冉楗， 王林峰*， 李鳴， 周楠， 鐘宜宏

(1.重慶交通大學(xué)山區(qū)公路水運(yùn)交通地質(zhì)減災(zāi)重慶市高校市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶400074； 2.中交路橋建設(shè)有限公司， 北京 101121)

如何有效減小隧道施工過(guò)程中瓦斯氣體所帶來(lái)的危害是隧道工程相關(guān)研究中的一個(gè)重要課題。若在相對(duì)封閉的空間內(nèi)有瓦斯源存在卻未采取相應(yīng)的防護(hù)措施，將會(huì)因瓦斯氣體在空氣中含量過(guò)高而導(dǎo)致人體缺氧、窒息，甚至是發(fā)生瓦斯爆炸。瓦斯爆炸反應(yīng)過(guò)程中釋放的二氧化碳和水形成高溫高壓的沖擊波，將會(huì)對(duì)人員和設(shè)備造成極大的傷害[1]。發(fā)生在內(nèi)蒙古赤峰寶的“12· 3”特大瓦斯爆炸事故和發(fā)生在山西 “11·18”重大瓦斯爆炸事故，都造成了重大人員傷亡和巨額的財(cái)產(chǎn)損失。因此，針對(duì)隧道這種封閉性施工環(huán)境，做好施工過(guò)程中的通風(fēng)以確保施工人員的生命安全及健康是十分必要的；而通風(fēng)設(shè)備的布置則是隧道施工通風(fēng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2-5]。

學(xué)者們已經(jīng)針對(duì)瓦斯隧道施工通風(fēng)這一施工過(guò)程中不容忽視的問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。劉春等[6]針對(duì)壓入式通風(fēng)對(duì)超大斷面隧道的瓦斯?jié)舛燃傲鲌?chǎng)規(guī)律的影響進(jìn)行了研究；分析得出了針對(duì)其研究工況的最佳出風(fēng)口與掌子面距離以及瓦斯?jié)舛仍谒淼姥爻讨谐省跋陆?上升-平穩(wěn)”趨勢(shì)等結(jié)論。張恒等[7]從射流風(fēng)機(jī)及軸流風(fēng)管的布置對(duì)瓦斯?jié)舛确植家约傲鲌?chǎng)規(guī)律的影響方面進(jìn)行了相關(guān)研究；分析得出了軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)管布置于高處時(shí)，掌子面處風(fēng)速分布更加均勻、更有利于減小瓦斯聚集、更有利于瓦斯氣體從對(duì)施工區(qū)間無(wú)礙的隧道上部排出以及風(fēng)管與掌子面之間距離的不同對(duì)風(fēng)速的影響范圍有限的結(jié)論。張磊等[8]通過(guò)建立流體力學(xué)分析模型對(duì)隧道內(nèi)的流場(chǎng)分布規(guī)律和瓦斯遷移擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究。Peter[9]通過(guò)數(shù)學(xué)模型研究了空氣流量和污染物濃度之間的動(dòng)態(tài)變化；彭佩等[10]以銅鑼山隧道為依托，對(duì)臺(tái)階法施工過(guò)程中的壓入式通風(fēng)效果進(jìn)行了研究并提出了優(yōu)化措施。

上述學(xué)者們大多以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法針對(duì)不同工況進(jìn)行研究，且絕大部分研究工況都是全斷面開(kāi)挖的形式[10]。但實(shí)際施工過(guò)程中通常需要根據(jù)隧道斷面大小及形狀、圍巖級(jí)別、隧道埋深等因素選擇適宜的施工開(kāi)挖方法。若遇到隧道圍巖風(fēng)化嚴(yán)重導(dǎo)致其強(qiáng)度降低進(jìn)而極易在開(kāi)挖擾動(dòng)影響下失穩(wěn)的情況，則以臺(tái)階開(kāi)挖法為宜。臺(tái)階開(kāi)挖法施工過(guò)程中以分步的形式對(duì)圍巖施加應(yīng)力，從而可以減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)[11],盡量保持其穩(wěn)定性。此外，之前研究者們采集瓦斯氣體濃度的范圍幾乎囊括整個(gè)掌子面；但實(shí)際施工過(guò)程中，工作人員主要活動(dòng)區(qū)域的高度是有限的。所以，應(yīng)該以施工人員的主要活動(dòng)空間對(duì)研究區(qū)域；若對(duì)整個(gè)掌子面范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，則可能導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論與實(shí)際情況存在差異?；诖?，現(xiàn)運(yùn)用流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)采用臺(tái)階開(kāi)挖方法的公路瓦斯隧道進(jìn)行正交試驗(yàn)；運(yùn)用極差分析與方差的分析的方法對(duì)試驗(yàn)所得瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)進(jìn)行處理，量化比較不同的出風(fēng)口到掌子面距離、不同的風(fēng)筒直徑大小、不同的風(fēng)筒布設(shè)高度對(duì)隧道施工區(qū)域內(nèi)通風(fēng)效果的影響程度以及確定各因素的最佳布置參數(shù)；以期為風(fēng)筒布置設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供切實(shí)可行的理論依據(jù)。

1 依托工程概況

重慶城口(陜渝界)至開(kāi)州高速公路雞鳴隧道左洞起訖樁號(hào)ZK59+707～ZK67+142.2全線長(zhǎng)為7 435.2 m，右洞起訖里程為K59+698～K67+150，長(zhǎng)為7 452 m，為特長(zhǎng)隧道；其主洞限寬10.25 m，限高5.0 m；隧道最大埋深達(dá)1 140.05 m；隧道穿越大隆組(P3d)、孤峰組(P2g)、梁山組(P2l)三個(gè)含煤巖系，按高瓦斯隧道進(jìn)行計(jì)算。隧道各圍巖級(jí)別長(zhǎng)度及所占比例如表1所示。

表1 雞鳴隧道各級(jí)圍巖長(zhǎng)度及占比Table 1 Length and proportion of surrounding rock of Jiming tunnel

2 模型建立

2.1 基本假設(shè)

運(yùn)用流體力學(xué)軟件FLUENT進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，為排除其余影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾，結(jié)合實(shí)際工況作如下假設(shè)。

(1)將經(jīng)通風(fēng)設(shè)備導(dǎo)入隧道內(nèi)的新鮮空氣視為不可壓縮流體且為穩(wěn)態(tài)紊流。

(2)隧道壁面僅僅作為隔斷面存在，既不能傳輸能量，也不在氣體擴(kuò)散過(guò)程中發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。

(3)瓦斯氣體僅能從掌子面處均勻地溢出，故將離掌子面距離很小(100 mm)的空氣作為瓦斯源，瓦斯氣體便從此處均勻溢出到隧道內(nèi)。模擬設(shè)置的瓦斯溢出速度與隧道中實(shí)際瓦斯涌出速度相同，單元項(xiàng)S為單位體積在單位時(shí)間內(nèi)的瓦斯涌出量，即

(1)

式(1)中：ρ0為瓦斯密度；Q為瓦斯涌出量；V為瓦斯涌出元的體積。

根據(jù)實(shí)際測(cè)的數(shù)據(jù)代入式(1)計(jì)算得到隧道單元體積中的源項(xiàng)S為4.878×10-3kg/(m3·s)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

FLUENT軟件計(jì)算流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要遵循質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程。根據(jù)假設(shè)條件，隧道中運(yùn)動(dòng)的氣流為紊流，且不同組分間的相互作用受組分守恒定律約束；因此選用紊流模型和組分運(yùn)輸模型進(jìn)行隧道中的流場(chǎng)、瓦斯運(yùn)動(dòng)與分布規(guī)律的模擬，其中紊流模型選用k-ε兩方程模型?？刂品匠倘缦?。

質(zhì)量守恒方程為

(2)

式(2)中：ρ為空氣密度；t為時(shí)間；v為速度矢量；div表示求散度。

能量守恒方程為

(3)

式(3)中：T為溫度；k為流體傳熱系數(shù)；c為比熱容；ST為黏性耗散項(xiàng)；grad表示求梯度。

組分方程為

(4)

式(4)中：ml為各組分的體積百分比；Dl為組分?jǐn)U散系數(shù)；Sl為單位體積內(nèi)的各組分產(chǎn)生速率。

動(dòng)量守恒方程為

(5)

式(5)中：vx、vy、vz為速度矢量v在x、y、z方向上的分量；u為動(dòng)力黏度；p為流體微元體壓力；Su、Sv、Sw為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

2.3 幾何模型與網(wǎng)格劃分

幾何模型按照依托工程的實(shí)際尺寸建立，模型長(zhǎng)度為150 m；選取拱高為7.22 m，其中上部開(kāi)挖高度為3.5 m，下部開(kāi)挖高度為3.72 m；隧道掌子面面積為66.05 m2；以掌子面向洞口方向?yàn)閦軸正方向、掌子面為x-y平面；根據(jù)隧道所在處的地質(zhì)條件與《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》，臺(tái)階長(zhǎng)度取10 m；采用ICEM CFD進(jìn)行模型建立與網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其個(gè)數(shù)為635 426。隧道尺寸、模型和風(fēng)筒布置如圖1所示。

2.4 邊界條件的設(shè)置

邊界條件[12]如下。

(1)風(fēng)管出口設(shè)為速度入口邊界(velocity-inlet),出風(fēng)口處風(fēng)速根據(jù)實(shí)際進(jìn)風(fēng)量與選用的風(fēng)筒橫斷面積求得。

圖1 隧道尺寸、模型和風(fēng)筒布置示意圖Fig.1 Schematic of tunnel size, model and layout of ventiduct

(2)隧道沿程的側(cè)壁面、掌子面、底面及風(fēng)管壁面均設(shè)定為固體壁面邊界(wall)。

(3)隧道口為出口邊界條件(outflow)。

3 研究方法的確定

3.1 試驗(yàn)方法的確定

所研究的因素有風(fēng)筒直徑、風(fēng)筒出口與掌子面距離、風(fēng)筒高度，分別用X、Y、Z表示；其余因素，如瓦斯溢出速度、溫度、濕度等因素均視為固定不變，且不對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生額外影響。本次研究將設(shè)計(jì)一個(gè)水平數(shù)為3的正交試驗(yàn)；因此，若對(duì)每個(gè)因素、每個(gè)水平都進(jìn)行全面的組合試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)將達(dá)到33，即27次，且后續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析需要耗費(fèi)大量時(shí)間。故采取正交試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。研究的因素各個(gè)水平的取值如表2所示。

研究因素X、Y、Z對(duì)瓦斯隧道施工通風(fēng)過(guò)程中通風(fēng)效果的影響程度，因而選用正交表L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)置。正交試驗(yàn)方案如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment

表3 正交試驗(yàn)方案表Table 3 Orthogonal test scheme

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

考慮到工作人員主要是在掌子面前一定范圍內(nèi)進(jìn)行相關(guān)生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)，此處取工作人員主要活動(dòng)區(qū)域?yàn)檎谱用媲伴L(zhǎng)10 m、高2.5 m的空間，該區(qū)域即為瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)區(qū)域。掌子面處施工活動(dòng)范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖2所示。

掌子面處進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)各設(shè)有18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即A1～V1，各點(diǎn)位置坐標(biāo)如表4所示。隧道沿程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置以掌子面處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)為基點(diǎn)，在上、下掌子面各自的10 m范圍內(nèi)每間隔2 m布設(shè)一個(gè)。

圖2 隧道橫斷面處瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖Fig.2 Layout of gas concentration monitoring points at tunnel cross-section

表4 隧道正視圖監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)Table 4 Locations of monitoring points in front view of tunnel

4 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 瓦斯氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

研究發(fā)現(xiàn)，新鮮空氣經(jīng)通風(fēng)設(shè)備傳導(dǎo)，離開(kāi)出風(fēng)口后以射流的形式向掌子面運(yùn)動(dòng)。氣體在流向掌子面的過(guò)程中，因沒(méi)有了風(fēng)筒的約束，呈現(xiàn)出向周圍擴(kuò)散的現(xiàn)象。流向掌子面的空氣受到掌子面的阻礙作用而產(chǎn)生回流，并在掌子面附近一定范圍內(nèi)與向掌子面流動(dòng)的氣體相互影響，進(jìn)而形成渦流區(qū)，使得該區(qū)域的流場(chǎng)變得紊亂、復(fù)雜。

由于風(fēng)筒并未布置在隧道橫斷面中心處，并且渦流區(qū)的存在改變了隧道內(nèi)的流場(chǎng)，故而進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)都會(huì)受影響，因此瓦斯?jié)舛仍谠搮^(qū)域內(nèi)的分布也會(huì)呈現(xiàn)出不同；同時(shí)，渦流區(qū)的存在使得攜帶有瓦斯氣體的流體在渦流區(qū)內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，從而使得渦流區(qū)附近一定范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛嚷愿摺＿M(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛仍谒淼姥爻痰淖兓闆r如圖3所示。

根據(jù)圖3中瓦斯?jié)舛惹€可知，進(jìn)風(fēng)側(cè)的瓦斯氣體直接與通風(fēng)設(shè)備引入的新鮮氣體接觸，因此該區(qū)域內(nèi)瓦斯氣體平均濃度均小于回風(fēng)側(cè)；而且二者相差最大時(shí)，進(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛葍H為回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛鹊?5.8%。出現(xiàn)該現(xiàn)象是由于氣體從進(jìn)風(fēng)側(cè)流到掌子面，受到掌子面阻礙并產(chǎn)生回流的過(guò)程中，新鮮空氣已與瓦斯氣體混合，回風(fēng)側(cè)氣體中已攜帶有瓦斯氣體，進(jìn)而使得其與回風(fēng)側(cè)的瓦斯氣體混合的能力有限。

圖3 隧道橫斷面各部分瓦斯?jié)舛确植记€圖Fig.3 Distribution curve of gas concentration in each part of tunnel cross section

4.2 不同掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)的瓦斯平均濃度

根據(jù)通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)同為30 min所得到的正交試驗(yàn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，上、下掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)瓦斯平均濃度(體積分?jǐn)?shù))及整體掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)瓦斯平均濃度(體積分?jǐn)?shù))如表5所示。上述三種監(jiān)測(cè)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)為僅有上掌子面施工、僅有下掌子面施工以及整體掌子面施工的情況。

表5 不同掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)平均瓦斯?jié)舛萒able 5 Average gas concentration in working area of each working face

根據(jù)上掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)可知，方案8中監(jiān)測(cè)所得的瓦斯氣體平均濃度為0.233%，該數(shù)值僅為規(guī)范要求的瓦斯?jié)舛认拗?.5%的46.6%。而根據(jù)方案3、方案5、方案7的三組模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，此三種方案在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛染殉^(guò)限值0.5%；其中方案3超出限值部分為38%，方案5超出限值百分比更是高達(dá)47.2%，方案7超出限值百分比也有40%之多。以下掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)瓦斯平均濃度值為評(píng)判指標(biāo)時(shí)，方案9監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)瓦斯氣體平均濃度為0.281%，為瓦斯?jié)舛认拗档?6.2%；該工況下，僅有方案1在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的瓦斯平均濃度超限，其超出部分占比為11.8%。而在整體掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，方案6對(duì)應(yīng)的瓦斯氣體平均濃度為0.312%，并且該方案中上、下掌子面各監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的瓦斯氣體平均濃度分別為0.270%和0.354%，均未超過(guò)限值。

由上述情況可知，即使是完全相同的試驗(yàn)方案，不同的施工情況下所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是截然不同的?？梢?jiàn)針對(duì)臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中的不同施工情況下，即僅有上掌子面范圍在施工、僅有下掌子面范圍在施工或整體掌子面范圍內(nèi)均在施工時(shí)，X、Y、Z三個(gè)因素對(duì)通風(fēng)效果的影響程度存在差異；所以，對(duì)臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中的施工通風(fēng)設(shè)備布置的研究是十分必要的。在實(shí)際施工過(guò)程中，除了需要保證工作區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到規(guī)范要求，還應(yīng)盡可能地通過(guò)改變通風(fēng)設(shè)備的布置以提高通風(fēng)效率。其重要前提便是通過(guò)研究理清X、Y、Z三個(gè)要素對(duì)通風(fēng)效果的影響程度，以便更為直接、高效、有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。而極差分析與方差分析就是鑒別各因素影響程度的一種有效統(tǒng)計(jì)方法。

4.3 極差分析

為了直觀地表示三種施工開(kāi)挖情況中X、Y、Z三個(gè)因素極差值的變化情況，各監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)?yīng)的極差分布曲線如圖4所示。

上掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，Z對(duì)應(yīng)的極差0.41遠(yuǎn)大于X、Y所對(duì)應(yīng)的極差值。X、Y、Z在上掌子面處極差值的比值為0.161∶0.007∶1；由極差比值可知，在上掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，Z對(duì)通風(fēng)效果的影響程度最大，其次是X、Y的影響程度最小。整體掌子面處X、Y、Z的極差比值為0.647∶0.216∶1；則整體掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，三個(gè)因素對(duì)通風(fēng)效果影響程度由大到小依次為Z、X、Y。而下掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，Y對(duì)通風(fēng)效果的影響程度仍是最小的，X與Z的影響程度相同，該工況下X、Y、Z極差值的比為1∶0.455∶1。

表6 三種工況下的極差分析表Table 6 Range analysis of three conditions

圖4 極差分布曲線圖Fig.4 Range distribution curves

由圖5(a)可知，整體掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，Z在三水平下瓦斯平均濃度比值為1∶1.08∶1.37，可見(jiàn)風(fēng)筒高度為5.8 m時(shí)通風(fēng)效果最好，即水平1為該工況下Z的最有水平。X相對(duì)應(yīng)的三水平下瓦斯?jié)舛绕骄当戎禐?∶0.836∶0.816，風(fēng)筒直徑為2.0 m時(shí)在風(fēng)筒直徑為1.6 m的基礎(chǔ)上將通風(fēng)效率提高了19.6%，而風(fēng)筒直徑由2.0 m增加到2.4 m時(shí)，通風(fēng)效率又增加了2.45%。Y對(duì)應(yīng)的三個(gè)水平下的瓦斯平均濃度比值為1∶0.984∶0.933，可見(jiàn)Y因素的最優(yōu)水平為3，即掌子面與出風(fēng)口距離為25 m。因此，該工況下的最佳布置方案為Z1X3Y3。

圖5 三個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)各因素水平下瓦斯平均濃度變化圖Fig.5 Variation of gas concentration with various factor levels in three monitoring areas

由圖5(b)曲線變化情況可知，在上掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，Z因素下三水平對(duì)應(yīng)的瓦斯平均濃度比值為1∶1.49∶2.37，即在上掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域風(fēng)筒高度由1.4 m增大到3.7 m時(shí)通風(fēng)效果得到有效改善，瓦斯?jié)舛葴p小比例達(dá)到37.13%；而其由3.7 m增加到5.8 m瓦斯平均濃度下降幅度減小為32.89%。該工況下Z因素的最優(yōu)水平為1，即風(fēng)筒高度為5.8 m。該區(qū)域內(nèi)，X所對(duì)應(yīng)的三水平下的瓦斯?jié)舛绕骄当戎禐?∶0.874∶0.912；可見(jiàn)風(fēng)筒直徑為2.0 m更能有效提高通風(fēng)效率。同樣是風(fēng)筒直徑增大0.4 m，在風(fēng)量不變的前提下，速度均在原有速度基礎(chǔ)上減小，但風(fēng)筒直徑為2.4 m時(shí)的瓦斯?jié)舛葏s在風(fēng)筒直徑為2.0 m的基礎(chǔ)上略有升高；由此可知風(fēng)速也是影響通風(fēng)效率的重要因素。風(fēng)筒直徑為1.6 m時(shí)，引入空氣離開(kāi)風(fēng)筒時(shí)的速度最大，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受掌子面阻礙作用在掌子面附近形成強(qiáng)度更大的渦流區(qū)，由于渦流區(qū)的存在破壞了回流運(yùn)動(dòng)路徑，使得攜帶瓦斯的氣體在渦流中循環(huán)運(yùn)動(dòng)。渦流區(qū)強(qiáng)度越大則氣體越難以掙脫渦流區(qū)向隧道外運(yùn)動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快不利于瓦斯氣體與引入空氣的充分混合，故表現(xiàn)為瓦斯?jié)舛容^高。而風(fēng)筒直徑為2.4 m時(shí)，流體運(yùn)動(dòng)速度在風(fēng)筒直徑為2.0 m的基礎(chǔ)上減小，部分氣體未能到達(dá)掌子面處，因此瓦斯?jié)舛认啾容^于風(fēng)筒直徑為2.0 m時(shí)略有上升。Y三水平下的瓦斯平均濃度比值為1∶0.994∶0.998，出風(fēng)口與掌子面距離的改變，瓦斯?jié)舛茸兓秶怀^(guò)0.6%，故其對(duì)施工通風(fēng)的影響幾乎可忽略。因此，該工況下的最佳布置方案為Z1X2Y2。

由圖5(c)曲線變化情況可知，在下掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)X與Z所引起的瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)相同且均大于Y。因此，該工況下X與Z對(duì)通風(fēng)效果的影響程度是無(wú)法通過(guò)極差分析的數(shù)據(jù)顯示的。下掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，X、Y、Z三水平分別對(duì)應(yīng)的瓦斯平均濃度為1∶0.798∶0.710；1∶0.970∶0.851；1∶0.810∶0.709；可見(jiàn)該工況下三因素均以水平3為最優(yōu)。

綜上所述，根據(jù)整體掌子面、上掌子面、下掌子面處不同因素不同水平下的瓦斯平均濃度變化情況，當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域發(fā)生改變時(shí)，各因素的影響程度和最優(yōu)水平均發(fā)生改變。整體掌子面區(qū)域內(nèi)，三個(gè)因素對(duì)通風(fēng)效果的影響程度從大到小依次為Z、X、Y；Z的最佳布置參數(shù)為5.8 m，X的最佳布置參數(shù)為2.4 m，Y的最佳布置參數(shù)為25 m。上掌子面與整體掌子面各因素影響程度排序相同，但是X和Y的最佳布置參數(shù)為2.0 m和20 m。下掌子面處，Z、X兩個(gè)因素對(duì)通風(fēng)效果的影響程度均大于Y，但二者之間尚無(wú)法比較；該工況下X、Y、Z的布置位置分別以2.4、25、1.4 m為宜。

4.4 三因素方差分析

為了驗(yàn)證X、Y、Z三個(gè)因素對(duì)通風(fēng)的效果影響程度，故選用三因素方差分析法進(jìn)行研究。

上掌子面、下掌子面、整體掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛热蛩胤讲罘治鏊肍值如表7所示。

表7 三個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)三因素方差分析Table 7 Analysis of variance of three factors in three monitoring areas

由表7中三個(gè)區(qū)域各自的F可知，出風(fēng)口與掌子面距離計(jì)算所得F均小于其余兩個(gè)因素所對(duì)應(yīng)的F，從而得知出風(fēng)口與掌子面距離對(duì)通風(fēng)效果的影響程度是所研究的三個(gè)因素中最小的。下掌子面處，風(fēng)筒直徑計(jì)算得到的F=2.58略大于風(fēng)筒高度對(duì)應(yīng)的F=2.52；故而在下掌子面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，風(fēng)筒直徑對(duì)通風(fēng)效果的影響是最大的。因此，在僅有下掌子面進(jìn)行施工的情況下應(yīng)該優(yōu)先考慮風(fēng)筒直徑的大小，其次是風(fēng)筒高度，最后是出風(fēng)口與掌子面距離；所以，僅有下掌子面進(jìn)行施工時(shí)的最佳布置方案為X3Z3Y3。計(jì)算所得數(shù)據(jù)顯示，在上掌子面處及整體掌子面處，風(fēng)筒高度所對(duì)應(yīng)的F要明顯大于風(fēng)筒直徑對(duì)應(yīng)的F，因而得到風(fēng)筒高度對(duì)通風(fēng)效果的影響要大于風(fēng)筒直徑影響的結(jié)論。

鑒于計(jì)算所得的J與F對(duì)各因素對(duì)通風(fēng)效果的影響程度分析結(jié)果相同，即可得知上述分析的正確性。所以采用臺(tái)階開(kāi)挖法進(jìn)行隧道施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的施工區(qū)域進(jìn)行通風(fēng)設(shè)備布置調(diào)整以達(dá)到優(yōu)化通風(fēng)方案、提高通風(fēng)效率的目的。

綜合以上分析，并考慮到臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)的情況，針對(duì)以提高通風(fēng)效率為目的的通風(fēng)設(shè)備布置提出以下建議。

(1)整體掌子面進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)率先考慮風(fēng)筒高度的影響，并在滿足其他更為重要的施工要求的前提下盡可能地將風(fēng)筒布置在高處；其次考慮風(fēng)筒直徑對(duì)施工通風(fēng)的影響，結(jié)合實(shí)際情況選擇盡可能大的風(fēng)筒直徑并且以不小于2.4 m為宜；最后考慮出風(fēng)口與掌子面的距離，該距離以不小于25 m為宜。

(2)僅有上掌子面施工時(shí)，亦應(yīng)率先考慮風(fēng)筒高度的影響并且以選取盡可能高的布置位置為宜；其次考慮風(fēng)筒直徑，風(fēng)筒直徑以2.0 m為宜；最后考慮出風(fēng)口與掌子面距離，該距離取值以20 m為宜。

(3)僅有下掌子面施工時(shí)，則應(yīng)優(yōu)先考慮風(fēng)筒直徑的影響，風(fēng)筒應(yīng)盡可能選擇大直徑并且以不小于2.4 m為佳；其次考慮風(fēng)筒高度的影響，風(fēng)筒應(yīng)盡可能布置在較低處；最后考慮出風(fēng)口與掌子面距離的影響，該距離應(yīng)盡可能地取較大值，至少應(yīng)不小于25 m。

5 結(jié)論

(1)空氣自出風(fēng)口流向掌子面的過(guò)程中伴隨有自主擴(kuò)散作用，其與回流氣體在掌子面附近一定范圍內(nèi)產(chǎn)生渦流區(qū)，破壞氣流運(yùn)動(dòng)路徑、阻礙攜帶瓦斯的氣體排出，因而瓦斯氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律受到不同程度的影響；風(fēng)筒未居中布置，進(jìn)風(fēng)側(cè)新鮮氣體與瓦斯氣體混合更充分，表現(xiàn)為進(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯氣體平均濃度小于回風(fēng)側(cè)；掌子面處僅有少部分新鮮空氣流經(jīng)頂角、底角處，故而其瓦斯?jié)舛嚷愿哂谡谱用嫫渌课?，在?shí)際施工過(guò)程中應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)掌子面頂角與底角處的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)。

(2)由正交試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的瓦斯平均濃度分析可知，風(fēng)筒直徑、出風(fēng)口與掌子面距離、風(fēng)筒高度三個(gè)因素對(duì)通風(fēng)效果均存在不同程度的影響；監(jiān)測(cè)區(qū)域發(fā)生變化時(shí)，各因素對(duì)通風(fēng)效果的影響程度也發(fā)生改變。

(3)在瓦斯平均濃度的基礎(chǔ)上，采用極差方法分析、方差方法驗(yàn)證的方式研究得到各工況下的最佳布置方案。僅有上掌子面施工、僅有下掌子面施工以及整體掌子面施工時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳布置方案為：Z1X2Y2、X3Z3Y3、Z1X3Y3。

(4)根據(jù)本文研究所得出的結(jié)論以及臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)的工程實(shí)際情況，提出以盡可能地提高通風(fēng)效率、減小瓦斯氣體危害為目的的通風(fēng)設(shè)備布置建議；能對(duì)實(shí)際施工過(guò)程中的通風(fēng)效率問(wèn)題起到一定的指導(dǎo)性作用。