。当回流与射流相遇时，回流被射流撞击后分为两部分，一部分继续与射流反方向流动，流向隧道出口，另一部分风流被射流区席卷后再次吹向掌子面。

回流风影响加上隧道空间的限制，从不断席卷空气变为不断析出空气。析出空气和席卷空气两者有明显的分界，分界处形成漩涡，这一区域即为涡流区。射流风流大达到掌子面后产生的回流风流与射流风流的方向相反，由于流体之间的相互摩擦，在贴壁射流区范围内在射流风流的上下区域形成两个明显的涡体，越往涡体内部其风速越小，这对通风不利，应该在施工时采取相应的措施加以消除。

因此，可以知道掌子面附近的风流场由贴壁射流区、冲击射流区、回流区以及涡流区四部分组成。

2.2 动力特征

风管出口至掌子面各断面压强变化如图4所示。

由图4压强云图可以看出，风从风管射流出来之后，其射流结构内部的压强变化规律为，随着射程的增大，由于流体需要克服隧道壁面引起的压力损失，在纵向上总压逐渐减小；另外，随着射程的增大，由于射流的席卷作用，压强增加的范围逐渐增大，到掌子面处范围最大，这对污染物的排出是有利的。

3 瓦斯分布数值模拟分析

对于瓦斯隧道应重点关注掌子面附近的瓦斯浓度场规律，因此对掌子面附近局部瓦斯扩散规律进一步研究。探明瓦斯扩散随时间的变化规律及瓦斯在隧道不同横断面上的分布规律见图5～图8。

从图5～图8中可以很明显的看出瓦斯在洞内的运移过程。当通风20 s时，瓦斯扩散到离掌子面大约15 m的位置，通风360 s后，瓦斯排出洞外，隧道的瓦斯浓度基本趋于稳定。射流与回流流体之间的相互摩擦作用，在掌子面附近射流风流的上下区域形的涡体位置使得此处瓦斯分布不均，扩散效果不好。

图5 通风20s时掌子面附近Y-Z切片瓦斯浓度云图

图6 通风100s时掌子面附近Y-Z切片瓦斯浓度云图

图7 通风180s时掌子面附近Y-Z切片瓦斯浓度云图

图8 通风360s掌子面附近Y-Z切片瓦斯浓度云图

掌子面附近不同通风时间的Y-X平面瓦斯浓度云图如图9所示。

图9 通风20s、100s、180s、360s时瓦斯浓度分布

刚通风时，瓦斯从掌子面溢出一段距离后与风管喷出的新鲜风混合，隧道掌子面附近瓦斯浓度较大。随着隧道通风的进行，掌子面瓦斯浓度逐渐降低。瓦斯主要聚集在风管异侧拱脚位置，这对排出瓦斯非常不利，应该在施工时采用防爆型局扇引导风流，使其快速排出。

计算收敛后，瓦斯布满整个隧道，隧道不同截面处的瓦斯浓度分布规律大致相同。主要呈现出近风筒端瓦斯浓度较低，远离风筒端瓦斯浓度较高，且两边分层现象较为明显。同时远离风筒端隧道拱脚处的瓦斯浓度最高，直到风回流到离掌子面大约12 m的位置时，拱脚较高浓度的瓦斯才消散。随着距离掌子面的距离越来越大，瓦斯整体浓度呈现下降趋势，当距离超过15 m后，瓦斯浓度趋于平稳。如图10所示。

图10 离掌子面2m、5m、12m、20m位置横断面瓦斯分布

综上可知，整个隧道内风流能很好的控制瓦斯浓度。但是在隧道纵向一定距离内风管异侧拱脚位置有瓦斯聚集的可能，为保证施工应采用相应措施。

4 结论

采用Fluent软件，对牛峒山铁路瓦斯隧道的进行数值模拟计算。最终得出的结论如下：

(1)在射流末端区域形成两个明显的涡体，越往涡体内部其风速越小。

(2)射流结构内部的压强变化规律为，随着射程的增大，在纵向上总压逐渐减小；在横向上压强增加的范围逐渐增大，到掌子面处范围最大。

(3)整个隧道内风流能很好的控制瓦斯浓度。但是在隧道纵向一定距离内风管异侧拱脚位置有瓦斯聚集的可能，为保证施工应采用相应措施。