蒲 實(shí), 張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)鐵路建設(shè)事業(yè)已經(jīng)取得了輝煌的成績(jī)，同時(shí)鐵路修建技術(shù)已經(jīng)有了極大的提升。川藏線即將開工建設(shè)，其工程地質(zhì)極為復(fù)雜，埋深大于1 000 m，長(zhǎng)度超過20 km的超深埋特長(zhǎng)隧道眾多[1]，這對(duì)隧道施工通風(fēng)又提出了新的要求。為保證施工進(jìn)度，通常情況下在修建特長(zhǎng)隧道時(shí)多采用多個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行的開挖方式，隧道內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)復(fù)雜[3]。某些隧道在施工過程中，常常因?yàn)橥L(fēng)問題導(dǎo)致工作效率降低，進(jìn)度緩慢，同時(shí)也面臨著通風(fēng)成本巨大的問題[2]。對(duì)于瓦斯隧道來說，還存在安全風(fēng)險(xiǎn)，將特長(zhǎng)鐵路瓦斯隧道在施工期間產(chǎn)生的瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi)，是瓦斯隧道通風(fēng)的基本要求[4]。

因此應(yīng)用現(xiàn)有的流體計(jì)算軟件Fluent對(duì)瓦斯隧道施工期間降低瓦斯?jié)舛刃ЧM(jìn)行模擬計(jì)算，為隧道施工通風(fēng)提供指導(dǎo)。

1 牛峒山隧道施工通風(fēng)模型建立及參數(shù)選擇

1.1 工程概況

牛峒山隧道地處福建省龍巖市連城縣隔川鄉(xiāng)，線路總體由南到北方向。隧道通過地層中含炭質(zhì)頁巖和煤層，會(huì)產(chǎn)生有害氣體積聚，加上隧道底的煤系地層中的瓦斯等有害氣體可能會(huì)沿著巖石節(jié)理、裂隙向上溢出。全隧長(zhǎng)3 022 m，預(yù)測(cè)瓦斯發(fā)生的長(zhǎng)度為2 070 m，占全隧的68.5 %，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高、技術(shù)難度大。

1.2 模型建立

主要研究掌子面附近的風(fēng)流場(chǎng)及瓦斯分布規(guī)律，因此建立長(zhǎng)200 m的隧道模型。利用軟件Hypermesh對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。風(fēng)管直徑1.8 m，根據(jù)《瓦斯隧道施工技術(shù)規(guī)范》取風(fēng)管出口離掌子面的距離為5 m。隧道整體模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 隧道模型及網(wǎng)格

1.3 參數(shù)選擇設(shè)置

數(shù)值模擬邊界條件的設(shè)置,如表1所示。

(1)進(jìn)口邊界：風(fēng)管出口選用速度入口邊界，風(fēng)速大小為v=20m/s。

(2)出口邊界：隊(duì)道出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，相對(duì)壓力取0 Pa。

表1 參數(shù)選擇設(shè)置

(3)壁面邊界：將隧道內(nèi)所有壁面均定義為固定壁面，視為無滑移邊界條件，所有壁面均視為絕熱。

(4)瓦斯源項(xiàng)：通過設(shè)置源項(xiàng)來對(duì)隧道瓦斯涌出進(jìn)行模擬。

2 風(fēng)流流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

實(shí)際上隧道施工通風(fēng)，就是風(fēng)管出口的風(fēng)流射向掌子面進(jìn)行送風(fēng)，當(dāng)隧道周圍的圍巖限制了射流的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，因此自由射流的規(guī)律在有限空間就不再適用。瓦斯及污染物的擴(kuò)散規(guī)律，是以風(fēng)流的流動(dòng)為基礎(chǔ)的。因此，在研究瓦斯及污染物擴(kuò)散規(guī)律前，應(yīng)先充分認(rèn)識(shí)在有限空間射流的風(fēng)流場(chǎng)特征。

2.1 射流結(jié)構(gòu)

風(fēng)速流場(chǎng)趨于平穩(wěn)時(shí)掌子面附近縱斷面上風(fēng)速矢量圖如圖2所示。

圖2 y-z平面風(fēng)速矢量(x=0)

由于射流屬于紊流流體，紊流的橫向脈動(dòng)使得射流與周圍的空氣之間不斷發(fā)生動(dòng)量交換，帶動(dòng)周圍空氣的流動(dòng)，但是由于隧道邊壁限制了射流邊界層的發(fā)展擴(kuò)散，射流的橫向范圍沿隧道縱向并不是不斷擴(kuò)大，這就形成了向隧道掌子面擴(kuò)散的流動(dòng)場(chǎng)。但是對(duì)于瓦斯隧道，風(fēng)管出口離掌子面的距離近，并且風(fēng)管出口風(fēng)速比較大，風(fēng)流從風(fēng)管口射出后很快就達(dá)到了掌子面，其射出的風(fēng)流對(duì)周圍空氣的席卷作用并不能得到充分的發(fā)展，因此附壁射流區(qū)不是特別明顯。

從圖3可以看出，風(fēng)筒出口附近處，風(fēng)流從風(fēng)筒射出，緊貼隧道側(cè)壁向前射出。此時(shí)風(fēng)筒出口處的風(fēng)速最大，隧道的其余部分幾乎沒有風(fēng)速。隨著距離風(fēng)筒出口的距離增大，風(fēng)筒附近范圍內(nèi)的風(fēng)速逐漸升高，風(fēng)速圍繞風(fēng)筒形狀出現(xiàn)明顯的層次性。此時(shí)，風(fēng)筒射流出現(xiàn)明顯的貼壁射流現(xiàn)象，隨著距離風(fēng)筒出口距離的增加，貼壁流面積越大，風(fēng)速分層現(xiàn)象更加明顯。

圖3 距風(fēng)筒出口截面速度矢量

當(dāng)風(fēng)流到達(dá)掌子面處時(shí)，對(duì)掌子面產(chǎn)生沖擊，形成沖擊射流區(qū)。風(fēng)流沖擊掌子面端頭壁面后，隨即又沖擊隧道地板后產(chǎn)生回流，與射流形成反方向的流動(dòng)，形成回流區(qū)。當(dāng)回流與射流相遇時(shí)，回流被射流撞擊后分為兩部分，一部分繼續(xù)與射流反方向流動(dòng)，流向隧道出口，另一部分風(fēng)流被射流區(qū)席卷后再次吹向掌子面。

回流風(fēng)影響加上隧道空間的限制，從不斷席卷空氣變?yōu)椴粩辔龀隹諝狻Ｎ龀隹諝夂拖砜諝鈨烧哂忻黠@的分界，分界處形成漩渦，這一區(qū)域即為渦流區(qū)。射流風(fēng)流大達(dá)到掌子面后產(chǎn)生的回流風(fēng)流與射流風(fēng)流的方向相反，由于流體之間的相互摩擦，在貼壁射流區(qū)范圍內(nèi)在射流風(fēng)流的上下區(qū)域形成兩個(gè)明顯的渦體，越往渦體內(nèi)部其風(fēng)速越小，這對(duì)通風(fēng)不利，應(yīng)該在施工時(shí)采取相應(yīng)的措施加以消除。

因此，可以知道掌子面附近的風(fēng)流場(chǎng)由貼壁射流區(qū)、沖擊射流區(qū)、回流區(qū)以及渦流區(qū)四部分組成。

2.2 動(dòng)力特征

風(fēng)管出口至掌子面各斷面壓強(qiáng)變化如圖4所示。

由圖4壓強(qiáng)云圖可以看出，風(fēng)從風(fēng)管射流出來之后，其射流結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓強(qiáng)變化規(guī)律為，隨著射程的增大，由于流體需要克服隧道壁面引起的壓力損失，在縱向上總壓逐漸減?。涣硗?，隨著射程的增大，由于射流的席卷作用，壓強(qiáng)增加的范圍逐漸增大，到掌子面處范圍最大，這對(duì)污染物的排出是有利的。

3 瓦斯分布數(shù)值模擬分析

對(duì)于瓦斯隧道應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注掌子面附近的瓦斯?jié)舛葓?chǎng)規(guī)律，因此對(duì)掌子面附近局部瓦斯擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)一步研究。探明瓦斯擴(kuò)散隨時(shí)間的變化規(guī)律及瓦斯在隧道不同橫斷面上的分布規(guī)律見圖5～圖8。

從圖5～圖8中可以很明顯的看出瓦斯在洞內(nèi)的運(yùn)移過程。當(dāng)通風(fēng)20 s時(shí)，瓦斯擴(kuò)散到離掌子面大約15 m的位置，通風(fēng)360 s后，瓦斯排出洞外，隧道的瓦斯?jié)舛然沮呌诜€(wěn)定。射流與回流流體之間的相互摩擦作用，在掌子面附近射流風(fēng)流的上下區(qū)域形的渦體位置使得此處瓦斯分布不均，擴(kuò)散效果不好。

圖5 通風(fēng)20s時(shí)掌子面附近Y-Z切片瓦斯?jié)舛仍茍D

圖6 通風(fēng)100s時(shí)掌子面附近Y-Z切片瓦斯?jié)舛仍茍D

圖7 通風(fēng)180s時(shí)掌子面附近Y-Z切片瓦斯?jié)舛仍茍D

圖8 通風(fēng)360s掌子面附近Y-Z切片瓦斯?jié)舛仍茍D

掌子面附近不同通風(fēng)時(shí)間的Y-X平面瓦斯?jié)舛仍茍D如圖9所示。

圖9 通風(fēng)20s、100s、180s、360s時(shí)瓦斯?jié)舛确植?/p>

剛通風(fēng)時(shí)，瓦斯從掌子面溢出一段距離后與風(fēng)管噴出的新鮮風(fēng)混合，隧道掌子面附近瓦斯?jié)舛容^大。隨著隧道通風(fēng)的進(jìn)行，掌子面瓦斯?jié)舛戎饾u降低。瓦斯主要聚集在風(fēng)管異側(cè)拱腳位置，這對(duì)排出瓦斯非常不利，應(yīng)該在施工時(shí)采用防爆型局扇引導(dǎo)風(fēng)流，使其快速排出。

計(jì)算收斂后，瓦斯布滿整個(gè)隧道，隧道不同截面處的瓦斯?jié)舛确植家?guī)律大致相同。主要呈現(xiàn)出近風(fēng)筒端瓦斯?jié)舛容^低，遠(yuǎn)離風(fēng)筒端瓦斯?jié)舛容^高，且兩邊分層現(xiàn)象較為明顯。同時(shí)遠(yuǎn)離風(fēng)筒端隧道拱腳處的瓦斯?jié)舛茸罡?，直到風(fēng)回流到離掌子面大約12 m的位置時(shí)，拱腳較高濃度的瓦斯才消散。隨著距離掌子面的距離越來越大，瓦斯整體濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)距離超過15 m后，瓦斯?jié)舛融呌谄椒€(wěn)。如圖10所示。

圖10 離掌子面2m、5m、12m、20m位置橫斷面瓦斯分布

綜上可知，整個(gè)隧道內(nèi)風(fēng)流能很好的控制瓦斯?jié)舛?。但是在隧道縱向一定距離內(nèi)風(fēng)管異側(cè)拱腳位置有瓦斯聚集的可能，為保證施工應(yīng)采用相應(yīng)措施。

4 結(jié)論

采用Fluent軟件，對(duì)牛峒山鐵路瓦斯隧道的進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。最終得出的結(jié)論如下：

(1)在射流末端區(qū)域形成兩個(gè)明顯的渦體，越往渦體內(nèi)部其風(fēng)速越小。

(2)射流結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓強(qiáng)變化規(guī)律為，隨著射程的增大，在縱向上總壓逐漸減??；在橫向上壓強(qiáng)增加的范圍逐漸增大，到掌子面處范圍最大。

(3)整個(gè)隧道內(nèi)風(fēng)流能很好的控制瓦斯?jié)舛?。但是在隧道縱向一定距離內(nèi)風(fēng)管異側(cè)拱腳位置有瓦斯聚集的可能，為保證施工應(yīng)采用相應(yīng)措施。