長大隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工通風(fēng)優(yōu)化研究

曾婉琳，凌同華，張勝

長大隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工通風(fēng)優(yōu)化研究

曾婉琳1，凌同華1，張勝2

(1. 長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2. 湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

針對長大隧道施工中爆破生成的CO對施工產(chǎn)生的不良影響。本研究在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中，采用壓入式通風(fēng)，測試在長大隧道中的通風(fēng)效果，利用Fluent流體力學(xué)軟件對不同導(dǎo)坑、臺階長度與風(fēng)筒位置的隧道通風(fēng)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了其流場特性與CO氣體擴(kuò)散規(guī)律。研究結(jié)果表明：隧道內(nèi)導(dǎo)坑和臺階的存在，會影響射流發(fā)展；導(dǎo)坑和臺階工作面前方有渦流區(qū)形成，會影響通風(fēng)效果；相同風(fēng)筒布置條件下，隨著導(dǎo)坑和臺階長度的增加，渦流區(qū)范圍越明顯，CO氣體越難排出；隧道導(dǎo)坑和臺階長度相同的條件下，風(fēng)筒布置于隧道拱頂時，CO氣體的排放效果最好。該結(jié)果可為采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的長大隧道通風(fēng)提供參考依據(jù)。

長大隧道；壓入式通風(fēng)；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；CO分布；數(shù)值模擬

在長大隧道施工過程中，隨著爆破工作的進(jìn)行，隧道內(nèi)會產(chǎn)生大量的有害氣體，造成隧道內(nèi)部的空氣污染。若不及時通風(fēng)排出，將威脅到施工人員的生命健康，影響隧道施工進(jìn)程，并帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失[1?5]。因此，做好長大隧道的施工通風(fēng)工作是隧道總體施工過程中的重要環(huán)節(jié)。

壓入式通風(fēng)是長大隧道的一種常用的通風(fēng)方式，通過風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒把新鮮空氣壓入隧道掌子面附近，使隧道內(nèi)的有害氣體排出隧道，具有安裝方便、有效射程長、排出炮煙的作用強(qiáng)等優(yōu)點。許多學(xué)者已對壓入式通風(fēng)的影響因素進(jìn)行了研究。劉釗春[6]等人利用ADINA有限元軟件，研究了獨(dú)頭掘進(jìn)隧道壓入式通風(fēng)條件下有害氣體的減排速度。方勇[7]等人利用Fluent流體力學(xué)軟件，探討了風(fēng)筒出口位置對隧道施工通風(fēng)效果的影響。劉敦文[8]等人運(yùn)用正交數(shù)值模擬試驗，分析了瓦斯隧道施工中風(fēng)筒直徑、懸掛位置及風(fēng)筒口與掌子面距離對瓦斯?jié)舛扔绊懙闹匾皂樞?。彭佩[9]等人采用Fluent軟件分析了臺階法施工的瓦斯分布規(guī)律，提出了通過增加局扇改善通風(fēng)效果的做法。張恒[10]等人利用Fluent軟件，考慮壓入式通風(fēng)筒與射流風(fēng)機(jī)共同作用對高瓦斯隧道通風(fēng)效果的影響，對射流風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒的布置進(jìn)行了優(yōu)化。Fang[11]等人利用CFD軟件對瓦斯隧道全斷面法與臺階法開挖的壓入式通風(fēng)進(jìn)行了模擬，確定了全斷面與臺階法施工下的施工通風(fēng)方案。Chang[12]等人采用CFD軟件，模擬分析了風(fēng)筒位置、通風(fēng)口與掌子面的距離、通風(fēng)風(fēng)速及隧道橫截面面積對壓入式通風(fēng)隧道中流場和CO濃度的影響，確定了CO濃度分布與通風(fēng)時間的關(guān)系。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是隧道施工中常采用的開挖方法，在大斷面隧道中廣泛應(yīng)用[13]。一些學(xué)者還對全斷面與臺階法開挖下的隧道施工通風(fēng)情況進(jìn)行了研究，但針對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的通風(fēng)布置對隧道內(nèi)流場特性及污染氣體濃度分布影響的研究鮮見。因此，作者擬采用CAD軟件建立隧道的三維模型，利用ICEM軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再用CFD軟件中的求解器Fluent對隧道施工通風(fēng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同工況下流場中速度與污染物氣體擴(kuò)散的情況，并對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工下的隧道通風(fēng)方法提出優(yōu)化措施。

1 模型建立

以浙江某隧道為工程背景，該隧道斷面面積116.63 m2，凈寬14.00 m，凈高9.73 m，隧道左、右側(cè)導(dǎo)坑斷面面積28.36 m2，主洞拱部面積20.54 m2，主洞上半斷面面積19.79 m2，主洞下半斷面面積19.58 m2，模擬隧道總長度200 m，風(fēng)筒直徑 1.4 m，風(fēng)筒長180 m。為了研究雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工的導(dǎo)坑與臺階長度及懸掛位置的共同影響，設(shè)置2類通風(fēng)模型：A類模型為導(dǎo)坑和臺階長度為變量，風(fēng)筒懸掛位置在隧道左側(cè)，風(fēng)速為14 m/s；B類模型為風(fēng)筒懸掛位置為變量，導(dǎo)坑和臺階長度不變(雙側(cè)導(dǎo)坑長15 m，上、下臺階長5 m)，風(fēng)筒風(fēng)速為14 m/s。試驗方案設(shè)置見表1。

表1 各工況試驗方案

1、2、3、4分別代表左導(dǎo)坑長度、右導(dǎo)坑長度、主洞拱部長度及主洞上半斷面長度。隧道左、右導(dǎo)坑，主洞拱部，主洞上、下斷面位置如圖1中所標(biāo)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的位置。隧道模型縱、橫斷面圖如圖1～2所示。

根據(jù)隧道的幾何結(jié)構(gòu)，利用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。通過逐級加密網(wǎng)格，對比不同網(wǎng)格數(shù)量下的模擬結(jié)果，最后選擇滿足計算精度的網(wǎng)格模型。A1工況網(wǎng)格總數(shù)為1 894 180，網(wǎng)格質(zhì)量評價指數(shù)最小值為0.664，最大值為0.998，該指標(biāo)范圍為0～1，越接近1的網(wǎng)格越好。將隧道施工開挖方向確定為軸的正方向，隧道橫斷面為-平面，、軸正方向、模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖1 模型橫斷面示意

圖2 模型縱斷面示意

圖3 模型網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學(xué)模型及CO初始濃度計算

2.1 數(shù)學(xué)模型

氣體在隧道內(nèi)流動情況較為復(fù)雜，需對隧道內(nèi)氣體流動情況進(jìn)行簡化，并做出基本假定[14]：①隧道內(nèi)流體視為三維黏性不可壓縮流體且非穩(wěn)態(tài)；②壁面絕熱，忽略氣體黏性力做功；③假定初始時刻，有害氣體均勻地分布在炮煙拋擲距離內(nèi)。

邊界條件設(shè)置：通風(fēng)筒出風(fēng)口設(shè)為速度入口；隧道口設(shè)為自由流出邊界；結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格交界面設(shè)為內(nèi)部面邊界條件；風(fēng)筒管壁及隧道壁面設(shè)為壁面邊界條件，默認(rèn)為無滑移速度。

氣體在隧道內(nèi)的流動屬于紊流流動狀態(tài)，所以湍流模型采用計算功能較強(qiáng)、可信度和精度較高的RNG-模型[15]。隧道內(nèi)氣體流動需遵循數(shù)學(xué)模型，包括：質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程及能量守恒方程，選用無化學(xué)反應(yīng)的組分運(yùn)輸方程來模擬隧道內(nèi)CO氣體的運(yùn)動情況。求解方法是選擇壓強(qiáng)速度關(guān)聯(lián)算法中的SIMPLE格式，收斂條件設(shè)置為各變量的殘差是否小于10?3，若小于則視為滿足計算收斂。

2.2 CO初始濃度計算

隧道爆破作業(yè)后，在工作面前方會產(chǎn)生大量CO、CO2、NOx及粉塵等有害物質(zhì)。由于除CO以外的其他氣體均可溶于水，粉塵也可通過水霧簾幕降塵，唯獨(dú)CO的狀態(tài)較為穩(wěn)定，因此以CO濃度在隧道內(nèi)的分布情況作為通風(fēng)效果的評判標(biāo)準(zhǔn)。

用體積法計算用藥總量的公式為[14]：

式中：為一個爆破循環(huán)的總藥量，kg；為爆破單位體積巖石的炸藥平均消耗量(簡稱炸藥的單耗量)，kg/m3，其值取1.0；1為一個爆破循環(huán)的掘進(jìn)進(jìn)尺，m；為開挖斷面面積，m2。

初始濃度計算式為：

式中：為CO初始濃度；為爆破炸藥用量，kg；為每千克炸藥產(chǎn)生的有毒氣體，m3/kg，取0.04；5為炮煙拋擲長度，m，6=15+/5。

A類模型中的4種工況按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工順序依次設(shè)置，假設(shè)后一工況是在前一工況所產(chǎn)生的CO濃度完全排出隧道后進(jìn)行的。如：A1模型的CO初始濃度僅由左側(cè)導(dǎo)坑開挖10 m所產(chǎn)生，拋擲距離從左側(cè)導(dǎo)坑工作面算起。A類模型CO初始濃度具體計算結(jié)果見表2。

表2 爆破后隧道內(nèi)CO初始濃度

因為B類的導(dǎo)坑及臺階長度A4工況的相同，所以CO初始濃度也與A4工況的相同。中國隧道施工中CO氣體濃度最高容許濃度為24 ppm，特殊情況允許進(jìn)入濃度為80 ppm。

3 結(jié)果分析

3.1 流場分析

1) 導(dǎo)坑與臺階長度的影響

通風(fēng)180 s后，隧道內(nèi)氣體流速已經(jīng)穩(wěn)定，所以取180 s時的數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行流場分析，以A類模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算。經(jīng)過Fluent軟件自帶的后處理功能，可以得到出風(fēng)口中心線至左側(cè)導(dǎo)坑工作面的速度變化曲線(取=?4.75，=7，=180～200)，如圖4所示。

圖4 A類模型通風(fēng)口附近風(fēng)速變化圖

從圖4中可以看出，A類模型的4種隧道工況速度變化趨勢相似，速度均隨著到工作面的距離減小而減小。在距離出風(fēng)口17 m處，各曲線的速度梯度達(dá)到最大，此處氣流對工作面的沖擊力也達(dá)到最大。

為進(jìn)一步研究導(dǎo)坑與臺階長度不同的模型出風(fēng)口附近流場的特點，取出風(fēng)口的中心面=7為觀測面，得到A類模型通風(fēng)口附近速度分布矢量圖，如圖5所示。

A1模型如圖5(a)所示，氣流從風(fēng)筒射出，射入左側(cè)導(dǎo)坑內(nèi)，在導(dǎo)坑工作面前端大約3 m處，射流受隧道壁面影響，射流方向改變，部分氣流反向產(chǎn)生回流，部分氣流在工作面前端形成湍流。在距離管口0～10 m處，通入的氣流吸卷帶動隧道左側(cè)壁面處與右側(cè)掌子面前端的氣體隨之運(yùn)動。在距離管口10 m處(導(dǎo)坑起始位置)，因隧道斷面面積縮小，射流右側(cè)氣體向右側(cè)發(fā)展，在隧道右側(cè)形成回流。A2模型如圖5(b)所示，左側(cè)導(dǎo)坑內(nèi)流場特性與A1情況相似，主要差異表現(xiàn)在右側(cè)導(dǎo)坑內(nèi)。右側(cè)導(dǎo)坑受導(dǎo)坑壁面影響，風(fēng)流速度小且右側(cè)導(dǎo)坑內(nèi)的前端存在渦流。A3模型如圖5(c)所示，氣流在上臺階處形成范圍較大的渦流區(qū)，所以臺階的存在對射流的影響大，污染氣體往往易在臺階處發(fā)生積聚，影響通風(fēng)效果。A4模型如圖5(d)所示，A4模型與A3模型的流場情況較為接近，范圍較大的渦流區(qū)分布在距離上臺階工作面前端大約5 m處。

2) 風(fēng)筒懸掛位置的影響

為研究風(fēng)筒懸掛位置對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中的通風(fēng)情況的影響，取B類模型出風(fēng)口中心垂直于工作面的直線為觀測線，B類模型通風(fēng)口至工作面風(fēng)速變化如圖6所示。

圖6 B類模型通風(fēng)口附近風(fēng)速變化圖

從圖6中可以看出，風(fēng)筒布置在不同位置，風(fēng)速變化有所不同。在0～8 m內(nèi)，風(fēng)筒布置于隧道中央時速度最大，拱頂次之，左側(cè)最小。這是因為風(fēng)筒位于隧道中央時，射流發(fā)展不受隧道側(cè)壁面的影響，而風(fēng)筒位于拱頂與左側(cè)時，風(fēng)筒貼壁程度增加，受壁面摩擦力的影響，風(fēng)速下降較快。但雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖下的隧道掌子面不是一個平面，風(fēng)筒在不同位置處，出風(fēng)口與工作面的距離也不同，風(fēng)筒布置于隧道中央、拱頂和左側(cè)時，管口距工作面的距離分別為10 m、15 m和20 m。射程逐漸增加，有效射程越遠(yuǎn)，則越有利于通風(fēng)。

當(dāng)取=?4.75為觀測面時，B類模型通風(fēng)口附近速度分布矢量圖如圖7所示。

圖7 B類模型通風(fēng)口附近速度矢量圖

從圖7(a)中可以看出，B1模型流場中明顯存在著射流區(qū)、渦流區(qū)與回流區(qū)3個區(qū)域。空氣從通風(fēng)口以14 m/s的速度射出，上側(cè)受到隧道內(nèi)壁的限制，呈現(xiàn)出貼附射流。射流到達(dá)工作面后，受壁面作用反向形成回流，在距離導(dǎo)坑工作面前端大約 5 m處，部分風(fēng)流向下偏移，與隧道下側(cè)附近的回流共同形成渦流。當(dāng)取=0為觀測面時，從圖7(b)中可以看出，射流區(qū)位于頂部，有一個范圍較小的渦流區(qū)位于出風(fēng)口下方，回流區(qū)分布在隧道底部，射程為15 m。當(dāng)風(fēng)筒位于隧道中央時，從圖7(c)中可以看出，在隧道上、下臺階工作面前端均形成渦流，因出口距離臺階工作面僅10 m，射程最短，受臺階工作面的影響，風(fēng)筒出口的射流得不到充分發(fā)展，通風(fēng)效果不好。

為研究風(fēng)筒不同懸掛位置對隧道內(nèi)平均風(fēng)速的影響，取隧道不同斷面上的平均風(fēng)速進(jìn)行比較，如圖8所示。3種風(fēng)筒布置下，隧道出口斷面平均風(fēng)速均為0.17 m/s，但在距離隧道出口140 m至掌子面這段范圍內(nèi)，沿隧道拱頂布置時的斷面平均風(fēng)速均大于中央布置時的；風(fēng)筒布置在隧道左側(cè)時，在140～180 m段的斷面平均風(fēng)速介于拱頂與中央布置之間，在180 m至掌子面區(qū)間段的平均風(fēng)速遠(yuǎn)大于拱頂布置與中央布置。因為風(fēng)筒在左側(cè)布置時位于左側(cè)導(dǎo)坑前方，所以左側(cè)導(dǎo)坑內(nèi)風(fēng)速較大拉高了導(dǎo)坑段風(fēng)速的平均值。

圖8 B類模型隧道斷面平均風(fēng)速

3.2 CO濃度分布分析

1) 導(dǎo)坑與臺階長度的影響

通過Fluent軟件的后處理功能，可得到隧道內(nèi)各斷面的CO平均濃度值。通風(fēng)1 200 s后，A類模型隧道各斷面CO平均濃度變化曲線如圖9所示。

圖9 A類模型隧道斷面CO平均濃度

從圖9中可以看出，A1、A2、A3和A4模型在180 m斷面處，CO平均濃度相比于初始值分別降低了99.38%、98.11%、97.25%和96.08%。隨著導(dǎo)坑和臺階長度的增加，CO平均濃度逐漸降低。在180～200 m段A2和A4的CO平均濃度上升，而A3的CO平均濃度則先上升后下降，A1和A3在200 m處的CO平均濃度水平均在24 ppm以下。表明：導(dǎo)坑和臺階的存在影響了CO氣體的排放。當(dāng)導(dǎo)坑和臺階越長，越不利于CO氣體的排放，左側(cè)導(dǎo)坑的通風(fēng)情況比右側(cè)的好。取A類模型的風(fēng)筒中心面(=?4.75)在通風(fēng)300 s、600 s和1 200 s時刻的CO濃度分布云圖如圖10所示。

從圖10中可以看出，在通風(fēng)300 s和600 s時，A類模型的CO濃度分布云圖相似。在通風(fēng)1200 s時，A1模型在隧道120～200 m段CO濃度降至24 ppm，達(dá)到CO最高允許濃度值；A2、A4模型僅在180～200 m段CO濃度降至24 ppm；A3模型在170～200 m段，其濃度滿足最高允許濃度值。對比A類模型的CO氣體平均濃度與分布云圖，表明：當(dāng)風(fēng)筒布置在隧道左側(cè)時，左側(cè)導(dǎo)坑長10 m的隧道，其CO排放情況最好。隨著導(dǎo)坑和臺階長度的增加，CO氣體的排放效果越差。

2) 風(fēng)筒懸掛位置的影響

通風(fēng)1 200 s后，B類模型隧道各斷面CO平均濃度變化曲線如圖11所示。

圖11 B類模型各斷面平均CO濃度變化曲線

從圖11中可以看出，當(dāng)風(fēng)筒位于左側(cè)時，導(dǎo)坑和臺階區(qū)段內(nèi)CO平均濃度總體較高，在隧道100～180 m內(nèi)的CO平均濃度處于中間水平。當(dāng)風(fēng)筒位于拱頂時，導(dǎo)坑和臺階區(qū)段與隧道100～180 m內(nèi)CO平均濃度均處于較低水平。當(dāng)風(fēng)筒位于中央時，導(dǎo)坑和臺階區(qū)段內(nèi)的CO平均濃度處于中間水平，在隧道100～180 m內(nèi)的CO平均濃度總體較高。

以導(dǎo)坑及臺階斷面為觀測面，取=190 m截面對不同風(fēng)筒布置下導(dǎo)坑和臺階面CO濃度分布作進(jìn)一步分析，CO濃度分布情況如圖12所示。

從圖12中可以看出，CO濃度分布總體規(guī)律表現(xiàn)：離風(fēng)筒距離越近，CO濃度越低。隨著離風(fēng)筒距離的增加，CO濃度也逐漸增大。風(fēng)筒位于左側(cè)時，左導(dǎo)坑大范圍內(nèi)CO濃度低于24 ppm，而右導(dǎo)坑內(nèi)CO濃度偏高，最高濃度達(dá)到500 ppm，遠(yuǎn)超于標(biāo)準(zhǔn)值。風(fēng)筒位于拱頂時，隧道拱頂區(qū)域CO濃度低于24 ppm，上臺階面CO濃度低于80 ppm，左側(cè)導(dǎo)坑底部小范圍及右側(cè)導(dǎo)坑大范圍區(qū)域的CO濃度高于100 ppm。風(fēng)筒位于中央時，CO濃度低于24 ppm的區(qū)域范圍分布在臺階面，且范圍大于拱頂；左右側(cè)導(dǎo)坑中CO濃度均偏高，左側(cè)最高濃度達(dá)到200 ppm，右側(cè)最高濃度達(dá)到300 ppm。

為研究風(fēng)筒在不同布置位置下隧道內(nèi)CO氣體隨時間移動擴(kuò)散的規(guī)律，分別取B類模型隧道中軸面(=0)在通風(fēng)300 s、600 s、1 200 s時的CO濃度云圖，如圖13所示。

從圖13中可以看出，風(fēng)筒布設(shè)于隧道左側(cè)，通風(fēng)300 s時，由于壁面摩阻力的影響，隧道中部的CO濃度擴(kuò)散較四周的快，CO高濃度區(qū)在風(fēng)流的作用下已經(jīng)移動到隧道內(nèi)距離出口80～110 m處的空間內(nèi)呈團(tuán)狀分布，距隧道出口約70 m內(nèi)的空間無CO氣體。通風(fēng)600 s時，CO高濃度區(qū)已擴(kuò)散至距隧道出口20～70 m處，且貼近隧道頂部，這是因為CO氣體的密度略小于空氣的。通風(fēng)1 200 s時，CO高濃度區(qū)已排出隧道，在距掌子面前95 m的空間內(nèi)，CO濃度已經(jīng)低于80 ppm，滿足隧道施工人員允許進(jìn)入要求。

風(fēng)筒布設(shè)在隧道拱頂處，通風(fēng)300 s時，出風(fēng)口前大約8 m內(nèi)的隧道上部CO濃度已經(jīng)低于24 ppm，其他區(qū)域CO濃度分布與左側(cè)布設(shè)時相似。通風(fēng)600 s時，CO高濃度區(qū)擴(kuò)散至距離隧道出口30～70 m處，且貼近隧道上壁面呈細(xì)帶狀分布。表明：CO氣體正在逐漸稀釋。通風(fēng)1 200 s時，距離掌子面前30 m內(nèi)的隧道上部空間CO濃度已低于24 ppm，掌子面前大約113 m 的空間內(nèi)已是允許進(jìn)入?yún)^(qū)域。

風(fēng)筒布設(shè)在隧道中央，通風(fēng)300 s時，出風(fēng)口距上臺階掌子面僅10 m，射流發(fā)展受到壁面限制，導(dǎo)致在下臺階掌子面前出現(xiàn)高濃度的CO氣體滯留，其他區(qū)域內(nèi)CO濃度的分布情況與左側(cè)布設(shè)、拱頂布設(shè)的相似。通風(fēng)600 s時，下臺階面滯留的CO氣體濃度有所降低，但高于周圍分布的CO濃度。CO高濃度區(qū)移動至距隧道出口30～60 m處的隧道中上部。通風(fēng)1 200 s時，出風(fēng)口至上臺階工作面及其上方的CO濃度均小于24 ppm，但下臺階前方3 m范圍內(nèi)的CO濃度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值。

4 結(jié)論

利用Fluent流體力學(xué)軟件對浙江某長大隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的壓入式通風(fēng)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得出結(jié)論為：

1) 導(dǎo)坑和臺階的存在對隧道內(nèi)流場的特性有一定影響，風(fēng)流在導(dǎo)坑中形成渦流，臺階工作面前方渦流區(qū)的存在，會對污染物氣體的排放造成不良影響。

2) 風(fēng)筒位置不變的情況下，隧道左側(cè)導(dǎo)坑長10 m時，CO排出的效果最好。在通風(fēng)1 200 s時，125～200 m內(nèi)的CO斷面平均濃度降至最高允許濃度值以下。隨著右側(cè)導(dǎo)坑和上下臺階長度的增加，CO氣體排放明顯受到影響。表明：導(dǎo)坑和臺階情況越復(fù)雜，越不利于CO氣體的排放。

3) 導(dǎo)坑和臺階長度不變情況下，風(fēng)筒布置于隧道左側(cè)時，右側(cè)導(dǎo)坑中CO濃度較高，難以擴(kuò)散。風(fēng)筒布置于隧道中央時，有效射程受臺階工作面限制且下臺階前方有CO氣體滯留。風(fēng)筒布置于隧道拱頂時，導(dǎo)坑和臺階段的CO濃度較低，滿足允許施工人員進(jìn)入的隧道范圍最廣，通風(fēng)效果最好。

[1] 楊立新,洪開榮,劉招偉.現(xiàn)代隧道施工通風(fēng)技術(shù)[M].北京: 人民交通出版社, 2012. (YANG Li-xin, HONG Kai-rong, LIU Zhao-wei). Modern tunneling ventilation technology[M]. Beijing: China Communications Press, 2012.(in Chinese))

[2] 曹峰,凌同華,李潔,等.循環(huán)爆破荷載作用下小凈距隧道中夾巖的累積損傷特征分析[J].振動與沖擊,2018, 37(23):141?148.(CAO Feng,LING Tong-hua,LI Jie,et al. Cumulative damage feature analysis for shared rock in a neighborhood tunnel under cyclic explosion loading[J]. Journal of Vibration and Shock, 2018, 37(23): 141?148. (in Chinese))

[3] 張勝,李寧羽,黎永索,等.隧道掌子面前方空洞的正演模擬與模型試驗研究[J].四川建材,2019,45(8):64?66. (ZHANG Sheng, LI Ning-yu, LI Yong-suo, et al. Forward simulation and model test of cavity in front of the tunnel[J]. Sichuan Building Materials, 2019, 45(8): 64? 66.(in Chinese))

[4] 張勝,何文超,黎永索,等.基于小波變換時能密度法的隧道空洞充填物識別[J].煤炭學(xué)報,2019,44(11):3504? 3514. (ZHANG Sheng, HE Wen-chao, LI Yong-suo, et al. Identification of tunnel cavity fillings by time-energy density analysis based on wavelet transform[J].Journal of China Coal Society, 2019, 44(11): 3504?3514. (in Chinese))

[5] 王茜,凌同華,劉唐利,等.穿越斷層破碎帶隧道入口段施工數(shù)值模擬[J].交通科學(xué)與工程,2019,35(4):78?84. (WANG Qian, LING Tong-hua, LIU Tang-li, et al. Numerical simulation of construction method of tunnel entrance section throughing fractured fault zone[J]. Journal of Transport Science and Engineering, 2019, 35(4):78?84.(in Chinese))

[6] 劉釗春,柴軍瑞,賈曉梅,等.壓入式通風(fēng)掘進(jìn)面有害氣體濃度擴(kuò)散數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué),2009,30(S2):536?539. (LIU Zhao-chun, CHAI Jun-rui, JIA Xiao-mei, 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))

[7] 方勇,彭佩,趙子成,等.風(fēng)管出口位置對隧道施工通風(fēng)效果影響的研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2014,10(2): 468?473.(FANG Yong,PENG Pei,ZHAO Zi-cheng,et al. Numerical simulation of the effect of outlet position of air duct on the construction ventilation of the tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2014,10(2):468?473.(in Chinese))

[8] 劉敦文,唐宇,李波,等.瓦斯隧道施工通風(fēng)風(fēng)筒優(yōu)化數(shù)值模擬及試驗研究[J].中國公路學(xué)報,2015,28(11):98?103, 142. (LIU Dun-wen, TANG Yu, LI Bo, et al. Numerical simulation and test analysis of construction ventilation air duct optimization in gas tunnel[J]. China Journal of Highway and Transport, 2015, 28(11): 98?103, 142. (in Chinese))

[9] 彭佩,熊艷.公路隧道施工壓入式通風(fēng)流場及瓦斯分布規(guī)律研究[J].公路交通技術(shù),2015,31(2):117?121,126. (PENG Pei, XIONG Yan. Research on flow fields and gas distribution laws of press-in ventilating and gas in construction of highway tunnels[J]. Technology of Highway and Transport, 2015, 31(2): 117?121, 126. (in Chinese))

[10] 張恒,吳瑾,陳壽根,等.風(fēng)機(jī)布置方式對高瓦斯隧道施工通風(fēng)效果的影響[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2018,18(5): 1834?1841.(ZHANG Heng, WU Jin, CHEN Shou-gen, et al. Impact of the fan arrangement mode on the construction ventilation effect along the highly intensive gas tunnel[J]. Journal of Safety and Environment, 2018, 18(5):1834?1841.(in Chinese))

[11] Fang Y,Yao Z G,Lei S.Air flow and gas dispersion in the forced ventilation of a road tunnel during construction[J]. Underground Space,2019,4(2):168?179.

[12] Chang X K,Chai J R,Luo J P,et al.Tunnel ventilation during construction and diffusion of hazardous gases studied by numerical simulations[J]. Building and Environment,2020,177:106902.

[13] 黃迪輝,藍(lán)柳海,張江山.超大斷面扁平型隧道安全開挖方法及力學(xué)分析[J].交通科學(xué)與工程,2019,35(4):71?77. (HUANG Di-hui, LAN Liu-hai, ZHANG Jiang-shan. A safety construction method of the oval-shaped super-large section tunnel and its mechanical analysis[J]. Journal of Transport Science and Engineering, 2019, 35(4): 71?77. (in Chinese))

[14] 陳壽根,張恒.長大隧道施工通風(fēng)技術(shù)研究與實踐[M]. 成都:西南交通大學(xué)出版社,2014.(CHEN Shou-gen, ZHANG Heng. Research and practice of the construction ventilation technology for long tunnel[M].Chengdu: Southwest Jiaotong University Press,2014.(in Chinese))

[15] 劉斌.FLUENT 19.0流體仿真從入門到精通[M].北京: 清華大學(xué)出版社,2019.(LIU Bin. Fluid simulation from entry to proficiency for the Fluent 19.0[M].Beijing: Tsinghua University Press,2019.(in Chinese))

Ventilation optimization for long tunnel constructed by both side drift method

ZENG Wan-lin1, LING Tong-hua1, ZHANG Sheng2

(1.School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China; 2. School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang 413000, China)

During the construction of long tunnel, CO gas generated by blasting have a negative impact on construction safety and progress. In order to study the effect of press-in ventilation in long tunnel constructed by the both side drift method, the computational fluid dynamics software Fluent was used to model tunnel ventilation with different heading pits, step lengths and air duct layout positions., analysis the flow field characteristics and CO gas diffusion law were investigated. The results show that the pilot pits and steps in the tunnel will affect the development of jets, the ventilation effect will affected by the vortex areas located in front of the pilot pits and steps. It is easier to form the vortex zone impacting the discharging of CO gas with the increase of the length of the pilot pits and steps, when air duct arrangement conditions is the same. When the tunnel head and step length are the same, and the air duct is arranged on the tunnel vault, the CO gas can be diluted rapidly. This study provides a reference for the ventilation of tunnel using the construction of the both side drift method.

long tunnel; press-in ventilation; both side drift method; CO distribution; numerical simulation

U459.2

A

1674 ? 599X(2021)01 ? 0060 ? 09

2020?08?17

國家自然科學(xué)基金項目(51678071)

曾婉琳(1996?)，女，長沙理工大學(xué)碩士生。