蔣小平 張軍 韓正 劉磊
(四川路航建設(shè)工程有限責(zé)任公司一分公司,四川 成都 610039)
近年來,隨著我國(guó)各類長(zhǎng)大隧道大量涌現(xiàn),隧道施工通風(fēng)難度日益增大[1][2]。隧道中賦存瓦斯等有害氣體,嚴(yán)重威脅施工人員的人身安全,因此有必要探究在隧道施工時(shí)瓦斯的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律[3][4]。本文依托五指山瓦斯隧道實(shí)際施工通風(fēng)方案,結(jié)合數(shù)值模擬分析,比較了單一壓入式通風(fēng)和輔以射流風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)兩種通風(fēng)方案下的隧道風(fēng)流場(chǎng)和瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律,研究成果可以為山嶺隧道的瓦斯監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)、施工通風(fēng)方案提供有益借鑒。
四川省仁壽至屏山新市公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃的G42滬蓉高速公路成都至麗江聯(lián)絡(luò)線的重要組成部分,主線長(zhǎng)158.029km,馬邊支線長(zhǎng)43.799km,路線全長(zhǎng)201.828km,其中五指山瓦斯隧道為該標(biāo)段的控制性工程。五指山瓦斯隧道為雙向四車道高速公路隧道,左線全長(zhǎng)9392m,右線全長(zhǎng)9405m,按單洞分離式設(shè)計(jì),隧道出口段包括6條車行橫通道、7條人行橫通道。隧址區(qū)域巖體主要以灰色粉砂質(zhì)泥巖、灰白色細(xì)(粉)砂巖互層為主及少量炭質(zhì)頁巖(煤線、層)組成。五指山隧道左線出口絕對(duì)瓦斯涌出量為1.892m3/min,絕對(duì)二氧化碳涌出量為0.568m3/min;右線出口絕對(duì)瓦斯涌出量為1.949m3/min,絕對(duì)二氧化碳涌出量為0.533m3/min。根據(jù)《公路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)程》(DB51/T 2243-2016)判定五指山瓦斯隧道左線出口洞口至掌子面(里程樁號(hào)ZK140+683)及右線出口洞口至掌子面(里程樁號(hào)K140+601)的施工區(qū)段為高瓦斯工區(qū)。
為了盡可能地反映真實(shí)的瓦斯擴(kuò)散運(yùn)移情況,本文建立了從掌子面到洞口的隧道幾何模型(總長(zhǎng)2100m),如圖1所示。其中橫通道距掌子面720m,模擬了施工通風(fēng)條件下瓦斯擴(kuò)散運(yùn)移;風(fēng)管直徑取為1.8m,距掌子面5m,懸掛在拱肩;二襯臺(tái)車距掌子面90m,射流風(fēng)機(jī)分別設(shè)置于二襯模筑臺(tái)車前方20m,以及橫通道中間位置。
圖1 三維幾何模型圖
本文假設(shè)隧道內(nèi)氣體為不可壓縮的黏性紊流,采用隱式算法進(jìn)行非耦合求解,求解參數(shù)設(shè)置如表1所示。
表1 模型參數(shù)表
根據(jù)施工隧道通風(fēng)的實(shí)際情況,邊界條件設(shè)置如下:
進(jìn)口邊界:通風(fēng)管口和風(fēng)機(jī)均選用速度入口(Velocity inlet),風(fēng)流方向設(shè)置為風(fēng)筒出口法向正方向。根據(jù)依托工程具體情況,通風(fēng)管口風(fēng)速大小設(shè)置為19.45m/s,新鮮空氣中氧氣含量為21%,風(fēng)機(jī)噴流風(fēng)速大小為26.2 m/s;
出口邊界:設(shè)置壓力出口(Pressure outlet)為隧道出口的邊界,相對(duì)壓力為0Pa;
壁面邊界:設(shè)置固定壁面為隧道的所有壁面(Wall),并視作絕熱,邊界條件為無滑移;
瓦斯源項(xiàng):設(shè)立源項(xiàng)(source)來模擬隧道瓦斯涌出情況,并在建模時(shí)將距掌子面很近的一部分厚度為0.1m氣體層作為瓦斯源,根據(jù)工程實(shí)際計(jì)算得到其單元源項(xiàng)S=0.012kg/(m3·s-1)。
圖2 不同通風(fēng)時(shí)刻下掌子面的瓦斯?jié)舛仍茍D
隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛群退淼里L(fēng)流流場(chǎng)緊密相連,隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛葓?chǎng)和瓦斯的稀釋程度都會(huì)受到風(fēng)流流場(chǎng)的影響,根據(jù)隧道內(nèi)有無射流風(fēng)機(jī)的風(fēng)流流場(chǎng)情況,分析實(shí)際工況的瓦斯?jié)舛取?/p>
1.單一式壓入通風(fēng)下的瓦斯?jié)舛确治?/p>
單一壓入式通風(fēng)條件下,不同通風(fēng)時(shí)刻的隧道掌子面瓦斯?jié)舛确植既鐖D2所示,左、右線隧道掌子面瓦斯?jié)舛确植蓟鞠嗤?。在?0s內(nèi),因隧道掌子面瓦斯不斷涌出,而風(fēng)管出口的風(fēng)流并未抵達(dá)掌子面,故而瓦斯?jié)舛炔粩嘣龃?,直至達(dá)到峰值,此時(shí)掌子面瓦斯局部濃度達(dá)1.5%。伴隨新鮮風(fēng)流的進(jìn)入,稀釋了掌子面瓦斯,瓦斯?jié)舛葟耐L(fēng)30s時(shí)開始逐步降低。掌子面瓦斯高濃度的范圍逐漸減小,此后掌子面瓦斯?jié)舛确植稼呌诜€(wěn)定,局部最大瓦斯?jié)舛燃s為1.1%,平均瓦斯?jié)舛燃s為0.32%。
由于通風(fēng)的噴流和卷吸作用,使得掌子面處瓦斯的濃度分布不均。隨著持續(xù)通風(fēng),瓦斯逐漸與隧道內(nèi)空氣混合,掌子面處瓦斯?jié)舛炔粩鄿p小,瓦斯分布不均勻程度逐漸增大。同時(shí)瓦斯被吹向底板和遠(yuǎn)離風(fēng)筒的一側(cè),因此正對(duì)著風(fēng)管出口的掌子面區(qū)域內(nèi)瓦斯含量較低,掌子面處靠近風(fēng)管側(cè)壁的瓦斯?jié)舛纫黠@比遠(yuǎn)離風(fēng)管的一側(cè)壁掌子面區(qū)域瓦斯?jié)舛鹊?。在通風(fēng)1min后,掌子面的瓦斯?jié)舛确植紳u漸趨于穩(wěn)定。另外,由圖2可知整個(gè)掌子面瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較高的區(qū)域?yàn)檫h(yuǎn)離風(fēng)管一側(cè)的隧道墻腳區(qū)域,所以施工中應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域的瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)。
結(jié)合隧道內(nèi)風(fēng)流速度矢量分布如圖3所示,隨著風(fēng)流的噴流、回流,以及卷吸等作用影響,瓦斯在渦流區(qū)的濃度明顯稍高于周圍區(qū)域,雖然隨著通風(fēng)時(shí)間的增加,瓦斯?jié)舛戎饾u降低,但該區(qū)域仍然是瓦斯?jié)舛确逯挡课?。但因風(fēng)管出口噴出風(fēng)流帶走隧道靠近風(fēng)管一側(cè)的瓦斯,使得靠近風(fēng)管隧道一側(cè)的瓦斯?jié)舛纫琅f低于遠(yuǎn)離風(fēng)管一側(cè)。而另一部分瓦斯繼續(xù)向隧道口擴(kuò)散,在通風(fēng)10min~20min時(shí),左線隧道的瓦斯通過橫通道匯入右線隧道,橫通道與右線隧道連接處斷面的瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)略微上升,直到30min~40min時(shí),整個(gè)隧道的瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定,并開始逐漸向隧道外排出,其穩(wěn)定濃度約為0.16%。
圖3 不同通風(fēng)時(shí)刻下右線隧道瓦斯?jié)舛确植记€
2.輔以射流風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)下的瓦斯?jié)舛确治?/p>
輔以射流風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)條件下,不同通風(fēng)時(shí)刻的隧道掌子面瓦斯?jié)舛确植既鐖D4所示。
圖4 不同通風(fēng)時(shí)刻下掌子面的瓦斯?jié)舛仍茍D
由圖4可知,在設(shè)置了射流風(fēng)機(jī)之后,左、右線隧道掌子面瓦斯?jié)舛确植寂c不設(shè)射流風(fēng)機(jī)基本相同。首先,因隧道掌子面瓦斯不斷涌出,而風(fēng)管出口的風(fēng)流并未抵達(dá)掌子面,故而在前10s內(nèi)瓦斯?jié)舛戎饾u增大,直至達(dá)到峰值,此時(shí)掌子面瓦斯局部濃度達(dá)1.5%。隨著新鮮風(fēng)流的到來稀釋了掌子面的瓦斯?jié)舛?,在風(fēng)流還未充分到達(dá)時(shí),由于射流風(fēng)機(jī)的卷吸作用,掌子面的瓦斯?jié)舛仍谏淞黠L(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)位置小于周圍。通風(fēng)30s后,掌子面瓦斯?jié)舛乳_始下降,高濃度瓦斯的范圍逐漸減小,此后掌子面瓦斯?jié)舛确植稼呌诜€(wěn)定,局部最大瓦斯?jié)舛燃s為1.1%,平均濃度約為0.31%。此外,穩(wěn)定后掌子面瓦斯?jié)舛确植寂c單一式壓入通風(fēng)時(shí)掌子面的瓦斯?jié)舛确植蓟疽恢?,瓦斯相?duì)較高的區(qū)域均在遠(yuǎn)離風(fēng)管一側(cè)的隧道墻腳區(qū)域,所以施工中應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)這個(gè)區(qū)域的瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)。
圖5為隧道右線在不同通風(fēng)時(shí)間下的瓦斯?jié)舛确植记€圖。結(jié)合圖2~圖5可知,在風(fēng)流的噴流、回流和風(fēng)管及射流風(fēng)機(jī)的卷吸等作用下,在渦流區(qū)的瓦斯?jié)舛让黠@更高,雖然該區(qū)域瓦斯?jié)舛葧?huì)隨時(shí)間而逐漸降低,但該區(qū)域仍是瓦斯?jié)舛鹊姆逯挡课?。風(fēng)管出口噴出的風(fēng)流帶走隧道靠近風(fēng)管一側(cè)的瓦斯,使得靠近風(fēng)管隧道一側(cè)的瓦斯?jié)舛热匀坏陀谶h(yuǎn)離風(fēng)管的隧道一側(cè)。而另一部分瓦斯繼續(xù)向隧道口進(jìn)行擴(kuò)散,在經(jīng)過射流風(fēng)機(jī)時(shí),瓦斯受到射流風(fēng)機(jī)作用,擴(kuò)散速度加快,隧道瓦斯?jié)舛让黠@下降,由0.16%下降到0.065%。在通風(fēng)10min~20min時(shí),左線隧道的瓦斯通過橫通道匯入右線隧道,橫通道與右線隧道連接處斷面的瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)略微上升,同時(shí)由于橫通道的射流風(fēng)機(jī)作用,在橫通道區(qū)域的瓦斯?jié)舛仍俅蜗陆档?.048%。到30 min~40min時(shí),整個(gè)隧道的瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定,并開始逐漸向外隧道外排出,受射流風(fēng)機(jī)作用,隧道瓦斯?jié)舛仍俅蜗陆?,穩(wěn)定狀態(tài)的瓦斯?jié)舛葹?.03%。
圖5 不同通風(fēng)時(shí)刻下右線隧道瓦斯?jié)舛确植记€
本文結(jié)合五指山瓦斯隧道工程的實(shí)際通風(fēng)方案,針對(duì)其瓦斯隧道施工過程中的風(fēng)流流場(chǎng)、瓦斯?jié)舛确植?、瓦斯運(yùn)移規(guī)律選取FLUENT數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了探究分析,主要結(jié)論如下:
壓入式隧道的通風(fēng)風(fēng)流具有顯著的附壁噴流、碰壁回流等特點(diǎn),且回流區(qū)大于噴流區(qū)。
左、右線隧道掌子面瓦斯?jié)舛?,在單一壓入式通風(fēng)與壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)時(shí)基本相同;掌子面瓦斯主要集中在遠(yuǎn)離風(fēng)管一側(cè)的隧道墻腳區(qū)域,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該區(qū)瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)。
壓入式通風(fēng)輔以射流風(fēng)機(jī)的方式對(duì)瓦斯運(yùn)動(dòng)規(guī)律有顯著影響;不設(shè)置射流風(fēng)機(jī)時(shí),通風(fēng)30min~40min瓦斯充滿整個(gè)隧道,穩(wěn)定狀態(tài)的瓦斯?jié)舛葹?.16%;而設(shè)置射流風(fēng)機(jī)時(shí),經(jīng)過三次射流風(fēng)機(jī)作用,整個(gè)隧道穩(wěn)定狀態(tài)的瓦斯?jié)舛冉档椭?.03%。