公路隧道巷道式施工通风瓦斯分布研究

曾 昌, 姚志刚, 范建国, 方 勇，*

(1. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031；2. 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)



公路隧道巷道式施工通风瓦斯分布研究

曾 昌1, 姚志刚2, 范建国2, 方 勇2，*

(1. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031；2. 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)

为探究瓦斯公路隧道巷道式施工通风中瓦斯的体积分数分布规律，利用流体力学研究软件FLUENT建立三维隧道模型并进行了数值仿真计算，通过对隧道内部整体、掌子面附近和主洞与横通道连接处瓦斯体积分数分布的研究，分析了隧道内部瓦斯分布的具体特点并深入探讨了内部回流区、涡流区和瓦斯容易聚集的位置。模拟结果表明：瓦斯从一侧主洞涌出后，不会对另一侧造成污染； 涡流区瓦斯体积分数明显大于周围区域； 风管所在一侧截面上瓦斯体积分数分布明显低于异侧。

公路隧道； 巷道式通风； 数值模拟； 瓦斯分布

0 引言

我国地域辽阔，地质条件复杂多样，在隧道工程建设中，不可避免地会遇到瓦斯等有毒有害气体涌出的情况。在施工建设这些隧道时，除了需要掌握常规的施工技术之外，对瓦斯等有毒有害气体的防治显得尤为重要，合理的控制标准和与之呼应的通风方案是保证有毒有害气体隧道安全生产的先决条件。目前，我国在高瓦斯隧道施工通风中所能执行的技术规范、技术条款还不完善，许多方面仍在引用煤矿行业的相关标准和规范[1]，然而引用煤矿行业的相关标准和规范并不能很好地满足隧道施工通风的要求。因此，对于公路瓦斯隧道施工时洞内的瓦斯体积分数分布规律进行研究对隧道安全施工、确保施工人员的安全有重要的意义。

在如今长大铁路隧道越来越多的背景下，巷道式通风作为目前解决长隧道施工通风最有效的方法，已成为目前最为主要的通风手段。隧道巷道式施工通风流场分布复杂，遇到有瓦斯涌出时，对于其流场和体积分数分析更是难上加难。简单依靠试验研究和经验公式难以全面准确反映流场分布特性，因而，对于流场的分析通常基于计算流体力学理论的模拟软件。W.K.Chow[2]运用软件CFD数值模拟了公路隧道内CO体积分数的扩散模型； Shinji Tomita等[3]利用相似实验模拟了掘进掌子面的瓦斯涌出，提出风筒出口位置对流场有较大影响； C.Rudin[4]数值模拟了长大隧道施工期间的烟气扩散分布； 刘钊春等[5]采用有限元软件ADINA的CFD模块对施工通风掘进面有害气体体积分数扩散进行了数值模拟； 徐昆仑[6]采用软件FLUENT研究了局部掘进掌子面的风流流场及瓦斯分布规律； 彭露等[7]对巷道式通风进行了数值模拟，分析了不同风速情况下有毒有害气体体积分数的分布情况； 高建良等[8]利用软件FLUENT研究了局部通风巷道掘进工作面的瓦斯分布规律。

隧道巷道粗糙程度对于隧道通风具有重要影响，而以往研究大多未考虑隧道洞壁的影响。本文在考虑隧壁粗糙度对流场影响的基础上，采用流体力学软件FLUENT[9]的Gambit程序建立了隧道射流巷道式通风三维模型，应用FLUENT处理模块对隧道有瓦斯涌出时的巷道式通风流场进行仿真，分析风机作用下隧道内瓦斯的分布规律，讨论流场中可能聚集瓦斯的位置，并提出可行的解决方法以确保施工的安全进行。

1 数学模型

1.1 风流状态分析

对隧道内风流流动型态的正确分析是确定合理数学模型的基本条件。根据流体力学基本知识可知，风流存在层流和紊流2种型态。通常利用下临界雷诺数ReC与流体流动的雷诺数Re进行比较来判别流体的流动型态。

当流体在圆管中流动时，雷诺数的表达式为

式中：υ为流动断面上平均流速，m/s； v为流体的运动黏度，m2/s； d为管道直径，m。

若ReReC=2 300，则流动状态为紊流，本文研究对象为紊流。

除了流动型态以外，流体的压缩性同样影响着数学模型的确定。流体压缩性通常是根据马赫数来表征[10]：

式中：υ为流体的流速，m/s；c为音速，340 m/s。

本文中隧道局部通风风速较低，马赫数Ma<0.3，视为不可压缩流体，在模拟中可以忽略空气密度随压力的变化。

1.2 控制方程

为方便数值计算，先作如下假设：整个过程中无能量交换；隧道内气体假定为不可压缩体；流体运动各向同性。基于以上假设，再考虑到隧道内的空气流动为紊流，在大量的资料调研及初步计算的基础上拟采用标准k-ε双方程紊流模型，其控制方程包括连续性方程、动量方程、紊流流动能量方程、k方程、ε方程和流体组分质量守恒方程[11]。方程具体形式如下：

连续性方程

动量方程

紊流流动能量方程

k方程

ε方程

组分(瓦斯/硫化氢)质量守恒方程

式中：vi为速度分量，m/s；p为时均压力，Pa；Pr为充分紊流时的普朗特数；cp为空气的定压比热，kJ/(kg·K)；k为紊流动能，m2/s2；ε为紊流的动能耗散率，m2/s3；G为紊流脉动动能产生项；q为热流密度，W/m3；T为流体温度，K；ρ为流体密度，kg/m3；μ为层流动力黏性系数，Pa·s；μt为紊流动力黏性系数，Pa·s；cs为瓦斯的体积分数；ρcs为瓦斯的质量体积分数；Ds为瓦斯的扩散系数；Ss为单位时间单位体积组分的生产率；c1、c2、σε、σk、cμ为经验常数，c1=1.44，c2=1.92，σε=1.30，σk=1.00，cμ=0.09。

2 数值模型

2.1 几何模型的建立

以某高速公路隧道实际尺寸为参考，利用Gambit建立隧道射流巷道式通风三维模型，假定瓦斯从掌子面迎头涌出。为方便模拟分析，选取基本几何尺寸为：模拟隧道长度300 m，送风管直径1.6 m，射流风机直径1 m等。简化后隧道通风几何模型示意图如图1所示。

2.2 计算网格的划分

利用FLUENT的Gambit程序进行建模和网格划分。根据模型特点，选择分区划分方式，涉及到的网格划分类型有Cooper及Tet/Hybrid 2种，体网格元素主要为四面体网格和六面体网格，在某些地方也会采用契形网格和金字塔形网格来划分。

确定网格划分方案后模型被划分为950 712个单元、2 055 044个面和256 884个网格节点。网格划分情况如图2所示。

(a)x-z截面

(b)y-z截面

(c)三维示意图

(a)隧道左、右洞洞口端网格剖分示意图

(b)横通道处网格剖分示意图

(c)掌子面网格剖分示意图

2.3 边界条件

参照隧道实际施工通风情况定义边界条件如下：

1)左右双洞中2个送风管出风口均为入口边界，类型为Velocity-Inlet，且v1=v2=19.397 m/s；

2)左右双洞及横通道中3台射流风机出风口均为入口边界，类型为Velocity-Inlet，v=34.2 m/s； 射流风机吸风口为入口边界，类型为Mass-Flow Inlet，且Q=26.9 m3/s；

3)右洞进口断面为入口边界，类型为Pressure-Inlet，左洞进口断面为出口边界，类型为Pressure-Outlet，所有压力值的大小都是相对于Operating condition参考压力的值(101 325 Pa)；

4)隧道壁面及风管管壁边界类型均为固壁边界(Wall)，且满足无滑移条件。

本文对瓦斯从下台阶面煤层壁面均匀溢出运用瓦斯源项[12]来处理，在下台阶近壁面的第1层网格区域内设置瓦斯源，根据瓦斯涌出量设定瓦斯源项的值，包括质量源项和动量源项，其中动量源项仅考虑x方向。

2.4 离散化方程及求解方法的确定

本文中瓦斯(CH4)紊流扩散流动流场，Pressure压力差值方式选用PRESTO格式，为减小数值计算中假扩散所产生的误差，k和ε方程、Momentum的离散化格式均采用具有较高精度的QUICK格式。

FLUENT对离散之后的差分方程组有许多不同的解法，本文在模拟计算中，压力速度耦合方式采用SIMPLEC算法来提升收敛速度。

3 瓦斯涌出结果分析

根据实际工况的测试数据，左、右隧洞掌子面风管出风口风量Qz=Qy=38.99 m3/s，瓦斯从右洞(送风洞)掌子面涌出，且涌出量QCH4=0.39 m3/s。

3.1 隧道内瓦斯总体分布规律

在对隧道射流巷道式通风局部流场瓦斯分布特点进行研究之前，先对整个模拟隧道内的瓦斯总体分布规律进行探讨。图3为瓦斯从右洞和左洞涌出时的体积分数分布图(所选观侧面y=3.5为风管出风口中心点所在截面)，对比(a)和(b)可知，瓦斯从左右掌子面涌出时，瓦斯体积分数在横通道之前分布规律基本相同：1)瓦斯从一侧涌出后，不会对另一侧掌子面形成污染； 2)涌出面前10 m内瓦斯与空气混合较不均匀，射流区、回流区及涡流区瓦斯体积分数差异明显； 3)涌出面前一定距离处布设的射流风机引射风流从出风口高速射出，形成涡流区，导致小范围内瓦斯体积分数变化梯度增大； 4)射流流动一定长度后逐渐稳定，行进至横通道与主洞连接处，瓦斯体积分数梯度再次发生较大改变。

不同点表现在横通道之后的左洞：1)从右洞(送风洞)涌出时，左洞的瓦斯体积分数在横通道处最高，之后逐渐下降； 2)从左洞(排风洞)涌出时，污染风在横通道处与新鲜风混合，体积分数有所降低，并很快趋于稳定。

(a)右洞涌出

(b)左洞涌出

图4为瓦斯从右洞涌出时，左、右隧洞内瓦斯平均体积分数变化曲线。x=150处(横通道与正洞连接处)是左、右隧洞瓦斯体积分数大小交替的分界。当x>150时，右洞瓦斯平均体积分数自掌子面向洞口方向逐渐降低，且掌子面前0.3 m截面(x=299.7)瓦斯平均体积分数值最大，为0.54%； 左洞该区段内不受影响，瓦斯体积分数均为0。当x<150时，右洞送风段均为新鲜空气，不受污染风流的影响，瓦斯体积分数均为0； 左洞内瓦斯体积分数增大到0.05%左右，这是由于该区段为巷道式通风的排风段，是最终混合均匀后的风流排出洞外的渠道，与图3所示结论相一致。

图4 左、右隧洞内瓦斯平均体积分数变化曲线(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 掌子面瓦斯分布规律

由于掌子面瓦斯体积分数分布规律基本相同，故仅对瓦斯从右洞涌出时，右洞掌子面瓦斯分布规律进行研究。

风管出风口中心点所在截面上瓦斯体积分数分布如图5所示。瓦斯体积分数自风管出风口中心点向外呈发散状并逐渐增大，与风管异侧的掌子面近壁处瓦斯体积分数较大，达1.02%。对比几个区域瓦斯体积分数发现，涡流区瓦斯体积分数明显大于周围区域。

进一步对左洞掌子面前100 m内横断面上的瓦斯分布规律进行讨论分析。

1)掌子面前0.3 m断面(x=299.7)上瓦斯体积分数分布如图5(b)所示，瓦斯体积分数自靠近风管一侧向远离风管一侧逐渐增大，在远离风管一侧的瓦斯体积分数最高可达1.99%，该区域为易发生瓦斯积聚的关键区域，施工通风中应给予关注。

2)掌子面前10 m断面(x=290)上瓦斯体积分数分布如图6(a)所示，瓦斯体积分数整体下降，体积分数分级弱化。部分瓦斯在浮升力作用下上浮，断面上瓦斯最高体积分数值为0.75%。

3)掌子面前50 m断面(x=250，射流风机出风口所在断面)上瓦斯分布如图6(b)所示，断面上瓦斯体积分数重新分布，自射流风机出风口处向外逐渐增大，但整体体积分数均不大于0.62%。

4)掌子面前100 m断面(x=200)上瓦斯体积分数分布如图6(c)所示，瓦斯体积分数分布均匀，在0.24%左右，此时回风流中瓦斯与空气已基本混合均匀。

(a)y=3.5

(b)x=299.7

(a)x=290

(b)x=250

(c)x=200

3.3 横通道与正洞连接处瓦斯分布规律

因为瓦斯从右洞涌出时横通道处流场分布更为复杂，依然选取瓦斯从右洞涌出进行研究。

横通道与主洞连接处的瓦斯体积分数分布如图7所示，右洞掌子面回风流通过横通道内射流风机卷吸引射作用流入左洞，横通道内瓦斯体积分数自右洞向左洞流动过程中逐渐减小，由0.2%减小到0.05%，瓦斯进入左洞后，污染了洞内洁净空气，左洞回风道瓦斯体积分数增大到了0.05%。右洞内送风段新鲜风流与掌子面回风流交界处瓦斯体积分数梯度较大。

在巷道式通风过程中，若送风洞掌子面瓦斯涌出，应特别注意横通道与正洞连接处的通风，因为此处隧道结构形式特殊，易形成涡流区，导致瓦斯积聚难以排出，此外，应把握好送风洞内压送新风到掌子面的轴流风机与横通道的布设间距(模型中风机布设距横通道30 m)，尽量避免风机吸风口内卷吸含有瓦斯的气体，导致污染风流的循环，造成掌子面二次污染。

图7 横通道与正洞连接处瓦斯体积分数分布图(截面y=3.5)

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

4 风管出风量对瓦斯分布影响

4.1 掌子面风管管口出风量对巷通式通风隧道瓦斯分布的影响

为研究掌子面风管管口出风量对巷道式通风隧道内瓦斯分布的影响，在瓦斯从右洞涌出且涌出量QCH4和Qz不变的情况下，对右洞掌子面风管管口出风量分别为Qy=19.5 m3/s、2Qy和4Qy时的模型进行仿真计算。3种工况下右洞掌子面前0.3 m断面上瓦斯体积分数分布如图8所示。

由图8可知，当右洞掌子面风管出风量分别为Qy、2Qy和4Qy时，对应截面x=299.7上最高瓦斯体积分数值分别为4.756%、1.991%和1.188%。即管口出风量越大，断面上瓦斯最高体积分数值越小，且远离风管一侧的高瓦斯区域范围越小。在出风量达到4Qy时，断面上的高瓦斯区域占较小比例。

这是因为，在瓦斯涌出量一定、右洞掌子面前0.3 m断面上瓦斯体积分数在风管管口直径一定的前提下，增大风管管口的出风量就意味着出口射流速度增大，射流速度越大，到达掌子面时的冲击作用越强，瓦斯与空气混合越均匀。

(a)右洞掌子面风管出风量为Qy

(b)右洞掌子面风管出风量为2Qy

(c)右洞掌子面风管出风量为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 右洞掌子面风管管口出风量对横通道及左洞排风段瓦斯分布的影响

3种工况下横通道与正洞连接处轴向剖面(截面y=3.5)上瓦斯体积分数分布如图9所示。

(a)右洞掌子面风管出风量为Qy

(b)右洞掌子面风管出风量为2Qy

(c)右洞掌子面风管出风量为4Qy

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

由图9可知，将3种工况下横通道与正洞连接处瓦斯体积分数分布图以0.05%～0.35%区间显示时，当右洞掌子面风管出风量为Qy时，横通道瓦斯体积分数大部分处于0.35%左右，自右洞向左洞流动过程中体积分数值逐渐降低，风流与左洞内风流混合后排风段内瓦斯体积分数在0.09%左右； 当右洞掌子面风管出风量为2Qy时，横通道瓦斯体积分数大部分处于0.23%左右，混合后左洞排风段内瓦斯体积分数在0.06%左右； 当右洞掌子面风管出风量为4Qy时，横通道瓦斯体积分数大部分处于0.20%左右，混合后左洞排风段内瓦斯体积分数在0.05%左右。

5 结论与讨论

本文利用FLUENT软件对瓦斯体积分数的分布进行了数值模拟，在考虑隧道巷道粗糙影响的基础上分析了隧道内瓦斯分布的一般规律及其影响因素，对于瓦斯隧道施工通风具有一定参考意义。主要结论与建议如下：

1)瓦斯从一侧主洞涌出后，不会对另一侧造成污染；涡流区瓦斯体积分数明显大于周围区域；瓦斯体积分数梯度在横通道处发生改变。

2)风管所在一侧截面上瓦斯体积分数分布明显低于异侧；瓦斯体积分数变化梯度自风管所在一侧至另一侧逐渐增大。

3)在掌子面前50 m内，瓦斯体积分数分布不均匀。距掌子面50 m后各断面瓦斯体积分数重新分布，体积分数降低。

4)对比瓦斯在横断面上的分布发现：在与空气混合逐渐均匀的过程中，靠近地表附近瓦斯体积分数较低，靠近拱顶的瓦斯体积分数较高。

5)送风洞风管管口出风量越大，右洞内靠近横通道的区域瓦斯分布越均匀，横通道内瓦斯体积分数越小，左洞排风段内瓦斯体积分数越小。

瓦斯分布不但与瓦斯涌出量、涌出位置有关，而且与通风量、通风管道设置位置、风压分布等有关，同时还与隧道净空、平纵面布置和洞外气象因素等有关。本文结合背景工程模拟研究时，出风口位置以及瓦斯体积分数等都已经确定，因此，只考虑了风量和瓦斯涌出位置的变化，研究设计存在一些不足之处，巷道式施工瓦斯分布有待进一步深入研究。

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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

国家自然科学基金资助项目(51278422)； 四川省青年科技基金项目(2012JQ0021)

曾昌(1991—)，男，湖北仙桃人，西南交通大学在读硕士，主要从事隧道施工对环境的影响研究。E-mail：584632507@qq.com。*通讯作者：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