0 引言

川中地區(qū)油氣地質構造復雜，具備須家河組、自流井組、千佛崖組等多套生烴能力良好的地層條件，存在溝通深部烴源巖的斷裂構造，背斜構造發(fā)育，區(qū)內蓋層巖性為泥巖，形成了一套有利于淺層天然氣生成、運移、積聚的地質體系，可能導致隧洞在建設過程中因淺層天然氣積聚而發(fā)生燃燒事故[1-3]

針對隧洞瓦斯防治問題，目前較為有效的手段之一是通風，做好隧洞（道）通風工作不僅可以不斷送入新鮮空氣保障施工人員正常呼吸，還能有效排出隧洞（道）內瓦斯氣體，減小瓦斯氣體積聚的可能性，達到稀釋瓦斯氣體的目的[4]。國內已有學者對不同地質條件下的隧洞（道）施工通風進行了研究。張磊等[5]應用RNG k-ε 雙方程湍流模型，利用SIM-PLE求解方法對不同風速條件下施工通風進行仿真模擬，當斷面風速大于 0.5m/s 時，可保證隧道氣流達到完全紊流狀態(tài)，明顯消除隧道拱頂瓦斯積聚現(xiàn)象。胡代清等[基于大渦模擬（LES）數(shù)值方法，建立了長隧洞施工中空氣流動及不同氣體組分輸運的數(shù)值仿真模型。朱學賢等7根據(jù)國家和水利行業(yè)標準，結合滇中引水工程香爐山隧洞現(xiàn)場施工方法，優(yōu)化了隧洞通風和防塵控制標準。劉震等提出了考慮復雜長豎井引水隧洞施工通風特點的歐拉兩相流數(shù)學模型，對施工通風過程進行數(shù)值模擬研究，并用現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了模型可靠性。楊漢銘等對貴州某水利樞紐隧洞施工中發(fā)生的瓦斯突出情況，采取了超前鉆孔、瓦斯抽排和灌漿封堵等措施，確保了現(xiàn)場施工質量和安全。劉春等1利用Flunet軟件建立力學分析模型，研究壓入式通風下超大斷面瓦斯?jié)舛群惋L速變化規(guī)律，以及風筒安裝位置對瓦斯?jié)舛葦U散的影響情況。

綜上，目前針對隧洞（道）瓦斯通風的研究主要集中在斷面面積較大的交通隧道或是水工尾水隧洞，利用流體力學類數(shù)值模擬軟件對通風效果進行研究，以得到瓦斯?jié)舛葦U散或風流分布規(guī)律等，但對于水工特小斷面隧洞通風的研究還比較少。

與交通隧道相比，通常情況下水工隧洞斷面面積更小，尤其是特小斷面隧洞斷面面積往往小于 10m² ，具有施工空間小、風筒直徑受限等問題，更不容易將瓦斯氣體排出。由于斷面面積大小差異，隧洞（道）空間內風流和瓦斯氣體運動分布規(guī)律也會有明顯不同，而特小斷面隧洞更容易造成瓦斯氣體的積聚，對于瓦斯氣體的排出和濃度稀釋不利[11-12]，受到瓦斯氣體威脅更大。因此，為保障高瓦斯特小斷面水工隧洞安全施工，有必要研究其風流和瓦斯分布規(guī)律。

本文依托亭子口大型灌溉工程典型高瓦斯特小斷面水工隧洞，通過CFD數(shù)值模擬軟件，結合現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析特小斷面水工隧洞空間內風流和瓦斯分布規(guī)律，根據(jù)所得出的結果，提出針對特小斷面水工隧洞瓦斯氣體防治的工程措施，以提高工程施工的安全性。

1 工程簡介

亭子口灌區(qū)工程是國務院確定的172項重大水利工程之一，涉及四川省廣元、南充、廣安、達州4市13個縣（區(qū)），包括隧洞72座（含施工支洞），隧洞洞徑為1.8～7.5m ，隧洞埋深為 16～312m ，隧洞的長度為55.43～9729.55m_? 。隧洞群主要穿越白堊系和侏羅系地層，出露地層巖性以砂巖、粉砂巖和泥巖為主，巖層緩傾，發(fā)育寬緩隔檔式褶皺，局部斷裂構造較發(fā)育，為典型紅層地質條件。工區(qū)含油氣構造主要為有利于油氣儲存的背斜構造，其中九龍山背斜、儀隴背斜、雙河場背斜及營山背斜等最具代表性。

本文選取亭子口灌區(qū)工程新廟子隧洞進行通風研究。新廟子隧洞為城門洞型，開挖方式為獨頭掘進，風筒采用硬質材料，風機功率為 37kW ，風機額定功率條件下風筒送風量為 14000～16000m³/min 。新廟子隧洞開挖斷面面積為 3.2m² ，為特小斷面隧洞（表1），隧洞總長度 1905m ，最大埋深 129m ，穿越侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組粉砂質泥巖和砂巖。地質構造上，新廟子隧洞位于儀隴背斜東北翼，洞身圍巖等級以V級為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，施工過程中檢測到掌子面瓦斯最高濃度超0.8% 。

2 數(shù)值模型建立

2.1 數(shù)值模擬軟件簡介

CFD軟件通過前處理對流體區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，賦予模型初始條件、邊界條件、求解模型和一系列松弛因子后求得近似解，后處理則為處理各種定性和定量的結果。

2.2 模擬計算假定

（1）瓦斯隧洞內風流的馬赫數(shù)低于0.3，將其視為三維黏性不可壓縮氣體。

（2）能量守恒。選取的隧洞最大埋深為 151m ，并且不存在地溫異常，隧洞與外界溫度幾乎一致，因此假定隧洞壁面絕熱，隧洞內流體服從能量守恒定律。

（3）隧洞內流場的雷諾數(shù) Regt;1×10⁵ ，屬于湍流狀態(tài)。隧洞風筒均采用硬質材料，風筒出風口處風流的速度均勻且各向同性，風流方向垂直于風筒口射向掌子面。

（4）隧洞內有害氣體為瓦斯，假定瓦斯涌出點為掌子面拱底中心。

2.3 邊界條件

根據(jù)水工隧洞實際輪廓大小建立長 100m 的隧洞模型，通風時間為 5min 。數(shù)值模擬的邊界條件如下。

（1）進口邊界條件。風筒出風口采用速度入口邊界，風流方向垂直管口射向工作面。（2）出口邊界條件。隧洞出口采用自由出流邊界條件。（3）壁面邊界條件。隧道內所有壁面均定義為墻壁面絕熱無滑移邊界條件。粗糙高度和粗糙系數(shù)分別設置為0.03和0.5。（4）瓦斯源項。掌子面設置為質量流入邊界，掌子面拱底中心處為瓦斯涌出的質量源項。隧洞掌子面絕對瓦斯涌出量為 1.5m³/min 。

計算模型中各參數(shù)結合工程實際情況綜合取值，見表2。

3數(shù)值模擬結果分析

對所選取的特小斷面瓦斯隧洞通風效果進行模擬，根據(jù)數(shù)值模擬結果，分析風流分布和瓦斯?jié)舛葦U散的規(guī)律，探究特小斷面隧洞通風效果。

3.1 隧洞風流分布情況

圖1＼～2顯示，風流流出風筒出風口后逐漸偏轉方向，斜向掌子面下部射流，與掌子面撞擊后風流轉為貼壁射流。風流在轉角處上方以弧形的流線通過后緊貼洞底流動，轉角區(qū)內部無氣流通過。緊貼洞底運動的氣流受到隧洞空間限制、洞壁和風筒壁面的阻礙、風筒出風口壓力的影響后發(fā)生有旋流，氣流斜向洞外運動，垂直洞頂運動，斜向掌子面運動，在掌子面前方形成規(guī)模大、強度大的渦流。渦流分別位于風筒上下兩側，風筒出風口后方無渦流形成，距掌子面約 10m 處風流開始穩(wěn)定，為定常流。

渦流首先經過掌子面下部、轉角區(qū)域、隧洞底部，接著運動至風筒下方、掌子面附近隧洞空間，導致這些區(qū)域瓦斯?jié)舛容^高。此外，轉角區(qū)域僅存在瓦斯自由擴散速度，無對流擴散速度，自由擴散的速度遠小于對流擴散，瓦斯氣體容易在此積聚，為局部瓦斯聚集區(qū)域。

圖3顯示，受隧洞空間的限制，氣流未在橫斷面上形成完整的渦流，氣流的運動狀態(tài)基本為平行壁面指向洞外，隧洞頂部風流速度高于隧洞底部。

3.2 隧洞瓦斯分布情況

圖4～5顯示，通風穩(wěn)定后，隧洞的最高瓦斯?jié)舛冗h超限值，通風無法有效稀釋瓦斯氣體。掌子面附近新鮮空氣所占的空間小，供給施工人員呼吸的空氣量少。距掌子面一定距離的隧洞中瓦斯分布均勻，洞內瓦斯?jié)舛冉咏拗担瑢κ┕げ焕?。距掌子面小?12m 的空間內瓦斯?jié)舛容^高，瓦斯?jié)舛茸罡叩募性谕咚褂砍鳇c和掌子面拱頂，這是由于風流在此處形成渦流，阻礙瓦斯氣體的運移，而距掌子面越遠，瓦斯?jié)舛仍降?。隧洞頂、底轉角處瓦斯聚集，轉角區(qū)呈內凸的弧形，緊鄰轉角區(qū)域的掌子面、隧洞壁面瓦斯?jié)舛纫草^高，相比之下掌子面中心區(qū)域瓦斯?jié)舛容^低，這是由于渦流中心處不利于瓦斯聚集。

圖6顯示，距掌子面小于 8m 時，隧洞中心瓦斯?jié)舛茸畹停笥覂蓚日谱用媾c洞壁形成的轉角處瓦斯?jié)舛茸罡?，其次為左右兩側隧洞壁面，再次為隧洞空間。距掌子面大于 8m 后，瓦斯氣體彌漫在整個空間中，幾乎為均勻分布。

圖7顯示，距掌子面距離小于 12m 時，風筒對側壁面瓦斯?jié)舛茸罡?，風筒對側空間的瓦斯?jié)舛却沃?，再次為隧洞頂部。距掌子面距離大于 12m 后，隧洞內瓦斯接近均勻分布，瓦斯氣體彌漫在整個隧洞空間內。

3.3 分析與討論

綜上，特小斷面隧洞風流從風筒出風口運動出來，先以近乎垂直于掌子面的方向進行運動，撞擊掌子面后轉化為緊貼掌子面射流，此時隧洞頂部相比底部風流速度和風流量更大，風流運動方向為平行于洞壁指向洞外。風流受隧洞空間、壁面摩阻力、風筒出風口壓力等共同影響，在掌子面前方形成規(guī)模和強度較大的渦流。斜向洞頂運動的部分風流在運動至風筒時與之碰撞，再次發(fā)生反射，運動方向再次改變，在風筒出風口下方形成較小規(guī)模和強度的渦流，隨后風流逐漸轉變?yōu)榉€(wěn)定流態(tài)，隧洞風流流速達到穩(wěn)定態(tài)時與掌子面距離為 10m 。風流在達到穩(wěn)定流態(tài)時運動方向幾乎與洞壁平行指向洞外。

除了瓦斯涌出源項點，隧洞瓦斯?jié)舛茸畲笾党霈F(xiàn)在掌子面拱頂處，這是由于風流在掌子面拱頂處形成強度較大的渦流，渦流的存在對瓦斯氣體的排出起阻礙作用。隨著風流繼續(xù)向洞外運動，隧洞內瓦斯?jié)舛扰c距掌子面距離呈負相關關系，隧洞瓦斯?jié)舛戎饾u趨于穩(wěn)定時與掌子面距離為 12m ，由于瓦斯密度小于空氣密度，隧洞頂部瓦斯?jié)舛却笥谒矶吹撞俊?/p>

隧洞中風流與瓦斯分布規(guī)律本質上是基于空氣動力學機理所呈現(xiàn)的結果，數(shù)值模擬結果符合空氣動力基本原理，但隧洞斷面面積、風速、瓦斯?jié)舛?、壁面摩阻力等都會對風流和瓦斯實際分布產生影響，因此，在其他小斷面隧洞中，實際的風流和瓦斯分布情況會有差異，在進行對應的數(shù)值模擬時，應盡量考慮以上影響因素，結合隧洞現(xiàn)場條件，保證數(shù)值模擬結果的準確性，符合現(xiàn)場實際情況。

4現(xiàn)場檢測與防治措施

為了驗證特小斷面隧洞通風效果數(shù)值模擬結果，對新廟子隧洞進行現(xiàn)場風速和瓦斯?jié)舛葯z測。

4.1 現(xiàn)場風速檢測

新廟子隧洞風筒直徑為 300mm ，風筒形狀為圓柱形，在現(xiàn)場對風筒出風口中心風速共進行8次檢測，檢測結果如表3所示。

根據(jù)現(xiàn)場實測風筒出風口中心速度，計算新廟子隧洞單位時間送風量：

Q=SV

式中： Q 為風筒每分鐘送風量， m³/min;S 為風筒面積，m² 5 V 為現(xiàn)場檢測風速平均值， m/s 。

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)以及風筒直徑計算可得新廟子隧洞 Q=106.8m³/min ?，F(xiàn)場風筒出風口中心風速小于數(shù)值模擬所需風筒出風口中心風速，推測原因是現(xiàn)場風筒存在局部漏風。

為驗證風流在隧洞內分布規(guī)律，在隧洞內選擇4個與風筒不同距離的斷面進行風速測試，斷面分別在風筒前方 1.0，1.6，2.4，5.0m 處，距離隧洞底板高度1.7m 的水平位置上。檢測示意見圖8，檢測結果如表4＼～7所示。

根據(jù)上述4組現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)結果，斷面風速整體上呈現(xiàn)距離風筒越遠，風速越低的特點。同一檢測點位，隨著與風筒距離的增大，風速呈現(xiàn)急速下降，距離風筒 5m 處的檢測斷面，風速幾乎為0；同一檢測斷面，風速較大值均出現(xiàn)在 ① ） ② 號點位，這是由于風筒位置布置所導致。

4.2 現(xiàn)場瓦斯?jié)舛葯z測

對新廟子隧洞洞口至掌子面進行瓦斯?jié)舛葯z測，記錄檢測過程中隧洞瓦斯?jié)舛茸畲笾?，檢測結果如圖9＼～10所示。

根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)可知，從隧洞洞口至風筒后方約 200m 處瓦斯?jié)舛茸畲笾祹缀醣３忠恢?，說明隧洞瓦斯?jié)舛确植季鶆?，此時風流分布在隧洞內已達到穩(wěn)定狀態(tài)；風筒至掌子面瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)急劇升高的趨勢，瓦斯?jié)舛茸畲笾禐?1279×10^-6 ，出現(xiàn)在掌子面處。

為了驗證瓦斯氣體在掌子面附近的積聚規(guī)律，對掌子面進行詳細的瓦斯檢測，檢測結果如圖11所示。根據(jù)掌子面瓦斯?jié)舛葯z測結果可知：掌子面瓦斯?jié)舛茸畲笾禐?1 279×10^-6 ，出現(xiàn)在拱底位置；其次為拱頂處瓦斯?jié)舛茸畲笾担瑸?1258×10^-6 ;最小值為 439× 10^-6 ，位于掌子面中部;掌子面拱頂和拱底瓦斯?jié)舛容^高，中部瓦斯?jié)舛认鄬^低。檢測結果說明掌子面拱頂和拱底是瓦斯容易積聚的位置，這與數(shù)值模擬中瓦斯?jié)舛仍谡谱用娓浇姆e聚規(guī)律吻合。

4.3 瓦斯防治措施

根據(jù)隧洞風流和瓦斯分布的數(shù)值模擬及現(xiàn)場檢測結果可知，特小斷面隧洞風流從風筒出風口出來后，速度呈現(xiàn)迅速衰減的趨勢，并且易在掌子面底角、轉折處形成渦流，不利于瓦斯氣體的稀釋。因此，針對以上問題，提出特小斷面水工隧洞在施工過程中的瓦斯防治措施。

（1）加強人工檢測。重點對隧洞掌子面附近、風筒至掌子面段以及渦流容易形成的隧洞部位進行檢測。（2）保障通風環(huán)境。隧洞施工過程中應盡量減少風筒與掌子面之間的阻礙物，保障風流向掌子面運動和減少渦流的形成。（3）提高通風效率。風筒距離掌子面的距離不宜大于 10m ，并且定期檢查風筒是否存在局部漏風的情況，保障風筒的送風效率。（4）安全通風時長。若隧洞是爆破開挖施工，在掌子面爆破完成以后，應盡量延長通風時間，加強檢測，保證洞內瓦斯氣體濃度降到安全范圍內。（5）人員保護措施。在隧洞施工過程中，施工作業(yè)人員應配備必要的防護面罩，避免因有害氣體突然釋出而吸入后造成身體損傷與室息。（6）適當布置局扇。在掌子面附近及瓦斯容易聚集的部位，可適當布置高功率局扇，加強瓦斯?jié)舛鹊南♂屝Ч?，避免瓦斯聚集?/p>

5結論

本文依托亭子口灌區(qū)典型長距離特小斷面瓦斯隧洞，采用數(shù)值模擬方法，分析了特小斷面隧洞的通風效果，得到特小斷面隧洞風流分布與瓦斯?jié)舛葦U散規(guī)律。

（1）特小斷面隧洞風流在與掌子面撞擊后均形成規(guī)模和強度較大的渦流，渦流外圍是瓦斯氣體容易積聚的地方。

（2）數(shù)值模擬結果表明：出風口距離掌子面 15m 條件下，隧洞風流達到穩(wěn)定流態(tài)時與掌子面距離為10m；瓦斯?jié)舛融呌谄骄鶗r，與掌子面距離為 12m ；當瓦斯涌出點為掌子面拱底時，掌子面拱頂是瓦斯最易積聚的部位。

（3）現(xiàn)場檢測的隧洞風速和瓦斯?jié)舛确植家?guī)律與數(shù)值模擬結果大致相符。

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（編輯：高小雲(yún)）

Study on ventilation of tunnel with high gas and extra - small section in Tingzikou Irrigation District Project

ZHAO Yichuan1，HUANG Lu1，WU Jianhua2，SU Peidong （1.FaculyofrthiendholoouestroeUesityhgduoi；canater Group Co.，Ltd.，Chengdu 610031，China）

Abstract：Thediameter，air pressure andairvolumeoftheairductare limited bythesizeof the tunnel excavation sction，which maylead totheuntimelygas dilution in theconstructionoflong-distance tunnels withextra-smallsection. Therefore，it is necessary to studytheeffectof hydraulic tunnelventilationon gas dilution.Relying onthe Tingzikourrigation District Project，basedon CFDnumerical simulation methodand field measurement，theventilation effectof unnel with extra-smallsection and the air outletof 15 m away from the tunnel face was simulated and analyzed.The results show that： ① After the tunnel airflow collides with the tunnel face，a large-scale and strong eddy current is formed，and the peripheryof theeddy current is the place where gas is easy to accumulate，which hinders the discharge of gas. ② The distance between tunnel airflowand tunnelface is1Om when air flow reaches a stable flow state aftercomingout of the airductoutlet.The distance betweentunnelairflowand tunnelfaceis12 mwhen thegasconcentration gradually tends to be stable after dilution and diffusion under the action of air flow. ③ Through field detection， when gas gushes from the working face point，the vault of working face is the place where gasis mostlikely to accumulate，which is roughly consistent with the numerical simulation results.

Key words：hydraulic tunnel；extra-small section；tunnel ventilation；high gas；CFD；Tingzikou Irigation District Project