铁路瓦斯隧道独头施工通风数值模拟分析

•铁路与公路・
铁路瓦斯隧道独头施工通风数值模拟分析
蒲实，张志强
(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031)
【摘 要】 在瓦斯稀释及排出的过程中，洞内流体既受到射流风的影响，又受到瓦斯扩散的影响，流场
较为复杂。

文章以牛恫山铁路瓦斯隧道为背景，使用数值模拟软件Fluent 对隧道通风过程中的射流结构、射
流动力特征、风流场特征、瓦斯分布进行研究，以探明洞内流体的运动规律，得出在射流末端区域形成两个明
显的涡体,越往涡体内部其风速越小；射流结构内部的压强变化规律为，随着射程的增大，在纵向上总压逐渐
减小；在横向上压强增加的范围逐渐增大，到掌子面处范围最大等结论。

【关键词】 瓦斯隧道；射流结构；射流动力特征；风流场；瓦斯运移
【中图分类号】U453.5
经过几十年的发展,我国铁路建设事业已经取得了辉煌 的成绩，同时铁路修建技术已经有了极大的提升。

川藏线即
将开工建设,其工程地质极为复杂，埋深大于1 000 m,长度
超过20 km 的超深埋特长隧道众多［I 】，这对隧道施工通风
又提出了新的要求。

为保证施工进度,通常情况下在修建特 长隧道时多采用多个工作面同时进行的开挖方式，隧道内风 流场复杂⑶。

某些隧道在施工过程中,常常因为通风问题导 致工作效率降低，进度缓慢，同时也面临着通风成本巨大的
问题⑵。

对于瓦斯隧道来说，还存在安全风险，将特长铁路
瓦斯隧道在施工期间产生的瓦斯浓度控制在安全范围内，是
瓦斯隧道通风的基本要求［厂。

因此应用现有的流体计算软件Fluent 对瓦斯隧道施工
期间降低瓦斯浓度效果进行模拟计算,为隧道施工通风提供
指导。

1牛01同山隧道施工通风模型建立及参数选择
1.1 工程概况
牛血同山隧道地处福建省龙岩市连城县隔川乡，线路总体 由南到北方向。

隧道通过地层中含炭质页岩和煤层，会产生 有害气体积聚，加上隧道底的煤系地层中的瓦斯等有害气体
可能会沿着岩石节理、裂隙向上溢出。

全隧长3 022 m,预测
瓦斯发生的长度为2 070 m,占全隧的68. 5 %，施工安全风
险高、技术难度大。

1.2模型建立
主要研究掌子面附近的风流场及瓦斯分布规律，因此建
立长200 m 的隧道模型。

利用软件Hypermesh 对三维模型进 行网格划分。

风管直径1-8 m,根据《瓦斯隧道施工技术规
范》取风管出口离掌子面的距离为5 m o 隧道整体模型及网
格划分如图1所示。

1.3参数选择设置
数值模拟边界条件的设置，如表1所示。

(1) 进口边界:风管出口选用速度入口边界,风速大小为 v = 20m/s °
(2) 出口边界:隊道出口边界条件设置为压力出口，相对
图1 隧道模型及网格
表1参数选择设置
物理模型边界条件掌子面
流体源项(Source)
隧道拱顶、侧壁、底板
壁面(Wall)
通风管口速度入口 ( Velocity inlet)
隧道出口
压力出 口( Pressure outlet)
压力取0 Pa o
(3) 壁面边界:将隧道内所有壁面均定义为固定壁面,视
为无滑移边界条件，所有壁面均视为绝热。

(4) 瓦斯源项:通过设置源项来对隧道瓦斯涌出进行
模拟。

2风流流场数值模拟分析
实际上隧道施工通风，就是风管出口的风流射向掌子面
进行送风，当隧道周围的围岩限制了射流的扩散运动,因此自
由射流的规律在有限空间就不再适用。

瓦斯及污染物的扩散
规律,是以风流的流动为基础的。

因此,在研究瓦斯及污染物 扩散规律前，应先充分认识在有限空间射流的风流场特征。

2.1 射流结构
风速流场趋于平稳时掌子面附近纵断面上风速矢量图
［定稿日期］2019 -08 -22
［作者简介］蒲实(1994 ~),男，在读硕士，从事瞇道工
程研究。

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如图2所示。

206^01g
图2 y ~z 平面风速矢量（％=0）
由于射流属于紊流流体，紊流的横向脉动使得射流与周
围的空气之间不断发生动量交换,带动周围空气的流动，但 是由于隧道边壁限制了射流边界层的发展扩散，射流的横向
范围沿隧道纵向并不是不断扩大，这就形成了向隧道掌子面
扩散的流动场。

但是对于瓦斯隧道，风管出口离掌子面的距
离近，并且风管出口风速比较大，风流从风管口射出后很快
就达到了掌子面,其射出的风流对周围空气的席卷作用并不 能得到充分的发展，因此附壁射流区不是特别明显。

从图3可以看出，风筒出口附近处，风流从风筒射出，紧 贴隧道侧壁向前射出。

此时风筒出口处的风速最大，隧道的
其余部分几乎没有风速。

随着距离风筒出口的距离增大，风
筒附近范围内的风速逐渐升高,风速围绕风筒形状出现明显 的层次性。

此时,风筒射流出现明显的贴壁射流现象，随着
距离风筒出口距离的增加，贴壁流面积越大,风速分层现象
更加明显。

图3 距风筒出口截面速度矢量
当风流到达掌子面处时，对掌子面产生冲击，形成冲击 射流区。

风流冲击掌子面端头壁面后，随即又冲击隧道地板
后产生回流，与射流形成反方向的流动，形成回流区。

当回 流与射流相遇时，回流被射流撞击后分为两部分，一部分继
续与射流反方向流动，流向隧道出口，另一部分风流被射流
区席卷后再次吹向掌子面。

回流风影响加上隧道空间的限制,从不断席卷空气变为
不断析出空气。

析出空气和席卷空气两者有明显的分界，分
界处形成漩涡，这一区域即为涡流区。

射流风流大达到掌子
面后产生的回流风流与射流风流的方向相反，由于流体之间 的相互摩擦,在贴壁射流区范围内在射流风流的上下区域形
成两个明显的涡体，越往涡体内部其风速越小，这对通风不 利,应该在施工时采取相应的措施加以消除。

因此，可以知道掌子面附近的风流场由贴壁射流区、冲
击射流区、回流区以及涡流区四部分组成。

2.2 动力特征
风管出口至掌子面各断面压强变化如图4所示。

图4 掌子面附近5m 范围内总压云图
由图4压强云图可以看出，风从风管射流出来之后，其 射流结构内部的压强变化规律为，随着射程的增大，由于流
体需要克服隧道壁面引起的压力损失,在纵向上总压逐渐减 小;另外,随着射程的增大，由于射流的席卷作用,压强增加
的范围逐渐增大,到掌子面处范围最大，这对污染物的排出
是有利的。

3瓦斯分布数值模拟分析
对于瓦斯隧道应重点关注掌子面附近的瓦斯浓度场规 律，因此对掌子面附近局部瓦斯扩散规律进一步研究。

探明
瓦斯扩散随时间的变化规律及瓦斯在隧道不同横断面上的
分布规律见图5 ~图8。

从图5 ~图8中可以很明显的看出瓦斯在洞内的运移过
程。

当通风20 s 时，瓦斯扩散到离掌子面大约15 m 的位置,
通风360 s 后，瓦斯排出洞外，隧道的瓦斯浓度基本趋于稳
定。

射流与回流流体之间的相互摩擦作用，在掌子面附近射
流风流的上下区域形的涡体位置使得此处瓦斯分布不均，扩
散效果不好。

图5 通风20s 时掌子面附近F-Z 切片瓦斯浓度云图
图6 通风100s 时掌子面附近Y-Z 切片瓦斯浓度云图
掌子面附近不同通风时间的Y-X 平面瓦斯浓度云图如
图9所示。

刚通风时，瓦斯从掌子面溢出一段距离后与风管喷出的 新鲜风混合，隧道掌子面附近瓦斯浓度较大。

随着隧道通风 的进行，掌子面瓦斯浓度逐渐降低。

瓦斯主要聚集在风管异
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图7 通风180s 时掌子面附近Y-Z 切片瓦斯浓度云图
图8 通风360s 掌子面附近Y - Z 切片瓦斯浓度云图
图9 通风20s 、100s 、180s 、360s 时瓦斯浓度分布
侧拱脚位置,这对排出瓦斯非常不利,应该在施工时采用防
爆型局扇引导风流,使其快速排出。

计算收敛后，瓦斯布满整个隧道，隧道不同截面处的瓦
斯浓度分布规律大致相同。

主要呈现出近风筒端瓦斯浓度
较低，远离风筒端瓦斯浓度较高,且两边分层现象较为明显O
同时远离风筒端隧道拱脚处的瓦斯浓度最高,直到风回流到 离掌子面大约12 m 的位置时，拱脚较高浓度的瓦斯才消散。

随着距离掌子面的距离越来越大，瓦斯整体浓度呈现下降趋
势，当距离超过15 m 后,瓦斯浓度趋于平稳。

如图10所示。

图10 离掌子面2m 、5m 、12m 、20m 位置横断面瓦斯分布
综上可知,整个隧道内风流能很好的控制瓦斯浓度。

但
是在隧道纵向一定距离内风管异侧拱脚位置有瓦斯聚集的
可能,为保证施工应采用相应措施。

4结论
采用Fluent 软件，对牛恫山铁路瓦斯隧道的进行数值模
拟计算。

最终得出的结论如下：
(1) 在射流末端区域形成两个明显的涡体，越往涡体内 部其风速越小。

(2) 射流结构内部的压强变化规律为，随着射程的增大, 在纵向上总压逐渐减小;在横向上压强增加的范围逐渐增 大，到掌子面处范围最大。

(3) 整个隧道内风流能很好的控制瓦斯浓度。

但是在隧 道纵向一定距离内风管异侧拱脚位置有瓦斯聚集的可能，为 保证施工应采用相应措施。

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