王閱章 李 鳴 宿成智 張立爽 閆少澤

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)和發(fā)展，我國(guó)在公路隧道建設(shè)事業(yè)方面取得了豐富的成果。同時(shí)，公路隧道方面的建造技術(shù)有了很大的提升。在我國(guó)公路隧道數(shù)量不斷增加的同時(shí)，隧道掘進(jìn)周邊的地質(zhì)環(huán)境也越發(fā)復(fù)雜，復(fù)雜的地質(zhì)條件里就包括煤系地層等含有瓦斯的區(qū)域，這就使技術(shù)人員應(yīng)該在隧道通風(fēng)時(shí)采取更嚴(yán)格的質(zhì)量管理和更多的通風(fēng)措施。通常在這種復(fù)雜的地質(zhì)條件下，為了保證隧道掘進(jìn)工程的進(jìn)度，特長(zhǎng)隧道一般都是采用多工作面同時(shí)開(kāi)挖。由于隧道內(nèi)的風(fēng)流流場(chǎng)較為復(fù)雜，通風(fēng)工程的措施常常沒(méi)有做到位，所以在一些隧道常規(guī)的施工過(guò)程中，通風(fēng)工程里出現(xiàn)的問(wèn)題會(huì)降低隧道內(nèi)施工人員的工作效率，同時(shí)也可能威脅到施工人員的人身安全，并增加大量不必要的成本投入。所以，通風(fēng)工程的措施在隧道掘進(jìn)施工過(guò)程中是必要的[1]。同時(shí)，在隧道施工前，對(duì)隧道內(nèi)部空氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬也是必要的。將隧道內(nèi)部的瓦斯氣體濃度控制在符合人體健康的安全規(guī)范范圍內(nèi)是對(duì)于該工程的基本要求。

因此，以雞鳴山瓦斯隧道的實(shí)際工程為背景，依據(jù)該背景數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的數(shù)值模型，并且運(yùn)用流體計(jì)算軟件Ansys Fluent對(duì)該瓦斯隧道在施工中的工況進(jìn)行模擬，分析隧道內(nèi)部的流場(chǎng)和瓦斯運(yùn)移規(guī)律，為該瓦斯隧道的通風(fēng)工程措施提供理論上的支持。

1 雞鳴山隧道施工通風(fēng)模型建立及參數(shù)選擇

1.1 工程概況

重慶城口至開(kāi)州高速公路雞鳴隧道為雙向四車(chē)道，主洞限寬10.25 m，限高5.0 m。左洞起訖樁號(hào)為：ZK59+707～ZK67+142.2，全長(zhǎng)7 435.2 m；右洞起訖樁號(hào)為：K59+698～K67+150，全長(zhǎng)7 452 m。隧道洞身段多為山脊和陡坡，無(wú)大型的地表水體，局部發(fā)育季節(jié)性沖溝；隧址區(qū)構(gòu)造形跡總體走向?yàn)楸蔽鳌蠔|向，以褶皺構(gòu)造為主，斷裂次之，褶皺構(gòu)造以背斜、向斜相間出現(xiàn)，構(gòu)造軸線延伸較遠(yuǎn)，斷裂構(gòu)造以逆沖斷層為特征。雞鳴隧道最大埋深達(dá)1 130 m。隧道圍巖級(jí)別主要為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)。其中Ⅲ級(jí)圍巖（雙洞合計(jì)長(zhǎng)2 595 m），占隧道總長(zhǎng)度的17.4%；Ⅳ級(jí)圍巖（雙洞合計(jì)長(zhǎng)9 392 m），占隧道總長(zhǎng)度的63.1%；Ⅴ級(jí)圍巖（雙洞合計(jì)長(zhǎng)2 900.2 m），占隧道總長(zhǎng)度的19.5%。

1.2 模型建立

該模型主要是研究探明在隧道通風(fēng)的時(shí)候，掌子面附近范圍的流場(chǎng)和瓦斯?jié)舛鹊姆植记闆r及規(guī)律變化情況。因此，建立長(zhǎng)100 m的隧道模型，利用軟件ICM CFD對(duì)隧道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。風(fēng)管直徑設(shè)置為1.8 m。根據(jù)《瓦斯隧道施工技術(shù)規(guī)范》，風(fēng)管出口距離掌子面的距離設(shè)置為15 m。對(duì)該隧道的幾何建模如圖1所示，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 隧道橫截面

圖2 隧道模型劃分網(wǎng)格

2 風(fēng)流流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

實(shí)際隧道施工時(shí)的通風(fēng)，就是風(fēng)從風(fēng)管出口涌出，射向隧道掌子面進(jìn)行送風(fēng)。由于在施工掘進(jìn)中的隧道周?chē)嬖趪鷰r，所以流場(chǎng)里面的射流運(yùn)動(dòng)的自由射流規(guī)律就不再適用于此。瓦斯等有害氣體在隧道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是基于流場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)流流動(dòng)。所以，應(yīng)該首先了解并認(rèn)識(shí)在有限空間內(nèi)的射流流場(chǎng)特征。

2.1 射流結(jié)構(gòu)

隧道內(nèi)部的射流處于紊流狀態(tài)，紊流具有橫向的脈沖作用，射流在這種脈沖作用小會(huì)不斷同周?chē)鷼怏w交換動(dòng)量，帶動(dòng)周?chē)鷼怏w流動(dòng)。出風(fēng)口位置的流場(chǎng)如圖3所示。因?yàn)榱鲌?chǎng)是在隧道內(nèi)部，所以隧道內(nèi)的圍巖限制了射流邊界層的發(fā)展。

圖3 y-z平面風(fēng)速矢量圖（x=4）

圖4 風(fēng)筒出口附近內(nèi)的x-y截面速度矢量圖

圖5 距離掌子面5 m范圍內(nèi)x-y截面壓力云圖

在隧道的縱向，射流在橫向的分布范圍沒(méi)有擴(kuò)大，所以流場(chǎng)就逐漸向掌子面擴(kuò)散。然而，在隧道通風(fēng)過(guò)程中，出風(fēng)口距離掌子面較近，而且在高功率的風(fēng)機(jī)作用下，出風(fēng)口的風(fēng)速比較大，風(fēng)管內(nèi)涌出的風(fēng)因?yàn)樗俣容^大，很快就會(huì)遇到掌子面，所以導(dǎo)致射流沒(méi)有實(shí)際帶動(dòng)周?chē)目諝饬鲃?dòng)，席卷作用比較弱，所以在流場(chǎng)中看不到明顯的附壁射流區(qū)域。

從圖4中可以看出，風(fēng)流從出風(fēng)口涌出，在風(fēng)筒出口的附近貼著隧道內(nèi)圍巖的內(nèi)壁往前射出。

這段時(shí)間內(nèi)，在出風(fēng)口的位置的風(fēng)速為最大值。但是隧道內(nèi)部的其他位置，因?yàn)轱L(fēng)流還沒(méi)有達(dá)到這些位置，所以基本沒(méi)有風(fēng)速。從風(fēng)速矢量圖可以看出，距離出風(fēng)口遠(yuǎn)的位置，風(fēng)速逐漸增大。風(fēng)管平面范圍內(nèi)的風(fēng)速逐漸分層。這時(shí)，可以在壁面附近看到鐵壁射流的現(xiàn)象。并且，距離風(fēng)管出風(fēng)口越遠(yuǎn)的位置，貼壁射流的范圍就會(huì)變得越大，風(fēng)速的矢量圖就會(huì)顯得更加層次分明。

風(fēng)流在達(dá)到隧道掘進(jìn)掌子面時(shí)，會(huì)與掌子面產(chǎn)生撞擊，風(fēng)速矢量方向改變，進(jìn)而會(huì)在掌子面周?chē)a(chǎn)生回流區(qū)域。射流與掌子面產(chǎn)生沖擊后反彈至地面會(huì)形成回流，進(jìn)而回流與射流產(chǎn)生沖擊導(dǎo)致回流分為兩部分，其中一部分保持原方向向隧道洞口方向涌出，另一部分在射流的帶領(lǐng)下繼續(xù)向掌子面流動(dòng)。

隧道本身是一個(gè)密閉的空間，再加上回流區(qū)的影響，回流從席卷空氣轉(zhuǎn)變成為析出空氣。由于這兩者的不同會(huì)在之間產(chǎn)生了一個(gè)明顯的分界，進(jìn)而在分界處產(chǎn)生旋渦，即漩渦區(qū)域。因?yàn)樯淞髋c掌子面沖擊后產(chǎn)生了回流，回流的風(fēng)速方向與射流的風(fēng)速方向相反，所以在其碰撞的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生摩擦，隨之在貼壁射流區(qū)域的上下會(huì)形成2個(gè)渦體。

越靠近渦流的中心，風(fēng)速就逐漸減小。在隧道內(nèi)瓦斯等有害氣體進(jìn)行輸移的時(shí)候，這就會(huì)擾亂氣體的流場(chǎng)和流動(dòng)速度，不利于有害氣體及時(shí)排出。所以在這種情況下，要采取相應(yīng)的措施去消除渦流帶來(lái)的影響。

2.2 風(fēng)壓特征

風(fēng)管出口至掌子面各斷面壓強(qiáng)變化如圖5和圖6所示。

由圖5、圖6壓強(qiáng)云圖可以看出，風(fēng)從風(fēng)管射流出來(lái)以后，其射流結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓強(qiáng)變化規(guī)律。隨著射程的增大，由于流體在隧道內(nèi)部逐漸沖散，距離掌子面較近的地方，在縱向上壓力分布的范圍減小。另外，隨著射流射程的增大，由于射流對(duì)空氣的席卷作用和與掌子面的沖擊作用，掌子面范圍內(nèi)的壓強(qiáng)基本分布于隧道上部，也就是瓦斯?jié)舛染奂膮^(qū)域，這對(duì)瓦斯等有害氣體的排出是有利的。

3 瓦斯分布數(shù)值模擬

在隧道進(jìn)行掘進(jìn)開(kāi)挖時(shí)，掌子面附近的區(qū)域是施工的重點(diǎn)區(qū)域，瓦斯也容易在此聚集[2]。所以，掌子面附近的瓦斯氣體運(yùn)移規(guī)律是隧道施工通風(fēng)工程中研究分析的重點(diǎn)。因此，隧道開(kāi)挖時(shí)，掌子面附近的瓦斯氣體濃度規(guī)律還需要更進(jìn)一步的研究和分析。研究在不同的時(shí)間段，隧道的不同斷面上瓦斯氣體濃度擴(kuò)散規(guī)律。

從圖7～圖9中顯然可以看出瓦斯氣體在隧道內(nèi)部的輸移過(guò)程。在通風(fēng)進(jìn)行了20 s的時(shí)候，瓦斯氣體輸移到距離掘進(jìn)掌子面大概10 m的區(qū)域，通風(fēng)40 s的時(shí)候，瓦斯氣體輸移大概在距離掌子面20 m的位置，通風(fēng)60 s的時(shí)候，瓦斯氣體輸移到大致在距離隧道掘進(jìn)掌子面40 m的位置。因?yàn)槌鲲L(fēng)口產(chǎn)生的射流方向在到達(dá)掌子面附近時(shí)會(huì)與壁面產(chǎn)生碰撞，從而產(chǎn)生回流。射流與回流碰撞區(qū)域會(huì)形成渦流，渦流使隧道上部的瓦斯氣體分布不均勻，導(dǎo)致瓦斯輸移的速度收到影響，通風(fēng)效果不好。同時(shí)，通風(fēng)過(guò)程中瓦斯聚集在隧道上部輸移，隧道的氣體區(qū)域基本上沒(méi)有瓦斯氣體，這對(duì)通風(fēng)的效率是不利的。所以在隧道現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)的時(shí)候，應(yīng)該在一些位置采用防爆型的風(fēng)扇對(duì)瓦斯聚集的區(qū)域進(jìn)行導(dǎo)流，使其在流場(chǎng)中均勻分布，并快速排出[3]。在隧道內(nèi)部進(jìn)行通風(fēng)的時(shí)候，掌子面里的瓦斯溢出相應(yīng)的距離與風(fēng)管?chē)姵龅目諝庀嗷旌?，在流?chǎng)的作用下進(jìn)行輸移。在瓦斯氣體進(jìn)行輸移的過(guò)程中，對(duì)隧道內(nèi)部的不同橫斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，可以看出瓦斯氣體的濃度分布在掌子面的附近較高。并且在隧道通風(fēng)工程的不斷進(jìn)行過(guò)程中，因?yàn)榱鲌?chǎng)將瓦斯氣體不斷向隧道出口輸移，該區(qū)域的瓦斯氣體濃度逐漸降低。并且也可以從上圖看出，距離掌子面越遠(yuǎn)的位置，瓦斯氣體的濃度越低。

圖6 距離掌子面10 m范圍內(nèi)x-y截面壓力云圖

圖7 通風(fēng)20 s時(shí)隧道模型y-z截面瓦斯?jié)舛仍茍D

圖8 通風(fēng)40s時(shí)隧道模型y-z截面瓦斯?jié)舛仍茍D

圖9 通風(fēng)60 s時(shí)隧道模型y-z截面瓦斯?jié)舛仍茍D

綜上所述，隧道內(nèi)部的流場(chǎng)能夠較好地輸移瓦斯氣體，并且使內(nèi)部瓦斯?jié)舛仍谝粋€(gè)比較好的水平。但是，在隧道通風(fēng)管地上部可能會(huì)出現(xiàn)瓦斯氣體的聚集。為了保證通風(fēng)的效率和隧道工程施工作業(yè)中的安全，應(yīng)該采取一些對(duì)應(yīng)的措施。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用Ansys Fluent流體計(jì)算軟件。對(duì)雞鳴山高瓦斯隧道的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析?？梢缘贸鲆韵碌奶卣饕?guī)律：在壁面射流與隧道掘進(jìn)掌子面的碰撞區(qū)域，因?yàn)樯淞髋c回流的碰撞會(huì)產(chǎn)生2個(gè)渦流區(qū)域，越靠近渦流中心的位置，能看到風(fēng)速越來(lái)越小。在通風(fēng)的時(shí)候，隧道內(nèi)部的流場(chǎng)中，距離掌子面越遠(yuǎn)的地方，縱向的壓強(qiáng)分布的范圍越大。掌子面附近的壓強(qiáng)分布主要是在隧道的頂部，所以隧道內(nèi)部的流場(chǎng)能夠較好地輸移瓦斯氣體。但是還是會(huì)因?yàn)樗淼纼?nèi)部的渦流而產(chǎn)生瓦斯聚集區(qū)域，需要在通風(fēng)工程中采取一定的措施。