丁浩江

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；2.中鐵二院地質(zhì)創(chuàng)新工作室，四川 成都 610031)

0 前 言

天然氣瓦斯主要來(lái)源于生烴源巖，生烴源巖可能有多種，是通過(guò)巖體結(jié)構(gòu)通道運(yùn)移、儲(chǔ)存的瓦斯。在天然氣瓦斯隧道施工過(guò)程中，一旦控制措施不當(dāng)，將很可能導(dǎo)致瓦斯積聚，引發(fā)瓦斯安全事故，威脅洞內(nèi)作業(yè)人員生命安全。在目前的天然氣瓦斯隧道臺(tái)階法施工中，通常采用局部壓入式施工通風(fēng)方式，往往忽略了臺(tái)階法施工隧道空間結(jié)構(gòu)的特殊性和天然氣瓦斯與空氣相互作用及其運(yùn)移規(guī)律等對(duì)通風(fēng)效果的影響[1]。為進(jìn)一步提天然氣瓦斯隧道施工通風(fēng)效果，有必要依托實(shí)際工程，結(jié)合現(xiàn)有理論并利用可行軟件對(duì)臺(tái)階法施工通風(fēng)過(guò)程中存在瓦斯溢出時(shí)隧道內(nèi)風(fēng)流分布、瓦斯?jié)舛确植家?guī)律進(jìn)行研究。

為了驗(yàn)證天然氣瓦斯隧道壓入式通風(fēng)措施是否能有效降低洞內(nèi)瓦斯?jié)舛?，本文以成都至貴陽(yáng)高鐵興隆坪天然氣高瓦斯隧道壓入式通風(fēng)設(shè)計(jì)為案例，運(yùn)用離散化的數(shù)學(xué)方法模擬、分析流體流動(dòng)和熱交換軟件，通過(guò)選取適當(dāng)?shù)挠?jì)算參數(shù)，對(duì)興隆坪隧道開(kāi)挖進(jìn)行通風(fēng)數(shù)值模擬，研究通風(fēng)狀態(tài)下瓦斯的分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并對(duì)比分析了壓入式通風(fēng)不同時(shí)間段洞內(nèi)不同位置的天然氣瓦斯?jié)舛?、壓力、逸散速度的變化情況，為防止瓦斯積聚，改善通風(fēng)效果有效措施的提出提供了依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 工程概況

興隆坪隧道位于四川省宜賓市長(zhǎng)寧縣老翁鎮(zhèn)境內(nèi)，是成貴高鐵長(zhǎng)寧至興文區(qū)間內(nèi)的重點(diǎn)隧道之一。隧道設(shè)計(jì)全長(zhǎng)2 803 m，行車速度250 km/h，按客運(yùn)專線雙線隧道設(shè)計(jì)。隧道最大埋深約60 m，全隧為單面上坡，縱坡為14.5‰。隧址區(qū)屬北東向構(gòu)造帶，為川南低陡斷褶帶次級(jí)構(gòu)造單元，線路大角度穿越構(gòu)造線，洞身橫穿老翁場(chǎng)儲(chǔ)氣背斜構(gòu)造(老翁場(chǎng)氣田)，巖層傾角緩斜，節(jié)理較發(fā)育。隧道主要地層巖性為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)砂巖夾泥巖，隧址區(qū)位于盆地南部油型天然氣聚集區(qū)，巖石物性較好，屬于油氣有利儲(chǔ)集層，有利于油氣儲(chǔ)集，瓦斯涌出量為0.5 m3/min，為天然氣高瓦斯隧道。

1.2 數(shù)學(xué)模型建立

1)隧道通風(fēng)模擬計(jì)算假定。由于在隧道通風(fēng)模擬中，隧道內(nèi)通風(fēng)壓力一般為常壓，且溫度變化較小，隧道內(nèi)的通風(fēng)氣流為低速氣體，空氣的密度和體積變化不足以影響計(jì)算結(jié)果的精度。因此，可以將隧道內(nèi)的氣體視為不可壓縮流體[2]。同時(shí)，忽略隧道內(nèi)不可壓縮流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力以及其可能產(chǎn)生的耗散熱能，而且隧道壁面無(wú)法傳遞能量，氣體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，因此可以將流場(chǎng)視為恒溫的；其次，為了便于模擬，隧道內(nèi)的有害氣體均由掌子面涌出，不存在其他涌出源。

2)流體能量守恒定律。不可壓縮流體在隧道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可以視為湍流運(yùn)動(dòng)，有害氣體在隧道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程主要包括有害氣體擴(kuò)散、有害氣體與空氣的對(duì)流和空氣的紊流等過(guò)程。而有害氣體和空氣的紊流擴(kuò)散和運(yùn)移控制方程主要包括組分傳輸方程、動(dòng)量守恒方程和質(zhì)量守恒方程。紊流模型則選擇Reynolds平均法中湍流粘性系數(shù)法的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，近壁面的氣體流動(dòng)則選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法來(lái)處理[3]。

根據(jù)以上假定和設(shè)定條件，可以用通用的微分方程形式來(lái)表示隧道中穩(wěn)態(tài)的氣流和瓦斯湍流流動(dòng)控制方程：

(1)

式中，u、v、w分別為x、y、z方向上的速度分量；?在不同的模型中可表示不同的意思，如速度、組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、紊流動(dòng)能等；Г?為與?對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)；S?為與?對(duì)應(yīng)的源項(xiàng)。

1.3 物理模型

本次模擬選取興隆隧進(jìn)口工區(qū)道掘進(jìn)至埋深最大處1 200 m時(shí)進(jìn)行模擬研究。風(fēng)筒口距離掌子面15 m，風(fēng)筒直徑為1.6 m，風(fēng)筒置于隧道頂部，與隧道上壁面相切。按照隧道工程的實(shí)際尺寸，簡(jiǎn)化模型設(shè)置，使用Solidworks軟件建立三維隧道模型，如圖1所示，圖中深色區(qū)域?yàn)檎谱用妗?/p>

圖1 興隆坪隧道物理模型圖

模型運(yùn)用數(shù)值軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分法，整個(gè)模型共劃分了150萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，且在通風(fēng)管道避免附近進(jìn)行了網(wǎng)格加密設(shè)置，使得網(wǎng)格劃分更加精細(xì)。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

1.4 參數(shù)選擇設(shè)置

通過(guò)對(duì)興隆坪隧道各參數(shù)的分析以及應(yīng)用不同參數(shù)所得模擬結(jié)果的相互比較，對(duì)參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整和優(yōu)化，確定了模擬隧道瓦斯運(yùn)移擴(kuò)散的常規(guī)數(shù)值模型。

1)ANSYS Fluent模擬模型參數(shù)設(shè)置。模型所用的模型參數(shù)見(jiàn)表1。

2)數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置。ANSYS Fluent模擬的邊界條件是指在求解域邊界上所求解的變量隨著時(shí)間變化的規(guī)律，表2列出了模擬中涉及的一些參數(shù)。

(1)入口邊界：通風(fēng)管道口設(shè)定為速度入口邊界，自然風(fēng)沿通風(fēng)管道均勻進(jìn)入隧道，風(fēng)速v=21.61 m/s，該風(fēng)流中沒(méi)有瓦斯氣體。

(2)出口邊界：將隧道進(jìn)口設(shè)置為自由出流邊界，即出口位置壓強(qiáng)為大氣壓。

(3)壁面條件：將隧道內(nèi)壁面、底板等均視為固定壁面，視為無(wú)滑移邊界條件，而且選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來(lái)處理近壁面，且上述壁面均視為絕熱。

(4)瓦斯源項(xiàng)：為了便于處理，本文將瓦斯的實(shí)際涌出源視為由掌子面均勻涌出，瓦斯源項(xiàng)的值根據(jù)瓦斯的實(shí)際涌出量來(lái)確定。據(jù)勘察實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，隧道瓦斯涌出量為0.5 m3/min。

表2 ANSYS Fluent 模擬參數(shù)表

2 成果分析

2.1 隧道通風(fēng)風(fēng)場(chǎng)分析

由通風(fēng)管道射入隧道內(nèi)而形成的氣流稱為空氣射流。但由于隧道內(nèi)壁面對(duì)空氣射流會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，因此空氣射流又可以分為自由射流和受限射流。對(duì)于流速比較大、處于紊流狀態(tài)的空氣射流又可稱為紊流射流[4]，而壓入式通風(fēng)即屬于此種類型。這種通風(fēng)模式一般通過(guò)風(fēng)管將空氣傳送至離隧道掌子面一定距離處，其后從風(fēng)管口噴出的射流沿隧道壁面慢慢向掌子面運(yùn)動(dòng)，稀釋帶走該區(qū)域的瓦斯、粉塵等有害物質(zhì)，再回流到隧道口排出隧道。研究隧道壓入式通風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)規(guī)律有利于進(jìn)一步揭示隧道內(nèi)氣體流動(dòng)過(guò)程、瓦斯的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此需要先對(duì)隧道的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行研究分析。

圖3為風(fēng)機(jī)開(kāi)啟后不同時(shí)刻隧道內(nèi)部氣流流線圖，可以看出，從風(fēng)管內(nèi)吹出的風(fēng)流能夠到達(dá)掌子面，表明在上述通風(fēng)條件下，風(fēng)管口到掌子面的距離設(shè)計(jì)為15 m時(shí)是在有效射程內(nèi)，能基本保證有害氣體的排出。氣流流出風(fēng)管后，由于受到掌子面的阻擋，開(kāi)始由頂部向下流動(dòng)，并沿隧道形成渦流區(qū)。隨著時(shí)間的推移，渦流區(qū)向隧道口方向擴(kuò)散，并逐漸被耗散，在距離掌子面約30 m處基本消失，流動(dòng)由紊流逐漸恢復(fù)為層流。

(a)t=0 min

(b)t=1 min

(c)t=2 min

(d)t=3 min

(e)t=4 min

(f)t=5 min

(g)t=30 min

(h)t=60 min

(i)t=120 min

選取距離地面高度1.8、3、7、12.9 m的隧道橫切面觀察隧道內(nèi)不同高程斷面壓力、速度分布狀態(tài)，如圖4所示?？梢钥闯?，風(fēng)管中的空氣從風(fēng)管口到達(dá)掌子面后與掌子面瓦斯混合，在20 m左右的范圍內(nèi)，兩股氣流受到渦流區(qū)的作用，快速摻混。隨著通風(fēng)的持續(xù)，隧道內(nèi)的風(fēng)流逐漸向隧道口進(jìn)行回流運(yùn)動(dòng)，壓力逐漸趨于恒定，速度亦變?yōu)槎ㄖ怠?/p>

(a)壓力分布

(b)速度分布

隧道軸線瓦斯?jié)舛确植既鐖D5所示，垂直方向上，在距掌子面15 m范圍內(nèi)，高度越低，瓦斯?jié)舛仍降停@是由于氣流渦流區(qū)和浮力共同作用的結(jié)果。在距離掌子面30 m范圍內(nèi)，瓦斯與空氣基本完全摻混，摻混后瓦斯?jié)舛葹?.12%左右，在靠近掌子面的拐角處，由于流動(dòng)條件較差，不利于瓦斯等有害氣體的排放，所以瓦斯?jié)舛扔兴黾?，最大濃度?.284%，在施工過(guò)程中應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并輔以局扇補(bǔ)充通風(fēng)。

圖5 瓦斯?jié)舛确植?/p>

為觀察通風(fēng)管口至掌子面在通風(fēng)狀態(tài)下瓦斯的分布情況，選取隧道內(nèi)氣流達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)時(shí)各橫斷剖面進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6～9所示。從圖6～9可以看出，自然風(fēng)流在到達(dá)掌子面后，由于受到掌子面的限制開(kāi)始向隧道口方向回流。隨著持續(xù)通風(fēng)，風(fēng)流迅速充滿整個(gè)隧道，并在整個(gè)隧道截面上出現(xiàn)明顯的風(fēng)流分區(qū)現(xiàn)象[5]。

從圖6(a)、圖7(a)、圖8(a)、圖9(a)可以看出，風(fēng)管口的風(fēng)速明顯高于遠(yuǎn)離風(fēng)管口一側(cè)的風(fēng)速，而隧道中間區(qū)域的風(fēng)速又呈現(xiàn)出小于兩側(cè)風(fēng)速的特征；其次，由于掌子面瓦斯的均勻逸出，由通風(fēng)管噴射的風(fēng)流在到達(dá)掌子面后會(huì)與瓦斯混合，從而出現(xiàn)由風(fēng)管口向掌子面壓力逐漸減小的現(xiàn)象(見(jiàn)圖6(b)、圖7(b)、圖8(b)、圖9(b))；由于持續(xù)通風(fēng)，掌子面處的瓦斯得到有效擴(kuò)散，但由于風(fēng)管噴出的氣流壓力過(guò)大，導(dǎo)致其垂直壓入在掌子面范圍內(nèi)的瓦斯無(wú)法立刻向周圍擴(kuò)散，在該范圍內(nèi)還存在一定瓦斯聚集(見(jiàn)圖6(c)、圖7(c)、圖8(c)、圖9(c))。

(a)速度分布

(b)壓力分布

(c)濃度場(chǎng)分布

(a)速度分布

(b)壓力分布

(c)濃度場(chǎng)分布

(a)速度分布

(b)壓力分布

(c)濃度場(chǎng)分布

(a)速度分布

(b)壓力分布

(c)濃度場(chǎng)分布

2.2 隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛葓?chǎng)分析

隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r受控于隧道內(nèi)風(fēng)流流場(chǎng)的分布情況，同時(shí)隧道內(nèi)瓦斯的稀釋情況也受其影響。圖10為在通風(fēng)條件下隧道掌子面在不同時(shí)刻的瓦斯?jié)舛确植荚茍D，掌子面瓦斯?jié)舛入S通風(fēng)時(shí)間變化的情況[6]如圖11所示。

(a)t=1 s

(b)t=2 s

(c)t=3 s

(d)t=5 s

(e)t=10 min

(f)t=20 min

(g)t=1 min

(h)t=2 min

(i)t=3 min

(j)t=5 min

(k)t=30 min

(l)t=60 min

圖11 掌子面瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化曲線

可以看出，由于剛開(kāi)始風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)流尚未到達(dá)掌子面，加上掌子面處瓦斯持續(xù)逸出，故在該時(shí)間段內(nèi)掌子面瓦斯?jié)舛燃眲〉卦黾?，直到達(dá)到一個(gè)最大值；而后，隨著風(fēng)流的到來(lái)，掌子面的瓦斯得到有效稀釋，瓦斯?jié)舛仍诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)出現(xiàn)急劇下降。然而，由于掌子面的限制，在通風(fēng)4 s左右瓦斯?jié)舛扔殖霈F(xiàn)急劇上升，在5 s時(shí)已經(jīng)達(dá)到0.482%。隨后又開(kāi)始急劇下降，在300 s時(shí)達(dá)到最小值0.053%。此后，瓦斯?jié)舛扔殖霈F(xiàn)緩慢升高，逐漸達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，穩(wěn)定值約為0.054%。

由隧道通風(fēng)風(fēng)流流場(chǎng)分析可知隧道內(nèi)存在渦流區(qū)，為了得出渦流區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛确植记闆r，選取距掌子面40 m的范圍分析該段瓦斯?jié)舛鹊姆植记闆r，如圖12所示。從圖12中可看出，因掌子面的限制、通風(fēng)管內(nèi)風(fēng)流的持續(xù)射流和回流作用所形成的渦流區(qū)內(nèi)，掌子面瓦斯?jié)舛让黠@稍高于隧道的其他區(qū)域[7]。然而，隨著時(shí)間的推移，該區(qū)域的瓦斯?jié)舛扔种饾u降低，但同時(shí)又保持著該區(qū)域瓦斯?jié)舛雀哂谄渌麉^(qū)域的特點(diǎn)。

圖13為穩(wěn)定通風(fēng)下隧道內(nèi)各點(diǎn)瓦斯?jié)舛确植记闆r。從圖13可以看出，對(duì)隧道進(jìn)行通風(fēng)后，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛燃眲∠陆?。?dāng)通風(fēng)穩(wěn)定后，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛纫蚕鄬?duì)趨于穩(wěn)定，在掌子面處瓦斯?jié)舛茸畲螅粡恼谱用娴剿淼揽诜较?，瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出先急劇下降，然后再緩慢升高，最后慢慢達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值的狀態(tài)。由于隧道長(zhǎng)度以及渦流的影響，靠近隧道口一側(cè)的瓦斯?jié)舛壬愿哂谒淼纼?nèi)側(cè)，但整體濃度均低于0.04%。規(guī)范規(guī)定，瓦斯隧道在運(yùn)營(yíng)中，瓦斯?jié)舛仍谌魏螘r(shí)間、任何地點(diǎn)都不得大于0.5%[8]，故在該通風(fēng)條件下滿足要求，通風(fēng)能有效降低隧道內(nèi)天然氣瓦斯?jié)舛取?/p>

圖12 各節(jié)點(diǎn)瓦斯?jié)舛确植记€

圖13 隧道各節(jié)點(diǎn)瓦斯?jié)舛确植记€

綜上所述，興隆坪隧道在壓入式通風(fēng)條件下能將隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛冉档偷揭?guī)定限值以下，表明通風(fēng)是快速降低瓦斯?jié)舛鹊挠行Х绞街弧Ｈ欢?，從模擬結(jié)果來(lái)看，隧道內(nèi)還存在部分區(qū)域瓦斯?jié)舛戎灯?。為了使整個(gè)隧道瓦斯?jié)舛戎当３衷谙拗档姆秶?，在?shí)際的施工中不能僅以壓入式通風(fēng)作為唯一的通風(fēng)方式，還需在隧道內(nèi)設(shè)置通風(fēng)豎井，并配合局部風(fēng)扇。

3 結(jié) 論

1)氣流流出風(fēng)管后，由于受到隧道掌子面的阻擋，開(kāi)始由頂部向下流動(dòng)，并沿隧道形成渦流區(qū)。隨著時(shí)間的推移，渦流區(qū)向隧道口方向擴(kuò)散，并逐漸被耗散，在距離掌子面約30 m處基本消失，流動(dòng)由紊流逐漸恢復(fù)為層流。

2)通過(guò)對(duì)隧道掌子面天然氣瓦斯?jié)舛鹊姆治?，在風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)流尚未到達(dá)掌子面這段時(shí)間內(nèi)，掌子面天然氣瓦斯?jié)舛燃眲≡黾樱钡竭_(dá)到一個(gè)最大值；而后，隨著風(fēng)流的到來(lái)，掌子面的瓦斯得到有效稀釋，瓦斯?jié)舛仍诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)出現(xiàn)急劇下降。然而，由于掌子面的限制，在通風(fēng)4 s左右瓦斯?jié)舛扔殖霈F(xiàn)急劇上升，在5 s時(shí)已經(jīng)達(dá)到0.482%。隨后又開(kāi)始急劇下降，300 s時(shí)達(dá)到最小值0.053%，此后瓦斯?jié)舛扔珠_(kāi)始緩慢升高，慢慢達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，穩(wěn)定值為0.054%。

3)當(dāng)通風(fēng)穩(wěn)定后，隧道內(nèi)天然氣瓦斯?jié)舛纫蚕鄬?duì)趨于穩(wěn)定，掌子面瓦斯?jié)舛茸畲?。由于隧道長(zhǎng)度以及渦流的影響，靠近隧道口一側(cè)的天然氣瓦斯?jié)舛壬愿哂谒淼纼?nèi)側(cè)，但整體濃度均低于0.04%，滿足規(guī)范中瓦斯隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛仍谌魏螘r(shí)間、任何地點(diǎn)都不得大于0.5%的要求，通風(fēng)能有效降低隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛取?/p>

4)通過(guò)數(shù)值分析方法對(duì)興隆坪天然氣瓦斯隧道在壓入式通風(fēng)條件下隧道內(nèi)風(fēng)場(chǎng)、瓦斯?jié)舛确植技捌溥\(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明：在壓入式通風(fēng)條件下，隧道內(nèi)還存在部分區(qū)域瓦斯?jié)舛戎灯叩那闆r。為使整個(gè)隧道瓦斯?jié)舛戎当３衷谠试S范圍內(nèi)，在設(shè)計(jì)中需增設(shè)通風(fēng)豎井并配合局扇作為補(bǔ)充措施，以確保施工安全。

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