长大山岭瓦斯隧道施工通风影响下瓦斯运移扩散规律探究

蒋小平 张军 韩正 刘磊

（四川路航建设工程有限责任公司一分公司，四川 成都 610039）

一、引言

近年来，随着我国各类长大隧道大量涌现，隧道施工通风难度日益增大[1][2]。隧道中赋存瓦斯等有害气体，严重威胁施工人员的人身安全，因此有必要探究在隧道施工时瓦斯的运移扩散规律[3][4]。本文依托五指山瓦斯隧道实际施工通风方案，结合数值模拟分析，比较了单一压入式通风和辅以射流风机压入式通风两种通风方案下的隧道风流场和瓦斯运移扩散规律，研究成果可以为山岭隧道的瓦斯监测方案设计、施工通风方案提供有益借鉴。

二、通风影响下的瓦斯扩散运移规律探究

（一）工程概况

四川省仁寿至屏山新市公路是国家高速公路网规划的G42沪蓉高速公路成都至丽江联络线的重要组成部分，主线长158.029km，马边支线长43.799km，路线全长201.828km，其中五指山瓦斯隧道为该标段的控制性工程。五指山瓦斯隧道为双向四车道高速公路隧道，左线全长9392m，右线全长9405m，按单洞分离式设计，隧道出口段包括6条车行横通道、7条人行横通道。隧址区域岩体主要以灰色粉砂质泥岩、灰白色细（粉）砂岩互层为主及少量炭质页岩（煤线、层）组成。五指山隧道左线出口绝对瓦斯涌出量为1.892m3/min，绝对二氧化碳涌出量为0.568m3/min；右线出口绝对瓦斯涌出量为1.949m3/min，绝对二氧化碳涌出量为0.533m3/min。根据《公路瓦斯隧道技术规程》（DB51/T 2243-2016）判定五指山瓦斯隧道左线出口洞口至掌子面（里程桩号ZK140+683）及右线出口洞口至掌子面（里程桩号K140+601）的施工区段为高瓦斯工区。

（二）数值模型建立

为了尽可能地反映真实的瓦斯扩散运移情况，本文建立了从掌子面到洞口的隧道几何模型（总长2100m），如图1所示。其中横通道距掌子面720m，模拟了施工通风条件下瓦斯扩散运移；风管直径取为1.8m，距掌子面5m，悬挂在拱肩；二衬台车距掌子面90m，射流风机分别设置于二衬模筑台车前方20m，以及横通道中间位置。

图1 三维几何模型图

（三）计算参数设定

本文假设隧道内气体为不可压缩的黏性紊流，采用隐式算法进行非耦合求解，求解参数设置如表1所示。

表1 模型参数表

根据施工隧道通风的实际情况，边界条件设置如下：

进口边界：通风管口和风机均选用速度入口（Velocity inlet），风流方向设置为风筒出口法向正方向。根据依托工程具体情况，通风管口风速大小设置为19.45m/s，新鲜空气中氧气含量为21%，风机喷流风速大小为26.2 m/s；

出口边界：设置压力出口（Pressure outlet）为隧道出口的边界，相对压力为0Pa；

壁面边界：设置固定壁面为隧道的所有壁面（Wall），并视作绝热，边界条件为无滑移；

瓦斯源项：设立源项（source）来模拟隧道瓦斯涌出情况，并在建模时将距掌子面很近的一部分厚度为0.1m气体层作为瓦斯源，根据工程实际计算得到其单元源项S=0.012kg/(m3·s-1)。

图2 不同通风时刻下掌子面的瓦斯浓度云图

（四）瓦斯扩散数值模拟研究

隧道内瓦斯浓度和隧道风流流场紧密相连，隧道内瓦斯浓度场和瓦斯的稀释程度都会受到风流流场的影响，根据隧道内有无射流风机的风流流场情况，分析实际工况的瓦斯浓度。

1.单一式压入通风下的瓦斯浓度分析

单一压入式通风条件下，不同通风时刻的隧道掌子面瓦斯浓度分布如图2所示，左、右线隧道掌子面瓦斯浓度分布基本相同。在前10s内，因隧道掌子面瓦斯不断涌出，而风管出口的风流并未抵达掌子面，故而瓦斯浓度不断增大，直至达到峰值，此时掌子面瓦斯局部浓度达1.5%。伴随新鲜风流的进入，稀释了掌子面瓦斯，瓦斯浓度从通风30s时开始逐步降低。掌子面瓦斯高浓度的范围逐渐减小，此后掌子面瓦斯浓度分布趋于稳定，局部最大瓦斯浓度约为1.1%，平均瓦斯浓度约为0.32%。

由于通风的喷流和卷吸作用，使得掌子面处瓦斯的浓度分布不均。随着持续通风，瓦斯逐渐与隧道内空气混合，掌子面处瓦斯浓度不断减小，瓦斯分布不均匀程度逐渐增大。同时瓦斯被吹向底板和远离风筒的一侧，因此正对着风管出口的掌子面区域内瓦斯含量较低，掌子面处靠近风管侧壁的瓦斯浓度要明显比远离风管的一侧壁掌子面区域瓦斯浓度低。在通风1min后，掌子面的瓦斯浓度分布渐渐趋于稳定。另外，由图2可知整个掌子面瓦斯浓度相对较高的区域为远离风管一侧的隧道墙脚区域，所以施工中应该加强对该区域的瓦斯浓度的监测。

结合隧道内风流速度矢量分布如图3所示，随着风流的喷流、回流，以及卷吸等作用影响，瓦斯在涡流区的浓度明显稍高于周围区域，虽然随着通风时间的增加，瓦斯浓度逐渐降低，但该区域仍然是瓦斯浓度峰值部位。但因风管出口喷出风流带走隧道靠近风管一侧的瓦斯，使得靠近风管隧道一侧的瓦斯浓度依旧低于远离风管一侧。而另一部分瓦斯继续向隧道口扩散，在通风10min～20min时，左线隧道的瓦斯通过横通道汇入右线隧道，横通道与右线隧道连接处断面的瓦斯浓度出现略微上升，直到30min～40min时，整个隧道的瓦斯浓度趋于稳定，并开始逐渐向隧道外排出，其稳定浓度约为0.16%。

图3 不同通风时刻下右线隧道瓦斯浓度分布曲线

2.辅以射流风机压入式通风下的瓦斯浓度分析

辅以射流风机压入式通风条件下，不同通风时刻的隧道掌子面瓦斯浓度分布如图4所示。

图4 不同通风时刻下掌子面的瓦斯浓度云图

由图4可知，在设置了射流风机之后，左、右线隧道掌子面瓦斯浓度分布与不设射流风机基本相同。首先，因隧道掌子面瓦斯不断涌出，而风管出口的风流并未抵达掌子面，故而在前10s内瓦斯浓度逐渐增大，直至达到峰值，此时掌子面瓦斯局部浓度达1.5%。随着新鲜风流的到来稀释了掌子面的瓦斯浓度，在风流还未充分到达时，由于射流风机的卷吸作用，掌子面的瓦斯浓度在射流风机对应位置小于周围。通风30s后，掌子面瓦斯浓度开始下降，高浓度瓦斯的范围逐渐减小，此后掌子面瓦斯浓度分布趋于稳定，局部最大瓦斯浓度约为1.1%，平均浓度约为0.31%。此外，稳定后掌子面瓦斯浓度分布与单一式压入通风时掌子面的瓦斯浓度分布基本一致，瓦斯相对较高的区域均在远离风管一侧的隧道墙脚区域，所以施工中应该加强对这个区域的瓦斯浓度的监测。

图5为隧道右线在不同通风时间下的瓦斯浓度分布曲线图。结合图2～图5可知，在风流的喷流、回流和风管及射流风机的卷吸等作用下，在涡流区的瓦斯浓度明显更高，虽然该区域瓦斯浓度会随时间而逐渐降低，但该区域仍是瓦斯浓度的峰值部位。风管出口喷出的风流带走隧道靠近风管一侧的瓦斯，使得靠近风管隧道一侧的瓦斯浓度仍然低于远离风管的隧道一侧。而另一部分瓦斯继续向隧道口进行扩散，在经过射流风机时，瓦斯受到射流风机作用，扩散速度加快，隧道瓦斯浓度明显下降，由0.16%下降到0.065%。在通风10min～20min时，左线隧道的瓦斯通过横通道汇入右线隧道，横通道与右线隧道连接处断面的瓦斯浓度出现略微上升，同时由于横通道的射流风机作用，在横通道区域的瓦斯浓度再次下降到0.048%。到30 min～40min时，整个隧道的瓦斯浓度趋于稳定，并开始逐渐向外隧道外排出，受射流风机作用，隧道瓦斯浓度再次下降，稳定状态的瓦斯浓度为0.03%。

图5 不同通风时刻下右线隧道瓦斯浓度分布曲线

三、结语

本文结合五指山瓦斯隧道工程的实际通风方案，针对其瓦斯隧道施工过程中的风流流场、瓦斯浓度分布、瓦斯运移规律选取FLUENT数值模拟软件进行了探究分析，主要结论如下：

压入式隧道的通风风流具有显著的附壁喷流、碰壁回流等特点，且回流区大于喷流区。

左、右线隧道掌子面瓦斯浓度，在单一压入式通风与压入式通风辅以射流风机时基本相同；掌子面瓦斯主要集中在远离风管一侧的隧道墙脚区域，应加强对该区瓦斯浓度的监测。

压入式通风辅以射流风机的方式对瓦斯运动规律有显著影响；不设置射流风机时，通风30min～40min瓦斯充满整个隧道，稳定状态的瓦斯浓度为0.16%；而设置射流风机时，经过三次射流风机作用，整个隧道稳定状态的瓦斯浓度降低至0.03%。