公路瓦斯隧道压入式通风数值模拟分析

王阅章 李 鸣 宿成智 张立爽 闫少泽

（中交路桥建设有限公司，北京 101121）

经过多年的建设和发展，我国在公路隧道建设事业方面取得了丰富的成果。同时，公路隧道方面的建造技术有了很大的提升。在我国公路隧道数量不断增加的同时，隧道掘进周边的地质环境也越发复杂，复杂的地质条件里就包括煤系地层等含有瓦斯的区域，这就使技术人员应该在隧道通风时采取更严格的质量管理和更多的通风措施。通常在这种复杂的地质条件下，为了保证隧道掘进工程的进度，特长隧道一般都是采用多工作面同时开挖。由于隧道内的风流流场较为复杂，通风工程的措施常常没有做到位，所以在一些隧道常规的施工过程中，通风工程里出现的问题会降低隧道内施工人员的工作效率，同时也可能威胁到施工人员的人身安全，并增加大量不必要的成本投入。所以，通风工程的措施在隧道掘进施工过程中是必要的[1]。同时，在隧道施工前，对隧道内部空气流场的数值模拟也是必要的。将隧道内部的瓦斯气体浓度控制在符合人体健康的安全规范范围内是对于该工程的基本要求。

因此，以鸡鸣山瓦斯隧道的实际工程为背景，依据该背景数据建立相应的数值模型，并且运用流体计算软件Ansys Fluent对该瓦斯隧道在施工中的工况进行模拟，分析隧道内部的流场和瓦斯运移规律，为该瓦斯隧道的通风工程措施提供理论上的支持。

1 鸡鸣山隧道施工通风模型建立及参数选择

1.1 工程概况

重庆城口至开州高速公路鸡鸣隧道为双向四车道，主洞限宽10.25 m，限高5.0 m。左洞起讫桩号为：ZK59+707～ZK67+142.2，全长7 435.2 m；右洞起讫桩号为：K59+698～K67+150，全长7 452 m。隧道洞身段多为山脊和陡坡，无大型的地表水体，局部发育季节性冲沟；隧址区构造形迹总体走向为北西～南东向，以褶皱构造为主，断裂次之，褶皱构造以背斜、向斜相间出现，构造轴线延伸较远，断裂构造以逆冲断层为特征。鸡鸣隧道最大埋深达1 130 m。隧道围岩级别主要为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级。其中Ⅲ级围岩（双洞合计长2 595 m），占隧道总长度的17.4%；Ⅳ级围岩（双洞合计长9 392 m），占隧道总长度的63.1%；Ⅴ级围岩（双洞合计长2 900.2 m），占隧道总长度的19.5%。

1.2 模型建立

该模型主要是研究探明在隧道通风的时候，掌子面附近范围的流场和瓦斯浓度的分布情况及规律变化情况。因此，建立长100 m的隧道模型，利用软件ICM CFD对隧道模型进行网格划分。风管直径设置为1.8 m。根据《瓦斯隧道施工技术规范》，风管出口距离掌子面的距离设置为15 m。对该隧道的几何建模如图1所示，网格划分如图2所示。

图1 隧道横截面

图2 隧道模型划分网格

2 风流流场数值模拟分析

实际隧道施工时的通风，就是风从风管出口涌出，射向隧道掌子面进行送风。由于在施工掘进中的隧道周围存在围岩，所以流场里面的射流运动的自由射流规律就不再适用于此。瓦斯等有害气体在隧道内的运动规律，是基于流场内的风流流动。所以，应该首先了解并认识在有限空间内的射流流场特征。

2.1 射流结构

隧道内部的射流处于紊流状态，紊流具有横向的脉冲作用，射流在这种脉冲作用小会不断同周围气体交换动量，带动周围气体流动。出风口位置的流场如图3所示。因为流场是在隧道内部，所以隧道内的围岩限制了射流边界层的发展。

图3 y-z平面风速矢量图（x=4）

图4 风筒出口附近内的x-y截面速度矢量图

图5 距离掌子面5 m范围内x-y截面压力云图

在隧道的纵向，射流在横向的分布范围没有扩大，所以流场就逐渐向掌子面扩散。然而，在隧道通风过程中，出风口距离掌子面较近，而且在高功率的风机作用下，出风口的风速比较大，风管内涌出的风因为速度较大，很快就会遇到掌子面，所以导致射流没有实际带动周围的空气流动，席卷作用比较弱，所以在流场中看不到明显的附壁射流区域。

从图4中可以看出，风流从出风口涌出，在风筒出口的附近贴着隧道内围岩的内壁往前射出。

这段时间内，在出风口的位置的风速为最大值。但是隧道内部的其他位置，因为风流还没有达到这些位置，所以基本没有风速。从风速矢量图可以看出，距离出风口远的位置，风速逐渐增大。风管平面范围内的风速逐渐分层。这时，可以在壁面附近看到铁壁射流的现象。并且，距离风管出风口越远的位置，贴壁射流的范围就会变得越大，风速的矢量图就会显得更加层次分明。

风流在达到隧道掘进掌子面时，会与掌子面产生撞击，风速矢量方向改变，进而会在掌子面周围产生回流区域。射流与掌子面产生冲击后反弹至地面会形成回流，进而回流与射流产生冲击导致回流分为两部分，其中一部分保持原方向向隧道洞口方向涌出，另一部分在射流的带领下继续向掌子面流动。

隧道本身是一个密闭的空间，再加上回流区的影响，回流从席卷空气转变成为析出空气。由于这两者的不同会在之间产生了一个明显的分界，进而在分界处产生旋涡，即漩涡区域。因为射流与掌子面冲击后产生了回流，回流的风速方向与射流的风速方向相反，所以在其碰撞的时候会产生摩擦，随之在贴壁射流区域的上下会形成2个涡体。

越靠近涡流的中心，风速就逐渐减小。在隧道内瓦斯等有害气体进行输移的时候，这就会扰乱气体的流场和流动速度，不利于有害气体及时排出。所以在这种情况下，要采取相应的措施去消除涡流带来的影响。

2.2 风压特征

风管出口至掌子面各断面压强变化如图5和图6所示。

由图5、图6压强云图可以看出，风从风管射流出来以后，其射流结构内部的压强变化规律。随着射程的增大，由于流体在隧道内部逐渐冲散，距离掌子面较近的地方，在纵向上压力分布的范围减小。另外，随着射流射程的增大，由于射流对空气的席卷作用和与掌子面的冲击作用，掌子面范围内的压强基本分布于隧道上部，也就是瓦斯浓度聚集的区域，这对瓦斯等有害气体的排出是有利的。

3 瓦斯分布数值模拟

在隧道进行掘进开挖时，掌子面附近的区域是施工的重点区域，瓦斯也容易在此聚集[2]。所以，掌子面附近的瓦斯气体运移规律是隧道施工通风工程中研究分析的重点。因此，隧道开挖时，掌子面附近的瓦斯气体浓度规律还需要更进一步的研究和分析。研究在不同的时间段，隧道的不同断面上瓦斯气体浓度扩散规律。

从图7～图9中显然可以看出瓦斯气体在隧道内部的输移过程。在通风进行了20 s的时候，瓦斯气体输移到距离掘进掌子面大概10 m的区域，通风40 s的时候，瓦斯气体输移大概在距离掌子面20 m的位置，通风60 s的时候，瓦斯气体输移到大致在距离隧道掘进掌子面40 m的位置。因为出风口产生的射流方向在到达掌子面附近时会与壁面产生碰撞，从而产生回流。射流与回流碰撞区域会形成涡流，涡流使隧道上部的瓦斯气体分布不均匀，导致瓦斯输移的速度收到影响，通风效果不好。同时，通风过程中瓦斯聚集在隧道上部输移，隧道的气体区域基本上没有瓦斯气体，这对通风的效率是不利的。所以在隧道现场施工作业的时候，应该在一些位置采用防爆型的风扇对瓦斯聚集的区域进行导流，使其在流场中均匀分布，并快速排出[3]。在隧道内部进行通风的时候，掌子面里的瓦斯溢出相应的距离与风管喷出的空气相混合，在流场的作用下进行输移。在瓦斯气体进行输移的过程中，对隧道内部的不同横断面进行数据监测，可以看出瓦斯气体的浓度分布在掌子面的附近较高。并且在隧道通风工程的不断进行过程中，因为流场将瓦斯气体不断向隧道出口输移，该区域的瓦斯气体浓度逐渐降低。并且也可以从上图看出，距离掌子面越远的位置，瓦斯气体的浓度越低。

图6 距离掌子面10 m范围内x-y截面压力云图

图7 通风20 s时隧道模型y-z截面瓦斯浓度云图

图8 通风40s时隧道模型y-z截面瓦斯浓度云图

图9 通风60 s时隧道模型y-z截面瓦斯浓度云图

综上所述，隧道内部的流场能够较好地输移瓦斯气体，并且使内部瓦斯浓度在一个比较好的水平。但是，在隧道通风管地上部可能会出现瓦斯气体的聚集。为了保证通风的效率和隧道工程施工作业中的安全，应该采取一些对应的措施。

4 结语

运用Ansys Fluent流体计算软件。对鸡鸣山高瓦斯隧道的内部流场进行数值模拟分析。可以得出以下的特征规律：在壁面射流与隧道掘进掌子面的碰撞区域，因为射流与回流的碰撞会产生2个涡流区域，越靠近涡流中心的位置，能看到风速越来越小。在通风的时候，隧道内部的流场中，距离掌子面越远的地方，纵向的压强分布的范围越大。掌子面附近的压强分布主要是在隧道的顶部，所以隧道内部的流场能够较好地输移瓦斯气体。但是还是会因为隧道内部的涡流而产生瓦斯聚集区域，需要在通风工程中采取一定的措施。