長大隧道雙側壁導坑法施工通風優化研究

曾婉琳，凌同華，張勝

長大隧道雙側壁導坑法施工通風優化研究

曾婉琳1，凌同華1，張勝2

(1. 長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114；2. 湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

針對長大隧道施工中爆破生成的CO對施工產生的不良影響。本研究在雙側壁導坑法施工中，采用壓入式通風，測試在長大隧道中的通風效果，利用Fluent流體力學軟件對不同導坑、臺階長度與風筒位置的隧道通風模型進行數值模擬，分析了其流場特性與CO氣體擴散規律。研究結果表明：隧道內導坑和臺階的存在，會影響射流發展；導坑和臺階工作面前方有渦流區形成，會影響通風效果；相同風筒布置條件下，隨著導坑和臺階長度的增加，渦流區范圍越明顯，CO氣體越難排出；隧道導坑和臺階長度相同的條件下，風筒布置于隧道拱頂時，CO氣體的排放效果最好。該結果可為采用雙側壁導坑法施工的長大隧道通風提供參考依據。

長大隧道；壓入式通風；雙側壁導坑法；CO分布；數值模擬

在長大隧道施工過程中，隨著爆破工作的進行，隧道內會產生大量的有害氣體，造成隧道內部的空氣污染。若不及時通風排出，將威脅到施工人員的生命健康，影響隧道施工進程，并帶來不可估量的經濟損失[1?5]。因此，做好長大隧道的施工通風工作是隧道總體施工過程中的重要環節。

壓入式通風是長大隧道的一種常用的通風方式，通過風機、風筒把新鮮空氣壓入隧道掌子面附近，使隧道內的有害氣體排出隧道，具有安裝方便、有效射程長、排出炮煙的作用強等優點。許多學者已對壓入式通風的影響因素進行了研究。劉釗春[6]等人利用ADINA有限元軟件，研究了獨頭掘進隧道壓入式通風條件下有害氣體的減排速度。方勇[7]等人利用Fluent流體力學軟件，探討了風筒出口位置對隧道施工通風效果的影響。劉敦文[8]等人運用正交數值模擬試驗，分析了瓦斯隧道施工中風筒直徑、懸掛位置及風筒口與掌子面距離對瓦斯濃度影響的重要性順序。彭佩[9]等人采用Fluent軟件分析了臺階法施工的瓦斯分布規律，提出了通過增加局扇改善通風效果的做法。張恒[10]等人利用Fluent軟件，考慮壓入式通風筒與射流風機共同作用對高瓦斯隧道通風效果的影響，對射流風機、風筒的布置進行了優化。Fang[11]等人利用CFD軟件對瓦斯隧道全斷面法與臺階法開挖的壓入式通風進行了模擬，確定了全斷面與臺階法施工下的施工通風方案。Chang[12]等人采用CFD軟件，模擬分析了風筒位置、通風口與掌子面的距離、通風風速及隧道橫截面面積對壓入式通風隧道中流場和CO濃度的影響，確定了CO濃度分布與通風時間的關系。雙側壁導坑法是隧道施工中常采用的開挖方法，在大斷面隧道中廣泛應用[13]。一些學者還對全斷面與臺階法開挖下的隧道施工通風情況進行了研究，但針對雙側壁導坑法施工的通風布置對隧道內流場特性及污染氣體濃度分布影響的研究鮮見。因此，作者擬采用CAD軟件建立隧道的三維模型，利用ICEM軟件對模型進行網格劃分，再用CFD軟件中的求解器Fluent對隧道施工通風過程進行數值模擬，分析不同工況下流場中速度與污染物氣體擴散的情況，并對雙側壁導坑法施工下的隧道通風方法提出優化措施。

1 模型建立

以浙江某隧道為工程背景，該隧道斷面面積116.63 m2，凈寬14.00 m，凈高9.73 m，隧道左、右側導坑斷面面積28.36 m2，主洞拱部面積20.54 m2，主洞上半斷面面積19.79 m2，主洞下半斷面面積19.58 m2，模擬隧道總長度200 m，風筒直徑 1.4 m，風筒長180 m。為了研究雙側壁導坑施工的導坑與臺階長度及懸掛位置的共同影響，設置2類通風模型：A類模型為導坑和臺階長度為變量，風筒懸掛位置在隧道左側，風速為14 m/s；B類模型為風筒懸掛位置為變量，導坑和臺階長度不變(雙側導坑長15 m，上、下臺階長5 m)，風筒風速為14 m/s。試驗方案設置見表1。

表1 各工況試驗方案

1、2、3、4分別代表左導坑長度、右導坑長度、主洞拱部長度及主洞上半斷面長度。隧道左、右導坑，主洞拱部，主洞上、下斷面位置如圖1中所標Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的位置。隧道模型縱、橫斷面圖如圖1～2所示。

根據隧道的幾何結構，利用ICEM軟件進行網格劃分，并對模型進行網格無關性驗證。通過逐級加密網格，對比不同網格數量下的模擬結果，最后選擇滿足計算精度的網格模型。A1工況網格總數為1 894 180，網格質量評價指數最小值為0.664，最大值為0.998，該指標范圍為0～1，越接近1的網格越好。將隧道施工開挖方向確定為軸的正方向，隧道橫斷面為-平面，、軸正方向、模型網格劃分如圖3所示。

圖1 模型橫斷面示意

圖2 模型縱斷面示意

圖3 模型網格劃分

2 數學模型及CO初始濃度計算

2.1 數學模型

氣體在隧道內流動情況較為復雜，需對隧道內氣體流動情況進行簡化，并做出基本假定[14]：①隧道內流體視為三維黏性不可壓縮流體且非穩態；②壁面絕熱，忽略氣體黏性力做功；③假定初始時刻，有害氣體均勻地分布在炮煙拋擲距離內。

邊界條件設置：通風筒出風口設為速度入口；隧道口設為自由流出邊界；結構網格與非結構網格交界面設為內部面邊界條件；風筒管壁及隧道壁面設為壁面邊界條件，默認為無滑移速度。

氣體在隧道內的流動屬于紊流流動狀態，所以湍流模型采用計算功能較強、可信度和精度較高的RNG-模型[15]。隧道內氣體流動需遵循數學模型，包括：質量守恒方程、動量守恒方程及能量守恒方程，選用無化學反應的組分運輸方程來模擬隧道內CO氣體的運動情況。求解方法是選擇壓強速度關聯算法中的SIMPLE格式，收斂條件設置為各變量的殘差是否小于10?3，若小于則視為滿足計算收斂。

2.2 CO初始濃度計算

隧道爆破作業后，在工作面前方會產生大量CO、CO2、NOx及粉塵等有害物質。由于除CO以外的其他氣體均可溶于水，粉塵也可通過水霧簾幕降塵，唯獨CO的狀態較為穩定，因此以CO濃度在隧道內的分布情況作為通風效果的評判標準。

用體積法計算用藥總量的公式為[14]：

式中：為一個爆破循環的總藥量，kg；為爆破單位體積巖石的炸藥平均消耗量(簡稱炸藥的單耗量)，kg/m3，其值取1.0；1為一個爆破循環的掘進進尺，m；為開挖斷面面積，m2。

初始濃度計算式為：

式中：為CO初始濃度；為爆破炸藥用量，kg；為每千克炸藥產生的有毒氣體，m3/kg，取0.04；5為炮煙拋擲長度，m，6=15+/5。

A類模型中的4種工況按照雙側壁導坑施工順序依次設置，假設后一工況是在前一工況所產生的CO濃度完全排出隧道后進行的。如：A1模型的CO初始濃度僅由左側導坑開挖10 m所產生，拋擲距離從左側導坑工作面算起。A類模型CO初始濃度具體計算結果見表2。

表2 爆破后隧道內CO初始濃度

因為B類的導坑及臺階長度A4工況的相同，所以CO初始濃度也與A4工況的相同。中國隧道施工中CO氣體濃度最高容許濃度為24 ppm，特殊情況允許進入濃度為80 ppm。

3 結果分析

3.1 流場分析

1) 導坑與臺階長度的影響

通風180 s后，隧道內氣體流速已經穩定，所以取180 s時的數值計算結果進行流場分析，以A類模型進行數值模擬計算。經過Fluent軟件自帶的后處理功能，可以得到出風口中心線至左側導坑工作面的速度變化曲線(取=?4.75，=7，=180～200)，如圖4所示。

圖4 A類模型通風口附近風速變化圖

從圖4中可以看出，A類模型的4種隧道工況速度變化趨勢相似，速度均隨著到工作面的距離減小而減小。在距離出風口17 m處，各曲線的速度梯度達到最大，此處氣流對工作面的沖擊力也達到最大。

為進一步研究導坑與臺階長度不同的模型出風口附近流場的特點，取出風口的中心面=7為觀測面，得到A類模型通風口附近速度分布矢量圖，如圖5所示。

A1模型如圖5(a)所示，氣流從風筒射出，射入左側導坑內，在導坑工作面前端大約3 m處，射流受隧道壁面影響，射流方向改變，部分氣流反向產生回流，部分氣流在工作面前端形成湍流。在距離管口0～10 m處，通入的氣流吸卷帶動隧道左側壁面處與右側掌子面前端的氣體隨之運動。在距離管口10 m處(導坑起始位置)，因隧道斷面面積縮小，射流右側氣體向右側發展，在隧道右側形成回流。A2模型如圖5(b)所示，左側導坑內流場特性與A1情況相似，主要差異表現在右側導坑內。右側導坑受導坑壁面影響，風流速度小且右側導坑內的前端存在渦流。A3模型如圖5(c)所示，氣流在上臺階處形成范圍較大的渦流區，所以臺階的存在對射流的影響大，污染氣體往往易在臺階處發生積聚，影響通風效果。A4模型如圖5(d)所示，A4模型與A3模型的流場情況較為接近，范圍較大的渦流區分布在距離上臺階工作面前端大約5 m處。

2) 風筒懸掛位置的影響

為研究風筒懸掛位置對雙側壁導坑法施工中的通風情況的影響，取B類模型出風口中心垂直于工作面的直線為觀測線，B類模型通風口至工作面風速變化如圖6所示。

圖6 B類模型通風口附近風速變化圖

從圖6中可以看出，風筒布置在不同位置，風速變化有所不同。在0～8 m內，風筒布置于隧道中央時速度最大，拱頂次之，左側最小。這是因為風筒位于隧道中央時，射流發展不受隧道側壁面的影響，而風筒位于拱頂與左側時，風筒貼壁程度增加，受壁面摩擦力的影響，風速下降較快。但雙側壁導坑法開挖下的隧道掌子面不是一個平面，風筒在不同位置處，出風口與工作面的距離也不同，風筒布置于隧道中央、拱頂和左側時，管口距工作面的距離分別為10 m、15 m和20 m。射程逐漸增加，有效射程越遠，則越有利于通風。

當取=?4.75為觀測面時，B類模型通風口附近速度分布矢量圖如圖7所示。

圖7 B類模型通風口附近速度矢量圖

從圖7(a)中可以看出，B1模型流場中明顯存在著射流區、渦流區與回流區3個區域?？諝鈴耐L口以14 m/s的速度射出，上側受到隧道內壁的限制，呈現出貼附射流。射流到達工作面后，受壁面作用反向形成回流，在距離導坑工作面前端大約 5 m處，部分風流向下偏移，與隧道下側附近的回流共同形成渦流。當取=0為觀測面時，從圖7(b)中可以看出，射流區位于頂部，有一個范圍較小的渦流區位于出風口下方，回流區分布在隧道底部，射程為15 m。當風筒位于隧道中央時，從圖7(c)中可以看出，在隧道上、下臺階工作面前端均形成渦流，因出口距離臺階工作面僅10 m，射程最短，受臺階工作面的影響，風筒出口的射流得不到充分發展，通風效果不好。

為研究風筒不同懸掛位置對隧道內平均風速的影響，取隧道不同斷面上的平均風速進行比較，如圖8所示。3種風筒布置下，隧道出口斷面平均風速均為0.17 m/s，但在距離隧道出口140 m至掌子面這段范圍內，沿隧道拱頂布置時的斷面平均風速均大于中央布置時的；風筒布置在隧道左側時，在140～180 m段的斷面平均風速介于拱頂與中央布置之間，在180 m至掌子面區間段的平均風速遠大于拱頂布置與中央布置。因為風筒在左側布置時位于左側導坑前方，所以左側導坑內風速較大拉高了導坑段風速的平均值。

圖8 B類模型隧道斷面平均風速

3.2 CO濃度分布分析

1) 導坑與臺階長度的影響

通過Fluent軟件的后處理功能，可得到隧道內各斷面的CO平均濃度值。通風1 200 s后，A類模型隧道各斷面CO平均濃度變化曲線如圖9所示。

圖9 A類模型隧道斷面CO平均濃度

從圖9中可以看出，A1、A2、A3和A4模型在180 m斷面處，CO平均濃度相比于初始值分別降低了99.38%、98.11%、97.25%和96.08%。隨著導坑和臺階長度的增加，CO平均濃度逐漸降低。在180～200 m段A2和A4的CO平均濃度上升，而A3的CO平均濃度則先上升后下降，A1和A3在200 m處的CO平均濃度水平均在24 ppm以下。表明：導坑和臺階的存在影響了CO氣體的排放。當導坑和臺階越長，越不利于CO氣體的排放，左側導坑的通風情況比右側的好。取A類模型的風筒中心面(=?4.75)在通風300 s、600 s和1 200 s時刻的CO濃度分布云圖如圖10所示。

從圖10中可以看出，在通風300 s和600 s時，A類模型的CO濃度分布云圖相似。在通風1200 s時，A1模型在隧道120～200 m段CO濃度降至24 ppm，達到CO最高允許濃度值；A2、A4模型僅在180～200 m段CO濃度降至24 ppm；A3模型在170～200 m段，其濃度滿足最高允許濃度值。對比A類模型的CO氣體平均濃度與分布云圖，表明：當風筒布置在隧道左側時，左側導坑長10 m的隧道，其CO排放情況最好。隨著導坑和臺階長度的增加，CO氣體的排放效果越差。

2) 風筒懸掛位置的影響

通風1 200 s后，B類模型隧道各斷面CO平均濃度變化曲線如圖11所示。

圖11 B類模型各斷面平均CO濃度變化曲線

從圖11中可以看出，當風筒位于左側時，導坑和臺階區段內CO平均濃度總體較高，在隧道100～180 m內的CO平均濃度處于中間水平。當風筒位于拱頂時，導坑和臺階區段與隧道100～180 m內CO平均濃度均處于較低水平。當風筒位于中央時，導坑和臺階區段內的CO平均濃度處于中間水平，在隧道100～180 m內的CO平均濃度總體較高。

以導坑及臺階斷面為觀測面，取=190 m截面對不同風筒布置下導坑和臺階面CO濃度分布作進一步分析，CO濃度分布情況如圖12所示。

從圖12中可以看出，CO濃度分布總體規律表現：離風筒距離越近，CO濃度越低。隨著離風筒距離的增加，CO濃度也逐漸增大。風筒位于左側時，左導坑大范圍內CO濃度低于24 ppm，而右導坑內CO濃度偏高，最高濃度達到500 ppm，遠超于標準值。風筒位于拱頂時，隧道拱頂區域CO濃度低于24 ppm，上臺階面CO濃度低于80 ppm，左側導坑底部小范圍及右側導坑大范圍區域的CO濃度高于100 ppm。風筒位于中央時，CO濃度低于24 ppm的區域范圍分布在臺階面，且范圍大于拱頂；左右側導坑中CO濃度均偏高，左側最高濃度達到200 ppm，右側最高濃度達到300 ppm。

為研究風筒在不同布置位置下隧道內CO氣體隨時間移動擴散的規律，分別取B類模型隧道中軸面(=0)在通風300 s、600 s、1 200 s時的CO濃度云圖，如圖13所示。

從圖13中可以看出，風筒布設于隧道左側，通風300 s時，由于壁面摩阻力的影響，隧道中部的CO濃度擴散較四周的快，CO高濃度區在風流的作用下已經移動到隧道內距離出口80～110 m處的空間內呈團狀分布，距隧道出口約70 m內的空間無CO氣體。通風600 s時，CO高濃度區已擴散至距隧道出口20～70 m處，且貼近隧道頂部，這是因為CO氣體的密度略小于空氣的。通風1 200 s時，CO高濃度區已排出隧道，在距掌子面前95 m的空間內，CO濃度已經低于80 ppm，滿足隧道施工人員允許進入要求。

風筒布設在隧道拱頂處，通風300 s時，出風口前大約8 m內的隧道上部CO濃度已經低于24 ppm，其他區域CO濃度分布與左側布設時相似。通風600 s時，CO高濃度區擴散至距離隧道出口30～70 m處，且貼近隧道上壁面呈細帶狀分布。表明：CO氣體正在逐漸稀釋。通風1 200 s時，距離掌子面前30 m內的隧道上部空間CO濃度已低于24 ppm，掌子面前大約113 m 的空間內已是允許進入區域。

風筒布設在隧道中央，通風300 s時，出風口距上臺階掌子面僅10 m，射流發展受到壁面限制，導致在下臺階掌子面前出現高濃度的CO氣體滯留，其他區域內CO濃度的分布情況與左側布設、拱頂布設的相似。通風600 s時，下臺階面滯留的CO氣體濃度有所降低，但高于周圍分布的CO濃度。CO高濃度區移動至距隧道出口30～60 m處的隧道中上部。通風1 200 s時，出風口至上臺階工作面及其上方的CO濃度均小于24 ppm，但下臺階前方3 m范圍內的CO濃度遠高于標準值。

4 結論

利用Fluent流體力學軟件對浙江某長大隧道采用雙側壁導坑法施工的壓入式通風模型進行數值模擬，得出結論為：

1) 導坑和臺階的存在對隧道內流場的特性有一定影響，風流在導坑中形成渦流，臺階工作面前方渦流區的存在，會對污染物氣體的排放造成不良影響。

2) 風筒位置不變的情況下，隧道左側導坑長10 m時，CO排出的效果最好。在通風1 200 s時，125～200 m內的CO斷面平均濃度降至最高允許濃度值以下。隨著右側導坑和上下臺階長度的增加，CO氣體排放明顯受到影響。表明：導坑和臺階情況越復雜，越不利于CO氣體的排放。

3) 導坑和臺階長度不變情況下，風筒布置于隧道左側時，右側導坑中CO濃度較高，難以擴散。風筒布置于隧道中央時，有效射程受臺階工作面限制且下臺階前方有CO氣體滯留。風筒布置于隧道拱頂時，導坑和臺階段的CO濃度較低，滿足允許施工人員進入的隧道范圍最廣，通風效果最好。

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Ventilation optimization for long tunnel constructed by both side drift method

ZENG Wan-lin1, LING Tong-hua1, ZHANG Sheng2

(1.School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China; 2. School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang 413000, China)

During the construction of long tunnel, CO gas generated by blasting have a negative impact on construction safety and progress. In order to study the effect of press-in ventilation in long tunnel constructed by the both side drift method, the computational fluid dynamics software Fluent was used to model tunnel ventilation with different heading pits, step lengths and air duct layout positions., analysis the flow field characteristics and CO gas diffusion law were investigated. The results show that the pilot pits and steps in the tunnel will affect the development of jets, the ventilation effect will affected by the vortex areas located in front of the pilot pits and steps. It is easier to form the vortex zone impacting the discharging of CO gas with the increase of the length of the pilot pits and steps, when air duct arrangement conditions is the same. When the tunnel head and step length are the same, and the air duct is arranged on the tunnel vault, the CO gas can be diluted rapidly. This study provides a reference for the ventilation of tunnel using the construction of the both side drift method.

long tunnel; press-in ventilation; both side drift method; CO distribution; numerical simulation

U459.2

A

1674 ? 599X(2021)01 ? 0060 ? 09

2020?08?17

國家自然科學基金項目(51678071)

曾婉琳(1996?)，女，長沙理工大學碩士生。