隧道施工压人式通风效果分析及参数优化研究

彭 佩，方 勇，2，周超月，2，陈先国

(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031；3.四川公路桥梁建设集团有限公司,成都 610031)

隧道施工压人式通风效果分析及参数优化研究

彭 佩1，方 勇1，2，周超月1，2，陈先国3

(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031；3.四川公路桥梁建设集团有限公司,成都 610031)

对隧道台阶法施工压入式通风效果进行分析并提出相关参数优化措施，利用流体力学软件Fluent，建立隧道三维模型并进行了数值模拟，分别对上台阶不同开挖长度及风管不同布设位置下流场特性的对比，分析了通风系统各参数对通风效果的影响。模拟结果表明：台阶的存在改变了射流发展一般性，射流主体提前收缩，有效射程减少；上台阶长度越短，射流有效射程越大，涡流区域覆盖范围越小；风管沿侧壁布设且管口至掌子面距离在5～10m时，通风效果最佳。

公路隧道；台阶法；压入式通风；数值模拟；参数优化

由于隧道结构的封闭性,隧道施工过程中机械作业产生的尾气、爆破产生的硝烟、地层溢出的有毒有害气体等将会在隧道内积聚,威胁作业人员健康和施工安全。为改善公路隧道施工作业环境,保障施工人员的健康,必须采取适当的通风措施。特别是对于有瓦斯、H2S等有毒有害气体存在的特殊危险隧道,必须要保证充足的通风量及风速,稀释冲淡有毒有害气体,对施工通风的要求更高。台阶法［1]是公路隧道施工中最常采用的施工方法之一,它将断面分成上半断面和下半断面两部分进行开挖。台阶法隧道施工中一般采用压入式通风方法［2-3],即采用风机将后方新鲜气流向作业面压送,传统的隧道台阶法施工通风方案往往局限于通风能力设计及风流组织［4],忽略了台阶法施工隧道空间结构的特殊性对通风效果的影响。

对通风流场的分析通常采用CFD相关软件及技术,日本的中山伸介、内野健一等人对三维条件下掘进巷道风流的风速进行实验室测定,得出了掘进巷道内的风流分布［5]。英国诺丁汉大学K.W.Moloney等人对采用辅助通风方式时井下独头巷道模型内测得的风流分布进行了研究［6],王海桥等人根据流体力学及射流理论,对独头巷道附壁射流通风流场进行了数值模拟,探讨了流场内区域分布等,为研究独头巷道风流传质过程、瓦斯运移规律及通风排污效率等提供了理论基础［7],何坤等采用基于流体力学理论的三维数值模拟,对比分析隧洞掘进长度、通风方案等因素对长大隧道通风流场的影响［8]。

纵观国内外的隧道通风数值模拟研究状况可以发现,全断面施工风管式通风是各国学者的普遍关注对象,而台阶法施工隧道中风管压入式通风则少有涉及。本文依托于实际工程,应用计算流体力学软件Fluent对采用台阶法施工的高速公路隧道内通风流场进行模拟仿真［9],通过对上台阶不同开挖长度、风管出风口与掌子面不同布设距离及布设形式下流场特性的对比,分析通风系统各设计参数对通风效果的影响,以此提出改善通风效果的有效途径。

1 工程概况及模型建立

1.1 工程背景

铜锣山隧道是一座位于四川自流盆地东部的双向四车道高速公路隧道。隧道施工中全断面法与台阶法结合使用,本标段独头掘进隧道范围K132+095～K134+600,全长2 505 m。一般地段隧道建筑限界净宽10.25 m,净高5.00 m。自隧道进口起1 560 m内均采用压入式通风,在台阶法施工段内风管布设位置如图1所示,其中风管选用直径1.6 m的软管。

图1 隧道台阶法施工横断面示意

1.2 模型建立

1.2.1 数值模型

针对铜锣山隧道台阶法施工段,以隧道实际尺寸为参考(文中坐标基本单位均为m),利用Gambit建立简化后隧道三维模型并网格化,如图2所示。

图2 三维模型网格剖分

分别以上台阶长度、风管管口至掌子面距离及风管布设形式为研究参数建立各工况计算数值模型。首先将风管布设于隧道侧壁且管口至上台阶掌子面距离为25 m,令上台阶长度L1为变化参数,如图3所示。

图3 工况一模型示意（单位：m)

将风管布设于隧道侧壁且上台阶长度L1=20 m。令L2为变化参数,如图4所示。

图4 工况二模型纵断面示意（单位：m)

将保持风管出口与上台阶掌子面距离不变(假设L2=15 m),上台阶长度L1=20 m,改变风管5种布设位置,如图5所示。

图5 工况三模型横断面示意

1.2.2 数学模型及边界条件

基本假设如下:

(1)马赫数M≤0.2,气体按不可压缩处理；

(2)忽略隧道内机械及人体对流场的扰动。

经计算,各种工况下洞内气体流动时雷诺数均大于临界雷诺数,流动状态为紊流［10],流体运动类型为非恒定流。可确定数学模型为标准的k-epsilon二方程紊流模型,其控制方程包括连续性方程、动量方程、k方程和epsilon方程。

边界条件设定为:风管出风口为入口边界(in1),类型为velocity-inlet,vx=19.397 m/s,vy=vz=0；风管送风口所在隧道断面为出口边界(out),类型为outflow；管壁及隧道内壁边界类型均为wall,满足无滑移条件。

2 施工通风流场分析及参数优化

2.1 通风流场特性分析

以第一种工况内模型(取上台阶长度L1=10 m)为对象进行模拟计算。经过后处理得到风流自管口至工作面的流速变化情况(取1条自管口中心垂直于掌子面的直线为观测线),如图6所示。

图6 管口至上台阶掌子面的风速变化曲线

风流从管口射出后,轴心速度沿程减小,到达距上台阶掌子面5 m时射流方向偏移,图6中x=20至x= 25段的曲线表示掌子面反向回流速度变化。

L1=10 m时,管口射流流场内速度分布情况如图7所示(所取观测面为z=3.5及y=-3.136 877)。由图7(a)可见,风流从管口射出,上、右两侧受隧壁限制,表现为贴附射流［11],其余部分自由发展,不断卷吸周围空气,流速由内向外逐渐减小,到达上台阶掌子面前一定距离流动方向开始偏移,部分风流开始沿偏移方向反向回流；部分到达掌子面,受壁面回弹作用向右侧回流,偏移后的风流与掌子面回流相互作用在隧道内侧形成涡流；附壁射流与回流的相互作用形成涡流。

由图7(b)可见,风流从管口射出,受下台阶面空气影响,射流断面在风流行进15 m(台阶所在断面)时达到最大,此时隧道空间突然缩小,射流无法继续扩张,在随后的5 m内逐渐缩小。射流卷吸下台阶前部分空气,在狭小空间内形成涡流区。

综上所述,台阶的存在改变了射流发展一般性,射流主体提前收缩,有效射程［12]减少,到达掌子面流量减小,通风效果受影响。

图7 管口射流流场速度矢量图

2.2 上台阶长度L1对流场特性的影响

为研究对掌子面进行压入式通风时,上台阶开挖长度对局部通风流场特性的影响,分别对台阶长度参数L1取5、10、20、25、30、40、50 m的模型进行仿真实验,7种情况下的管口射流流场如图8所示(取截面z=3.5为管侧面)。

由图8可见,L1=5 m时,仅射流与回流区间存在涡流区A,射流充分发展至掌子面,L1=10 m时,射流方向在掌子面前一定距离开始发生偏移,与掌子面前回流作用形成第二个涡流区B,以L1=25 m为分界(此时风管管口与台阶在同一横断面上)发现:L1从10 m增大到25 m时,台阶面与管口相对距离逐渐减小,涡流区B逐渐增大；L1从30 m增大到50 m时,台阶面与管口相对距离逐渐增大,涡流区B范围变化幅度小,但总体表现为逐渐减小。

综上所述,在风管管口位置不变情况下,当台阶长度小于管口至掌子面距离时,上台阶长度越短,射流有效射程越大,各涡流区域覆盖范围越小；当台阶长度大于管口至掌子面距离时,台阶长度的增大对射流有效射程影响越来越小。

图8 上台阶管口射流流场（截面z=3.5)

2.3 风管出风口至掌子面距离L2对流场的影响

当上台阶开挖长度一定时,风管出风口与掌子面的距离L2是影响通风效果的重要因素,此处对参数L2分别取5、10、15、20、25 m的模型进行模拟仿真,图9为5种工况下管口中心点至掌子面的流速变化曲线(各曲线起点均为相应工况下管口中心点x坐标)。

图9 不同距离下管口至工作面风速变化曲线

由图9可见,在相同的入口速度条件下,距离上台阶掌子面越近,管口射流流速变化梯度越大,当L2= 20 m时,射流已无法以直线行进至掌子面,在到达距掌子面约7 m时方向发生偏移,L2越大,射流偏移直线行进越早,有效射程越短,对掌子面冲击效果越弱。

图10为管口至掌子面不同距离下流场内各个区域大小变化情况(分别取截面z=3.5为观测面)。由图10可见,当L2=5 m时,回流受管口射流影响较小,到达下台阶面时与周围空气相互作用,在台阶面前产生涡流区。随着L2逐渐增大,下台阶至隧道出口区段内受管口射流所卷吸风量逐渐增大,射流衰减幅度增大,越早偏离直线方向行进,在掌子面前所形成的涡流区范围也随之增大。

总之,管口与掌子面距离过大,与下台阶面相对距离过小,回流及台阶面前空气易被射流所卷吸,产生污风循环；管口与台阶面相对距离过大,易造成下台阶面前涡流产生,污染空气发生积聚,无法冲散。

图10 在不同L2下管口射流流场（截面z=3.5)

综上所述,在上台阶开挖长度改变困难时,应尽量使风管管口靠近掌子面,但距离不宜过短,以5～10 m最佳,此时管口与下台阶面相对距离为(1/2～1/4) L1,对于上下断面通风效果均有改善。

2.4 风管布设形式对流场的影响

在以上研究基础上,进一步分析风管布设形式对流场的影响,对台阶法施工中通风系统参数设计进行进一步优化。令L1=20 m,L2=15 m,分别对5种典型布设形式的模型进行模拟仿真,经后处理得到风管在5种不同的布置形式下管口风流轴向速度变化曲线,如图11所示。

图11 风管在不同布设形式射流速度变化曲线

将布设位置分为两类分别进行比较,A类为过隧道中线纵断面布设(拱顶、中央、中心线贴上台阶底面)；B类为沿隧道边墙布设(侧壁、拐角)。由图11可见,A类中3条曲线变化趋势相近,射流从管口射出,以一定幅度减速行进,到达掌子面一定距离时,速度降幅增大,冲击掌子面。从3条曲线的变化情况可知,风管与壁面的贴近度越大,射流到达掌子面时的速度梯度越大,冲击作用越强。其中风管布设在拱顶时的作用效果最明显,而沿中央布设时效果最差。同样,B类中2条曲线变化趋势与A类相比在射流初期速度略大,但发展到一定阶段,速度下降速率增大,衰减加快,尤其是沿拐角布设时,射流到达掌子面2 m时已向左偏移,与掌子面回流相互作用在隧道右侧角形成小涡流区。

图12为改变上台阶掌子面通风风管布设位置时下台阶面风速变化曲线(取台阶面前1 m处y方向上直线进行速度监测)。由图12(a)可见,A类布设位置中,风管沿中心线贴上台阶底面布设时正向冲击速度与反向回流速度均较大,对下台阶面的冲击力最强、回流也最快,沿拱顶布设次之,沿中央布设最弱。由图12(b)可见,B类布设位置中,风管沿侧壁布设时,正向冲击速度与反向回流速度差较大,对下台阶面冲击力作用最强,沿拐角布设次之。

图12 风管在不同布设形式下下台阶面风速变化曲线

综合考虑上下断面污风排出效果,A、B两类中较优布设位置分别为沿拱顶及沿侧壁布设。进一步将上述2种布设形式下的隧道内断面平均风速变化曲线相比较,如图13所示。2种布设形式下隧道出口断面平均风速值均为0.59 m/s,但在x=20至掌子面区段上,沿侧壁布设时断面平均风速均大于沿拱顶布设时的速度值。实际施工中,为提高通风效率,减少通风时间,以沿侧壁布设较佳。

图13 风管两种布设位置下断面平均风速变化曲线

3 结论

(1)台阶法施工隧道中压入式通风流场有一定特殊性,射流发展一般性受台阶面影响,射流主体提前收缩,有效射程减少,到达掌子面流量减小。

(2)在风管管口位置不变情况下,当台阶长度小于管口至掌子面距离时,上台阶长度越短,射流有效射程越大,各涡流区域覆盖范围越小；当台阶长度大于管口至掌子面距离时,台阶长度的增大对射流有效射程影响越来越小。

(3)在上台阶长度不变情况下,管口与掌子面距离过大,与下台阶面相对距离过小,回流及台阶面前空气易被射流所卷吸,产生污风循环；管口与台阶面相对距离过大,易造成下台阶面前涡流产生,污染空气发生积聚,无法冲散。实际施工中,综合考虑掌子面与下台阶面通风效果,管口至掌子面距离在5～10 m最佳,此时管口与下台阶面相对距离为(1/2～3/4)L1。

(4)在上台阶长度及管口至上台阶掌子面距离不变情况下,沿侧壁布设风管对于改善通风效果更佳。

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Effect Analysis and Parameter OPtimization of Forced Ventilation during Tunneling

PENG Pei1,FANG Yong1,2,ZHOU Chao-yue1,2,CHEN Xian-guo3
(1.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China；2.Ministry of Education's Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China；3.Sichuan Road and Bridge Group Co.,Ltd.,Chengdu 610031；China)

To analyze the effect of forced ventilation during tunnel construction by bench-cut method,and to put forward relevant measures of parameter optimization,a three-dimensional model of the tunnel was established and numerical simulation was carried out by means of fluid mechanics software Fluent. Meanwhile,the flow field characteristics were respectively compared with each other when there were different excavation lengths and different air pipe arrangement at the upper bench.And then the ventilation system's various parameters,which have influences on the ventilation result,were analyzed. The simulation results show that:(a)It is the existence of the benches that cause the change of the general pattern of jet flow development,that result in the contraction of main jet flow ahead of time,and that result in a decreasing of effective jet range.(b)The shorter the length of the upper bench is,the larger the effective jet range will be,and also the smaller the coverage range of eddy zone will be.(c) There will be the best ventilation effect if not only the air duct is placed along the side wall but also the distance from the pipe orifice to the working face is within the range of five to ten meters.

highway tunnel；bench-cut method；forced ventilation；numerical simulation；parameter optimization

TU834.3+2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.024

1004-2954(2014)07-0102-05

2013-11-06；

2013-11-22

彭 佩(1990―),女,硕士研究生,E-mail:365228621@ qq.com。