謝全敏，黃昆 （武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

1 引言

近年來，隨著我國西部山區(qū)公路建設的快速發(fā)展，有大量的隧道工程需要建設，由于山區(qū)各種復雜地形地質條件的限制，為滿足公路線型等級設計及安全要求，曲線隧道應用也越來越廣泛。在曲線隧道施工，尤其是小半徑曲線隧道施工過程中，由于隧道的沿程阻力大，通風排塵較一般隧道難度更大，因此，急需加強小半徑曲線隧道施工的粉塵遷移規(guī)律進行研究。本文依托五阱明隧道項目，研究在小半徑曲線隧道施工通風中，風管布置對粉塵遷移的影響機制，為小半徑曲線隧道施工通風設計提供參考。

2 數(shù)學模型

2.1 氣固兩相流模型的描述

隧道內粉塵顆粒在連續(xù)風流場中的運動屬于典型的兩相流運動，目前在對兩相流運動分析最主要的處理辦法是歐拉法和拉格朗日法。歐拉法將分散相作為連續(xù)介質；拉格朗日法將氣體作為連續(xù)項，流場中其他粒子作為離散相。針對粉塵運輸問題，綜合粉塵在流體中的運動特性，可不考慮顆粒碰撞及顆粒所占體積，應用DPM模型（Discrete phase model）較為合適，屬于拉格朗日法的范疇。

2.2 基本假定

①隧道內氣體為不可壓縮的連續(xù)介質；

②假定隧道壁面絕熱，并忽略因風流粘性力做功散熱；

③隧道施工作業(yè)期間忽略行車交通風、自然風壓和其他設備對空氣流場的影響。

2.3 數(shù)學模型的控制方程

在流體運動過程中，由于粉塵顆粒濃度很低，顆粒間的相互作用可不考慮。同時，粉塵顆粒運輸主要是氣相作用運輸導致的，應用拉格朗日法時，數(shù)學模型可以適當簡化。

2.3.1 質量守恒方程

2.3.2 動量方程

2.3.3 能量方程

其中，αp為顆粒箱體積分數(shù)(%)；ρp為顆粒密度(g/cm3)；U為氣體速度分量(m/s)；Up為顆粒速度分量(m/s)；Γp為顆粒相濃度變化速率(g/cm3·s)；tp為時間(s)；f為施加到顆粒單位質量上的體積力向量(N)；τΥp為顆粒運動弛豫時間(s)；Cp顆粒比熱容（J Kg·℃）；Tp為顆粒溫度(℃)；JEp為單位體積內熱輻射所產生的熱量(J)；QAp為通過氣體與顆粒的界面所傳遞的熱量(J)。

3 數(shù)據(jù)模型建立和計算

3.1 工程概況

五阱明隧道位于麗江市古城區(qū)七河鎮(zhèn)大龍?zhí)洱堫^村北邊，為一座分離式隧道，左幅隧道長3465m，位于R=805m的右轉圓曲線上；右幅隧道長3410m，位于775m的右轉圓曲線上。隧道施工方式為雙向爆破施工、全斷面開挖，采用壓入式通風。

3.2 計算模型建立與網(wǎng)格劃分

基于施工現(xiàn)場施工尺寸，利用gambit建立施工斷面的三維數(shù)值分析模型，隧道計算長度為100m，隧道模型橫截面及風管直徑與隧道施工現(xiàn)場一致，風管出口風速與實際通風風速一致為20m/s，為探究風管布置因素對小半徑曲線隧道施工通風的影響情況，設定隧道曲率半徑為300m，建立風管不同布置部位的工況見下表所示。

模型表

進行網(wǎng)格劃分時，由于隧道風管與掌子面部分存在渦流區(qū)，粉塵顆粒在風渦流的作用下產生回流現(xiàn)象，粉塵在此區(qū)域內遷移具有一定復雜性，需要對這部分區(qū)域進行網(wǎng)格加密。同時為保證計算的收斂性及穩(wěn)定性，采用六面體網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格尺寸為0.3m，網(wǎng)格總數(shù)約為240000。

3.3 邊界條件及參數(shù)設定

隧道所處區(qū)段內第四系全新統(tǒng)殘坡積和坡崩積粉質黏土、黏土為弱膨脹土，爆破產生粉塵的主要成分為SiO2顆粒，密度約為2300kg/m3。計算模型為瞬態(tài)模型，離散相參數(shù)、噴射源參數(shù)及邊界條件設定等部分，參考國內外已開展的計算參數(shù)取值。

4 計算結果及分析

4.1 懸掛位置對風流場的影響

在隧道施工期通風過程中，靠近掌子面部分受到射流區(qū)和回流區(qū)的共同作用，距掌子面一定距離外，隧道風流場由回流區(qū)構成。為充分分析不同區(qū)段流場的特點，將掌子面處、不同斷面風速云圖及人呼吸高度（距地面1.6m）平面組合分析共同作用段流場特點?；亓鲄^(qū)風速利用風速分布曲線進行對比分析。圖1為不同工況射流區(qū)和回流區(qū)共同作用段速度云圖；圖2、圖3為距掌子面30m、60m處人呼吸高度處的橫向風速分布。

射流區(qū)和回流區(qū)共同作用段速度云圖，見圖1所示，此部分流場受射流風支配。掌子面風速最大值部位在風管布置處，與風管懸掛因素無關，此時掌子面的最大風速約為6.5m/s。當風管布置在隧道拱頂時，由于隧道曲率存在，外界空氣經(jīng)射流風機加速進入隧道，射流區(qū)流場為典型的附壁射流流場，而回流區(qū)流體受隧道曲率導致的摩擦阻力，風流場發(fā)生改變，開始呈現(xiàn)非對稱性，回流風向隧道外側偏轉，核心區(qū)由拱頂趨向于外側拱肩，對應射流低速區(qū)由仰拱中部向內側拱腳移動。由于此階段距離較短，隧道曲率對風流場影響不明顯，當風管布置在隧道的不同位置時，風流場呈現(xiàn)一定的對稱性，風管布置在內側的風流場與相對應位置風管的風流場對稱。

圖1 不同工況射流區(qū)和回流區(qū)共同作用段速度云圖

圖2展示了距掌子面30m處，人呼吸高度處的橫向風速分布。從各工況風速橫向分布來看，當射流發(fā)展到距掌子面30m處，風管布置在隧道兩側時的各部分風速均小于其他工況，同時具有明顯的康達效應，部分風流在附壁效應的作用下緊靠隧道壁發(fā)展；風管布置在拱頂時，主要受隧道曲率影響，存在一定的核心區(qū)偏移現(xiàn)象；風管布置在隧道兩側拱肩時，受隧道曲率因素和懸掛位置因素綜合影響；當風管位于內側拱肩時，兩因素疊加影響導致隧道外側風速遠大于隧道內側風速；風管位于外側拱肩時，兩因素相互平衡，總體上呈現(xiàn)橫向風速較為一致。

圖2 距掌子面30m處橫向風速分布

圖3展示了距掌子面60m處，人呼吸高度處的橫向風速分布。風管布置在拱頂處，射流在此處以發(fā)展充分，隧道內外側風流較為平均，僅因為隧道曲率存在使得外側風速略高于內側風速，同時當風管布置在隧道內側拱肩時，能量損失現(xiàn)象嚴重，在隧道外側存在明顯的低速區(qū)。另外，風管布置在外側時的橫向最大風速及平均風速均優(yōu)于其他工況。

4.2 粉塵顆粒運動遷移規(guī)律分析

在粉塵遷移過程中，風流場的卷吸效應帶動粉塵顆粒遷移，因此隧道爆破施工粉塵遷移規(guī)律受風流場及粉塵顆粒性質綜合影響。現(xiàn)對人呼吸高度平面粉塵結果進行分析，圖4為隧道爆破通風作業(yè)開始后，不同工況下不同時刻人呼吸平面處粉塵顆粒分布圖。

從圖4的顆粒運動軌跡可以看出：

圖4 不同工況下，不同時刻y=1.6m處粉塵顆粒分布圖

①在射流風機的作用下，隧道內爆破產生粉塵顆粒在射流風的卷吸作用下向洞口移動，在掌子面處，射流風對掌子面沖擊回流形成渦流區(qū)，進而形成旋轉氣流，抑制粉塵顆粒向外遷移，導致粉塵在渦流區(qū)內滯留，爆破產生的粉塵在遷移過程中，受重力影響，粉塵顆粒不斷沉降，使得隧道下部粉塵濃度高于隧道頂部；

②在隧道內風流場中，當風管布置在隧道頂部時，隧道內側粉塵遷移速率高于外側，與風流場中風速分布規(guī)律一致，但隧道施工通風過程中，斷面風速不斷下降，對粉塵顆粒運輸能力也不斷下降，同時由于風流與隧道壁面間的摩擦阻力，壁面處風速較慢，導致粉塵在壁面處移動速度較隧道中部慢，因此爆破產生的粉塵在曲線隧道運輸過程中，受風流場和隧道環(huán)境綜合影響，當射流風速大于隧道壁面影響時，此處空間常位于靠近掌子面處，受風流支配，隧道兩側粉塵分布存在較大差異，當風流到達內部風流穩(wěn)定區(qū)后，粉塵顆粒呈U形分布形態(tài)向洞口排出；

③當風管布置在不同隧道部位時，外界空氣經(jīng)射流風機加速進入隧道，因此在射流風直接沖擊的空間，粉塵顆粒較少，在隧道的其余空間，風流到達穩(wěn)定區(qū)之前，可以看出當風管布置在隧道外側及外側拱肩時，粉塵遷移速率略高于其他工況，并且粉塵分布較其他工況更為平均，當風管布置與隧道內側時，粉塵顆粒進一步向隧道內側聚集，與風流場特性接近，在進入風流穩(wěn)定區(qū)之后，粉塵遷移速率接近，整體均呈U形分布，與風管布置因素無關。

5 結論

本文基于五阱明隧道通風工況，小半徑曲線隧道中風管布置因素對風流場及粉塵遷移規(guī)律進行數(shù)值模擬研究，得出以下幾點結論。

①小半徑曲線隧道施工通風過程中，隧道風流場在隧道曲率半徑的影響下，核心區(qū)向隧道外側偏移，使隧道外側風速高于隧道內側風速；

②風管布置因素能人為控制隧道內風流場，當風管布置在一側，對側風速較高，因此在小半徑曲線隧道施工通風過程中，為保證隧道內的風流場平均，風管應靠隧道外側布置；

③小半徑曲線隧道施工通風過程中，風流場與粉塵遷移規(guī)律相關，在靠近掌子面處，風流場特性與粉塵移動軌跡接近，在進入風流穩(wěn)定區(qū)之后，粉塵遷移速呈U形分布。