高瓦斯隧道温湿度联合作用下瓦斯分布以及运动规律

王林峰，钟宜宏，李 鸣，周 楠，杨 柳

(1.重庆交通大学 山区公路水运交通地质减灾重庆市高校市级重点实验室，重庆 400074；2.中交路桥建设有限公司，北京 101121)

0 引 言

在隧道建设过程中的高温高湿环境以及掘进面泄露的有害气体会对施工安全产生重大威胁，为了改善工作环境，在隧道建设过程中必须采取有效的施工通风方法。瓦斯是隧道建设中的一大安全隐患，瓦斯一旦泄露很容易发生窒息、爆炸等安全事故，因而对于隧道复杂环境中瓦斯气体的分布规律的研究极为重要。隧道掘进过程中，各种器械设备以及人员活动产生的高温高热会严重降低施工人员的工作效率甚至威胁身体健康，为了降低施工温度常采取湿式降温除尘的方法，可以有效实现在除尘过程中起到降温冷却、增加湿度和净化有害气体的作用[1]。但采取以上施工措施时会在一定程度上改变隧道内的温湿度环境，并且由于温湿度值的增加可能会使瓦斯等有毒气体在隧道内的分布情况发生改变，进而会影响到隧道的施工安全。因此，研究出瓦斯等有毒气体在温湿度值增加的情况下时的运动规律和分布情况是很有必要的。

隧道施工过程中的通风效果直接影响到工人的健康以及施工效率，众多研究人员对隧道通风过程中的问题展开了研究，旨在为通风系统提出更好的优化方式。W.J.ZHOU等[2]采用数值模拟分析提出了新的优化隧道通风除尘系统的理论方法；谢光明[3]建立了瓦斯扩散模型，从施工便利以及通风效果好的角度出发，分析确定了三联隧道中的最佳入口风速；S.Y.HU等[4]采用数值模拟方法结合离散相模型研究了气流速度对隧道气流及粉尘污染特性的影响；刘敦文等[5]通过对影响隧道通风中风筒直径、风筒口距掌子面的距离以及风筒悬挂位置3个主要因素进行正交分析，提出了建立在工程实际下的最优布置方案。

随着计算流体力学(CFD)的广泛应用，还有更多的学者利用CFD对影响瓦斯隧道通风效果的各项因素展开了研究。张恒等[6]通过CFD数值模拟对隧道中不同风机布设方式对瓦斯隧道施工通风效果的影响进行了研究，结果表明风机风管布置在较高的位置有利于瓦斯的排出，而风机布置在较低位置瓦斯易积聚在隧道上面，提出将射流风机布置在较高处有利于工作人员的安全；刘春等[7]从不同风速对掌子面瓦斯浓度的降低效果出发，研究得出通风30 min后瓦斯浓度值已降至最低，并根据相应隧道工程提出了针对某隧道工程中的最佳入口风速；张云龙等[8]除了考虑通风量与通风风速等条件外，从风管位置布设、风管出口距掌子面的距离等因素研究压入式通风的效果研究，在与现场数据进行比对条件下，找到了隧道内不同出风口到掌子面的距离下的瓦斯分布规律提出了风管口距掌子面的最佳距离，减小了瓦斯在掌子面附近积聚的现象，保证了施工安全。以上学者从影响瓦斯隧道通风的主要因素进行探究，并提出了有利于瓦斯隧道通风的优化方式。但忽略了温湿度等次要因素对瓦斯隧道通风的影响。

以上学者从影响瓦斯隧道通风的主要因素进行探究，提出了一系列有利于瓦斯隧道通风的优化方式，但在高地温和高湿度等极端温湿度环境下的瓦斯气体分布规律的研究甚少。鉴于此笔者借助重庆鸡鸣瓦斯隧道为研究对象，运用Fluent对该隧道进行数值模拟，通过改变施工环境的温湿度值来实现模拟研究瓦斯气体在不同温湿度环境下的运动规律。研究结果可以为高温湿度环境下的瓦斯隧道施工提供指导。

1 工程概况

重庆城口至开州高速公路鸡鸣隧道工程，其进洞口位于重庆市城口县蓼子乡梨坪村松林坡南西侧斜坡，出洞口位于重庆市城口县鸡鸣乡双岔河附近。左洞起讫桩号ZK59+707～ZK67+142.2，隧道全长7 435.2 m；右洞起讫桩号K59+698～K67+150，隧道全长7 452 m，隧道最大埋深为1 140.05 m。隧道高7.27 m，最大宽度11.1 m，隧道断面面积为65.65 m2。鸡鸣隧道穿越大隆组(P3d)、孤峰组(P2g)和梁山组(P2l)3个含煤岩系，为揭露煤层厚度，详勘阶段布设探槽3条，探槽揭示梁山组(P2l)白色铝土岩、炭质页岩夹煤线，单层厚度10～40 cm;孤峰组(P2g)黏土岩夹煤线，单层厚度25 cm;大隆组(P3d)炭质页岩、泥灰岩中未见煤层。本次勘察虽然SCK2号钻孔揭穿了P3d和P2g两层含煤地层，但由于钻孔中P3d埋深较浅，含煤量少(仅5 cm煤线);P2g未发现煤层，因此未能进行瓦斯浓度测试。在本区相邻场地收集了相关资料，分述如下:

1)依据鸡鸣隧道相邻近工程通渝隧道对C1、C2煤层瓦斯总涌出量推测其瓦斯含量为12.52、9.52 m3/t，瓦斯总涌出量为2.98、2.65 m3/min。故通渝隧道按高瓦斯隧道进行设计施工。据此判断鸡鸣隧道同样为高瓦斯隧道。

2)依据在城口县安监局收集的东升煤矿相关资料可知:东升煤矿为瓦斯矿井，瓦斯绝对涌出量为0.3 m3/min，相对涌出量为6.7 m3/t，为低瓦斯矿井。

由于本次控制煤层的钻孔较少，且煤层分布的不连续性，已实施的钻孔SCK2揭露的煤层情况无法囊括本场地所有含煤地层。结合收集的资料综合考虑，建议鸡鸣隧道按高瓦斯隧道进行设计。鸡鸣隧道通风先采用压入式通风方式，隧道开挖一定距离后再采用巷道式通风方式。本次模拟只考虑压入式通风阶段，选取瓦斯涌出量为2.7 m3/min。

2 数值模拟

2.1 物理模型

利用ANSYS ICEM CFD依托鸡鸣隧道工程建立隧道的三维模型，选取左洞作为参考模型，建立长度为100 m的隧道模型作为研究，采取压入式通风方式，风筒口距离掌子面为15 m，风筒直径为1.8 m，风筒距地面高度为4 m，出风口距离掌子面15 m，其净空面积为65.65 m2，周长为31.59 m。通过ICEM对隧道模型设置非结构化网格(Tetra/Mixed)，其横截面尺寸及网格划分见图1。

图1 隧道物理模型(单位：m)

2.2 数学模型

2.2.1 基本假设条件

笔者将隧道内的气体视为不可压缩的流体，并且视为非稳态紊流，湍流模型采用к-ε标准模型，采用组分输运模型求解模型；不考虑人员流动及其运输设备的影响，假设隧道内温度恒定，隧道壁面具有恒定的粗糙度；假设瓦斯只从挖掘中的掌子面泄露而不考虑隧道其它位置。

2.2.2 基本控制方程

为了便于对控制方程进行分析，各控制方程可以用式(1)表示，各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项[9]：

(1)

式中：ρ为气体密度，g/L；t为时间，s；φ为通用变量；Γ为温度，K；u为矢量速度，m/s；S为动量守恒广义源项。

2.3 边界条件设置

笔者采用Fluent的三维非稳态组分输运模型进行求解，隧道中各部分结构的边界条件(boundary condition)参数设置见表1。

表1 边界条件设置

1)入口边界：定义通风管出口为入口边界，风流沿风管垂直隧道掌子面方向进入，速度大小根据所需风量计算得出，取V=10.62 m/s。

2)出口边界：隧道入口定义为出口，类型设置为自由出流。

3)壁面边界：将隧道中所有壁面包括拱顶、侧壁、底板等均设置为固定壁面，所以壁面设置为绝热。

4)源项设置：根据实际工程，假设瓦斯气体仅从掌子面均匀涌出，将实际污染源设置为离壁面很小(0.1 m)的空气中的源项，瓦斯涌出量为2.7 m3/min，计算得出瓦斯源项S=0.004 9 kg/(m3·s)。设置产生热源和水蒸气为风管出口到掌子面15 m范围内的宽和高均为3 m的矩形区域[8]，常量热源设定为2 200 W/m3，水蒸气质量源项为0.016 2 kg/(m3·s)。

瓦斯在隧道中的扩散过程是极其不均匀的，因而在不同的位置处瓦斯浓度不同。为了探究温湿度场下的瓦斯运动规律，在隧道横断面上选取了6条测线进行数据分析，测线在横截面上的分布位置见图2。

图2 测线布设位置

2.4 工况设置

本次模拟采用压入式通风方式，如图3，风筒出口距离掌子面15 m，新鲜空气由风机抽入进风筒输送到掌子面，污浊气体由回流往隧道进口方向排出洞外，瓦斯气体从掌子面均匀涌出。

图3 压入式通风方式示意

为区分温度和湿度对瓦斯流场的不同影响程度，本次模拟拟通过源项中是否设置水蒸气和热源形成4种不同环境下的隧道模型，具体布置见表2。

表2 模型控制条件

2.5 网格无关性验证

计算结果的精确度受网格的数量所影响，在划定网格数量时应均衡计算准确性和计算时间两方面，故需对设定的网格进行无关性验证。将本次模拟的网格划分为60、100、130 W 3种数量的网格，计算结束后选取某一纵断面上的沿程瓦斯浓度进行对比，对比情况如图4。

图4 不同网格数量下隧道沿程瓦斯浓度对比

由图4可见，3种网格数量下的沿程瓦斯浓度变化不大，相对误差保持在5%以内，故本次模拟选取100 W的网格数量对计算结果影响不大，满足网格无关性的要求。

3 模拟结果

3.1 瓦斯基本运动规律

隧道通风其实是通过安装在隧道壁面上的风机喷出的运动着的风流，风流运动到掌子面裹携掌子面区域内的有害气体再从隧道进口排出。

隧道中的风流流场决定了瓦斯浓度场的分布情况，风流速度矢量图可以反映风流在隧道中的紊乱程度，图5为隧道纵向方向上靠近掌子面的速度矢量图。根据图5可知，在掌子面与隧道进口之间形成了两段漩涡，漩涡内部风流十分紊乱，由于射流与回流的相互影响形成了第1段漩涡，其中心在距离掌子面3 m处，又由于隧道空间的局限性，回流撞击到隧道壁面形成了第2段风流漩涡，漩涡中心在距离掌子面17 m处。风流撞击掌子面后回射再受到射流的后续冲击作用，部分回流被夹带继续向掌子面区域前行，进而形成涡流区。

图5 掌子面区域风流速度矢量

根据图6可知隧道在通风30 min后，由于壁面的限制作用以及风流的连续性射出，在远离风筒一侧到中部区域形成一块涡流区域，在涡流的作用下瓦斯大量聚集浓度不断提高。随着通风的继续进行，在风流的连续作用下，涡流区域中的瓦斯浓度开始被稀释，最终形成具有稳定瓦斯浓度的涡流区域，并使得瓦斯的扩散形成了一定的弧度。

图6 风筒中心面瓦斯浓度分布

瓦斯XY面上的浓度场沿程分布如图7，由图可知，瓦斯沿隧道长度分布极其不均匀，且瓦斯主要聚集在隧道顶部和远离风筒侧的拱腰处。由于风筒悬挂于隧道顶部，顶部的瓦斯浓度最大值低于侧部拱腰处的瓦斯浓度最大值，在风流的持续作用下，远离风筒侧的拱腰处浓度由于回流作用下使瓦斯不易被空气稀释进而浓度上升，靠近顶部的瓦斯浓度由于射流的作用瓦斯被空气稀释。

图7 XY面瓦斯浓度分布

图8为通风30 min后隧道沿程各测线上的瓦斯浓度。从图8中可以看出不同测线沿隧道长度的瓦斯浓度变化规律，测线1、4、5、6瓦斯浓度在距掌子面3 m以内急剧下降，后受第1段涡流的影响浓度值逐步回升；测线2、3瓦斯浓度在3 m以内急速上升，超过掌子面3 m以后瓦斯浓度出现起伏。各个测线距离掌子面超过20 m后浓度都趋于稳定。由于各测线受风流的影响不同，测线上的瓦斯浓度值变化不同。瓦斯浓度在掌子面急剧下降，后续被风流夹带进入涡流区后瓦斯在该区域内聚集，浓度开始回升，测线2、3、5因为靠近涡流中心，在涡流的瓦斯浓度甚至会超过掌子面处的最大值。而测线1、测线4则因为位于涡流边缘，在涡流的作用使该测线下的瓦斯浓度分布到其余测线上，结果导致在涡流区回升的瓦斯浓度值有限，不会超过其在掌子面的最大值。

图8 沿隧道长度瓦斯浓度分布

3.2 不同环境条件下瓦斯浓度场

通过Fluent数值模拟软件模拟出4种模型条件下的瓦斯浓度分布，如图9。从图9中可以看出，不同温湿度环境条件下的各模型相同测线上的沿隧道长度瓦斯浓度的变化规律大体上相同，测线1、4、5、6都呈现先减小后增大再减小最后平衡的规律，测线2、3处瓦斯气体由于直接受风流的冲击作用，因而呈现出增大后减小最后趋于平稳的规律。在涡流影响区内瓦斯浓度值会呈现上下起伏的波动，超出涡流影响区范围后，瓦斯浓度值趋于平稳。可见温、湿度场并不会明显改变瓦斯气体在隧道中的运动规律。

从图9可见，测线4上的瓦斯浓度受到回流的影响致使沿程浓度急剧下降；测线5和测线6上的初始浓度值也是明显呈现出浓度值先减少后增大的变化趋势[7]。这说明这3条测线在掌子面附近区域受到射流和回流的影响比较大，在超过风筒出风口以后瓦斯浓度开始回升直至稳定。根据工人工作活动范围以及瓦斯浓度变化幅度最大的区域，选择测线1和测线6进行具体分析，各模型相同测线处的沿程瓦斯浓度值及其温湿度如图10～图11。

图9 各模型环境下的瓦斯浓度分布

如图10，在相同热源下，在掌子面附近30 m区域内，模型4的温度要低于模型3约1～2 ℃，超过掌子面30 m后温度大致保持在35 ℃左右，未设置热源的模型1和模型2则稳定在默认设置28 ℃；模型2和模型4在相同水蒸气源项设置下，测线1模型2的湿度值要高出模型4约6%～11.6%，测线6模型2的湿度值要高出模型4约5.6%～21.1%。这说明水蒸气吸收了掌子面附近区域的部分热量，进而模型2的湿度值要比模型4高，模型3的温度值要高于模型4。说明了在实际工程中采用湿式降温的方法是有效的。

图10 不同测线处沿程温湿度变化

从图11可见，距离掌子面相同距离下，在掌子面附近的工作区域(距离掌子面15 m以内)，模型2瓦斯浓度值小于模型1的瓦斯浓度值，测线1上模型2的浓度峰值低于模型1浓度峰值约0.021%，测线6模型2的浓度峰值低于模型1浓度峰值0.021%，这说明湿度值的增加会略微降低沿程瓦斯浓度，但影响很小，在实际工程中可在工人舒适度的接受范围内适当增加湿度值以降低瓦斯浓度；对比模型1与模型3可知，测线1以距离掌子面距离5.21 m为界，在距离5.21 m前模型1的瓦斯浓度峰值要高出模型3峰值0.022%，超过5.21 m后模型1则低于模型3浓度峰值约0.023%；测线6与测线1瓦斯浓度分布规律则相反，在距离掌子面距离2.2 m前模型1浓度峰值要高于模型3的0.018%，超过2.2 m后模型1浓度峰值则低于模型3的0.0149%。超过掌子面60 m以后，两条测线上的瓦斯浓度值趋于平稳，浓度差值均保持在0.006%。在掌子面附近5 m以内区域，热源作用下的底部沿程瓦斯浓度值较高，顶部沿程瓦斯浓度值则较低。在超过掌子面5 m以外的区域，热源作用下的顶部沿程瓦斯浓度值较高，底部沿程瓦斯浓度值则较低。这说明温度的升高会改变瓦斯在隧道空间上的分布，温度升高瓦斯会倾向于聚集在靠近隧道掌子面区域的底部。因而在实际工程中，若有各种器械设备使用和工作人员数量的增加而导致隧道工作区域内的温度值升高，则应该提高对位于隧道靠底部区域的测线4、5、6上的瓦斯监测。

对比模型1与模型4的浓度值可知，在测线1上距掌子面22 m前模型1浓度峰值高出模型4的0.117%，超过22 m后模型4浓度峰值高出模型1的0.029%；测线6上，距掌子面7～11 m范围内以及超过29.7 m后模型1的瓦斯浓度峰值高于模型4，其余范围内则相反。超过掌子面60 m后，瓦斯浓度趋于平稳，模型1浓度高出模型4的0.006%；测线6测线工作范围(15 m)以内，在距掌子面4 m范围以内模型1浓度值高于模型4，在距掌子面4～15 m范围以内模型4浓度值高于模型1，浓度差值起伏在-0.021%～0.124%之间。距掌子面15～29.7 m范围内，模型4浓度峰值高出模型1浓度峰值约 0.011%。距离掌子面29.7～60 m范围内模型1浓度峰值高于模型4的0.01%，超过掌子面60 m后，瓦斯浓度值趋于平稳，模型1浓度值高出模型4浓度值差值稳定在0.004%。观察对比图11(a)中模型4的浓度曲线波谷比模型1前移了7.8 m左右，图11(b)中模型4对比模型1中的浓度曲线波峰和波谷都略有前移1.5 m左右。但在浓度值趋于稳定后，模型4的瓦斯浓度值均低于模型1。这说明在温湿度场共同作用下会改变瓦斯隧道沿程中的分布，在工作区域15 m以内，热源作用下的底部沿程瓦斯浓度值较高，顶部沿程瓦斯浓度值则较低。在超过掌子面15 m以外的区域，热源作用下的顶部沿程瓦斯浓度值较高，底部沿程瓦斯浓度值则较低。并且处于隧道顶部的瓦斯气体变化程度更大。并在该温湿度条件下，瓦斯浓度值都有一定程度的下降。人体在室内环境中最适宜的湿度范围为30%～60%，最适宜的温度范围为冬季保持在12～21 ℃，夏季为小于28 ℃[10]。依据上述结论，通过改变隧道工作区域内的温湿度，可以实现瓦斯分布的控制。由于除高地温隧道等极端高热情况，正常隧道内的温度变化幅度有限，故可通过控制隧道内的湿度值来达到控制瓦斯分布的效果。针对鸡鸣隧道及类似工程隧道，推荐在隧道建设工程中将各种设备引起的湿度环境值控制在60%，既在符合人体最佳舒适感的同时也能一定程度上降低瓦斯浓度，从而一定程度上提高施工安全性和施工效率。

图11 不同测线处瓦斯浓度分布

3 结 论

以重庆鸡鸣隧道为工程依托，使用ICEM、Fluent等数值模拟软件对瓦斯气体在不同温湿度隧道环境中运动规律进行研究，得出以下结论。

1)瓦斯在隧道中的运移受风流射流和涡流的影响，瓦斯主要聚集在隧道顶部和远离风筒侧的拱腰处，压入式通风方式下隧道侧部的瓦斯浓度大于隧道拱顶的瓦斯浓度，在隧道后续的监测中应加强对这几个位置的瓦斯监测。

2)温湿度值的增加并不会明显改变瓦斯在隧道中的分布规律，瓦斯浓度沿隧道长度仍呈现出先减少后增大最后再平稳的变化趋势。

3)湿度值的增加会略微降低掌子面附近区域的瓦斯浓度，实际工程中可以将湿度值保持在工人舒适度范围内的最大值60%左右，可以一定程度上降低掌子面的瓦斯浓度。

4)温度的升高会改变瓦斯在隧道空间上的分布，并且瓦斯会倾向于聚集在靠近隧道掌子面区域的底部。温湿度场联合作用下，在工作区域内(距离掌子面15 m以内)，隧道底部沿程瓦斯浓度值较高，顶部沿程瓦斯浓度值则较低。在超过掌子面15 m以外的区域，隧道顶部沿程瓦斯浓度值较高，底部沿程瓦斯浓度值则较低，但最终瓦斯浓度值均有降低。因而工作区域内的温度值升高，则应该提高对位于隧道底部区域的上的瓦斯监测。

5)结合鸡鸣隧道工程模拟并研究了隧道瓦斯气体在不同温湿度环境下的运动规律，而且只针对于压入式通风方式，对于后续在更复杂的通风方式(如混合式、巷道式等)不同温湿度环境下瓦斯气体的运动规律有待进一步探究。