冉楗， 王林峰*， 李鸣， 周楠， 钟宜宏

(1.重庆交通大学山区公路水运交通地质减灾重庆市高校市级重点实验室， 重庆400074； 2.中交路桥建设有限公司， 北京 101121)

如何有效减小隧道施工过程中瓦斯气体所带来的危害是隧道工程相关研究中的一个重要课题。若在相对封闭的空间内有瓦斯源存在却未采取相应的防护措施，将会因瓦斯气体在空气中含量过高而导致人体缺氧、窒息，甚至是发生瓦斯爆炸。瓦斯爆炸反应过程中释放的二氧化碳和水形成高温高压的冲击波，将会对人员和设备造成极大的伤害[1]。发生在内蒙古赤峰宝的“12· 3”特大瓦斯爆炸事故和发生在山西 “11·18”重大瓦斯爆炸事故，都造成了重大人员伤亡和巨额的财产损失。因此，针对隧道这种封闭性施工环境，做好施工过程中的通风以确保施工人员的生命安全及健康是十分必要的；而通风设备的布置则是隧道施工通风的关键环节[2-5]。

学者们已经针对瓦斯隧道施工通风这一施工过程中不容忽视的问题进行了大量研究。刘春等[6]针对压入式通风对超大断面隧道的瓦斯浓度及流场规律的影响进行了研究；分析得出了针对其研究工况的最佳出风口与掌子面距离以及瓦斯浓度在隧道沿程中呈“下降-上升-平稳”趋势等结论。张恒等[7]从射流风机及轴流风管的布置对瓦斯浓度分布以及流场规律的影响方面进行了相关研究；分析得出了轴流风机风管布置于高处时，掌子面处风速分布更加均匀、更有利于减小瓦斯聚集、更有利于瓦斯气体从对施工区间无碍的隧道上部排出以及风管与掌子面之间距离的不同对风速的影响范围有限的结论。张磊等[8]通过建立流体力学分析模型对隧道内的流场分布规律和瓦斯迁移扩散规律进行了研究。Peter[9]通过数学模型研究了空气流量和污染物浓度之间的动态变化；彭佩等[10]以铜锣山隧道为依托，对台阶法施工过程中的压入式通风效果进行了研究并提出了优化措施。

上述学者们大多以现场实验及数值模拟相结合的方法针对不同工况进行研究，且绝大部分研究工况都是全断面开挖的形式[10]。但实际施工过程中通常需要根据隧道断面大小及形状、围岩级别、隧道埋深等因素选择适宜的施工开挖方法。若遇到隧道围岩风化严重导致其强度降低进而极易在开挖扰动影响下失稳的情况，则以台阶开挖法为宜。台阶开挖法施工过程中以分步的形式对围岩施加应力，从而可以减小对围岩的扰动[11],尽量保持其稳定性。此外，之前研究者们采集瓦斯气体浓度的范围几乎囊括整个掌子面；但实际施工过程中，工作人员主要活动区域的高度是有限的。所以，应该以施工人员的主要活动空间对研究区域；若对整个掌子面范围内的数据进行研究，则可能导致试验数据和结论与实际情况存在差异。基于此，现运用流体力学软件FLUENT对采用台阶开挖方法的公路瓦斯隧道进行正交试验；运用极差分析与方差的分析的方法对试验所得瓦斯浓度数据进行处理，量化比较不同的出风口到掌子面距离、不同的风筒直径大小、不同的风筒布设高度对隧道施工区域内通风效果的影响程度以及确定各因素的最佳布置参数；以期为风筒布置设计的优化提供切实可行的理论依据。

1 依托工程概况

重庆城口(陕渝界)至开州高速公路鸡鸣隧道左洞起讫桩号ZK59+707～ZK67+142.2全线长为7 435.2 m，右洞起讫里程为K59+698～K67+150，长为7 452 m，为特长隧道；其主洞限宽10.25 m，限高5.0 m；隧道最大埋深达1 140.05 m；隧道穿越大隆组(P3d)、孤峰组(P2g)、梁山组(P2l)三个含煤岩系，按高瓦斯隧道进行计算。隧道各围岩级别长度及所占比例如表1所示。

表1 鸡鸣隧道各级围岩长度及占比Table 1 Length and proportion of surrounding rock of Jiming tunnel

2 模型建立

2.1 基本假设

运用流体力学软件FLUENT进行数值计算时，为排除其余影响因素对试验结果的干扰，结合实际工况作如下假设。

(1)将经通风设备导入隧道内的新鲜空气视为不可压缩流体且为稳态紊流。

(2)隧道壁面仅仅作为隔断面存在，既不能传输能量，也不在气体扩散过程中发生任何化学反应。

(3)瓦斯气体仅能从掌子面处均匀地溢出，故将离掌子面距离很小(100 mm)的空气作为瓦斯源，瓦斯气体便从此处均匀溢出到隧道内。模拟设置的瓦斯溢出速度与隧道中实际瓦斯涌出速度相同，单元项S为单位体积在单位时间内的瓦斯涌出量，即

(1)

式(1)中：ρ0为瓦斯密度；Q为瓦斯涌出量；V为瓦斯涌出元的体积。

根据实际测的数据代入式(1)计算得到隧道单元体积中的源项S为4.878×10-3kg/(m3·s)。

2.2 数学模型

FLUENT软件计算流体运动过程中主要遵循质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。根据假设条件，隧道中运动的气流为紊流，且不同组分间的相互作用受组分守恒定律约束；因此选用紊流模型和组分运输模型进行隧道中的流场、瓦斯运动与分布规律的模拟，其中紊流模型选用k-ε两方程模型。控制方程如下。

质量守恒方程为

(2)

式(2)中：ρ为空气密度；t为时间；v为速度矢量；div表示求散度。

能量守恒方程为

(3)

式(3)中：T为温度；k为流体传热系数；c为比热容；ST为黏性耗散项；grad表示求梯度。

组分方程为

(4)

式(4)中：ml为各组分的体积百分比；Dl为组分扩散系数；Sl为单位体积内的各组分产生速率。

动量守恒方程为

(5)

式(5)中：vx、vy、vz为速度矢量v在x、y、z方向上的分量；u为动力黏度；p为流体微元体压力；Su、Sv、Sw为动量守恒方程的广义源项。

2.3 几何模型与网格划分

几何模型按照依托工程的实际尺寸建立，模型长度为150 m；选取拱高为7.22 m，其中上部开挖高度为3.5 m，下部开挖高度为3.72 m；隧道掌子面面积为66.05 m2；以掌子面向洞口方向为z轴正方向、掌子面为x-y平面；根据隧道所在处的地质条件与《公路隧道施工技术规范》，台阶长度取10 m；采用ICEM CFD进行模型建立与网格划分，网格类型为非结构化网格，其个数为635 426。隧道尺寸、模型和风筒布置如图1所示。

2.4 边界条件的设置

边界条件[12]如下。

(1)风管出口设为速度入口边界(velocity-inlet),出风口处风速根据实际进风量与选用的风筒横断面积求得。

图1 隧道尺寸、模型和风筒布置示意图Fig.1 Schematic of tunnel size, model and layout of ventiduct

(2)隧道沿程的侧壁面、掌子面、底面及风管壁面均设定为固体壁面边界(wall)。

(3)隧道口为出口边界条件(outflow)。

3 研究方法的确定

3.1 试验方法的确定

所研究的因素有风筒直径、风筒出口与掌子面距离、风筒高度，分别用X、Y、Z表示；其余因素，如瓦斯溢出速度、温度、湿度等因素均视为固定不变，且不对试验产生额外影响。本次研究将设计一个水平数为3的正交试验；因此，若对每个因素、每个水平都进行全面的组合试验，试验次数将达到33，即27次，且后续对实验数据进行统计分析需要耗费大量时间。故采取正交试验方法进行研究。研究的因素各个水平的取值如表2所示。

研究因素X、Y、Z对瓦斯隧道施工通风过程中通风效果的影响程度，因而选用正交表L9(34)进行试验设置。正交试验方案如表3所示。

表2 正交试验因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment

表3 正交试验方案表Table 3 Orthogonal test scheme

3.2 数据监测点的布置

考虑到工作人员主要是在掌子面前一定范围内进行相关生产建设活动，此处取工作人员主要活动区域为掌子面前长10 m、高2.5 m的空间，该区域即为瓦斯浓度监测区域。掌子面处施工活动范围内的监测点设置如图2所示。

掌子面处进风侧与回风侧各设有18个监测点，即A1～V1，各点位置坐标如表4所示。隧道沿程中监测点的布置以掌子面处各监测点为基点，在上、下掌子面各自的10 m范围内每间隔2 m布设一个。

图2 隧道横断面处瓦斯浓度监测点布设图Fig.2 Layout of gas concentration monitoring points at tunnel cross-section

表4 隧道正视图监测点坐标Table 4 Locations of monitoring points in front view of tunnel

4 正交试验数据分析

4.1 瓦斯气体运动规律分析

研究发现，新鲜空气经通风设备传导，离开出风口后以射流的形式向掌子面运动。气体在流向掌子面的过程中，因没有了风筒的约束，呈现出向周围扩散的现象。流向掌子面的空气受到掌子面的阻碍作用而产生回流，并在掌子面附近一定范围内与向掌子面流动的气体相互影响，进而形成涡流区，使得该区域的流场变得紊乱、复杂。

由于风筒并未布置在隧道横断面中心处，并且涡流区的存在改变了隧道内的流场，故而进风侧、回风侧都会受影响，因此瓦斯浓度在该区域内的分布也会呈现出不同；同时，涡流区的存在使得携带有瓦斯气体的流体在涡流区内循环运动，从而使得涡流区附近一定范围内瓦斯浓度略高。进风侧与回风侧瓦斯浓度在隧道沿程的变化情况如图3所示。

根据图3中瓦斯浓度曲线可知，进风侧的瓦斯气体直接与通风设备引入的新鲜气体接触，因此该区域内瓦斯气体平均浓度均小于回风侧；而且二者相差最大时，进风侧瓦斯浓度仅为回风侧瓦斯浓度的55.8%。出现该现象是由于气体从进风侧流到掌子面，受到掌子面阻碍并产生回流的过程中，新鲜空气已与瓦斯气体混合，回风侧气体中已携带有瓦斯气体，进而使得其与回风侧的瓦斯气体混合的能力有限。

图3 隧道横断面各部分瓦斯浓度分布曲线图Fig.3 Distribution curve of gas concentration in each part of tunnel cross section

4.2 不同掌子面监测区域范围内的瓦斯平均浓度

根据通风时长同为30 min所得到的正交试验各监测点的数据，上、下掌子面监测区域内瓦斯平均浓度(体积分数)及整体掌子面监测区域内瓦斯平均浓度(体积分数)如表5所示。上述三种监测区域分别对应为仅有上掌子面施工、仅有下掌子面施工以及整体掌子面施工的情况。

表5 不同掌子面监测区域内平均瓦斯浓度Table 5 Average gas concentration in working area of each working face

根据上掌子面监测区域内瓦斯浓度数据可知，方案8中监测所得的瓦斯气体平均浓度为0.233%，该数值仅为规范要求的瓦斯浓度限值0.5%的46.6%。而根据方案3、方案5、方案7的三组模拟试验数据，此三种方案在监测区域内瓦斯浓度均已超过限值0.5%；其中方案3超出限值部分为38%，方案5超出限值百分比更是高达47.2%，方案7超出限值百分比也有40%之多。以下掌子面监测区域内瓦斯平均浓度值为评判指标时，方案9监测区域内瓦斯气体平均浓度为0.281%，为瓦斯浓度限值的56.2%；该工况下，仅有方案1在监测区域内的瓦斯平均浓度超限，其超出部分占比为11.8%。而在整体掌子面监测区域内，方案6对应的瓦斯气体平均浓度为0.312%，并且该方案中上、下掌子面各监测区域内的瓦斯气体平均浓度分别为0.270%和0.354%，均未超过限值。

由上述情况可知，即使是完全相同的试验方案，不同的施工情况下所得到的实验结论是截然不同的。可见针对台阶开挖过程中的不同施工情况下，即仅有上掌子面范围在施工、仅有下掌子面范围在施工或整体掌子面范围内均在施工时，X、Y、Z三个因素对通风效果的影响程度存在差异；所以，对台阶开挖过程中的施工通风设备布置的研究是十分必要的。在实际施工过程中，除了需要保证工作区域内瓦斯浓度达到规范要求，还应尽可能地通过改变通风设备的布置以提高通风效率。其重要前提便是通过研究理清X、Y、Z三个要素对通风效果的影响程度，以便更为直接、高效、有针对性地进行优化设计。而极差分析与方差分析就是鉴别各因素影响程度的一种有效统计方法。

4.3 极差分析

为了直观地表示三种施工开挖情况中X、Y、Z三个因素极差值的变化情况，各监测区域对应的极差分布曲线如图4所示。

上掌子面监测区域内，Z对应的极差0.41远大于X、Y所对应的极差值。X、Y、Z在上掌子面处极差值的比值为0.161∶0.007∶1；由极差比值可知，在上掌子面监测区域内，Z对通风效果的影响程度最大，其次是X、Y的影响程度最小。整体掌子面处X、Y、Z的极差比值为0.647∶0.216∶1；则整体掌子面监测区域内，三个因素对通风效果影响程度由大到小依次为Z、X、Y。而下掌子面监测区域内，Y对通风效果的影响程度仍是最小的，X与Z的影响程度相同，该工况下X、Y、Z极差值的比为1∶0.455∶1。

表6 三种工况下的极差分析表Table 6 Range analysis of three conditions

图4 极差分布曲线图Fig.4 Range distribution curves

由图5(a)可知，整体掌子面监测区域内，Z在三水平下瓦斯平均浓度比值为1∶1.08∶1.37，可见风筒高度为5.8 m时通风效果最好，即水平1为该工况下Z的最有水平。X相对应的三水平下瓦斯浓度平均值比值为1∶0.836∶0.816，风筒直径为2.0 m时在风筒直径为1.6 m的基础上将通风效率提高了19.6%，而风筒直径由2.0 m增加到2.4 m时，通风效率又增加了2.45%。Y对应的三个水平下的瓦斯平均浓度比值为1∶0.984∶0.933，可见Y因素的最优水平为3，即掌子面与出风口距离为25 m。因此，该工况下的最佳布置方案为Z1X3Y3。

图5 三个监测区域内各因素水平下瓦斯平均浓度变化图Fig.5 Variation of gas concentration with various factor levels in three monitoring areas

由图5(b)曲线变化情况可知，在上掌子面监测区域内，Z因素下三水平对应的瓦斯平均浓度比值为1∶1.49∶2.37，即在上掌子面监测区域风筒高度由1.4 m增大到3.7 m时通风效果得到有效改善，瓦斯浓度减小比例达到37.13%；而其由3.7 m增加到5.8 m瓦斯平均浓度下降幅度减小为32.89%。该工况下Z因素的最优水平为1，即风筒高度为5.8 m。该区域内，X所对应的三水平下的瓦斯浓度平均值比值为1∶0.874∶0.912；可见风筒直径为2.0 m更能有效提高通风效率。同样是风筒直径增大0.4 m，在风量不变的前提下，速度均在原有速度基础上减小，但风筒直径为2.4 m时的瓦斯浓度却在风筒直径为2.0 m的基础上略有升高；由此可知风速也是影响通风效率的重要因素。风筒直径为1.6 m时，引入空气离开风筒时的速度最大，其运动过程中受掌子面阻碍作用在掌子面附近形成强度更大的涡流区，由于涡流区的存在破坏了回流运动路径，使得携带瓦斯的气体在涡流中循环运动。涡流区强度越大则气体越难以挣脱涡流区向隧道外运动，并且运动速度过快不利于瓦斯气体与引入空气的充分混合，故表现为瓦斯浓度较高。而风筒直径为2.4 m时，流体运动速度在风筒直径为2.0 m的基础上减小，部分气体未能到达掌子面处，因此瓦斯浓度相比较于风筒直径为2.0 m时略有上升。Y三水平下的瓦斯平均浓度比值为1∶0.994∶0.998，出风口与掌子面距离的改变，瓦斯浓度变化范围均不超过0.6%，故其对施工通风的影响几乎可忽略。因此，该工况下的最佳布置方案为Z1X2Y2。

由图5(c)曲线变化情况可知，在下掌子面监测区域内X与Z所引起的瓦斯浓度波动相同且均大于Y。因此，该工况下X与Z对通风效果的影响程度是无法通过极差分析的数据显示的。下掌子面监测区域内，X、Y、Z三水平分别对应的瓦斯平均浓度为1∶0.798∶0.710；1∶0.970∶0.851；1∶0.810∶0.709；可见该工况下三因素均以水平3为最优。

综上所述，根据整体掌子面、上掌子面、下掌子面处不同因素不同水平下的瓦斯平均浓度变化情况，当监测区域发生改变时，各因素的影响程度和最优水平均发生改变。整体掌子面区域内，三个因素对通风效果的影响程度从大到小依次为Z、X、Y；Z的最佳布置参数为5.8 m，X的最佳布置参数为2.4 m，Y的最佳布置参数为25 m。上掌子面与整体掌子面各因素影响程度排序相同，但是X和Y的最佳布置参数为2.0 m和20 m。下掌子面处，Z、X两个因素对通风效果的影响程度均大于Y，但二者之间尚无法比较；该工况下X、Y、Z的布置位置分别以2.4、25、1.4 m为宜。

4.4 三因素方差分析

为了验证X、Y、Z三个因素对通风的效果影响程度，故选用三因素方差分析法进行研究。

上掌子面、下掌子面、整体掌子面监测区域内瓦斯浓度三因素方差分析所得F值如表7所示。

表7 三个监测区域内三因素方差分析Table 7 Analysis of variance of three factors in three monitoring areas

由表7中三个区域各自的F可知，出风口与掌子面距离计算所得F均小于其余两个因素所对应的F，从而得知出风口与掌子面距离对通风效果的影响程度是所研究的三个因素中最小的。下掌子面处，风筒直径计算得到的F=2.58略大于风筒高度对应的F=2.52；故而在下掌子面监测区域内，风筒直径对通风效果的影响是最大的。因此，在仅有下掌子面进行施工的情况下应该优先考虑风筒直径的大小，其次是风筒高度，最后是出风口与掌子面距离；所以，仅有下掌子面进行施工时的最佳布置方案为X3Z3Y3。计算所得数据显示，在上掌子面处及整体掌子面处，风筒高度所对应的F要明显大于风筒直径对应的F，因而得到风筒高度对通风效果的影响要大于风筒直径影响的结论。

鉴于计算所得的J与F对各因素对通风效果的影响程度分析结果相同，即可得知上述分析的正确性。所以采用台阶开挖法进行隧道施工时，应根据不同的施工区域进行通风设备布置调整以达到优化通风方案、提高通风效率的目的。

综合以上分析，并考虑到台阶开挖过程中可能出现的情况，针对以提高通风效率为目的的通风设备布置提出以下建议。

(1)整体掌子面进行施工时，应率先考虑风筒高度的影响，并在满足其他更为重要的施工要求的前提下尽可能地将风筒布置在高处；其次考虑风筒直径对施工通风的影响，结合实际情况选择尽可能大的风筒直径并且以不小于2.4 m为宜；最后考虑出风口与掌子面的距离，该距离以不小于25 m为宜。

(2)仅有上掌子面施工时，亦应率先考虑风筒高度的影响并且以选取尽可能高的布置位置为宜；其次考虑风筒直径，风筒直径以2.0 m为宜；最后考虑出风口与掌子面距离，该距离取值以20 m为宜。

(3)仅有下掌子面施工时，则应优先考虑风筒直径的影响，风筒应尽可能选择大直径并且以不小于2.4 m为佳；其次考虑风筒高度的影响，风筒应尽可能布置在较低处；最后考虑出风口与掌子面距离的影响，该距离应尽可能地取较大值，至少应不小于25 m。

5 结论

(1)空气自出风口流向掌子面的过程中伴随有自主扩散作用，其与回流气体在掌子面附近一定范围内产生涡流区，破坏气流运动路径、阻碍携带瓦斯的气体排出，因而瓦斯气体运动规律受到不同程度的影响；风筒未居中布置，进风侧新鲜气体与瓦斯气体混合更充分，表现为进风侧瓦斯气体平均浓度小于回风侧；掌子面处仅有少部分新鲜空气流经顶角、底角处，故而其瓦斯浓度略高于掌子面其他部位，在实际施工过程中应该加强对掌子面顶角与底角处的瓦斯浓度监测。

(2)由正交试验监测区域内的瓦斯平均浓度分析可知，风筒直径、出风口与掌子面距离、风筒高度三个因素对通风效果均存在不同程度的影响；监测区域发生变化时，各因素对通风效果的影响程度也发生改变。

(3)在瓦斯平均浓度的基础上，采用极差方法分析、方差方法验证的方式研究得到各工况下的最佳布置方案。仅有上掌子面施工、仅有下掌子面施工以及整体掌子面施工时对应的最佳布置方案为：Z1X2Y2、X3Z3Y3、Z1X3Y3。

(4)根据本文研究所得出的结论以及台阶开挖过程中可能出现的工程实际情况，提出以尽可能地提高通风效率、减小瓦斯气体危害为目的的通风设备布置建议；能对实际施工过程中的通风效率问题起到一定的指导性作用。