彭 佩，方 勇，2，周超月，2，陳先國

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031；3.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司,成都 610031)

隧道施工壓人式通風(fēng)效果分析及參數(shù)優(yōu)化研究

彭 佩1，方 勇1，2，周超月1，2，陳先國3

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031；3.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司,成都 610031)

對(duì)隧道臺(tái)階法施工壓入式通風(fēng)效果進(jìn)行分析并提出相關(guān)參數(shù)優(yōu)化措施，利用流體力學(xué)軟件Fluent，建立隧道三維模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別對(duì)上臺(tái)階不同開挖長(zhǎng)度及風(fēng)管不同布設(shè)位置下流場(chǎng)特性的對(duì)比，分析了通風(fēng)系統(tǒng)各參數(shù)對(duì)通風(fēng)效果的影響。模擬結(jié)果表明：臺(tái)階的存在改變了射流發(fā)展一般性，射流主體提前收縮，有效射程減少；上臺(tái)階長(zhǎng)度越短，射流有效射程越大，渦流區(qū)域覆蓋范圍越?。伙L(fēng)管沿側(cè)壁布設(shè)且管口至掌子面距離在5～10m時(shí)，通風(fēng)效果最佳。

公路隧道；臺(tái)階法；壓入式通風(fēng)；數(shù)值模擬；參數(shù)優(yōu)化

由于隧道結(jié)構(gòu)的封閉性,隧道施工過程中機(jī)械作業(yè)產(chǎn)生的尾氣、爆破產(chǎn)生的硝煙、地層溢出的有毒有害氣體等將會(huì)在隧道內(nèi)積聚,威脅作業(yè)人員健康和施工安全。為改善公路隧道施工作業(yè)環(huán)境,保障施工人員的健康,必須采取適當(dāng)?shù)耐L(fēng)措施。特別是對(duì)于有瓦斯、H2S等有毒有害氣體存在的特殊危險(xiǎn)隧道,必須要保證充足的通風(fēng)量及風(fēng)速,稀釋沖淡有毒有害氣體,對(duì)施工通風(fēng)的要求更高。臺(tái)階法［1]是公路隧道施工中最常采用的施工方法之一,它將斷面分成上半斷面和下半斷面兩部分進(jìn)行開挖。臺(tái)階法隧道施工中一般采用壓入式通風(fēng)方法［2-3],即采用風(fēng)機(jī)將后方新鮮氣流向作業(yè)面壓送,傳統(tǒng)的隧道臺(tái)階法施工通風(fēng)方案往往局限于通風(fēng)能力設(shè)計(jì)及風(fēng)流組織［4],忽略了臺(tái)階法施工隧道空間結(jié)構(gòu)的特殊性對(duì)通風(fēng)效果的影響。

對(duì)通風(fēng)流場(chǎng)的分析通常采用CFD相關(guān)軟件及技術(shù),日本的中山伸介、內(nèi)野健一等人對(duì)三維條件下掘進(jìn)巷道風(fēng)流的風(fēng)速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)定,得出了掘進(jìn)巷道內(nèi)的風(fēng)流分布［5]。英國諾丁漢大學(xué)K.W.Moloney等人對(duì)采用輔助通風(fēng)方式時(shí)井下獨(dú)頭巷道模型內(nèi)測(cè)得的風(fēng)流分布進(jìn)行了研究［6],王海橋等人根據(jù)流體力學(xué)及射流理論,對(duì)獨(dú)頭巷道附壁射流通風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,探討了流場(chǎng)內(nèi)區(qū)域分布等,為研究獨(dú)頭巷道風(fēng)流傳質(zhì)過程、瓦斯運(yùn)移規(guī)律及通風(fēng)排污效率等提供了理論基礎(chǔ)［7],何坤等采用基于流體力學(xué)理論的三維數(shù)值模擬,對(duì)比分析隧洞掘進(jìn)長(zhǎng)度、通風(fēng)方案等因素對(duì)長(zhǎng)大隧道通風(fēng)流場(chǎng)的影響［8]。

縱觀國內(nèi)外的隧道通風(fēng)數(shù)值模擬研究狀況可以發(fā)現(xiàn),全斷面施工風(fēng)管式通風(fēng)是各國學(xué)者的普遍關(guān)注對(duì)象,而臺(tái)階法施工隧道中風(fēng)管壓入式通風(fēng)則少有涉及。本文依托于實(shí)際工程,應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)采用臺(tái)階法施工的高速公路隧道內(nèi)通風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真［9],通過對(duì)上臺(tái)階不同開挖長(zhǎng)度、風(fēng)管出風(fēng)口與掌子面不同布設(shè)距離及布設(shè)形式下流場(chǎng)特性的對(duì)比,分析通風(fēng)系統(tǒng)各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)通風(fēng)效果的影響,以此提出改善通風(fēng)效果的有效途徑。

1 工程概況及模型建立

1.1 工程背景

銅鑼山隧道是一座位于四川自流盆地東部的雙向四車道高速公路隧道。隧道施工中全斷面法與臺(tái)階法結(jié)合使用,本標(biāo)段獨(dú)頭掘進(jìn)隧道范圍K132+095～K134+600,全長(zhǎng)2 505 m。一般地段隧道建筑限界凈寬10.25 m,凈高5.00 m。自隧道進(jìn)口起1 560 m內(nèi)均采用壓入式通風(fēng),在臺(tái)階法施工段內(nèi)風(fēng)管布設(shè)位置如圖1所示,其中風(fēng)管選用直徑1.6 m的軟管。

圖1 隧道臺(tái)階法施工橫斷面示意

1.2 模型建立

1.2.1 數(shù)值模型

針對(duì)銅鑼山隧道臺(tái)階法施工段,以隧道實(shí)際尺寸為參考(文中坐標(biāo)基本單位均為m),利用Gambit建立簡(jiǎn)化后隧道三維模型并網(wǎng)格化,如圖2所示。

圖2 三維模型網(wǎng)格剖分

分別以上臺(tái)階長(zhǎng)度、風(fēng)管管口至掌子面距離及風(fēng)管布設(shè)形式為研究參數(shù)建立各工況計(jì)算數(shù)值模型。首先將風(fēng)管布設(shè)于隧道側(cè)壁且管口至上臺(tái)階掌子面距離為25 m,令上臺(tái)階長(zhǎng)度L1為變化參數(shù),如圖3所示。

圖3 工況一模型示意（單位：m)

將風(fēng)管布設(shè)于隧道側(cè)壁且上臺(tái)階長(zhǎng)度L1=20 m。令L2為變化參數(shù),如圖4所示。

圖4 工況二模型縱斷面示意（單位：m)

將保持風(fēng)管出口與上臺(tái)階掌子面距離不變(假設(shè)L2=15 m),上臺(tái)階長(zhǎng)度L1=20 m,改變風(fēng)管5種布設(shè)位置,如圖5所示。

圖5 工況三模型橫斷面示意

1.2.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

基本假設(shè)如下:

(1)馬赫數(shù)M≤0.2,氣體按不可壓縮處理；

(2)忽略隧道內(nèi)機(jī)械及人體對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)。

經(jīng)計(jì)算,各種工況下洞內(nèi)氣體流動(dòng)時(shí)雷諾數(shù)均大于臨界雷諾數(shù),流動(dòng)狀態(tài)為紊流［10],流體運(yùn)動(dòng)類型為非恒定流?？纱_定數(shù)學(xué)模型為標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon二方程紊流模型,其控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k方程和epsilon方程。

邊界條件設(shè)定為:風(fēng)管出風(fēng)口為入口邊界(in1),類型為velocity-inlet,vx=19.397 m/s,vy=vz=0；風(fēng)管送風(fēng)口所在隧道斷面為出口邊界(out),類型為outflow；管壁及隧道內(nèi)壁邊界類型均為wall,滿足無滑移條件。

2 施工通風(fēng)流場(chǎng)分析及參數(shù)優(yōu)化

2.1 通風(fēng)流場(chǎng)特性分析

以第一種工況內(nèi)模型(取上臺(tái)階長(zhǎng)度L1=10 m)為對(duì)象進(jìn)行模擬計(jì)算。經(jīng)過后處理得到風(fēng)流自管口至工作面的流速變化情況(取1條自管口中心垂直于掌子面的直線為觀測(cè)線),如圖6所示。

圖6 管口至上臺(tái)階掌子面的風(fēng)速變化曲線

風(fēng)流從管口射出后,軸心速度沿程減小,到達(dá)距上臺(tái)階掌子面5 m時(shí)射流方向偏移,圖6中x=20至x= 25段的曲線表示掌子面反向回流速度變化。

L1=10 m時(shí),管口射流流場(chǎng)內(nèi)速度分布情況如圖7所示(所取觀測(cè)面為z=3.5及y=-3.136 877)。由圖7(a)可見,風(fēng)流從管口射出,上、右兩側(cè)受隧壁限制,表現(xiàn)為貼附射流［11],其余部分自由發(fā)展,不斷卷吸周圍空氣,流速由內(nèi)向外逐漸減小,到達(dá)上臺(tái)階掌子面前一定距離流動(dòng)方向開始偏移,部分風(fēng)流開始沿偏移方向反向回流；部分到達(dá)掌子面,受壁面回彈作用向右側(cè)回流,偏移后的風(fēng)流與掌子面回流相互作用在隧道內(nèi)側(cè)形成渦流；附壁射流與回流的相互作用形成渦流。

由圖7(b)可見,風(fēng)流從管口射出,受下臺(tái)階面空氣影響,射流斷面在風(fēng)流行進(jìn)15 m(臺(tái)階所在斷面)時(shí)達(dá)到最大,此時(shí)隧道空間突然縮小,射流無法繼續(xù)擴(kuò)張,在隨后的5 m內(nèi)逐漸縮小。射流卷吸下臺(tái)階前部分空氣,在狹小空間內(nèi)形成渦流區(qū)。

綜上所述,臺(tái)階的存在改變了射流發(fā)展一般性,射流主體提前收縮,有效射程［12]減少,到達(dá)掌子面流量減小,通風(fēng)效果受影響。

圖7 管口射流流場(chǎng)速度矢量圖

2.2 上臺(tái)階長(zhǎng)度L1對(duì)流場(chǎng)特性的影響

為研究對(duì)掌子面進(jìn)行壓入式通風(fēng)時(shí),上臺(tái)階開挖長(zhǎng)度對(duì)局部通風(fēng)流場(chǎng)特性的影響,分別對(duì)臺(tái)階長(zhǎng)度參數(shù)L1取5、10、20、25、30、40、50 m的模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),7種情況下的管口射流流場(chǎng)如圖8所示(取截面z=3.5為管側(cè)面)。

由圖8可見,L1=5 m時(shí),僅射流與回流區(qū)間存在渦流區(qū)A,射流充分發(fā)展至掌子面,L1=10 m時(shí),射流方向在掌子面前一定距離開始發(fā)生偏移,與掌子面前回流作用形成第二個(gè)渦流區(qū)B,以L1=25 m為分界(此時(shí)風(fēng)管管口與臺(tái)階在同一橫斷面上)發(fā)現(xiàn):L1從10 m增大到25 m時(shí),臺(tái)階面與管口相對(duì)距離逐漸減小,渦流區(qū)B逐漸增大；L1從30 m增大到50 m時(shí),臺(tái)階面與管口相對(duì)距離逐漸增大,渦流區(qū)B范圍變化幅度小,但總體表現(xiàn)為逐漸減小。

綜上所述,在風(fēng)管管口位置不變情況下,當(dāng)臺(tái)階長(zhǎng)度小于管口至掌子面距離時(shí),上臺(tái)階長(zhǎng)度越短,射流有效射程越大,各渦流區(qū)域覆蓋范圍越?。划?dāng)臺(tái)階長(zhǎng)度大于管口至掌子面距離時(shí),臺(tái)階長(zhǎng)度的增大對(duì)射流有效射程影響越來越小。

圖8 上臺(tái)階管口射流流場(chǎng)（截面z=3.5)

2.3 風(fēng)管出風(fēng)口至掌子面距離L2對(duì)流場(chǎng)的影響

當(dāng)上臺(tái)階開挖長(zhǎng)度一定時(shí),風(fēng)管出風(fēng)口與掌子面的距離L2是影響通風(fēng)效果的重要因素,此處對(duì)參數(shù)L2分別取5、10、15、20、25 m的模型進(jìn)行模擬仿真,圖9為5種工況下管口中心點(diǎn)至掌子面的流速變化曲線(各曲線起點(diǎn)均為相應(yīng)工況下管口中心點(diǎn)x坐標(biāo))。

圖9 不同距離下管口至工作面風(fēng)速變化曲線

由圖9可見,在相同的入口速度條件下,距離上臺(tái)階掌子面越近,管口射流流速變化梯度越大,當(dāng)L2= 20 m時(shí),射流已無法以直線行進(jìn)至掌子面,在到達(dá)距掌子面約7 m時(shí)方向發(fā)生偏移,L2越大,射流偏移直線行進(jìn)越早,有效射程越短,對(duì)掌子面沖擊效果越弱。

圖10為管口至掌子面不同距離下流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)區(qū)域大小變化情況(分別取截面z=3.5為觀測(cè)面)。由圖10可見,當(dāng)L2=5 m時(shí),回流受管口射流影響較小,到達(dá)下臺(tái)階面時(shí)與周圍空氣相互作用,在臺(tái)階面前產(chǎn)生渦流區(qū)。隨著L2逐漸增大,下臺(tái)階至隧道出口區(qū)段內(nèi)受管口射流所卷吸風(fēng)量逐漸增大,射流衰減幅度增大,越早偏離直線方向行進(jìn),在掌子面前所形成的渦流區(qū)范圍也隨之增大。

總之,管口與掌子面距離過大,與下臺(tái)階面相對(duì)距離過小,回流及臺(tái)階面前空氣易被射流所卷吸,產(chǎn)生污風(fēng)循環(huán)；管口與臺(tái)階面相對(duì)距離過大,易造成下臺(tái)階面前渦流產(chǎn)生,污染空氣發(fā)生積聚,無法沖散。

圖10 在不同L2下管口射流流場(chǎng)（截面z=3.5)

綜上所述,在上臺(tái)階開挖長(zhǎng)度改變困難時(shí),應(yīng)盡量使風(fēng)管管口靠近掌子面,但距離不宜過短,以5～10 m最佳,此時(shí)管口與下臺(tái)階面相對(duì)距離為(1/2～1/4) L1,對(duì)于上下斷面通風(fēng)效果均有改善。

2.4 風(fēng)管布設(shè)形式對(duì)流場(chǎng)的影響

在以上研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析風(fēng)管布設(shè)形式對(duì)流場(chǎng)的影響,對(duì)臺(tái)階法施工中通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。令L1=20 m,L2=15 m,分別對(duì)5種典型布設(shè)形式的模型進(jìn)行模擬仿真,經(jīng)后處理得到風(fēng)管在5種不同的布置形式下管口風(fēng)流軸向速度變化曲線,如圖11所示。

圖11 風(fēng)管在不同布設(shè)形式射流速度變化曲線

將布設(shè)位置分為兩類分別進(jìn)行比較,A類為過隧道中線縱斷面布設(shè)(拱頂、中央、中心線貼上臺(tái)階底面)；B類為沿隧道邊墻布設(shè)(側(cè)壁、拐角)。由圖11可見,A類中3條曲線變化趨勢(shì)相近,射流從管口射出,以一定幅度減速行進(jìn),到達(dá)掌子面一定距離時(shí),速度降幅增大,沖擊掌子面。從3條曲線的變化情況可知,風(fēng)管與壁面的貼近度越大,射流到達(dá)掌子面時(shí)的速度梯度越大,沖擊作用越強(qiáng)。其中風(fēng)管布設(shè)在拱頂時(shí)的作用效果最明顯,而沿中央布設(shè)時(shí)效果最差。同樣,B類中2條曲線變化趨勢(shì)與A類相比在射流初期速度略大,但發(fā)展到一定階段,速度下降速率增大,衰減加快,尤其是沿拐角布設(shè)時(shí),射流到達(dá)掌子面2 m時(shí)已向左偏移,與掌子面回流相互作用在隧道右側(cè)角形成小渦流區(qū)。

圖12為改變上臺(tái)階掌子面通風(fēng)風(fēng)管布設(shè)位置時(shí)下臺(tái)階面風(fēng)速變化曲線(取臺(tái)階面前1 m處y方向上直線進(jìn)行速度監(jiān)測(cè))。由圖12(a)可見,A類布設(shè)位置中,風(fēng)管沿中心線貼上臺(tái)階底面布設(shè)時(shí)正向沖擊速度與反向回流速度均較大,對(duì)下臺(tái)階面的沖擊力最強(qiáng)、回流也最快,沿拱頂布設(shè)次之,沿中央布設(shè)最弱。由圖12(b)可見,B類布設(shè)位置中,風(fēng)管沿側(cè)壁布設(shè)時(shí),正向沖擊速度與反向回流速度差較大,對(duì)下臺(tái)階面沖擊力作用最強(qiáng),沿拐角布設(shè)次之。

圖12 風(fēng)管在不同布設(shè)形式下下臺(tái)階面風(fēng)速變化曲線

綜合考慮上下斷面污風(fēng)排出效果,A、B兩類中較優(yōu)布設(shè)位置分別為沿拱頂及沿側(cè)壁布設(shè)。進(jìn)一步將上述2種布設(shè)形式下的隧道內(nèi)斷面平均風(fēng)速變化曲線相比較,如圖13所示。2種布設(shè)形式下隧道出口斷面平均風(fēng)速值均為0.59 m/s,但在x=20至掌子面區(qū)段上,沿側(cè)壁布設(shè)時(shí)斷面平均風(fēng)速均大于沿拱頂布設(shè)時(shí)的速度值。實(shí)際施工中,為提高通風(fēng)效率,減少通風(fēng)時(shí)間,以沿側(cè)壁布設(shè)較佳。

圖13 風(fēng)管兩種布設(shè)位置下斷面平均風(fēng)速變化曲線

3 結(jié)論

(1)臺(tái)階法施工隧道中壓入式通風(fēng)流場(chǎng)有一定特殊性,射流發(fā)展一般性受臺(tái)階面影響,射流主體提前收縮,有效射程減少,到達(dá)掌子面流量減小。

(2)在風(fēng)管管口位置不變情況下,當(dāng)臺(tái)階長(zhǎng)度小于管口至掌子面距離時(shí),上臺(tái)階長(zhǎng)度越短,射流有效射程越大,各渦流區(qū)域覆蓋范圍越?。划?dāng)臺(tái)階長(zhǎng)度大于管口至掌子面距離時(shí),臺(tái)階長(zhǎng)度的增大對(duì)射流有效射程影響越來越小。

(3)在上臺(tái)階長(zhǎng)度不變情況下,管口與掌子面距離過大,與下臺(tái)階面相對(duì)距離過小,回流及臺(tái)階面前空氣易被射流所卷吸,產(chǎn)生污風(fēng)循環(huán)；管口與臺(tái)階面相對(duì)距離過大,易造成下臺(tái)階面前渦流產(chǎn)生,污染空氣發(fā)生積聚,無法沖散。實(shí)際施工中,綜合考慮掌子面與下臺(tái)階面通風(fēng)效果,管口至掌子面距離在5～10 m最佳,此時(shí)管口與下臺(tái)階面相對(duì)距離為(1/2～3/4)L1。

(4)在上臺(tái)階長(zhǎng)度及管口至上臺(tái)階掌子面距離不變情況下,沿側(cè)壁布設(shè)風(fēng)管對(duì)于改善通風(fēng)效果更佳。

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Effect Analysis and Parameter OPtimization of Forced Ventilation during Tunneling

PENG Pei1,FANG Yong1,2,ZHOU Chao-yue1,2,CHEN Xian-guo3
(1.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China；2.Ministry of Education's Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China；3.Sichuan Road and Bridge Group Co.,Ltd.,Chengdu 610031；China)

To analyze the effect of forced ventilation during tunnel construction by bench-cut method,and to put forward relevant measures of parameter optimization,a three-dimensional model of the tunnel was established and numerical simulation was carried out by means of fluid mechanics software Fluent. Meanwhile,the flow field characteristics were respectively compared with each other when there were different excavation lengths and different air pipe arrangement at the upper bench.And then the ventilation system's various parameters,which have influences on the ventilation result,were analyzed. The simulation results show that:(a)It is the existence of the benches that cause the change of the general pattern of jet flow development,that result in the contraction of main jet flow ahead of time,and that result in a decreasing of effective jet range.(b)The shorter the length of the upper bench is,the larger the effective jet range will be,and also the smaller the coverage range of eddy zone will be.(c) There will be the best ventilation effect if not only the air duct is placed along the side wall but also the distance from the pipe orifice to the working face is within the range of five to ten meters.

highway tunnel；bench-cut method；forced ventilation；numerical simulation；parameter optimization

TU834.3+2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.024

1004-2954(2014)07-0102-05

2013-11-06；

2013-11-22

彭 佩(1990―),女,碩士研究生,E-mail:365228621@ qq.com。