铁路隧道压入式通风流场分析及施工参数优化

吴 波， 陈辉浩， 黄 惟

(1.广西大学土木建筑工程学院, 南宁 530004； 2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 南宁 530004)

中国是目前世界上隧道和地下工程数量最多、发展速度最快、地质及结构形式最复杂的国家[1]。截至2018年底,投入运营的铁路隧道15 117座,总里程达16 331 km，在建铁路隧道3 477座,总长 7 465 km，规划铁路隧道6 327座,总长15 634 km[2]；截至2016年底, 中国公路隧道为15 181处,总长14 039.7 km[3]。由于丰富的工程实践经验，中国的隧道施工技术已经达到世界领先水平，未来若干年，中国隧道工程建设仍将快速稳步发展。在隧道施工阶段，施工通风对于保障施工作业人员的供氧量、机械设备的正常运转及隧道降温除尘等具有重要意义。台阶法是一种适用性强，应用比较广泛的隧道施工方法。台阶法施工一般分为上下两个台阶，为减少上下台阶工作的影响，上下台阶一般设置一定的开挖距离[4]。隧道压入式通风是通过通风机械将新鲜空气输送到工作面的一种通风方式。压入式通风在台阶法开挖隧道中应用广泛。

近些年，一些专家学者就隧道施工通风开展了一系列研究。如Chang等[5]通过数值模拟研究隧道横截面积、空气速度等因素影响下，隧道施工过程中有害气体的通风和扩散，得出污染物分布及施工通风时间函数。赵宁雨等[6]基于流量守恒原理，结合低海拔地区隧道施工压入式通风经验得到高海拔地区隧道压入式通风的合理长度修正公式，并通过实际工程验证了该公式的可行性。王海桥等[7]基于流体动力学理论和紊流射流理论对独头巷道在压入式通风情况下巷道内风流场特征进行分析，得到了流场内射流分区等流场特征，为通风排污等奠定了理论基础。乔力伟[8]针对压入式通风方式在钻爆法施工隧道中的粉尘浓度过高的问题，通过工程案例对比发现设置抽出式风幕可大大降低粉尘浓度。王文才等[9]通过巷道在使用长压短抽式通风除尘时对压入式和抽出式风管位置高度及距综掘面的距离进行优化模拟，得出其与巷道高度和断面面积的数学关系。Niu等[10]针对特定工程，分别就风管距掌子面距离和风管直径对流场影响进行研究，得出适合该工程的最佳组合。

中外学者针对台阶法施工隧道压入式通风的研究相对较少，并且台阶法施工隧道的通风方案研究不仅仅是通风能力设计，还应考虑台阶法施工隧道有限空间结构的特殊性及施工工序的影响等。现以实际工程为依托，采用FLUENT软件对台阶法施工隧道压入式通风进行数值模拟，通过对不同风管位置、上台阶长度、上台阶高度下通风流场的分析，得出各个参数对施工隧道通风效果的影响，因此提出改善台阶法施工隧道通风效果的有效途径。

1 工程概况

1.1 工程背景

金井隧道位于兴泉铁路宁泉段内，为单线隧道，隧道起止里程DK233+968～DK241+260，全长7 292 m，分3个工区。其中出口工区起止里程DK239+327～DK241+260，长为1 933 m。隧道出口工区采用台阶法和全断面施工开挖，其中DK240+820～DK241+260段为Ⅳ级、Ⅴ级围岩，采用台阶法施工，且采用压入式通风，风管为Φ1.8 m软管。在台阶法施工段内隧道断面形式及风管布设位置图如图1所示。

图1 隧道断面形式及风管布设位置Fig.1 Tunnel cross-sectional form and location of air duct layout

1.2 计算工况

为研究风管布置位置、风管出口距掌子面的距离L1、上台阶长度L2和上台阶高度L3对洞内流场的影响，各工况具体设置如下所示：

工况一：风管布置位置选为侧部与顶部；

工况二：L1分别取为5、10、15、20 m；

工况三：L2分别取为5、10、20、30、40 m；

工况四：L3分别取为2、3、4、5、6 m。

通过对流场特征分析及风速监测，分别确定各因素的最佳值，并寻找其中的规律。

2 模型建立

2.1 建立网格模型

以金井隧道出口施工段实际尺寸为参考，进行横断面1∶1比例计算建立模型，选用隧道出口工区某台阶法施工段90 m作为研究对象。利用ANSYS ICEM CFD进行隧道三维建模及网格划分，网格为非结构化网格，网格类型为Tetra/Mixed,生成方法为Robust(Octree),最大尺寸为1 m；壁面最大尺寸为0.2 m，高为0.004 2 m，高度比为1.1,共10层，大约有340万个单元，将生成的网格模型导入FLUENT 进行设置运算，网格划分如图2所示。

图2 隧道网格划分Fig.2 Tunnel meshing

2.2 模型运算假定及参数设定

2.2.1 基本假设

(1)气体视为不可压缩。

(2)忽略人员机械对流场的扰动。

(3)隧道壁面为光滑壁面。

2.2.2 模型运算参数

据数值计算，洞内气流雷诺数数量级达到107，大于临界雷诺数，故洞内气流视为湍流，计算模型选为k-ε模型。根据《铁路隧道施工规范》(TB 10204—2002)[11]对洞内工作人员呼吸、炮烟稀释、机械内燃机废气稀释及风管百米耗损计算可得，数值模型计算长度内所需风量为1 753 m3/min，风管出口风速V=11.48 m/s。边界条件设定为风管出口为速度进口边界条件，速度为11.48 m/s，隧道进口设为压力出口边界条件，相对压强为0；其余壁面均设置为无能量交换无滑移壁面；离散相采用二阶迎风格式，速度和压力耦合采用Simplec格式。

3 台阶法施工压入式通风数值模拟及流场分析

3.1 压入式通风流场分析

取L1=20 m、L2=10 m、L3=4 m为研究对象，对台阶法施工隧道流场进行研究分析。通过FLUENT进行计算可等到各等值面平均速度与距掌子面距离的关系曲线如图3所示。

图3 各等值面平均速度与距掌子面距离的关系曲线Fig.3 The relationship between the average speed of each iso-surface and the distance from thetunnel face

由图3可知，风流自风管出口射入洞内，速度最大值出现在距上台阶工作面10 m位置，并随距离的增加而沿程减小。在距掌子面45 m左右时，各等值面平均速度趋于稳定。

台阶法施工隧道内流场分布情况如图4所示(参考面为y=5 m,x=2.25 m)。风流射入洞内，射流并不能充分发展，而是在距上台阶开挖面约10 m位置开始出现偏移，一部分受隧道内侧壁限制表现为贴附射流[7,12-13]，经过一定距离的充分发展，开始沿偏移方向反向回流，与偏移风流相互作用在下台阶开挖面处形成涡流。另一部分同时受隧道侧壁及上台阶开挖面限制，表现为贴附射流，在与射流风流汇合后，对射流产生一定作用力，使其发生偏移，因此在上台阶开挖面内形成另一个涡流。隧洞内由于台阶的存在，横截面变小，射流发展至下台阶开挖面时，发展空间受到限制，因此下台阶开挖面前部空气被射流卷吸形成涡流。

图4 流场速度矢量Fig.4 Flow field velocity vector

台阶法施工隧道压入式通风是有限空间的受限贴附射流[7]，射流受空间限制，射流可能得不到充分发展，合理通风易受到影响。

3.2 风管出风口位置确定

取L1=20 m、L2=10 m、L3=4 m，针对依托项目的实际需要，仅对风管出口位置位于拱顶和侧部进行分析，其位置分布如图5所示。

图5 风管位置分布Fig.5 Location distribution of air duct

通过数值模拟分析得出各等值面平均速度随距掌子面距离的关系曲线如图6所示。由等值面平均速度与距掌子面距离关系曲线可知，风管布设于侧部和顶部时，等值面平均速度沿距掌子面距离的变化趋势几乎是一致的，台阶所在截面平均速度达到速度峰值，并沿程逐渐减小。在距掌子面距离超过60 m后，风管出风口布置位置对各断面平均速度大小的影响不大。但在距掌子面0～60 m内，风管出风口布设在侧部时，各等值面平均速度均大于顶部布置情况，且在风管出风口所在断面差值达到最大值0.68 m/s。在实际施工中，为尽快将粉尘、废气、炮烟等排出，提高通风效率，减少施工通风时间，节约时间经济成本，因此选用风管侧部布设为宜。

图6 速度与距离关系曲线Fig.6 Speed and distance relationship curve

3.3 风管出风口距掌子面距离L1的确定

操作条件为风管出风口布置在侧部，取L2=10 m，L3=4 m，L1分别取为5、10、15、20 m，在这些条件下进行数值模拟，得流场速度矢量图如图7所示(取y=5 m为参考面)。由图7可知，当L1=5 m时，流场相对较为均匀，风流受到上台阶工作面和隧道侧壁的限制，表现为贴附射流，并在上台阶工作面前和隧道右侧出现小涡流，但对整个流场影响不大；当L1=10 m时，流场较为均匀，且隧道上台阶右侧并无涡流；当L1=15 m和L1=20 m时，平面内出现明显的涡区，且涡区有随L1的增大而扩大的趋势。

图7 流场速度矢量Fig.7 Flow field velocity vector

可以得出结论：在L1处于各样工况下，射流都出现了不同程度的偏移，且偏移几乎都是在10 m处开始，因此隧道上台阶的存在对气流存在一定的抬升作用。当L1越小时，射流的充分发展越被限制，且越易发生偏移，即射流偏移直线越早，但风速场相对均匀，涡流影响区域小。当L1越大时，上台阶工作面前越容易出现大涡流，且随L1的增大而变大，不利于废气、粉尘等的排出。因此L1的取值以 5～10 m为宜。

3.4 台阶法施工上台阶长度L2的确定

操作条件为风管出风口布置在侧部，L1=10 m，L3=4 m，L2分别取为5、10、20、30、40 m，在这些条件下进行数值模拟，得流场速度矢量图如图8所示(取y=5 m为参考面)。

图8 流场速度矢量Fig.8 Flow field velocity vector

由图8可知，L2在各工况下，射流发展均得到一定程度限制。当L2=5 m时，射流虽然出现偏移，但可以发展至上台阶工作面；L2=10 m时，射流出现比较明显的偏移，射流不能发展至上台阶工作面且在上台阶工作面前出现涡流，这表明当L2≤L1时，上台阶长度越短，射流有效射程越大，上台阶工作面前涡流也越小[14]，射流偏移也越晚。同时也不难发现，当L1一定，L2≤L1时，射流一般在台阶处出现偏移，说明射流自大空间发展至台阶处时，发展空间急剧变小，射流顺着台阶爬升，出现偏移。在L2=20、30、40 m三种工况下，射流均出现偏移，且受到隧道侧壁和上台阶工作面的空间限制，在隧道左侧壁和上台阶工作面上表现为贴附射流，隧道内流场特征基本一致，这表明当L2>L1时，台阶长度的增大对射流有效射程影响不大[14-15]，对流场的影响也越来越小。

综上可得，当L2≤L1时，台阶越短，射流有效射程更大，上台阶工作面前出现的涡流较小，射流偏移也越晚，同时台阶对射流有一定的抬升作用。当L2>L1时，台阶长度变化对射流有效射程影响不大，对流场的影响较小。因此，上台阶长度L2为5～10 m 为宜。

3.5 台阶法施工上台阶高度L3的确定

操作条件为风管出风口布置在侧部，L1=10 m，L2=5 m，L3=3、4、4.5、5、6 m模拟，得流场速度矢量图如图9所示(取y=5 m，x=2.25 m为参考面)。

图9 不同台阶高度L3下隧道流场速度矢量Fig.9 The velocity vector of tunnel flow field under different step height L3

当L3=3 m时，隧洞内的空间相对较大，射流可以得到发展，但在上台阶工作面处受限，未能充分发展。当L3=4、4.5 m时，射流充分发展，在上台阶工作面前出现了偏移，但整个流场相对均匀，并未出现影响较大的涡区。当L3=5、6 m时，台阶高度大于风管出风口布置高度，射流被台阶挡住，射流不能充分发展。

综上所述，上台阶高度L3不宜过高，否则射流易被挡住，不符合工程实际；上台阶高度L3又不宜过低，否则不能发挥台阶对隧道掌子面及围岩的支承作用。为避免空间受限，确保射流充分发展，上台阶高度L3应小于风管布置高度，应以4～5 m为宜。

4 结论

(1)台阶法施工隧道压入式通风是有限空间的受限贴附射流，射流受风管位置、风管出风口距工作面距离、台阶长度及台阶高度这些因素所组成的空间的影响。

(2)风管设置在侧部时横截面上各测点的速度值和纵向等值面的平均值均大于风管顶部布置，风管设置在侧部更利于有限施工空间内空气及时流通。

(3)当上台阶高度达到风管出风口一定距离时，隧道上台阶的存在对射流存在一定的抬升作用；当风管出风口距台阶工作面的距离L1≤L2时，L1越小，越易发生偏移但涡流影响区域小。当L1>L2时，L1越大，上台阶工作面前越容易出现大涡流，因此为利于废气、粉尘等的排出，L1的取值以5～10 m为宜。

(4)当L2≤L1时，台阶越短，射流有效射程更大，上台阶工作面前出现的涡流较小，射流偏移也越晚，同时台阶对射流有一定的抬升作用。当L2>L1时，台阶长度变化对射流有效射程影响不大，对流场的影响较小，上台阶长度L2以5～10 m为宜，但应小于L1。

(5)为避免空间受限，确保射流充分发展，上台阶高度L3应小于风管布置高度，应以4～5 m为宜。