丁浩江

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；2.中鐵二院地質(zhì)創(chuàng)新工作室，四川 成都 610031)

0 前 言

天然氣瓦斯主要來源于生烴源巖，生烴源巖可能有多種，是通過巖體結(jié)構(gòu)通道運移、儲存的瓦斯。在天然氣瓦斯隧道施工過程中，一旦控制措施不當(dāng)，將很可能導(dǎo)致瓦斯積聚，引發(fā)瓦斯安全事故，威脅洞內(nèi)作業(yè)人員生命安全。在目前的天然氣瓦斯隧道臺階法施工中，通常采用局部壓入式施工通風(fēng)方式，往往忽略了臺階法施工隧道空間結(jié)構(gòu)的特殊性和天然氣瓦斯與空氣相互作用及其運移規(guī)律等對通風(fēng)效果的影響[1]。為進(jìn)一步提天然氣瓦斯隧道施工通風(fēng)效果，有必要依托實際工程，結(jié)合現(xiàn)有理論并利用可行軟件對臺階法施工通風(fēng)過程中存在瓦斯溢出時隧道內(nèi)風(fēng)流分布、瓦斯?jié)舛确植家?guī)律進(jìn)行研究。

為了驗證天然氣瓦斯隧道壓入式通風(fēng)措施是否能有效降低洞內(nèi)瓦斯?jié)舛龋疚囊猿啥贾临F陽高鐵興隆坪天然氣高瓦斯隧道壓入式通風(fēng)設(shè)計為案例，運用離散化的數(shù)學(xué)方法模擬、分析流體流動和熱交換軟件，通過選取適當(dāng)?shù)挠嬎銋?shù)，對興隆坪隧道開挖進(jìn)行通風(fēng)數(shù)值模擬，研究通風(fēng)狀態(tài)下瓦斯的分布及運動規(guī)律，并對比分析了壓入式通風(fēng)不同時間段洞內(nèi)不同位置的天然氣瓦斯?jié)舛?、壓力、逸散速度的變化情況，為防止瓦斯積聚，改善通風(fēng)效果有效措施的提出提供了依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 工程概況

興隆坪隧道位于四川省宜賓市長寧縣老翁鎮(zhèn)境內(nèi)，是成貴高鐵長寧至興文區(qū)間內(nèi)的重點隧道之一。隧道設(shè)計全長2 803 m，行車速度250 km/h，按客運專線雙線隧道設(shè)計。隧道最大埋深約60 m，全隧為單面上坡，縱坡為14.5‰。隧址區(qū)屬北東向構(gòu)造帶，為川南低陡斷褶帶次級構(gòu)造單元，線路大角度穿越構(gòu)造線，洞身橫穿老翁場儲氣背斜構(gòu)造(老翁場氣田)，巖層傾角緩斜，節(jié)理較發(fā)育。隧道主要地層巖性為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)砂巖夾泥巖，隧址區(qū)位于盆地南部油型天然氣聚集區(qū)，巖石物性較好，屬于油氣有利儲集層，有利于油氣儲集，瓦斯涌出量為0.5 m3/min，為天然氣高瓦斯隧道。

1.2 數(shù)學(xué)模型建立

1)隧道通風(fēng)模擬計算假定。由于在隧道通風(fēng)模擬中，隧道內(nèi)通風(fēng)壓力一般為常壓，且溫度變化較小，隧道內(nèi)的通風(fēng)氣流為低速氣體，空氣的密度和體積變化不足以影響計算結(jié)果的精度。因此，可以將隧道內(nèi)的氣體視為不可壓縮流體[2]。同時，忽略隧道內(nèi)不可壓縮流體運動時的摩擦力以及其可能產(chǎn)生的耗散熱能，而且隧道壁面無法傳遞能量，氣體在運動過程中沒有發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，因此可以將流場視為恒溫的；其次，為了便于模擬，隧道內(nèi)的有害氣體均由掌子面涌出，不存在其他涌出源。

2)流體能量守恒定律。不可壓縮流體在隧道內(nèi)的運動可以視為湍流運動，有害氣體在隧道內(nèi)的運動過程主要包括有害氣體擴(kuò)散、有害氣體與空氣的對流和空氣的紊流等過程。而有害氣體和空氣的紊流擴(kuò)散和運移控制方程主要包括組分傳輸方程、動量守恒方程和質(zhì)量守恒方程。紊流模型則選擇Reynolds平均法中湍流粘性系數(shù)法的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，近壁面的氣體流動則選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法來處理[3]。

根據(jù)以上假定和設(shè)定條件，可以用通用的微分方程形式來表示隧道中穩(wěn)態(tài)的氣流和瓦斯湍流流動控制方程：

(1)

式中，u、v、w分別為x、y、z方向上的速度分量；?在不同的模型中可表示不同的意思，如速度、組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、紊流動能等；Г?為與?對應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)；S?為與?對應(yīng)的源項。

1.3 物理模型

本次模擬選取興隆隧進(jìn)口工區(qū)道掘進(jìn)至埋深最大處1 200 m時進(jìn)行模擬研究。風(fēng)筒口距離掌子面15 m，風(fēng)筒直徑為1.6 m，風(fēng)筒置于隧道頂部，與隧道上壁面相切。按照隧道工程的實際尺寸，簡化模型設(shè)置，使用Solidworks軟件建立三維隧道模型，如圖1所示，圖中深色區(qū)域為掌子面。

圖1 興隆坪隧道物理模型圖

模型運用數(shù)值軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分法，整個模型共劃分了150萬個網(wǎng)格，且在通風(fēng)管道避免附近進(jìn)行了網(wǎng)格加密設(shè)置，使得網(wǎng)格劃分更加精細(xì)。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

1.4 參數(shù)選擇設(shè)置

通過對興隆坪隧道各參數(shù)的分析以及應(yīng)用不同參數(shù)所得模擬結(jié)果的相互比較，對參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整和優(yōu)化，確定了模擬隧道瓦斯運移擴(kuò)散的常規(guī)數(shù)值模型。

1)ANSYS Fluent模擬模型參數(shù)設(shè)置。模型所用的模型參數(shù)見表1。

2)數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置。ANSYS Fluent模擬的邊界條件是指在求解域邊界上所求解的變量隨著時間變化的規(guī)律，表2列出了模擬中涉及的一些參數(shù)。

(1)入口邊界：通風(fēng)管道口設(shè)定為速度入口邊界，自然風(fēng)沿通風(fēng)管道均勻進(jìn)入隧道，風(fēng)速v=21.61 m/s，該風(fēng)流中沒有瓦斯氣體。

(2)出口邊界：將隧道進(jìn)口設(shè)置為自由出流邊界，即出口位置壓強(qiáng)為大氣壓。

(3)壁面條件：將隧道內(nèi)壁面、底板等均視為固定壁面，視為無滑移邊界條件，而且選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來處理近壁面，且上述壁面均視為絕熱。

(4)瓦斯源項：為了便于處理，本文將瓦斯的實際涌出源視為由掌子面均勻涌出，瓦斯源項的值根據(jù)瓦斯的實際涌出量來確定。據(jù)勘察實測數(shù)據(jù)可知，隧道瓦斯涌出量為0.5 m3/min。

表2 ANSYS Fluent 模擬參數(shù)表

2 成果分析

2.1 隧道通風(fēng)風(fēng)場分析

由通風(fēng)管道射入隧道內(nèi)而形成的氣流稱為空氣射流。但由于隧道內(nèi)壁面對空氣射流會產(chǎn)生不同程度的影響，因此空氣射流又可以分為自由射流和受限射流。對于流速比較大、處于紊流狀態(tài)的空氣射流又可稱為紊流射流[4]，而壓入式通風(fēng)即屬于此種類型。這種通風(fēng)模式一般通過風(fēng)管將空氣傳送至離隧道掌子面一定距離處，其后從風(fēng)管口噴出的射流沿隧道壁面慢慢向掌子面運動，稀釋帶走該區(qū)域的瓦斯、粉塵等有害物質(zhì)，再回流到隧道口排出隧道。研究隧道壓入式通風(fēng)的風(fēng)場規(guī)律有利于進(jìn)一步揭示隧道內(nèi)氣體流動過程、瓦斯的運動規(guī)律，因此需要先對隧道的風(fēng)場進(jìn)行研究分析。

圖3為風(fēng)機(jī)開啟后不同時刻隧道內(nèi)部氣流流線圖，可以看出，從風(fēng)管內(nèi)吹出的風(fēng)流能夠到達(dá)掌子面，表明在上述通風(fēng)條件下，風(fēng)管口到掌子面的距離設(shè)計為15 m時是在有效射程內(nèi)，能基本保證有害氣體的排出。氣流流出風(fēng)管后，由于受到掌子面的阻擋，開始由頂部向下流動，并沿隧道形成渦流區(qū)。隨著時間的推移，渦流區(qū)向隧道口方向擴(kuò)散，并逐漸被耗散，在距離掌子面約30 m處基本消失，流動由紊流逐漸恢復(fù)為層流。

(a)t=0 min

(b)t=1 min

(c)t=2 min

(d)t=3 min

(e)t=4 min

(f)t=5 min

(g)t=30 min

(h)t=60 min

(i)t=120 min

選取距離地面高度1.8、3、7、12.9 m的隧道橫切面觀察隧道內(nèi)不同高程斷面壓力、速度分布狀態(tài)，如圖4所示?？梢钥闯觯L(fēng)管中的空氣從風(fēng)管口到達(dá)掌子面后與掌子面瓦斯混合，在20 m左右的范圍內(nèi)，兩股氣流受到渦流區(qū)的作用，快速摻混。隨著通風(fēng)的持續(xù)，隧道內(nèi)的風(fēng)流逐漸向隧道口進(jìn)行回流運動，壓力逐漸趨于恒定，速度亦變?yōu)槎ㄖ怠?/p>

(a)壓力分布

(b)速度分布

隧道軸線瓦斯?jié)舛确植既鐖D5所示，垂直方向上，在距掌子面15 m范圍內(nèi)，高度越低，瓦斯?jié)舛仍降?，這是由于氣流渦流區(qū)和浮力共同作用的結(jié)果。在距離掌子面30 m范圍內(nèi)，瓦斯與空氣基本完全摻混，摻混后瓦斯?jié)舛葹?.12%左右，在靠近掌子面的拐角處，由于流動條件較差，不利于瓦斯等有害氣體的排放，所以瓦斯?jié)舛扔兴黾?，最大濃度?.284%，在施工過程中應(yīng)該重點加強(qiáng)監(jiān)測，并輔以局扇補(bǔ)充通風(fēng)。

圖5 瓦斯?jié)舛确植?/p>

為觀察通風(fēng)管口至掌子面在通風(fēng)狀態(tài)下瓦斯的分布情況，選取隧道內(nèi)氣流達(dá)到相對平衡狀態(tài)時各橫斷剖面進(jìn)行對比分析，如圖6～9所示。從圖6～9可以看出，自然風(fēng)流在到達(dá)掌子面后，由于受到掌子面的限制開始向隧道口方向回流。隨著持續(xù)通風(fēng)，風(fēng)流迅速充滿整個隧道，并在整個隧道截面上出現(xiàn)明顯的風(fēng)流分區(qū)現(xiàn)象[5]。

從圖6(a)、圖7(a)、圖8(a)、圖9(a)可以看出，風(fēng)管口的風(fēng)速明顯高于遠(yuǎn)離風(fēng)管口一側(cè)的風(fēng)速，而隧道中間區(qū)域的風(fēng)速又呈現(xiàn)出小于兩側(cè)風(fēng)速的特征；其次，由于掌子面瓦斯的均勻逸出，由通風(fēng)管噴射的風(fēng)流在到達(dá)掌子面后會與瓦斯混合，從而出現(xiàn)由風(fēng)管口向掌子面壓力逐漸減小的現(xiàn)象(見圖6(b)、圖7(b)、圖8(b)、圖9(b))；由于持續(xù)通風(fēng)，掌子面處的瓦斯得到有效擴(kuò)散，但由于風(fēng)管噴出的氣流壓力過大，導(dǎo)致其垂直壓入在掌子面范圍內(nèi)的瓦斯無法立刻向周圍擴(kuò)散，在該范圍內(nèi)還存在一定瓦斯聚集(見圖6(c)、圖7(c)、圖8(c)、圖9(c))。

(a)速度分布

(b)壓力分布

(c)濃度場分布

(a)速度分布

(b)壓力分布

(c)濃度場分布

(a)速度分布

(b)壓力分布

(c)濃度場分布

(a)速度分布

(b)壓力分布

(c)濃度場分布

2.2 隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛葓龇治?/h3>

隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r受控于隧道內(nèi)風(fēng)流流場的分布情況，同時隧道內(nèi)瓦斯的稀釋情況也受其影響。圖10為在通風(fēng)條件下隧道掌子面在不同時刻的瓦斯?jié)舛确植荚茍D，掌子面瓦斯?jié)舛入S通風(fēng)時間變化的情況[6]如圖11所示。

(a)t=1 s

(b)t=2 s

(c)t=3 s

(d)t=5 s

(e)t=10 min

(f)t=20 min

(g)t=1 min

(h)t=2 min

(i)t=3 min

(j)t=5 min

(k)t=30 min

(l)t=60 min

圖11 掌子面瓦斯?jié)舛入S時間變化曲線

可以看出，由于剛開始風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)流尚未到達(dá)掌子面，加上掌子面處瓦斯持續(xù)逸出，故在該時間段內(nèi)掌子面瓦斯?jié)舛燃眲〉卦黾?，直到達(dá)到一個最大值；而后，隨著風(fēng)流的到來，掌子面的瓦斯得到有效稀釋，瓦斯?jié)舛仍诤芏痰臅r間內(nèi)出現(xiàn)急劇下降。然而，由于掌子面的限制，在通風(fēng)4 s左右瓦斯?jié)舛扔殖霈F(xiàn)急劇上升，在5 s時已經(jīng)達(dá)到0.482%。隨后又開始急劇下降，在300 s時達(dá)到最小值0.053%。此后，瓦斯?jié)舛扔殖霈F(xiàn)緩慢升高，逐漸達(dá)到一個相對穩(wěn)定的值，穩(wěn)定值約為0.054%。

由隧道通風(fēng)風(fēng)流流場分析可知隧道內(nèi)存在渦流區(qū)，為了得出渦流區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛确植记闆r，選取距掌子面40 m的范圍分析該段瓦斯?jié)舛鹊姆植记闆r，如圖12所示。從圖12中可看出，因掌子面的限制、通風(fēng)管內(nèi)風(fēng)流的持續(xù)射流和回流作用所形成的渦流區(qū)內(nèi)，掌子面瓦斯?jié)舛让黠@稍高于隧道的其他區(qū)域[7]。然而，隨著時間的推移，該區(qū)域的瓦斯?jié)舛扔种饾u降低，但同時又保持著該區(qū)域瓦斯?jié)舛雀哂谄渌麉^(qū)域的特點。

圖13為穩(wěn)定通風(fēng)下隧道內(nèi)各點瓦斯?jié)舛确植记闆r。從圖13可以看出，對隧道進(jìn)行通風(fēng)后，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛燃眲∠陆怠．?dāng)通風(fēng)穩(wěn)定后，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛纫蚕鄬呌诜€(wěn)定，在掌子面處瓦斯?jié)舛茸畲螅粡恼谱用娴剿淼揽诜较?，瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出先急劇下降，然后再緩慢升高，最后慢慢達(dá)到一個相對穩(wěn)定值的狀態(tài)。由于隧道長度以及渦流的影響，靠近隧道口一側(cè)的瓦斯?jié)舛壬愿哂谒淼纼?nèi)側(cè)，但整體濃度均低于0.04%。規(guī)范規(guī)定，瓦斯隧道在運營中，瓦斯?jié)舛仍谌魏螘r間、任何地點都不得大于0.5%[8]，故在該通風(fēng)條件下滿足要求，通風(fēng)能有效降低隧道內(nèi)天然氣瓦斯?jié)舛取?/p>

圖12 各節(jié)點瓦斯?jié)舛确植记€

圖13 隧道各節(jié)點瓦斯?jié)舛确植记€

綜上所述，興隆坪隧道在壓入式通風(fēng)條件下能將隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛冉档偷揭?guī)定限值以下，表明通風(fēng)是快速降低瓦斯?jié)舛鹊挠行Х绞街?。然而，從模擬結(jié)果來看，隧道內(nèi)還存在部分區(qū)域瓦斯?jié)舛戎灯?。為了使整個隧道瓦斯?jié)舛戎当３衷谙拗档姆秶?，在實際的施工中不能僅以壓入式通風(fēng)作為唯一的通風(fēng)方式，還需在隧道內(nèi)設(shè)置通風(fēng)豎井，并配合局部風(fēng)扇。

3 結(jié) 論

1)氣流流出風(fēng)管后，由于受到隧道掌子面的阻擋，開始由頂部向下流動，并沿隧道形成渦流區(qū)。隨著時間的推移，渦流區(qū)向隧道口方向擴(kuò)散，并逐漸被耗散，在距離掌子面約30 m處基本消失，流動由紊流逐漸恢復(fù)為層流。

2)通過對隧道掌子面天然氣瓦斯?jié)舛鹊姆治?，在風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)流尚未到達(dá)掌子面這段時間內(nèi)，掌子面天然氣瓦斯?jié)舛燃眲≡黾?，直到達(dá)到一個最大值；而后，隨著風(fēng)流的到來，掌子面的瓦斯得到有效稀釋，瓦斯?jié)舛仍诤芏痰臅r間內(nèi)出現(xiàn)急劇下降。然而，由于掌子面的限制，在通風(fēng)4 s左右瓦斯?jié)舛扔殖霈F(xiàn)急劇上升，在5 s時已經(jīng)達(dá)到0.482%。隨后又開始急劇下降，300 s時達(dá)到最小值0.053%，此后瓦斯?jié)舛扔珠_始緩慢升高，慢慢達(dá)到一個相對穩(wěn)定的值，穩(wěn)定值為0.054%。

3)當(dāng)通風(fēng)穩(wěn)定后，隧道內(nèi)天然氣瓦斯?jié)舛纫蚕鄬呌诜€(wěn)定，掌子面瓦斯?jié)舛茸畲?。由于隧道長度以及渦流的影響，靠近隧道口一側(cè)的天然氣瓦斯?jié)舛壬愿哂谒淼纼?nèi)側(cè)，但整體濃度均低于0.04%，滿足規(guī)范中瓦斯隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛仍谌魏螘r間、任何地點都不得大于0.5%的要求，通風(fēng)能有效降低隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛取?/p>

4)通過數(shù)值分析方法對興隆坪天然氣瓦斯隧道在壓入式通風(fēng)條件下隧道內(nèi)風(fēng)場、瓦斯?jié)舛确植技捌溥\動規(guī)律進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明：在壓入式通風(fēng)條件下，隧道內(nèi)還存在部分區(qū)域瓦斯?jié)舛戎灯叩那闆r。為使整個隧道瓦斯?jié)舛戎当３衷谠试S范圍內(nèi)，在設(shè)計中需增設(shè)通風(fēng)豎井并配合局扇作為補(bǔ)充措施，以確保施工安全。

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