隧道掌子面施工风管布设方式对稀释瓦斯效果影响研究

张云龙，郭　春，徐建峰，孙志涛

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都　610031；2.西南交通大学土木工程学院，成都　610031)



隧道掌子面施工风管布设方式对稀释瓦斯效果影响研究

张云龙1，2，郭春1，2，徐建峰1，2，孙志涛1，2

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都610031；2.西南交通大学土木工程学院，成都610031)

以成贵铁路白杨林隧道为研究对象，对瓦斯隧道施工压入式通风效果进行分析，利用CFD流体动力学软件，建立模型并进行数值模拟计算，得到不同风管出口距掌子面距离下，隧道内风速流场和瓦斯浓度的分布规律，并与现场测试数据进行对比，优化流场分布，减少瓦斯在掌子面附近积聚的现象。计算结果表明：一定风速条件下，风管末端距掌子面距离直接影响施工通风效果和掌子面瓦斯浓度分布。风管末端距离掌子面越大，稀释瓦斯效果越差，掌子面瓦斯积聚现象越严重。单侧风管通风情况下，掌子面瓦斯稳定浓度为0.07%，瓦斯浓度随风管末端距掌子面的增加而升高。根据白杨林隧道瓦斯溢出和施工通风情况，得出其风管末端距掌子面距离为13m可使瓦斯不形成聚集，保证施工安全。

瓦斯隧道；施工通风；CFD；通风优化；铁路隧道

随着我国隧道数量的增多，隧道穿越的地质条件也越来越复杂，隧道穿越煤系地层和瓦斯富含区时，常常伴有瓦斯溢出的现象。截止2009年，我国已经是世界上隧道和地下工程最多、最复杂、今后发展最快的国家[1]。2000年至今，我国共修建瓦斯隧道70多座，其中半数以上为高瓦斯隧道，为复杂环境下瓦斯隧道的修建积累了宝贵经验[2]。施工通风是瓦斯隧道修建过程中的重要部分，国内外学者对此展开了一系列的研究，研究均认为施工通风风速、通风量等是影响瓦斯隧道施工通风安全的重要因素[3-15]。但针对具体瓦斯隧道施工过程中，施工通风风管位置布设、风管出口距掌子面距离等相关内容，并无详细研究。

根据白杨林瓦斯隧道实际施工通风状况建立数值模拟模型，研究其在不同通风距离下隧道内部流场的变化情况和瓦斯浓度的分布，依据现场实测与数值模拟的对比，优化隧道施工通风设计，减少瓦斯积聚现象，提高通风效果，为瓦斯隧道的施工通风技术提供一定的参考。

1　工程概况

成贵铁路白杨林隧道起讫里程为：DK473+030～DK474+810，全长1780 m。隧道进口270 m为平坡，其余为25‰的单面上坡。隧道最大埋深约206 m。隧道以Ⅳ级、Ⅴ级围岩为主，占隧道长度78.6%，其次为Ⅲ级围岩，占隧道长度21.4%。隧道高10.6 m，最大宽度12.9 m，隧道断面积为111.6 m2。隧道DK473+600～DK474+420段为高瓦斯工区，其余地段为低瓦斯工区，断层带及泥岩顶板等附近也有瓦斯聚集的可能性。根据现场测试资料，白杨林隧道瓦斯涌出量为4.55 m3/min，涌出量较小。

隧道出口设置2台132 kW的轴流通风机进行压入式通风，1台正常工作，1台备用，辅以局部风扇防止瓦斯积聚，风管采用抗静电、阻燃风管。进入隧道的风机及配套设施均采取防爆型。风管直径1.8 m，布置形式如图1所示。

图1　现场通风设施布置(单位：m)

2　现场测试

为了解白杨林隧道现场施工通风及瓦斯情况，对白杨林隧道进行为期7 d的现场测试。

2.1测试内容

测试内容主要包括风速测试和瓦斯浓度测试。

(1)风速测试：风管末端风速、回风风速。

(2)瓦斯浓度测试：掌子面瓦斯浓度、掌子面附近30 m处瓦斯浓度、拱顶瓦斯浓度、拱顶两侧瓦斯浓度。

2.2测试仪器

风速测试主要采用压差计连接皮托管测试测点的风速，如图2(a)所示。主要参数见表1。

表1　压差计测试参数

瓦斯浓度测试采用光干涉式甲烷浓度测试器，分为低浓度测试器与高浓度测试器2种，低浓度测试器主要测试10%以内的甲烷浓度，高浓度测试器主要测试10%以上的甲烷浓度。如图2(b)所示。

图2　测试仪器

2.3测试结果

现场测试时隧道内风管悬挂于隧道左侧拱肩位置，风管末端距离掌子面为5 m。

(1)风速测试结果(表2)

表2　风速测试结果　m/s

(2)瓦斯浓度测试结果

拱顶测试结果主要由白杨林隧道瓦斯监测系统监测，监测点位于掌子面前方2.5 m处，分别悬挂于拱顶和拱顶两侧，掌子面瓦斯浓度主要由人工监测获得。现场监测情况如图3所示。监测数据如表3、表4所示。

图3　现场测试情况

距离/m瓦斯浓度/%距离/m瓦斯浓度/%00.13160.0640.04200.0780.05250.07120.06300.07

表4　拱顶拱腰瓦斯监控

从监测结果可以看出，白杨林隧道施工通风效果良好，掌子面附近没有发生瓦斯积聚的现象，风速满足规范要求。瓦斯分布表现出一定的区域性特点，距离掌子面越来越远，瓦斯出现先急剧降低后缓慢增加的趋势。拱顶瓦斯浓度比右侧略高，与左侧相差较大，瓦斯分布呈现出明显的右侧高，左侧低的分布趋势。

3　瓦斯隧道施工通风数值模型建立

3.1数值计算模型

利用Fluent前处理模块Gambit进行模型的建立，依托白杨林隧道实际断面尺寸，建立三维模型，模型长度取80 m。通过改变风管末端距掌子面之间的距离L，研究隧道纵向和横向之间的风速流场变化及瓦斯浓度分布。模型断面形式如图4所示。

图4　隧道横断面

对上述模型采用非结构网格划分，网格采用四面体与六面体混合Copper划分，划分结果最大歪斜率为0.8，小于0.99，网格质量良好。网格划分模型如图5所示。

图5　隧道模型网格划分

3.2数学模型

隧道施工通风中风速较低，风速变化平缓，通风计算中视作不可压缩紊流处理，对于一般的紊流模型，标准k-ε模型具有较高的稳定性、经济性和计算精度，适合较高雷诺数湍流。其张量形式主要如下。

(1)质量守恒方程

(1)

(2)动量守恒方程

(2)

(3)能量守恒方程

(3)

(4)湍流动能k方程

(4)

(5)湍流动能耗散率ε方程

(5)

(6)浓度扩散方程

(6)

式中，vi(1，2，3)为速度矢量；P、T分别为空气压力和温度；ρ、μ分别为空气密度和层流黏度；k、Γ分别为温度扩散系数和浓度扩散系数；Si、ST、SC分别为动量守恒方程、能量守恒方程和浓度扩散方程的源项；C1ε、C2ε、C3ε、Cμ、σε、σk均为湍流项经验常数。

3.3边界条件

模型计算域取80 m，不考虑计算域外对风流场造成的影响，采用组分输运模型，涉及到边界条件如下。

(1)速度进口：设置风管风速为速度进口，风速方向为垂直风管末端方向，大小为8 m/s。

(2)压力出口:设置隧道入口为压力出口条件，工作压力为0 Pa。

(3)壁面条件：隧道壁面与风管管壁的边界类型均为壁面条件，且满足无滑移条件。

(4)交界面：二衬处隧道断面不同，为保证计算连续性，设置一对交界面。

(5)流体域：为模拟瓦斯从掌子面的释放过程，设置掌子面厚度10 cm的区域为瓦斯释放区域，质量流量与动量由区域大小与瓦斯释放量确定。

3.4模拟工况

为了研究在不同通风长度下独头通风隧道内部风流流场以及瓦斯浓度的变化，特设置以下几组工况：

掌子面距风管末端的距离为L，设置L=5 m、L=9 m、L=13 m、L=17 m、L=21 m 5组工况进行对比，其中现场施工通风L=5 m。

为定量研究不同位置处风速及瓦斯浓度的变化情况，在模型中设置监测面与监测点，如图6所示。

图6　监测位置的设置

4　瓦斯隧道施工通风数值模拟结果分析

4.1风速流场变化分析

风管末端距掌子面的距离影响风流流场在隧道内的分布。为优化施工通风效果，对不同工况下的风速分布进行研究。测点风速如图7所示。

图7　测点风速(L=9 m)

由图7可以看出，掌子面5 m范围内风速下降幅度很大，从5 m/s下降至1 m/s。之后风速下降缓慢，风速趋于稳定，稳定值在0.5 m/s左右。大部分测点在L>10 m后风速变化不大，说明回流区影响范围在10 m左右。风流趋于稳定后，测点7、测点6位于速调右侧，风速高于其他测点风速，说明隧道右侧通风效果良好。

风流经风管末端流出后到达前方掌子面，流经掌子面时风速变小，风向改变，并与掌子面释放出的瓦斯气体混合后，形成回流，由隧道出口流出隧道。隧道纵向风速矢量图如图8所示。

图8　隧道纵向风速矢量图(x=4.3 m，L=9 m)

由图8可以看出，风流在掌子面10 m范围内形成回流区，风向为流向掌子面；回流区之后矢量图中风向分布稀疏，主要受到右侧回风风流的影响，风向背离掌子面。白杨林隧道风管悬挂于隧道左侧，因此，回风风流主要表现在右侧，右侧通风良好。左侧由于回流区的影响，回流区内通风效果良好，回流区外通风质量差。

测点4位于隧道左侧风管附近，因此可根据测点4的速度变化(图9)判定隧道左侧通风效果。

图9　测点4风速变化

由图9可知，风管距掌子面的距离不同，测点4风速的变化规律也不同，L=5 m时，测点4掌子面风为3.7 m/s，且风速很快下降，距离掌子面7 m以后，速度趋于平稳；随着L的增加，涡流区的影响范围不断扩大，在L=21 m时，测点4在掌子面的风速下降至2.7 m/s，风速下降较缓，距离掌子面21 m后，风速趋于平稳。因此，风速不变的情况下，适当增加风管末端至掌子面的距离是增加通风效果的有效措施。

4.2瓦斯浓度变化分析

为保证数值模拟的准确性，在掌子面附近20 m内测点3处进行现场瓦斯浓度测试。测试结果与数值模拟结果见图10。

图10显示模拟值与现场实测值相差很小，浓度差值在0.01%左右，达到测量仪器的最小精度，瓦斯浓度变化趋势相同。因此，可以证明数值模拟结果的有效性。

风管末端距掌子面的距离不同，瓦斯浓度分布相似，以L=9 m为例，掌子面附近30 m各测点瓦斯浓度变化如图11所示。

由图11可以看出，随着距掌子面距离的增加，瓦斯浓度分布呈先减小后增大的趋势，掌子面5 m范围内，瓦斯浓度由0.15%降低到0.05%左右，下降幅度较大，L大于5 m时，瓦斯浓度逐渐增大，至30 m处趋于平稳，浓度为0.07%。图11反映出瓦斯分布的规律，瓦斯浓度较大的区域主要分布在隧道的右侧和上部，且距离掌子面越近，瓦斯浓度分布的不均匀性就越明显。

图12显示了风管末端距掌子面距离下的瓦斯浓度变化。掌子面附近5 m内，瓦斯浓度变化趋势相同。L越大，瓦斯浓度越高，瓦斯稀释效果越不利。L=5 m时，瓦斯浓度最小，瓦斯浓度有0.069%，瓦斯稀释效果最好；L=21 m时，瓦斯浓度最大，达到0.08%，瓦斯稀释效果最差。距离掌子面距离大于30 m时，瓦斯浓度趋于均匀。

图10　模拟值与实测值比较

图11　掌子面30 m内测点瓦斯浓度

图12　不同距离下测点3瓦斯浓度变化

随着风管末端距掌子面距离的变化，瓦斯的上浮现象也明显不同，监测z=50断面处不同工况下瓦斯浓度分布情况。如图13所示。

由图13可知，L=5 m时，隧道右侧风速较大，瓦斯浓度较大的区域主要表现在右侧，L=17 m时，隧道内风速趋于均匀，瓦斯的上浮作用表现出来，瓦斯浓度较高的区域逐渐向隧道中上部扩散，影响范围不断增大，L=21 m时，由于隧道内横向风流的影响，瓦斯浓度较高区域有向左侧移动的趋势。随着L的增大，掌子面附近紊流区范围扩大，强度减弱，风速减小，不足以使瓦斯与风流充分混合，瓦斯上浮积聚。因此，在隧道施工通风中，提高风管供风量和缩短风管距离掌子面的距离是解决瓦斯上浮现象的有效方法。

图13　隧道横向瓦斯分布

5　结论

针对白杨林瓦斯隧道压入式施工通风方式，采用现场实测与数值模拟的方法，系统地研究了通风距离对于瓦斯隧道内风速流场分布和瓦斯浓度分布的变化规律，得出如下结论。

(1)风管悬挂于隧道单侧时，风管侧受到回流区的影响，通风效果较差。风管末端距掌子面距离越小，风管侧通风效果越差。

(2)压入式施工通风中，风管悬挂于隧道单侧，瓦斯浓度在掌子面附近分布不均，表现为风管侧浓度低于异侧浓度，掌子面上部浓度大于下部浓度，高瓦斯区域集中于风管异侧上部区域。随着风管末端距离掌子面越来越远，受涡流区影响，瓦斯浓度增加然后趋于平稳。稳定浓度约为0.07%。同一横断面下瓦斯浓度随风管末端距掌子面的增加而升高。

(3)掌子面风速随着风管末端距掌子面距离的增加而减小，同时掌子面附近涡流区强度减小，瓦斯与风流未能充分混合，并且由于瓦斯的上浮作用，瓦斯浓度较高区域出现在拱顶并有向左移动的趋势。

(4)综合上述通风效果影响分析，比较不同工况下施工通风效果，当风管末端距掌子面距离13 m时，涡流区影响范围较大，瓦斯浓度不高，瓦斯上浮现象不明显，施工通风效果较其他工况更优。因此，建议白杨林隧道在瓦斯施工通风过程中，风管末端距掌子面距离保持13 m。

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Research on the Effect of Air Duct Arrangement on Gas Dilution of Gas Tunnel

ZHANG Yun-long1，2, GUO Chun1，2, XU Jian-feng1，2, SUN Zhi-tao1，2

(1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Ministry of Education， Chengdu 610031， China; 2.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

With reference to Baiyanglin tunnel on Chengdu-Guiyang Railway， the pressed ventilation effect on gas tunnel construction is analyzed. The flow field and gas distribution law in different distances from the air duct outlet to the heading face are calculated with CED fluid dynamics software and model numerical simulation. The simulation results are compared with the field test values to optimize flow field and minimize gas accumulation at the heading face. The results indicate that the distance from air duct outlet to heading face imposes direct effect on the ventilation and gas distribution at certain wind speed. The gas diluting is getting less effective and the gas accumulation heavier at the heading face as the distance from air duct outlet to heading face increases. The gas concentration value is stable at 0.07% when the air duct is installed on only one side of the tunnel. The gas concentration increases with the increase of the distance from the air duct outlet to the heading face. According to the gas tunnel of Baiyanglin， it is concluded that where the distance is 13 m， there is no gas accumulation and normal construction is ensured．

Gas tunnel; Construction ventilation; CFD; Ventilation optimization; Railway tunnel

2015-12-17；

2016-01-11

国家自然科学基金(51478393)；四川省科技支撑计划(2015GZ0244)；四川省教育厅资助科研项目(14SA0251，15SB0457)；四川省科技服务业示范项目(16FWSF0089)

张云龙(1991—)，男，硕士研究生，主要从事地下和隧道工程设计与研究工作，E-mail：zyl@my.swjtu.edu.cn。

郭春(1979—)，男，副教授，E-mail:guochun@swjtu.edu.cn。

1004-2954(2016)08-0095-05

U453.5

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.020