隧道钻爆法施工风流流场规律的数值模拟*

蒋仲安　李钿　张哲

(北京科技大学土木与环境工程学院　北京 100083)



大气污染治理

隧道钻爆法施工风流流场规律的数值模拟*

蒋仲安李钿张哲

(北京科技大学土木与环境工程学院北京 100083)

为了解决公路隧道钻爆法施工粉尘浓度高的问题，以京昆高速公路辛庄隧道为研究背景，运用Fluent软件对风流流场分布规律进行数值模拟，并与现场实测的风速分布情况进行对比分析，模拟结果与实际数据基本一致。研究结果表明，当风筒出口风速为20 m/s时，压入式风筒安装的最佳距离是距离掌子面40～50 m，在这个范围内，最有利于粉尘的排出。

隧道通风除尘风流流场钻爆法施工风筒布置

0　引言

公路隧道钻爆法施工过程中会产生大量的粉尘，粉尘质量浓度甚至能高达1 000 mg/m3以上[1]，不仅严重威胁施工工人的健康和安全，也加快了设备的磨损速度。降低隧道施工过程中的粉尘浓度刻不容缓，其中，通风除尘是最简单有效的方法，因此，深入研究不同的通风条件下风流流场的变化，选择出一个合适的方案，使在这种风流流场条件下的通风除尘达到最佳效果。

数值模拟被广泛应用于通风除尘方面，但这些研究仅揭示了特定条件下的风流流场分布规律，未深入探讨不同的风筒安装位置情况下风流流场的分布规律对粉尘控制的影响。本文采用数值模拟的方法，研究公路隧道钻爆法施工时的风流流场的分布规律以及风筒出口与掌子面在不同距离条件下流场分布规律的区别，经过不同条件下风流流场的对比，确定有利于粉尘控制的最佳工作条件，获取风筒的最佳安装位置，为现场防尘工作提供理论指导。

1　数学模型的建立

京昆高速公路辛庄隧道设计的平均开挖断面面积为156.38 m2，其中最大开挖宽度为17.46 m，最大开挖高度为12.21 m，属于大断面隧道。开展本次实验时，该隧道已经施工至距离洞口约200 m处。

根据隧道内的实际情况，为了方便模型的建立与计算，对模型进行适当的简化，将工作面整体设计成直径为16 m，长度为200 m的半圆柱体空间，将圆柱体在水平面切割后只留下上半部分。隧道内采用压入式通风，风筒一开始悬挂在隧道右侧贴地的地方，将风筒的主体尺寸设计成直径为1.2 m的圆柱体，在接近掌子面50 m处，风筒抬高到3 m，贴近隧道壁。此次设置风筒出口距离掌子面40 m。由于实际开凿隧道的需要，在距离掌子面为50 m的地方，地面高度整体抬高了2 m。

使用GAMBIT软件建立简化后的隧道施工时的三维几何模型，然后对模型进行网格划分，对边界条件进行定义，最后将导出来的网格文件放入Fluent软件中进行计算。划分后的网格示意图如图1所示。

图1　网格划分示意图

根据隧道的实际测量数据，设置相关参数如下：入口边界类型为速度入口，入口速度20 m/s，水力直径1.2 m，湍流强度2.6%，出口边界类型为出流。

2　数值模拟结果分析

2.1隧道内风流流场分布规律

将GAMBIT软件中导出的msh软件读入Fluent软件中，通过Fluent的求解，得到隧道内的风流场模拟结果，其风流矢量图及主要断面的流场梯度速度云图如图2和图3所示。

图2　流场矢量图

图3　流场梯度云图

从图2和图3中可以看出，①经现场测量，压入式风筒入口处风速为20 m/s，风筒距离掌子面为40 m。当新风从风筒流出时，以逐渐扩大的自由风流射向工作面，沿轴线方向自由风速逐渐降低，到掌子面后再反向流至隧道出口[2]；②公路隧道内高速风流自右侧悬挂风筒内喷射而出，大部分风流因受到掌子面的阻碍而被导向隧道左侧，经过一段距离的扩散之后风速趋于稳定，并均匀分布于隧道整个断面内；③由于受到掌子面的影响，风筒喷射而出的高速风流在距离掌子面50 m范围内稳定性较差，当距离掌子面超过50 m后，风流流场逐渐趋于稳定分布，且其风速基本保持在0.5 m/s左右[3]。

2.2隧道内等速线分布规律

通过Fluent软件的计算求解，可以得到隧道内每一个点的风速，因此，读取了比较典型的两个断面的风速情况，如图4和图5所示。

图4　x=190 m断面上的等速线

由图4可知：①画出了风速分别为8.3，6.7，5，3.3，1.7 m/s的等风速曲线。在等速线上标注的数字为该等速线的速度。能够很明显地看出风流距离掌子面10 m(x=190 m)断面上风流流场的分布规律。由于不方便每一个断面都进行分析，鉴于此处风流与掌子面的距离合适，所以分析此处风流流场具有比较典型的意义；②从图中可以看出断面分成了左右两个核心区域，以此两个核心区域为中心，逐渐往外层时速度减小。这是因为右侧一个是射流产生的流场，而左侧一个是风流遇到掌子面后，回流时产生的流场。两个流场独立存在，风流方向相反，但是在边界接触后会相互影响；③对比两个封闭的等速线区域，可以看出右侧核心区域的最高速度大于左侧核心区域的最高速度。右侧达到了8.3 m/s，而左侧最高速度只有6.7 m/s。这是因为右侧是风筒射流的区域，风筒射出的风流在很长一段时间都保持着一个较高的速度，特别是在风筒的中心区域对应的断面上。而回流区的风速经过了掌子面的损耗以及在流动过程中的各种损失，速度已经大幅下降，远远小于当初射流区域的风速。

图5　y=3.6 m断面上的等速线

由图5可知：①画出了风速分别为8，6，4，2 m/s的等风速曲线。能够很明显地看出风流在人体呼吸高度(y=3.6 m)断面上风流流场的分布规律；②风筒中心风速最大，风流沿右侧拱顶形成“附壁射流”现象，并且卷吸周围介质流动，随着沿程距离的增大，越接近掌子面，风流断面不断扩大，到某一距离时，风流核心区域消失[4]；整个过程中风速逐渐降低，当到达掌子面时遇到阻碍风流方向发生折返，然后向洞口方向产生回流[5]；③在距离掌子面约60 m以后已经没有了风速最小的等速线(即2 m/s)，表示洞内流场分布基本趋于稳定，小于2 m/s，在图中不能显示；④可以很明显地看出，风流在到达距掌子面约5 m时，速度急剧降低，由8 m/s急剧减为6 m/s，再减为4 m/s，最后减为2 m/s；到达掌子面时，速度<2 m/s，速度越小，对掌子面冲击效果越弱[6]；但由于掌子面的平均风速仍然大于规定的隧道最低风速要求，所以是可行的。

2.3风筒出口与掌子面距离不同时的流场分布

保持其他条件不变，改变风筒的安装位置，在风筒出口距离掌子面30，40，50，60 m的4个地方分别安装风筒，用Fluent软件计算出不同距离条件下隧道内的风流流场分布规律，截取呼吸带高度(y=3.6 m)的风速断面云图，如图6～图9所示。

图6　风筒距离掌子面30 m时，y=3.6 m截面云图

图7　风筒距离掌子面40 m时，y=3.6 m截面云图

图8　风筒距离掌子面50 m时，y=3.6 m截面云图

图9　风筒距离掌子面60 m时，y=3.6 m截面云图

从图6～图9可以看出：①随着风筒出口与掌子面距离的增大，到达掌子面的风速逐渐减小[7];60 m时，风筒距离掌子面过远，导致掌子面的风速比较小，虽然平均风速仍然大于要求的隧道最低风速0.25 m/s，但是，与前3次相比，这时的通风除尘效果大大减弱，不利于粉尘的流动和排出，所以，风筒出口与掌子面的距离应该小于60 m。②30 m时，到达掌子面的风速最大，由于风速过大，导致了大量涡流的产生，涡流将粉尘卷入其中不断循环，也不利于粉尘的排出，因此，风筒出口与掌子面的距离应该大于30 m[8]。③对比4个图，得出风筒安装的最佳距离是距离掌子面40～50 m，在这个区域内，没有大量涡流产生，风速也较大，最有利于粉尘的排出[9]。

3　模拟结果与实测数据的对比分析

以距右侧2 m(z=6 m)的沿程风速为例，模拟结果与实测数据对比如图10所示。

图10　距右侧距离为2 m时风速沿程变化图

从图中可以看出，虽然由于实验误差以及模型简化的结果，所以二者的数值并不完全一致，但模拟结果风速分布曲线与现场实测数据分布规律基本吻合，说明用数值模拟的方法研究风流流场的分布规律是可行的。

4　结语

(1)风流流场的基本分布规律是：压入式风流从风筒出口射出，此时风筒中心风速最大，风流沿右侧拱顶形成“附壁射流”，卷吸周围介质流动。随着沿程距离的不断增大，风流断面不断扩大，风速逐渐降低，当到达掌子面时由于遇到阻碍风流方向发生折返，然后向洞口方向产生回流。

(2)在京昆高速公路辛庄隧道内，当风筒出口风速为20 m/s时，压入式风筒安装的最佳距离是距离掌子面40～50 m，在这个区域内，没有大量涡流产生，风速也较大，最有利于粉尘的排出。

[1]何承福. 隧道施工局部防尘技术研究[D].北京：北京建筑工程学院,2010.

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Numerical Simulation of the Airlow Field Rules in Tunnel Drill Blasting Construction

JIANG Zhong’anLI TianZHANG Zhe

(SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijingBeijing100083)

In order to solve the high road tunnel drilling and blasting method of construction dust concentration problems ,regarding Jingkun Highway Xinzhuang Tunnel as study background, the Fluent software is applied to conduct numerical simulation for the distribution of airflow field, also it is conducted comparative analysis with field measurement of wind speed distribution and the simulation results are conform to the actual data. The study shows that, when the duct outlet velocity is 20 m/s, the optimal distance of push-duct installed is 40～50 m from the tunnel face and in this context, it is most conducive to the discharge of dust.

tunnelventilation and dust cleaningairflow fielddrill blasting constructionduct arrangement

国家自然科学基金(51274024)。

蒋仲安，男，1963年生，博士，教授，研究方向为矿山安全技术、矿井通风、职业危害与粉尘控制技术、灾害应急信息管理、风险分析与安全评价。

2015-06-25)