曾 昌, 姚志剛, 范建國, 方 勇，*

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031；2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

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公路隧道巷道式施工通風瓦斯分布研究

曾 昌1, 姚志剛2, 范建國2, 方 勇2，*

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031；2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

為探究瓦斯公路隧道巷道式施工通風中瓦斯的體積分數(shù)分布規(guī)律，利用流體力學研究軟件FLUENT建立三維隧道模型并進行了數(shù)值仿真計算，通過對隧道內部整體、掌子面附近和主洞與橫通道連接處瓦斯體積分數(shù)分布的研究，分析了隧道內部瓦斯分布的具體特點并深入探討了內部回流區(qū)、渦流區(qū)和瓦斯容易聚集的位置。模擬結果表明：瓦斯從一側主洞涌出后，不會對另一側造成污染； 渦流區(qū)瓦斯體積分數(shù)明顯大于周圍區(qū)域； 風管所在一側截面上瓦斯體積分數(shù)分布明顯低于異側。

公路隧道； 巷道式通風； 數(shù)值模擬； 瓦斯分布

0 引言

我國地域遼闊，地質條件復雜多樣，在隧道工程建設中，不可避免地會遇到瓦斯等有毒有害氣體涌出的情況。在施工建設這些隧道時，除了需要掌握常規(guī)的施工技術之外，對瓦斯等有毒有害氣體的防治顯得尤為重要，合理的控制標準和與之呼應的通風方案是保證有毒有害氣體隧道安全生產的先決條件。目前，我國在高瓦斯隧道施工通風中所能執(zhí)行的技術規(guī)范、技術條款還不完善，許多方面仍在引用煤礦行業(yè)的相關標準和規(guī)范[1]，然而引用煤礦行業(yè)的相關標準和規(guī)范并不能很好地滿足隧道施工通風的要求。因此，對于公路瓦斯隧道施工時洞內的瓦斯體積分數(shù)分布規(guī)律進行研究對隧道安全施工、確保施工人員的安全有重要的意義。

在如今長大鐵路隧道越來越多的背景下，巷道式通風作為目前解決長隧道施工通風最有效的方法，已成為目前最為主要的通風手段。隧道巷道式施工通風流場分布復雜，遇到有瓦斯涌出時，對于其流場和體積分數(shù)分析更是難上加難。簡單依靠試驗研究和經驗公式難以全面準確反映流場分布特性，因而，對于流場的分析通常基于計算流體力學理論的模擬軟件。W.K.Chow[2]運用軟件CFD數(shù)值模擬了公路隧道內CO體積分數(shù)的擴散模型； Shinji Tomita等[3]利用相似實驗模擬了掘進掌子面的瓦斯涌出，提出風筒出口位置對流場有較大影響； C.Rudin[4]數(shù)值模擬了長大隧道施工期間的煙氣擴散分布； 劉釗春等[5]采用有限元軟件ADINA的CFD模塊對施工通風掘進面有害氣體體積分數(shù)擴散進行了數(shù)值模擬； 徐昆侖[6]采用軟件FLUENT研究了局部掘進掌子面的風流流場及瓦斯分布規(guī)律； 彭露等[7]對巷道式通風進行了數(shù)值模擬，分析了不同風速情況下有毒有害氣體體積分數(shù)的分布情況； 高建良等[8]利用軟件FLUENT研究了局部通風巷道掘進工作面的瓦斯分布規(guī)律。

隧道巷道粗糙程度對于隧道通風具有重要影響，而以往研究大多未考慮隧道洞壁的影響。本文在考慮隧壁粗糙度對流場影響的基礎上，采用流體力學軟件FLUENT[9]的Gambit程序建立了隧道射流巷道式通風三維模型，應用FLUENT處理模塊對隧道有瓦斯涌出時的巷道式通風流場進行仿真，分析風機作用下隧道內瓦斯的分布規(guī)律，討論流場中可能聚集瓦斯的位置，并提出可行的解決方法以確保施工的安全進行。

1 數(shù)學模型

1.1 風流狀態(tài)分析

對隧道內風流流動型態(tài)的正確分析是確定合理數(shù)學模型的基本條件。根據流體力學基本知識可知，風流存在層流和紊流2種型態(tài)。通常利用下臨界雷諾數(shù)ReC與流體流動的雷諾數(shù)Re進行比較來判別流體的流動型態(tài)。

當流體在圓管中流動時，雷諾數(shù)的表達式為

式中：υ為流動斷面上平均流速，m/s； v為流體的運動黏度，m2/s； d為管道直徑，m。

若ReReC=2 300，則流動狀態(tài)為紊流，本文研究對象為紊流。

除了流動型態(tài)以外，流體的壓縮性同樣影響著數(shù)學模型的確定。流體壓縮性通常是根據馬赫數(shù)來表征[10]：

式中：υ為流體的流速，m/s；c為音速，340 m/s。

本文中隧道局部通風風速較低，馬赫數(shù)Ma<0.3，視為不可壓縮流體，在模擬中可以忽略空氣密度隨壓力的變化。

1.2 控制方程

為方便數(shù)值計算，先作如下假設：整個過程中無能量交換；隧道內氣體假定為不可壓縮體；流體運動各向同性?；谝陨霞僭O，再考慮到隧道內的空氣流動為紊流，在大量的資料調研及初步計算的基礎上擬采用標準k-ε雙方程紊流模型，其控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、紊流流動能量方程、k方程、ε方程和流體組分質量守恒方程[11]。方程具體形式如下：

連續(xù)性方程

動量方程

紊流流動能量方程

k方程

ε方程

組分(瓦斯/硫化氫)質量守恒方程

式中：vi為速度分量，m/s；p為時均壓力，Pa；Pr為充分紊流時的普朗特數(shù)；cp為空氣的定壓比熱，kJ/(kg·K)；k為紊流動能，m2/s2；ε為紊流的動能耗散率，m2/s3；G為紊流脈動動能產生項；q為熱流密度，W/m3；T為流體溫度，K；ρ為流體密度，kg/m3；μ為層流動力黏性系數(shù)，Pa·s；μt為紊流動力黏性系數(shù)，Pa·s；cs為瓦斯的體積分數(shù)；ρcs為瓦斯的質量體積分數(shù)；Ds為瓦斯的擴散系數(shù)；Ss為單位時間單位體積組分的生產率；c1、c2、σε、σk、cμ為經驗常數(shù)，c1=1.44，c2=1.92，σε=1.30，σk=1.00，cμ=0.09。

2 數(shù)值模型

2.1 幾何模型的建立

以某高速公路隧道實際尺寸為參考，利用Gambit建立隧道射流巷道式通風三維模型，假定瓦斯從掌子面迎頭涌出。為方便模擬分析，選取基本幾何尺寸為：模擬隧道長度300 m，送風管直徑1.6 m，射流風機直徑1 m等。簡化后隧道通風幾何模型示意圖如圖1所示。

2.2 計算網格的劃分

利用FLUENT的Gambit程序進行建模和網格劃分。根據模型特點，選擇分區(qū)劃分方式，涉及到的網格劃分類型有Cooper及Tet/Hybrid 2種，體網格元素主要為四面體網格和六面體網格，在某些地方也會采用契形網格和金字塔形網格來劃分。

確定網格劃分方案后模型被劃分為950 712個單元、2 055 044個面和256 884個網格節(jié)點。網格劃分情況如圖2所示。

(a)x-z截面

(b)y-z截面

(c)三維示意圖

(a)隧道左、右洞洞口端網格剖分示意圖

(b)橫通道處網格剖分示意圖

(c)掌子面網格剖分示意圖

2.3 邊界條件

參照隧道實際施工通風情況定義邊界條件如下：

1)左右雙洞中2個送風管出風口均為入口邊界，類型為Velocity-Inlet，且v1=v2=19.397 m/s；

2)左右雙洞及橫通道中3臺射流風機出風口均為入口邊界，類型為Velocity-Inlet，v=34.2 m/s； 射流風機吸風口為入口邊界，類型為Mass-Flow Inlet，且Q=26.9 m3/s；

3)右洞進口斷面為入口邊界，類型為Pressure-Inlet，左洞進口斷面為出口邊界，類型為Pressure-Outlet，所有壓力值的大小都是相對于Operating condition參考壓力的值(101 325 Pa)；

4)隧道壁面及風管管壁邊界類型均為固壁邊界(Wall)，且滿足無滑移條件。

本文對瓦斯從下臺階面煤層壁面均勻溢出運用瓦斯源項[12]來處理，在下臺階近壁面的第1層網格區(qū)域內設置瓦斯源，根據瓦斯涌出量設定瓦斯源項的值，包括質量源項和動量源項，其中動量源項僅考慮x方向。

2.4 離散化方程及求解方法的確定

本文中瓦斯(CH4)紊流擴散流動流場，Pressure壓力差值方式選用PRESTO格式，為減小數(shù)值計算中假擴散所產生的誤差，k和ε方程、Momentum的離散化格式均采用具有較高精度的QUICK格式。

FLUENT對離散之后的差分方程組有許多不同的解法，本文在模擬計算中，壓力速度耦合方式采用SIMPLEC算法來提升收斂速度。

3 瓦斯涌出結果分析

根據實際工況的測試數(shù)據，左、右隧洞掌子面風管出風口風量Qz=Qy=38.99 m3/s，瓦斯從右洞(送風洞)掌子面涌出，且涌出量QCH4=0.39 m3/s。

3.1 隧道內瓦斯總體分布規(guī)律

在對隧道射流巷道式通風局部流場瓦斯分布特點進行研究之前，先對整個模擬隧道內的瓦斯總體分布規(guī)律進行探討。圖3為瓦斯從右洞和左洞涌出時的體積分數(shù)分布圖(所選觀側面y=3.5為風管出風口中心點所在截面)，對比(a)和(b)可知，瓦斯從左右掌子面涌出時，瓦斯體積分數(shù)在橫通道之前分布規(guī)律基本相同：1)瓦斯從一側涌出后，不會對另一側掌子面形成污染； 2)涌出面前10 m內瓦斯與空氣混合較不均勻，射流區(qū)、回流區(qū)及渦流區(qū)瓦斯體積分數(shù)差異明顯； 3)涌出面前一定距離處布設的射流風機引射風流從出風口高速射出，形成渦流區(qū)，導致小范圍內瓦斯體積分數(shù)變化梯度增大； 4)射流流動一定長度后逐漸穩(wěn)定，行進至橫通道與主洞連接處，瓦斯體積分數(shù)梯度再次發(fā)生較大改變。

不同點表現(xiàn)在橫通道之后的左洞：1)從右洞(送風洞)涌出時，左洞的瓦斯體積分數(shù)在橫通道處最高，之后逐漸下降； 2)從左洞(排風洞)涌出時，污染風在橫通道處與新鮮風混合，體積分數(shù)有所降低，并很快趨于穩(wěn)定。

(a)右洞涌出

(b)左洞涌出

圖4為瓦斯從右洞涌出時，左、右隧洞內瓦斯平均體積分數(shù)變化曲線。x=150處(橫通道與正洞連接處)是左、右隧洞瓦斯體積分數(shù)大小交替的分界。當x>150時，右洞瓦斯平均體積分數(shù)自掌子面向洞口方向逐漸降低，且掌子面前0.3 m截面(x=299.7)瓦斯平均體積分數(shù)值最大，為0.54%； 左洞該區(qū)段內不受影響，瓦斯體積分數(shù)均為0。當x<150時，右洞送風段均為新鮮空氣，不受污染風流的影響，瓦斯體積分數(shù)均為0； 左洞內瓦斯體積分數(shù)增大到0.05%左右，這是由于該區(qū)段為巷道式通風的排風段，是最終混合均勻后的風流排出洞外的渠道，與圖3所示結論相一致。

圖4 左、右隧洞內瓦斯平均體積分數(shù)變化曲線(截面y=3.5)

Fig. 4 Variation curves of average gas concentration in left tunnel tube and right tunnel tube (Sectiony=3.5)

3.2 掌子面瓦斯分布規(guī)律

由于掌子面瓦斯體積分數(shù)分布規(guī)律基本相同，故僅對瓦斯從右洞涌出時，右洞掌子面瓦斯分布規(guī)律進行研究。

風管出風口中心點所在截面上瓦斯體積分數(shù)分布如圖5所示。瓦斯體積分數(shù)自風管出風口中心點向外呈發(fā)散狀并逐漸增大，與風管異側的掌子面近壁處瓦斯體積分數(shù)較大，達1.02%。對比幾個區(qū)域瓦斯體積分數(shù)發(fā)現(xiàn)，渦流區(qū)瓦斯體積分數(shù)明顯大于周圍區(qū)域。

進一步對左洞掌子面前100 m內橫斷面上的瓦斯分布規(guī)律進行討論分析。

1)掌子面前0.3 m斷面(x=299.7)上瓦斯體積分數(shù)分布如圖5(b)所示，瓦斯體積分數(shù)自靠近風管一側向遠離風管一側逐漸增大，在遠離風管一側的瓦斯體積分數(shù)最高可達1.99%，該區(qū)域為易發(fā)生瓦斯積聚的關鍵區(qū)域，施工通風中應給予關注。

2)掌子面前10 m斷面(x=290)上瓦斯體積分數(shù)分布如圖6(a)所示，瓦斯體積分數(shù)整體下降，體積分數(shù)分級弱化。部分瓦斯在浮升力作用下上浮，斷面上瓦斯最高體積分數(shù)值為0.75%。

3)掌子面前50 m斷面(x=250，射流風機出風口所在斷面)上瓦斯分布如圖6(b)所示，斷面上瓦斯體積分數(shù)重新分布，自射流風機出風口處向外逐漸增大，但整體體積分數(shù)均不大于0.62%。

4)掌子面前100 m斷面(x=200)上瓦斯體積分數(shù)分布如圖6(c)所示，瓦斯體積分數(shù)分布均勻，在0.24%左右，此時回風流中瓦斯與空氣已基本混合均勻。

(a)y=3.5

(b)x=299.7

(a)x=290

(b)x=250

(c)x=200

3.3 橫通道與正洞連接處瓦斯分布規(guī)律

因為瓦斯從右洞涌出時橫通道處流場分布更為復雜，依然選取瓦斯從右洞涌出進行研究。

橫通道與主洞連接處的瓦斯體積分數(shù)分布如圖7所示，右洞掌子面回風流通過橫通道內射流風機卷吸引射作用流入左洞，橫通道內瓦斯體積分數(shù)自右洞向左洞流動過程中逐漸減小，由0.2%減小到0.05%，瓦斯進入左洞后，污染了洞內潔凈空氣，左洞回風道瓦斯體積分數(shù)增大到了0.05%。右洞內送風段新鮮風流與掌子面回風流交界處瓦斯體積分數(shù)梯度較大。

在巷道式通風過程中，若送風洞掌子面瓦斯涌出，應特別注意橫通道與正洞連接處的通風，因為此處隧道結構形式特殊，易形成渦流區(qū)，導致瓦斯積聚難以排出，此外，應把握好送風洞內壓送新風到掌子面的軸流風機與橫通道的布設間距(模型中風機布設距橫通道30 m)，盡量避免風機吸風口內卷吸含有瓦斯的氣體，導致污染風流的循環(huán)，造成掌子面二次污染。

圖7 橫通道與正洞連接處瓦斯體積分數(shù)分布圖(截面y=3.5)

Fig. 7 Distribution of gas at connection section between connection gallery and main tunnel (Sectiony=3.5)

4 風管出風量對瓦斯分布影響

4.1 掌子面風管管口出風量對巷通式通風隧道瓦斯分布的影響

為研究掌子面風管管口出風量對巷道式通風隧道內瓦斯分布的影響，在瓦斯從右洞涌出且涌出量QCH4和Qz不變的情況下，對右洞掌子面風管管口出風量分別為Qy=19.5 m3/s、2Qy和4Qy時的模型進行仿真計算。3種工況下右洞掌子面前0.3 m斷面上瓦斯體積分數(shù)分布如圖8所示。

由圖8可知，當右洞掌子面風管出風量分別為Qy、2Qy和4Qy時，對應截面x=299.7上最高瓦斯體積分數(shù)值分別為4.756%、1.991%和1.188%。即管口出風量越大，斷面上瓦斯最高體積分數(shù)值越小，且遠離風管一側的高瓦斯區(qū)域范圍越小。在出風量達到4Qy時，斷面上的高瓦斯區(qū)域占較小比例。

這是因為，在瓦斯涌出量一定、右洞掌子面前0.3 m斷面上瓦斯體積分數(shù)在風管管口直徑一定的前提下，增大風管管口的出風量就意味著出口射流速度增大，射流速度越大，到達掌子面時的沖擊作用越強，瓦斯與空氣混合越均勻。

(a)右洞掌子面風管出風量為Qy

(b)右洞掌子面風管出風量為2Qy

(c)右洞掌子面風管出風量為4Qy

Fig. 8 Distribution of gas at cross-section 0.3 m ahead of working face of right tunnel tube (x=299.7)

4.2 右洞掌子面風管管口出風量對橫通道及左洞排風段瓦斯分布的影響

3種工況下橫通道與正洞連接處軸向剖面(截面y=3.5)上瓦斯體積分數(shù)分布如圖9所示。

(a)右洞掌子面風管出風量為Qy

(b)右洞掌子面風管出風量為2Qy

(c)右洞掌子面風管出風量為4Qy

Fig. 9 Distribution of gas at connection section between connection gallery and main tunnel (Sectiony=3.5)

由圖9可知，將3種工況下橫通道與正洞連接處瓦斯體積分數(shù)分布圖以0.05%～0.35%區(qū)間顯示時，當右洞掌子面風管出風量為Qy時，橫通道瓦斯體積分數(shù)大部分處于0.35%左右，自右洞向左洞流動過程中體積分數(shù)值逐漸降低，風流與左洞內風流混合后排風段內瓦斯體積分數(shù)在0.09%左右； 當右洞掌子面風管出風量為2Qy時，橫通道瓦斯體積分數(shù)大部分處于0.23%左右，混合后左洞排風段內瓦斯體積分數(shù)在0.06%左右； 當右洞掌子面風管出風量為4Qy時，橫通道瓦斯體積分數(shù)大部分處于0.20%左右，混合后左洞排風段內瓦斯體積分數(shù)在0.05%左右。

5 結論與討論

本文利用FLUENT軟件對瓦斯體積分數(shù)的分布進行了數(shù)值模擬，在考慮隧道巷道粗糙影響的基礎上分析了隧道內瓦斯分布的一般規(guī)律及其影響因素，對于瓦斯隧道施工通風具有一定參考意義。主要結論與建議如下：

1)瓦斯從一側主洞涌出后，不會對另一側造成污染；渦流區(qū)瓦斯體積分數(shù)明顯大于周圍區(qū)域；瓦斯體積分數(shù)梯度在橫通道處發(fā)生改變。

2)風管所在一側截面上瓦斯體積分數(shù)分布明顯低于異側；瓦斯體積分數(shù)變化梯度自風管所在一側至另一側逐漸增大。

3)在掌子面前50 m內，瓦斯體積分數(shù)分布不均勻。距掌子面50 m后各斷面瓦斯體積分數(shù)重新分布，體積分數(shù)降低。

4)對比瓦斯在橫斷面上的分布發(fā)現(xiàn)：在與空氣混合逐漸均勻的過程中，靠近地表附近瓦斯體積分數(shù)較低，靠近拱頂?shù)耐咚贵w積分數(shù)較高。

5)送風洞風管管口出風量越大，右洞內靠近橫通道的區(qū)域瓦斯分布越均勻，橫通道內瓦斯體積分數(shù)越小，左洞排風段內瓦斯體積分數(shù)越小。

瓦斯分布不但與瓦斯涌出量、涌出位置有關，而且與通風量、通風管道設置位置、風壓分布等有關，同時還與隧道凈空、平縱面布置和洞外氣象因素等有關。本文結合背景工程模擬研究時，出風口位置以及瓦斯體積分數(shù)等都已經確定，因此，只考慮了風量和瓦斯涌出位置的變化，研究設計存在一些不足之處，巷道式施工瓦斯分布有待進一步深入研究。

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Study of Gas Distribution of Highway Tunnel Using Gallery Ventilation

ZENG Chang1, YAO Zhigang2, FAN Jianguo2, FANG Yong2, *

(1.SchoolofCivilEngineering，SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China;2.KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineeringofMinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

A three-dimentional model of highway tunnel is established and numerically simulated by means of hydrodynamics software Fluent. The gas distribution in main tunnel and connection gallery and at working face are studied; and the gas distribution characteristics in tunnel, especially in recirculating zone, eddy zone and gas concentration zone, are analyzed. The simulation results show that: 1) The gas gushes from a main tunnel has no harm to another main tunnel. 2) The gas concentration in eddy zone is larger than that in surrounding zones. 3) The gas concentration at the side with ventilation pipe is smaller than that at the side without ventilation pipe.

highway tunnel; gallery ventilation; numerical simulation; gas distribution

2015-06-02;

2016-04-21

國家自然科學基金資助項目(51278422)； 四川省青年科技基金項目(2012JQ0021)

曾昌(1991—)，男，湖北仙桃人，西南交通大學在讀碩士，主要從事隧道施工對環(huán)境的影響研究。E-mail：584632507@qq.com。*通訊作者：方勇， E-mail：fy980220@swjtu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.011

U 45

A

1672-741X(2016)07-0837-07