王閱章 李鳴 宿成智 張立爽 閆少澤

摘? 要：瓦斯隧道是眾多工程問題中的一項重要研究內(nèi)容，瓦斯隧道的通風(fēng)問題是隧道施工中極其重要的部分，良好的隧道通風(fēng)能有效提高勞動生產(chǎn)效率以及減少瓦斯氣體的聚集。結(jié)合截至目前的一些工程案例，分析不同通風(fēng)方式的優(yōu)缺點、風(fēng)筒布設(shè)方式對隧道內(nèi)流場、瓦斯?jié)舛确植家?guī)律以及瓦斯氣體運動規(guī)律的影響，總結(jié)出不同工況下更有利于瓦斯氣體分散、有效提高通風(fēng)效率的通風(fēng)方式及風(fēng)筒布設(shè)位置。

關(guān)鍵詞：瓦斯?jié)舛确植? 瓦斯運動規(guī)律? 通風(fēng)方式? 風(fēng)筒布設(shè)位置

Abstract： Gas tunnel is one of the important contents in the related research of many engineering problems. The ventilation problem of gas tunnel is an extremely important part in tunnel construction. Good tunnel ventilation can effectively improve labor production efficiency and reduce gas accumulation. Combined with some engineering cases up to now， this paper analyzes the advantages and disadvantages of different ventilation modes， the influence of air duct layout mode on the flow field， gas concentration distribution law and gas movement law in the tunnel， and summarizes the ventilation modes and air duct layout positions which are beneficial to gas dispersion and effectively improve ventilation efficiency.

Key Words： Gas concentration distribution; Gas movement law; Ventilation mode; Location of air duct layout

若隧道施工過程中的瓦斯氣體漫溢問題不能得到妥善解決，則其會嚴(yán)重威脅到施工人員的生命安全，會使施工進(jìn)度不同程度地滯后，存在重大隱患、極可能招致嚴(yán)重后果。施工過程中瓦斯氣體問題若無法有效解決則容易導(dǎo)致窒息、爆炸、瓦斯突出等一系列問題出現(xiàn)。若發(fā)生瓦斯爆炸所要付出的代價必將是慘重的[1-2]。因此做好隧道的通風(fēng)工作、改善工作環(huán)境、降低工作風(fēng)險是十分必要的。良好的隧道通風(fēng)是有效防止掘進(jìn)面溢出的瓦斯氣體聚集、有效提高勞動生產(chǎn)效率、有效并及時將有害氣體和粉塵等排出到工作區(qū)間以外、排除對工作人員生命安全有威脅的安全隱患的重要前提[3-4]。

截至目前，相關(guān)科研工作者針對瓦斯隧道通風(fēng)問題進(jìn)行了大量探究?，F(xiàn)在主要是通過CFD、Fluent等計算流體動力學(xué)軟件進(jìn)行模擬仿真試驗并結(jié)合現(xiàn)場相關(guān)實驗進(jìn)行;根據(jù)模擬結(jié)果、結(jié)合現(xiàn)場實驗所得的相關(guān)數(shù)據(jù)分析氣體流場運動的大致趨勢及規(guī)律、瓦斯?jié)舛确植技斑\動規(guī)律、風(fēng)機(jī)選型及通風(fēng)方式的選擇、風(fēng)機(jī)布置對瓦斯分布規(guī)律的影響等，得出并優(yōu)化包括通風(fēng)方式、風(fēng)筒位置的布置在內(nèi)的隧道通風(fēng)方式[5-6]。

本文在結(jié)合隧道施工通風(fēng)研究領(lǐng)域已有成果的基礎(chǔ)上，主要從機(jī)械通風(fēng)方式、風(fēng)筒布設(shè)位置選擇兩個方面分析其各自對瓦斯氣體分布、瓦斯運動趨勢的影響，對公路瓦斯隧道通風(fēng)進(jìn)行探究。

1? 瓦斯隧道機(jī)械通風(fēng)方式

根據(jù)不同的工況選用更為經(jīng)濟(jì)合理的通風(fēng)機(jī)機(jī)型及通風(fēng)方式的是隧道建設(shè)中的一個重要課題。管道式機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)在目前隧道施工通風(fēng)中得到了廣泛的應(yīng)用，管道式機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)其工作原理又可分為壓入式、抽出式（分為正壓壓出式和負(fù)壓壓出式）、混合式三種[7]。

1.1 壓入式通風(fēng)

壓入式通風(fēng)是在隧道施工過程中應(yīng)用較多的通風(fēng)方式。其利用通風(fēng)機(jī)沿風(fēng)筒向隧道開挖工作面引入源自隧道外的有害物質(zhì)含量遠(yuǎn)低于洞內(nèi)的空氣，稀釋工作區(qū)間工作生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有害氣體，再攜帶被稀釋的有害氣體沿隧道洞身排出工作區(qū)間[5]，確保隧道中有害氣體濃度保持在安全范圍之內(nèi)，不會對工作人員的生命安全形成威脅。其優(yōu)點是：軸流風(fēng)機(jī)位置固定;隨著開挖工作面的深入，通風(fēng)管長度的延伸也是必要的，而該方法則較好的滿足了這一條件，以將隧道外的新鮮空氣更為迅速、有效率地送到工作區(qū)間;送風(fēng)有效射程長，氣體到達(dá)掌子面處風(fēng)速大，新鮮空氣與有害氣體能較充分地混合，故能有效降低有害氣體在施工環(huán)境中空氣里的體積分?jǐn)?shù)并及時將有害氣體隨隧道沿程排出到工作區(qū)以外;回旋渦流區(qū)受引入氣流的沖擊故不再經(jīng)過通風(fēng)機(jī)和通風(fēng)管，效果較理想。缺點在于：送風(fēng)過程中存在風(fēng)量損失，根據(jù)風(fēng)管漏風(fēng)量及流量守恒原理，存在極限通風(fēng)長度[8]（目前國內(nèi)壓入式極限通風(fēng)長度已超過3km，但大量實踐數(shù)據(jù)證明低海拔地區(qū)壓入式通風(fēng)經(jīng)濟(jì)高效的通風(fēng)長度約為3km[9-11]）且需風(fēng)量較大;若是長隧道則可能存在風(fēng)流不能快速到達(dá)工作面、送風(fēng)過程中風(fēng)量損失過大且易形成回流甚至是倒灌等問題，有害氣體排出時需沿整個洞身進(jìn)行故對洞內(nèi)污染較大，隧道斷面較通風(fēng)管斷面而言要大很多從而導(dǎo)致排出速度慢且通風(fēng)過程中需消耗大量能量。

1.2 抽出式通風(fēng)

抽出式通風(fēng)根據(jù)其工作原理又分成正壓壓出和負(fù)壓抽出兩種方式。負(fù)壓抽出式通風(fēng)是在風(fēng)機(jī)的作用下使工作面附近的氣體沿通風(fēng)管被吸出，形成洞內(nèi)相對于隧道外氣壓為負(fù)值的環(huán)境，因而新鮮空氣從洞外沿洞身向隧道內(nèi)流動，然而其有效吸程較短，并且只能用剛性管，成本較高，隧道內(nèi)易形成有害氣體停滯區(qū)，管道進(jìn)風(fēng)口位于掌子面附近，出風(fēng)口則設(shè)立在隧道端面處，有害氣體在風(fēng)機(jī)耗能做工的作用下沿通風(fēng)管排出到隧道以外，新鮮空氣則在氣壓差作用下由外到內(nèi)經(jīng)隧道沿程流動至掌子面。其優(yōu)點是：所需風(fēng)量少且效果好、有害氣體通過通風(fēng)管直接被抽出、不再流進(jìn)隧道，不用設(shè)置特有的風(fēng)門，有效減小了工作管理壓力并一定程度上節(jié)約了成本。缺點在于：有效吸程短且一般為3～4m，風(fēng)筒若要保證工作效率則風(fēng)筒末端與開挖面距離需保持在有效吸程以內(nèi)（若風(fēng)筒末端與工作面距離超出有效吸程，則該范圍以外的氣流將形成停滯區(qū)進(jìn)而導(dǎo)致通風(fēng)效果不佳）但布置距掌子面過近又容易被損壞，攜帶有瓦斯的氣體抽出過程中流經(jīng)風(fēng)機(jī)時會成為重大安全隱患，其會增大瓦斯爆炸的概率，通風(fēng)管因必須選用剛性風(fēng)管而經(jīng)濟(jì)性較差[5]。

1.3 混合式通風(fēng)

混合式通風(fēng)是上述兩種通風(fēng)系統(tǒng)的集合體。其優(yōu)點包含了所有壓入式通風(fēng)和抽出式通風(fēng)所具有的優(yōu)點，能高效處理隧道內(nèi)的有害氣體并引入新鮮空氣，通風(fēng)效果良好;適用于施工環(huán)境要求質(zhì)量較高的情況。其不足之處在于：相對單一的通風(fēng)系統(tǒng)而言，設(shè)備數(shù)量多、能耗大、施工管理更加復(fù)雜，還有引起瓦斯爆炸的危險，要求隧道凈空足夠大，在一定程度上會影響到洞內(nèi)交通及施工作業(yè);設(shè)備較多，成本能耗較大[5]，不適用于小斷面隧道。

2? 隧道風(fēng)筒布設(shè)對瓦斯氣體的影響

在隧道瓦斯通風(fēng)方面的研究認(rèn)為：在瓦斯隧道通風(fēng)中起著關(guān)鍵作用的幾個因素有風(fēng)速、風(fēng)筒規(guī)格以及風(fēng)筒所處位置。目前相關(guān)研究主要是通過數(shù)字模擬結(jié)合現(xiàn)場實驗進(jìn)行，研究者們針對二者所得結(jié)論相互對比、探討進(jìn)而較為系統(tǒng)、全面地分析瓦斯?jié)舛确植家?guī)律等，從而根據(jù)不同工況確定該工況下風(fēng)筒出風(fēng)口到掌子面的最佳距離、風(fēng)筒在隧道斷面的最佳布設(shè)位置，進(jìn)而提高通風(fēng)效率、改善通風(fēng)效果，減少隧道內(nèi)瓦斯匯集、盡可能多地將其排出，更好地保障工作人員在隧道施工過程中的安全與工程整體的進(jìn)度[12]，盡可能在保證安全性的前提下增強(qiáng)其經(jīng)濟(jì)性。

（1）劉春等在《大斷面瓦斯隧道風(fēng)筒布置對瓦斯?jié)舛鹊挠绊懷芯俊芬晃闹幸杂迩咚勹F路新涼風(fēng)埡隧道為依托，就相關(guān)問題進(jìn)行了探討、研究。最終研究結(jié)果表明：針對將風(fēng)筒布設(shè)在靠近隧道斷面頂部的壓入式的通風(fēng)方式，隧道通風(fēng)管所在側(cè)和斷面中間部位瓦斯?jié)舛却蠖嗲闆r下都小于回風(fēng)側(cè);回風(fēng)側(cè)下部瓦斯聚集較明顯、濃度較高，是整個隧道斷面中易超限的部位。因此瓦斯氣體監(jiān)測要重點關(guān)注上隅角和整個斷面的回風(fēng)側(cè)，特別是回風(fēng)側(cè)下部;對應(yīng)工況為大斷面瓦斯隧道時，模擬結(jié)果顯示瓦斯氣體濃度最小值出現(xiàn)在距離掌子面約2m處;回流氣體在隧道沿程中會出現(xiàn)瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在一定范圍內(nèi)波動的現(xiàn)象，其趨于穩(wěn)定波動的位置大致與風(fēng)筒出口到施工開挖面的距離呈正相關(guān);隧道沿程中瓦斯?jié)舛茸蚤_挖工作面到隧道口整體呈下降-上升-穩(wěn)定趨勢[12]。

（2）張恒等在《風(fēng)機(jī)布置方式對高瓦斯隧道施工效果的影響》一文中以鷓鴣山隧道為依托進(jìn)行了相關(guān)研究。結(jié)果表明：在射流巷道式通風(fēng)中，橫通道是左右兩邊隧道進(jìn)行氣體交換的場所，該處氣流運動形勢雜亂無章，橫通道附近射流風(fēng)機(jī)的布置是影響有害氣體能否順利排出的關(guān)鍵因素;風(fēng)管距離隧道開挖工作面過近時，會造成掌子面布設(shè)風(fēng)管側(cè)（即進(jìn)風(fēng)側(cè)）與回風(fēng)側(cè)風(fēng)速相差過大;若風(fēng)管與掌子面距離增加，則高風(fēng)速區(qū)域有逐漸由風(fēng)管側(cè)向掌子面中心偏移的趨勢，從而使掌子面風(fēng)速分布較為均勻，掌子面兩側(cè)瓦斯氣體體積分?jǐn)?shù)差值也隨之逐漸減小，同時風(fēng)速隨距離的增加逐漸降低;通風(fēng)管末端與開挖面距離過大時，射流尚未到達(dá)工作面即在靠近開挖斷面附近形成渦流區(qū)，使掌子面溢出的瓦斯無法與新鮮空氣較充分地混合，因而掌子面附近瓦斯體積分?jǐn)?shù)依舊較大;中心線軸向風(fēng)速因受到掌子面的阻擋無法向前進(jìn)而在掌子面均產(chǎn)生波動較大，掌子面的阻礙使射流方向改變進(jìn)而產(chǎn)生反向回流，在掌子面附近一定區(qū)域內(nèi)中心線軸向風(fēng)速發(fā)生較大波動，并在不同位置出現(xiàn)不同大小、不同數(shù)目的渦流區(qū);由于瓦斯密度相比空氣小，故易聚集在隧道上部，若將風(fēng)管布置在高處則將有利于隧道頂部聚集的瓦斯氣體排出，減小洞內(nèi)瓦斯氣體體積分?jǐn)?shù);為使風(fēng)機(jī)盡可能發(fā)揮其作用、盡可能地提高通風(fēng)效率，故射流風(fēng)機(jī)距離連通左右兩洞的橫通道不宜太遠(yuǎn)，且宜將風(fēng)機(jī)布置在氣流上風(fēng)向處;盡管氣體到達(dá)工作面的速度及掌子面附近的流場會因風(fēng)管與掌子面距離不同而受到影響，但是隧道內(nèi)最后穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)波動時的軸向風(fēng)速幾乎是相同的[13]。

（3）張云龍等在《隧道掌子面施工風(fēng)管布設(shè)方式對稀釋瓦斯效果影響研究》中，對成貴鐵路中的隧道之一——白楊林隧道進(jìn)行了相關(guān)研究。研究結(jié)果顯示：若抽出式通風(fēng)管布設(shè)在隧道單側(cè)時，其通風(fēng)效果較差大多是受到了氣體回流的影響;風(fēng)管端口與開挖工作面距離越小，則風(fēng)管所在一側(cè)因瓦斯氣體需經(jīng)由通風(fēng)管排出而瓦斯氣體體積分?jǐn)?shù)占比越大;若通風(fēng)方式為僅為壓入式，風(fēng)管設(shè)立于隧道橫斷面單側(cè)時，則瓦斯氣體在開挖工作面附近將會呈現(xiàn)出分布錯雜的現(xiàn)象，具體表征現(xiàn)象為風(fēng)管側(cè)引入的新鮮空氣沖擊洞內(nèi)氣體而使該側(cè)新引入的空氣體積所占比例較大，原工作面處氣體因受到?jīng)_擊而向異側(cè)與隧道外流動，故而進(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯氣體所占?xì)怏w整體體積分?jǐn)?shù)相較異側(cè)而言要低;就隧道橫斷面而言，其上部瓦斯氣體濃度一般情況下是大于下部的，同時受回風(fēng)側(cè)氣體攜帶有較多瓦斯氣體的影響，因而瓦斯體積占比大的氣體較為集中地出現(xiàn)在風(fēng)管異側(cè)的上半部;若風(fēng)管末端與開挖工作面相距較遠(yuǎn)超出一定范圍時，因渦流區(qū)的存在，瓦斯?jié)舛仍谒淼姥爻痰淖兓尸F(xiàn)先增加然后較為平穩(wěn)波動的趨勢;同一橫斷面范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛扰c風(fēng)管口到掌子面的距離呈正相關(guān)，即二者相距越遠(yuǎn)則瓦斯體積分?jǐn)?shù)越大;新鮮空氣流經(jīng)風(fēng)筒抵達(dá)隧道開挖面的速度隨著風(fēng)管端口到工作面距離的增加而減小，二者呈負(fù)相關(guān)，同時隧道開挖工作面附近一定范圍內(nèi)的渦流強(qiáng)度亦會伴隨著減弱，致使瓦斯與新引入的氣體未能充分混合，不能有效地攜帶工作區(qū)域內(nèi)的瓦斯氣體排出到隧道外，其通風(fēng)效果并不理想;由于瓦斯氣體密度略小于空氣密度，瓦斯存在上浮現(xiàn)象，因而隧道斷面上部分瓦斯氣體濃度大于下部;風(fēng)管口與掌子面距離的增大，使通風(fēng)管兩側(cè)風(fēng)速差減小故而有較高濃度瓦斯氣體向風(fēng)管側(cè)移動的現(xiàn)象[14]。

3? 結(jié)語

（1）隧道通風(fēng)形式的選取需根據(jù)實際情況進(jìn)行。若為長乃至特長隧道，瓦斯?jié)舛容^低時，以壓入式通風(fēng)為宜，但通風(fēng)長度以不超過3km為佳;隧道里程短且瓦斯?jié)舛鹊蜁r，以抽出式通風(fēng)為宜;瓦斯體積所占比例較大、工況復(fù)雜時以混合式通風(fēng)為宜。

（2）因瓦斯氣體密度小于空氣密度，更易聚集于隧道頂部，故通風(fēng)管布置于隧道上部更有利于瓦斯氣體排出。

（3）風(fēng)管與掌子面距離宜根據(jù)實際工況確定，距離太近會造成掌子面兩側(cè)風(fēng)速差異過大;風(fēng)管與掌子面距離在一定范圍內(nèi)增加會使掌子面風(fēng)速分布更為均勻，隧道開挖面兩側(cè)瓦斯氣體體積分?jǐn)?shù)占比會隨風(fēng)管與開挖工作面距離的適當(dāng)增加而更為均勻;若二者距離超過一定范圍則到達(dá)掌子面處的風(fēng)速會隨著距離的增加而進(jìn)一步減小，風(fēng)速減小隨之出現(xiàn)的現(xiàn)象便是開挖面附近渦流強(qiáng)度也會減弱，致使瓦斯氣體不能與新鮮空氣充分地混合且瓦斯上浮會導(dǎo)致高濃度瓦斯區(qū)域向布置風(fēng)管側(cè)移動的趨勢出現(xiàn)在橫斷面頂部。

（4）因渦流區(qū)的存在，瓦斯體積分?jǐn)?shù)會在工作面附近急劇減小然后增加直至穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)波動;因而瓦斯?jié)舛仍谒淼姥爻痰淖兓笾卤憩F(xiàn)為下降-上升-穩(wěn)定的趨勢。

（5）由于瓦斯氣體的上浮，且在壓入式通風(fēng)下回風(fēng)側(cè)濃度高于進(jìn)風(fēng)側(cè)和中部位置，故監(jiān)測時應(yīng)著重關(guān)注隧道拱頂和回風(fēng)側(cè)。

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