公路隧道巷道式施工通風(fēng)瓦斯分布研究

曾 昌, 姚志剛, 范建國(guó), 方 勇，*

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

?

公路隧道巷道式施工通風(fēng)瓦斯分布研究

曾 昌1, 姚志剛2, 范建國(guó)2, 方 勇2，*

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

為探究瓦斯公路隧道巷道式施工通風(fēng)中瓦斯的體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，利用流體力學(xué)研究軟件FLUENT建立三維隧道模型并進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)部整體、掌子面附近和主洞與橫通道連接處瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布的研究，分析了隧道內(nèi)部瓦斯分布的具體特點(diǎn)并深入探討了內(nèi)部回流區(qū)、渦流區(qū)和瓦斯容易聚集的位置。模擬結(jié)果表明：瓦斯從一側(cè)主洞涌出后，不會(huì)對(duì)另一側(cè)造成污染； 渦流區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)明顯大于周?chē)鷧^(qū)域； 風(fēng)管所在一側(cè)截面上瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布明顯低于異側(cè)。

公路隧道； 巷道式通風(fēng)； 數(shù)值模擬； 瓦斯分布

0 引言

我國(guó)地域遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，在隧道工程建設(shè)中，不可避免地會(huì)遇到瓦斯等有毒有害氣體涌出的情況。在施工建設(shè)這些隧道時(shí)，除了需要掌握常規(guī)的施工技術(shù)之外，對(duì)瓦斯等有毒有害氣體的防治顯得尤為重要，合理的控制標(biāo)準(zhǔn)和與之呼應(yīng)的通風(fēng)方案是保證有毒有害氣體隧道安全生產(chǎn)的先決條件。目前，我國(guó)在高瓦斯隧道施工通風(fēng)中所能執(zhí)行的技術(shù)規(guī)范、技術(shù)條款還不完善，許多方面仍在引用煤礦行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[1]，然而引用煤礦行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范并不能很好地滿足隧道施工通風(fēng)的要求。因此，對(duì)于公路瓦斯隧道施工時(shí)洞內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律進(jìn)行研究對(duì)隧道安全施工、確保施工人員的安全有重要的意義。

在如今長(zhǎng)大鐵路隧道越來(lái)越多的背景下，巷道式通風(fēng)作為目前解決長(zhǎng)隧道施工通風(fēng)最有效的方法，已成為目前最為主要的通風(fēng)手段。隧道巷道式施工通風(fēng)流場(chǎng)分布復(fù)雜，遇到有瓦斯涌出時(shí)，對(duì)于其流場(chǎng)和體積分?jǐn)?shù)分析更是難上加難。簡(jiǎn)單依靠試驗(yàn)研究和經(jīng)驗(yàn)公式難以全面準(zhǔn)確反映流場(chǎng)分布特性，因而，對(duì)于流場(chǎng)的分析通?；谟?jì)算流體力學(xué)理論的模擬軟件。W.K.Chow[2]運(yùn)用軟件CFD數(shù)值模擬了公路隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)的擴(kuò)散模型； Shinji Tomita等[3]利用相似實(shí)驗(yàn)?zāi)M了掘進(jìn)掌子面的瓦斯涌出，提出風(fēng)筒出口位置對(duì)流場(chǎng)有較大影響； C.Rudin[4]數(shù)值模擬了長(zhǎng)大隧道施工期間的煙氣擴(kuò)散分布； 劉釗春等[5]采用有限元軟件ADINA的CFD模塊對(duì)施工通風(fēng)掘進(jìn)面有害氣體體積分?jǐn)?shù)擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬； 徐昆侖[6]采用軟件FLUENT研究了局部掘進(jìn)掌子面的風(fēng)流流場(chǎng)及瓦斯分布規(guī)律； 彭露等[7]對(duì)巷道式通風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同風(fēng)速情況下有毒有害氣體體積分?jǐn)?shù)的分布情況； 高建良等[8]利用軟件FLUENT研究了局部通風(fēng)巷道掘進(jìn)工作面的瓦斯分布規(guī)律。

隧道巷道粗糙程度對(duì)于隧道通風(fēng)具有重要影響，而以往研究大多未考慮隧道洞壁的影響。本文在考慮隧壁粗糙度對(duì)流場(chǎng)影響的基礎(chǔ)上，采用流體力學(xué)軟件FLUENT[9]的Gambit程序建立了隧道射流巷道式通風(fēng)三維模型，應(yīng)用FLUENT處理模塊對(duì)隧道有瓦斯涌出時(shí)的巷道式通風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行仿真，分析風(fēng)機(jī)作用下隧道內(nèi)瓦斯的分布規(guī)律，討論流場(chǎng)中可能聚集瓦斯的位置，并提出可行的解決方法以確保施工的安全進(jìn)行。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 風(fēng)流狀態(tài)分析

對(duì)隧道內(nèi)風(fēng)流流動(dòng)型態(tài)的正確分析是確定合理數(shù)學(xué)模型的基本條件。根據(jù)流體力學(xué)基本知識(shí)可知，風(fēng)流存在層流和紊流2種型態(tài)。通常利用下臨界雷諾數(shù)ReC與流體流動(dòng)的雷諾數(shù)Re進(jìn)行比較來(lái)判別流體的流動(dòng)型態(tài)。

當(dāng)流體在圓管中流動(dòng)時(shí)，雷諾數(shù)的表達(dá)式為

式中：υ為流動(dòng)斷面上平均流速，m/s； v為流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s； d為管道直徑，m。

若ReReC=2 300，則流動(dòng)狀態(tài)為紊流，本文研究對(duì)象為紊流。

除了流動(dòng)型態(tài)以外，流體的壓縮性同樣影響著數(shù)學(xué)模型的確定。流體壓縮性通常是根據(jù)馬赫數(shù)來(lái)表征[10]：

式中：υ為流體的流速，m/s；c為音速，340 m/s。

本文中隧道局部通風(fēng)風(fēng)速較低，馬赫數(shù)Ma<0.3，視為不可壓縮流體，在模擬中可以忽略空氣密度隨壓力的變化。

1.2 控制方程

為方便數(shù)值計(jì)算，先作如下假設(shè)：整個(gè)過(guò)程中無(wú)能量交換；隧道內(nèi)氣體假定為不可壓縮體；流體運(yùn)動(dòng)各向同性。基于以上假設(shè)，再考慮到隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)為紊流，在大量的資料調(diào)研及初步計(jì)算的基礎(chǔ)上擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程紊流模型，其控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、紊流流動(dòng)能量方程、k方程、ε方程和流體組分質(zhì)量守恒方程[11]。方程具體形式如下：

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

紊流流動(dòng)能量方程

k方程

ε方程

組分(瓦斯/硫化氫)質(zhì)量守恒方程

式中：vi為速度分量，m/s；p為時(shí)均壓力，Pa；Pr為充分紊流時(shí)的普朗特?cái)?shù)；cp為空氣的定壓比熱，kJ/(kg·K)；k為紊流動(dòng)能，m2/s2；ε為紊流的動(dòng)能耗散率，m2/s3；G為紊流脈動(dòng)動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；q為熱流密度，W/m3；T為流體溫度，K；ρ為流體密度，kg/m3；μ為層流動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa·s；μt為紊流動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa·s；cs為瓦斯的體積分?jǐn)?shù)；ρcs為瓦斯的質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)；Ds為瓦斯的擴(kuò)散系數(shù)；Ss為單位時(shí)間單位體積組分的生產(chǎn)率；c1、c2、σε、σk、cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，c1=1.44，c2=1.92，σε=1.30，σk=1.00，cμ=0.09。

2 數(shù)值模型

2.1 幾何模型的建立

以某高速公路隧道實(shí)際尺寸為參考，利用Gambit建立隧道射流巷道式通風(fēng)三維模型，假定瓦斯從掌子面迎頭涌出。為方便模擬分析，選取基本幾何尺寸為：模擬隧道長(zhǎng)度300 m，送風(fēng)管直徑1.6 m，射流風(fēng)機(jī)直徑1 m等。簡(jiǎn)化后隧道通風(fēng)幾何模型示意圖如圖1所示。

2.2 計(jì)算網(wǎng)格的劃分

利用FLUENT的Gambit程序進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分。根據(jù)模型特點(diǎn)，選擇分區(qū)劃分方式，涉及到的網(wǎng)格劃分類型有Cooper及Tet/Hybrid 2種，體網(wǎng)格元素主要為四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格，在某些地方也會(huì)采用契形網(wǎng)格和金字塔形網(wǎng)格來(lái)劃分。

確定網(wǎng)格劃分方案后模型被劃分為950 712個(gè)單元、2 055 044個(gè)面和256 884個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

(a)x-z截面

(b)y-z截面

(c)三維示意圖

(a)隧道左、右洞洞口端網(wǎng)格剖分示意圖

(b)橫通道處網(wǎng)格剖分示意圖

(c)掌子面網(wǎng)格剖分示意圖

2.3 邊界條件

參照隧道實(shí)際施工通風(fēng)情況定義邊界條件如下：

1)左右雙洞中2個(gè)送風(fēng)管出風(fēng)口均為入口邊界，類型為Velocity-Inlet，且v1=v2=19.397 m/s；

2)左右雙洞及橫通道中3臺(tái)射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口均為入口邊界，類型為Velocity-Inlet，v=34.2 m/s； 射流風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口為入口邊界，類型為Mass-Flow Inlet，且Q=26.9 m3/s；

3)右洞進(jìn)口斷面為入口邊界，類型為Pressure-Inlet，左洞進(jìn)口斷面為出口邊界，類型為Pressure-Outlet，所有壓力值的大小都是相對(duì)于Operating condition參考?jí)毫Φ闹?101 325 Pa)；

4)隧道壁面及風(fēng)管管壁邊界類型均為固壁邊界(Wall)，且滿足無(wú)滑移條件。

本文對(duì)瓦斯從下臺(tái)階面煤層壁面均勻溢出運(yùn)用瓦斯源項(xiàng)[12]來(lái)處理，在下臺(tái)階近壁面的第1層網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)設(shè)置瓦斯源，根據(jù)瓦斯涌出量設(shè)定瓦斯源項(xiàng)的值，包括質(zhì)量源項(xiàng)和動(dòng)量源項(xiàng)，其中動(dòng)量源項(xiàng)僅考慮x方向。

2.4 離散化方程及求解方法的確定

本文中瓦斯(CH4)紊流擴(kuò)散流動(dòng)流場(chǎng)，Pressure壓力差值方式選用PRESTO格式，為減小數(shù)值計(jì)算中假擴(kuò)散所產(chǎn)生的誤差，k和ε方程、Momentum的離散化格式均采用具有較高精度的QUICK格式。

FLUENT對(duì)離散之后的差分方程組有許多不同的解法，本文在模擬計(jì)算中，壓力速度耦合方式采用SIMPLEC算法來(lái)提升收斂速度。

3 瓦斯涌出結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)際工況的測(cè)試數(shù)據(jù)，左、右隧洞掌子面風(fēng)管出風(fēng)口風(fēng)量Qz=Qy=38.99 m3/s，瓦斯從右洞(送風(fēng)洞)掌子面涌出，且涌出量QCH4=0.39 m3/s。

3.1 隧道內(nèi)瓦斯總體分布規(guī)律

在對(duì)隧道射流巷道式通風(fēng)局部流場(chǎng)瓦斯分布特點(diǎn)進(jìn)行研究之前，先對(duì)整個(gè)模擬隧道內(nèi)的瓦斯總體分布規(guī)律進(jìn)行探討。圖3為瓦斯從右洞和左洞涌出時(shí)的體積分?jǐn)?shù)分布圖(所選觀側(cè)面y=3.5為風(fēng)管出風(fēng)口中心點(diǎn)所在截面)，對(duì)比(a)和(b)可知，瓦斯從左右掌子面涌出時(shí)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)在橫通道之前分布規(guī)律基本相同：1)瓦斯從一側(cè)涌出后，不會(huì)對(duì)另一側(cè)掌子面形成污染； 2)涌出面前10 m內(nèi)瓦斯與空氣混合較不均勻，射流區(qū)、回流區(qū)及渦流區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)差異明顯； 3)涌出面前一定距離處布設(shè)的射流風(fēng)機(jī)引射風(fēng)流從出風(fēng)口高速射出，形成渦流區(qū)，導(dǎo)致小范圍內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化梯度增大； 4)射流流動(dòng)一定長(zhǎng)度后逐漸穩(wěn)定，行進(jìn)至橫通道與主洞連接處，瓦斯體積分?jǐn)?shù)梯度再次發(fā)生較大改變。

不同點(diǎn)表現(xiàn)在橫通道之后的左洞：1)從右洞(送風(fēng)洞)涌出時(shí)，左洞的瓦斯體積分?jǐn)?shù)在橫通道處最高，之后逐漸下降； 2)從左洞(排風(fēng)洞)涌出時(shí)，污染風(fēng)在橫通道處與新鮮風(fēng)混合，體積分?jǐn)?shù)有所降低，并很快趨于穩(wěn)定。

(a)右洞涌出

(b)左洞涌出

圖4為瓦斯從右洞涌出時(shí)，左、右隧洞內(nèi)瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)變化曲線。x=150處(橫通道與正洞連接處)是左、右隧洞瓦斯體積分?jǐn)?shù)大小交替的分界。當(dāng)x>150時(shí)，右洞瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)自掌子面向洞口方向逐漸降低，且掌子面前0.3 m截面(x=299.7)瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)值最大，為0.54%； 左洞該區(qū)段內(nèi)不受影響，瓦斯體積分?jǐn)?shù)均為0。當(dāng)x<150時(shí)，右洞送風(fēng)段均為新鮮空氣，不受污染風(fēng)流的影響，瓦斯體積分?jǐn)?shù)均為0； 左洞內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)增大到0.05%左右，這是由于該區(qū)段為巷道式通風(fēng)的排風(fēng)段，是最終混合均勻后的風(fēng)流排出洞外的渠道，與圖3所示結(jié)論相一致。

圖4 左、右隧洞內(nèi)瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)變化曲線(截面y=3.5)

Fig. 4 Variation curves of average gas concentration in left tunnel tube and right tunnel tube (Sectiony=3.5)

3.2 掌子面瓦斯分布規(guī)律

由于掌子面瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律基本相同，故僅對(duì)瓦斯從右洞涌出時(shí)，右洞掌子面瓦斯分布規(guī)律進(jìn)行研究。

風(fēng)管出風(fēng)口中心點(diǎn)所在截面上瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布如圖5所示。瓦斯體積分?jǐn)?shù)自風(fēng)管出風(fēng)口中心點(diǎn)向外呈發(fā)散狀并逐漸增大，與風(fēng)管異側(cè)的掌子面近壁處瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大，達(dá)1.02%。對(duì)比幾個(gè)區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)發(fā)現(xiàn)，渦流區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)明顯大于周?chē)鷧^(qū)域。

進(jìn)一步對(duì)左洞掌子面前100 m內(nèi)橫斷面上的瓦斯分布規(guī)律進(jìn)行討論分析。

1)掌子面前0.3 m斷面(x=299.7)上瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布如圖5(b)所示，瓦斯體積分?jǐn)?shù)自靠近風(fēng)管一側(cè)向遠(yuǎn)離風(fēng)管一側(cè)逐漸增大，在遠(yuǎn)離風(fēng)管一側(cè)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)1.99%，該區(qū)域?yàn)橐装l(fā)生瓦斯積聚的關(guān)鍵區(qū)域，施工通風(fēng)中應(yīng)給予關(guān)注。

2)掌子面前10 m斷面(x=290)上瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布如圖6(a)所示，瓦斯體積分?jǐn)?shù)整體下降，體積分?jǐn)?shù)分級(jí)弱化。部分瓦斯在浮升力作用下上浮，斷面上瓦斯最高體積分?jǐn)?shù)值為0.75%。

3)掌子面前50 m斷面(x=250，射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口所在斷面)上瓦斯分布如圖6(b)所示，斷面上瓦斯體積分?jǐn)?shù)重新分布，自射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處向外逐漸增大，但整體體積分?jǐn)?shù)均不大于0.62%。

4)掌子面前100 m斷面(x=200)上瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布如圖6(c)所示，瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布均勻，在0.24%左右，此時(shí)回風(fēng)流中瓦斯與空氣已基本混合均勻。

(a)y=3.5

(b)x=299.7

(a)x=290

(b)x=250

(c)x=200

3.3 橫通道與正洞連接處瓦斯分布規(guī)律

因?yàn)橥咚箯挠叶从砍鰰r(shí)橫通道處流場(chǎng)分布更為復(fù)雜，依然選取瓦斯從右洞涌出進(jìn)行研究。

橫通道與主洞連接處的瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布如圖7所示，右洞掌子面回風(fēng)流通過(guò)橫通道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)卷吸引射作用流入左洞，橫通道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)自右洞向左洞流動(dòng)過(guò)程中逐漸減小，由0.2%減小到0.05%，瓦斯進(jìn)入左洞后，污染了洞內(nèi)潔凈空氣，左洞回風(fēng)道瓦斯體積分?jǐn)?shù)增大到了0.05%。右洞內(nèi)送風(fēng)段新鮮風(fēng)流與掌子面回風(fēng)流交界處瓦斯體積分?jǐn)?shù)梯度較大。

在巷道式通風(fēng)過(guò)程中，若送風(fēng)洞掌子面瓦斯涌出，應(yīng)特別注意橫通道與正洞連接處的通風(fēng)，因?yàn)榇颂幩淼澜Y(jié)構(gòu)形式特殊，易形成渦流區(qū)，導(dǎo)致瓦斯積聚難以排出，此外，應(yīng)把握好送風(fēng)洞內(nèi)壓送新風(fēng)到掌子面的軸流風(fēng)機(jī)與橫通道的布設(shè)間距(模型中風(fēng)機(jī)布設(shè)距橫通道30 m)，盡量避免風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口內(nèi)卷吸含有瓦斯的氣體，導(dǎo)致污染風(fēng)流的循環(huán)，造成掌子面二次污染。

圖7 橫通道與正洞連接處瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布圖(截面y=3.5)

Fig. 7 Distribution of gas at connection section between connection gallery and main tunnel (Sectiony=3.5)

4 風(fēng)管出風(fēng)量對(duì)瓦斯分布影響

4.1 掌子面風(fēng)管管口出風(fēng)量對(duì)巷通式通風(fēng)隧道瓦斯分布的影響

為研究掌子面風(fēng)管管口出風(fēng)量對(duì)巷道式通風(fēng)隧道內(nèi)瓦斯分布的影響，在瓦斯從右洞涌出且涌出量QCH4和Qz不變的情況下，對(duì)右洞掌子面風(fēng)管管口出風(fēng)量分別為Qy=19.5 m3/s、2Qy和4Qy時(shí)的模型進(jìn)行仿真計(jì)算。3種工況下右洞掌子面前0.3 m斷面上瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)右洞掌子面風(fēng)管出風(fēng)量分別為Qy、2Qy和4Qy時(shí)，對(duì)應(yīng)截面x=299.7上最高瓦斯體積分?jǐn)?shù)值分別為4.756%、1.991%和1.188%。即管口出風(fēng)量越大，斷面上瓦斯最高體積分?jǐn)?shù)值越小，且遠(yuǎn)離風(fēng)管一側(cè)的高瓦斯區(qū)域范圍越小。在出風(fēng)量達(dá)到4Qy時(shí)，斷面上的高瓦斯區(qū)域占較小比例。

這是因?yàn)?，在瓦斯涌出量一定、右洞掌子面?.3 m斷面上瓦斯體積分?jǐn)?shù)在風(fēng)管管口直徑一定的前提下，增大風(fēng)管管口的出風(fēng)量就意味著出口射流速度增大，射流速度越大，到達(dá)掌子面時(shí)的沖擊作用越強(qiáng)，瓦斯與空氣混合越均勻。

(a)右洞掌子面風(fēng)管出風(fēng)量為Qy

(b)右洞掌子面風(fēng)管出風(fēng)量為2Qy

(c)右洞掌子面風(fēng)管出風(fēng)量為4Qy

Fig. 8 Distribution of gas at cross-section 0.3 m ahead of working face of right tunnel tube (x=299.7)

4.2 右洞掌子面風(fēng)管管口出風(fēng)量對(duì)橫通道及左洞排風(fēng)段瓦斯分布的影響

3種工況下橫通道與正洞連接處軸向剖面(截面y=3.5)上瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布如圖9所示。

(a)右洞掌子面風(fēng)管出風(fēng)量為Qy

(b)右洞掌子面風(fēng)管出風(fēng)量為2Qy

(c)右洞掌子面風(fēng)管出風(fēng)量為4Qy

Fig. 9 Distribution of gas at connection section between connection gallery and main tunnel (Sectiony=3.5)

由圖9可知，將3種工況下橫通道與正洞連接處瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布圖以0.05%～0.35%區(qū)間顯示時(shí)，當(dāng)右洞掌子面風(fēng)管出風(fēng)量為Qy時(shí)，橫通道瓦斯體積分?jǐn)?shù)大部分處于0.35%左右，自右洞向左洞流動(dòng)過(guò)程中體積分?jǐn)?shù)值逐漸降低，風(fēng)流與左洞內(nèi)風(fēng)流混合后排風(fēng)段內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.09%左右； 當(dāng)右洞掌子面風(fēng)管出風(fēng)量為2Qy時(shí)，橫通道瓦斯體積分?jǐn)?shù)大部分處于0.23%左右，混合后左洞排風(fēng)段內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.06%左右； 當(dāng)右洞掌子面風(fēng)管出風(fēng)量為4Qy時(shí)，橫通道瓦斯體積分?jǐn)?shù)大部分處于0.20%左右，混合后左洞排風(fēng)段內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.05%左右。

5 結(jié)論與討論

本文利用FLUENT軟件對(duì)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，在考慮隧道巷道粗糙影響的基礎(chǔ)上分析了隧道內(nèi)瓦斯分布的一般規(guī)律及其影響因素，對(duì)于瓦斯隧道施工通風(fēng)具有一定參考意義。主要結(jié)論與建議如下：

1)瓦斯從一側(cè)主洞涌出后，不會(huì)對(duì)另一側(cè)造成污染；渦流區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)明顯大于周?chē)鷧^(qū)域；瓦斯體積分?jǐn)?shù)梯度在橫通道處發(fā)生改變。

2)風(fēng)管所在一側(cè)截面上瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布明顯低于異側(cè)；瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化梯度自風(fēng)管所在一側(cè)至另一側(cè)逐漸增大。

3)在掌子面前50 m內(nèi)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布不均勻。距掌子面50 m后各斷面瓦斯體積分?jǐn)?shù)重新分布，體積分?jǐn)?shù)降低。

4)對(duì)比瓦斯在橫斷面上的分布發(fā)現(xiàn)：在與空氣混合逐漸均勻的過(guò)程中，靠近地表附近瓦斯體積分?jǐn)?shù)較低，靠近拱頂?shù)耐咚贵w積分?jǐn)?shù)較高。

5)送風(fēng)洞風(fēng)管管口出風(fēng)量越大，右洞內(nèi)靠近橫通道的區(qū)域瓦斯分布越均勻，橫通道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)越小，左洞排風(fēng)段內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)越小。

瓦斯分布不但與瓦斯涌出量、涌出位置有關(guān)，而且與通風(fēng)量、通風(fēng)管道設(shè)置位置、風(fēng)壓分布等有關(guān)，同時(shí)還與隧道凈空、平縱面布置和洞外氣象因素等有關(guān)。本文結(jié)合背景工程模擬研究時(shí)，出風(fēng)口位置以及瓦斯體積分?jǐn)?shù)等都已經(jīng)確定，因此，只考慮了風(fēng)量和瓦斯涌出位置的變化，研究設(shè)計(jì)存在一些不足之處，巷道式施工瓦斯分布有待進(jìn)一步深入研究。

[1] 煤礦安全規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)法制出版社，2011.(Coal mine safety regulations[S]. Beijing: China Legal Publishing House,2011.(in Chinese))

[2] Chow W K. Dispersion of carbon monoxide from a vehicular tunnel with the exit located along a hillside[J].Tunneling and Underground Space Technonogy,1989,4(2): 231-234.

[3] Tomita S, Inoue M, Uchino K. Behavior of airflow and methane at heading faces with auxiliary ventilation system[C]// Proceedings in Mining Science and Technology. [S.l.]: [s.n.], 1999.

[4] Rudin C. Fires in long railway tunnel: The ventilation concepts as opted in the Alptransit projects[C]//10th International Symposium on the Aerodynamics & Ventilation of Vehicle Tunnels. Boston: [s.n.], 2000.

[5] 劉釗春, 柴軍瑞， 賈曉梅，等. 壓入式通風(fēng)掘進(jìn)面有害氣體體積分?jǐn)?shù)擴(kuò)散數(shù)值模擬[J]. 巖土力學(xué)，2009，30(增刊2)：536-539.(LIU Zhaochun, CHAI Junrui, JIA Xiaomei, et al. Numerical simulation of concentration diffusion of harmful gas in heading face with forced ventilation[J]. Rock and Soil Mechanics,2009,30(S2): 536-539.(in Chinese))

[6] 徐昆侖. 局部通風(fēng)掘進(jìn)工作面風(fēng)流流場(chǎng)和瓦斯分布數(shù)值模擬[D]. 焦作：河南理工大學(xué)，2007: 34-40.(XU Kunlun. Numerical simulation on flow field and gas distribution on heading face[D]. Jiaozuo: Henan Polytechnic University, 2007: 34-40.(in Chinese))

[7] 彭露, 張成棟. 巷道式通風(fēng)三數(shù)值仿真研究[J].大眾科技，2009(8): 92-94.(PENG Lu， ZHANG Chengdong. 3D numerical simulation of gallery ventilation [J].Popular Science,2009(8): 92-94.(in Chinese))

[8] 高建良,徐昆倫,吳妍，等. 掘進(jìn)巷道瓦斯分布數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2009,19(1): 18-24.(GAO Jianliang, XU Kunlun, WU Yan, et al. Numerical experiment of methane distribution in developing roadway[J]. China Safety Science Journal, 2009,19(1): 18-24.(in Chinese))

[9] 韓占忠. FLUENT-流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與分析[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社, 2009：168-195.(HAN Zhanzhong. FLUENT-hydrodynamics simulation calculation examples and analysis[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2009: 168-195.(in Chinese))

[10] 邢國(guó)清. 流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社,2009.(XING Guoqing. Hydrodynamics pumps and fans[M]. Beijing：China Electric Power Press,2009.(in Chinese))

[11] 王海橋, 施式亮, 劉榮華, 等. 獨(dú)頭巷道附壁射流通風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2004, 29(4)：425-428.(WANG Haiqiao，SHI Shiliang, LIU Ronghua, et al. Numerical simulation study of ventilation flow field of wall-attached jet in heading face[J]. Journal of China Coal Society, 2004, 29(4)：425-428.(in Chinese))

[12] 劉金金. 局部通風(fēng)傾斜巷道掘進(jìn)工作面瓦斯分布規(guī)律[D].焦作：河南理工大學(xué)，2011: 31.(LIU Jinjin. Probing the regularity of the gas distribution in a sloping head-face on the background of forced auxiliary ventilation[D]. Jiaozuo：Henan Polytechnic University,2011: 31.(in Chinese))

Study of Gas Distribution of Highway Tunnel Using Gallery Ventilation

ZENG Chang1, YAO Zhigang2, FAN Jianguo2, FANG Yong2, *

(1.SchoolofCivilEngineering，SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China;2.KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineeringofMinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

A three-dimentional model of highway tunnel is established and numerically simulated by means of hydrodynamics software Fluent. The gas distribution in main tunnel and connection gallery and at working face are studied; and the gas distribution characteristics in tunnel, especially in recirculating zone, eddy zone and gas concentration zone, are analyzed. The simulation results show that: 1) The gas gushes from a main tunnel has no harm to another main tunnel. 2) The gas concentration in eddy zone is larger than that in surrounding zones. 3) The gas concentration at the side with ventilation pipe is smaller than that at the side without ventilation pipe.

highway tunnel; gallery ventilation; numerical simulation; gas distribution

2015-06-02;

2016-04-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278422)； 四川省青年科技基金項(xiàng)目(2012JQ0021)

曾昌(1991—)，男，湖北仙桃人，西南交通大學(xué)在讀碩士，主要從事隧道施工對(duì)環(huán)境的影響研究。E-mail：584632507@qq.com。*通訊作者：方勇， E-mail：fy980220@swjtu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.011

U 45

A

1672-741X(2016)07-0837-07