林明才， 骆 阳

(1.成都大西南铁路监理有限公司，四川成都610031；2.西南交通大学，四川成都610031)

隧道施工过程中，由于掌子面爆破、机械车辆作业以及部分围岩中富存有害气体，均会污染隧道内空气。施工通风能有效降低隧道中有害气体浓度，改善作业环境，确保隧道施工进度。数值仿真是研究隧道施工通风的重要方法，较多学者开展相关研究。

武金明[1]采用FLUENT数值模拟软件，对速度场进行模拟计算，根据规范要求，确定合理的通风参数。刘钊春[2]通过大型有限元软件ADINA，实现了隧道三维空间内风流结构和有害气体浓度扩散的数值模拟，并对射流风机的摆放位置、风机间距进行优化。赵子成[3]、彭佩等[4]、方勇等[5]、赵晓娟[6]采用三维数值模拟，研究了风管布设位置、风管管口与工作面距离等因素对隧道施工通风效果的影响。张云龙等[7]采用数值模拟与现场测试相结合的方法，研究不同风管出口距掌子面距离下，隧道内瓦斯浓度的分布规律。郭磊[8]通过数值模拟和实测数据对比，分析出某隧道通风的薄弱面，并提出相应解决措施。

上述研究中，大多采用数值计算方法，取隧道内流体区域作为研究对象，建立数值模型，忽略风机和风管内空气流场，给定风管出口风速边界进行计算分析。然而，隧道施工通风是一个复杂的系统[9]，由风机、风管和隧道共同组成。风机风压、风管风阻和漏风率、隧道风阻相互作用，影响隧道中流场分布，仅对隧道中流体区域进行分析，不足以反映整个系统的特性。本文将考虑风机、风管和隧道系统，建立数值计算模型，进行隧道施工通风分析，并与理论计算结果进行对照。

1 工程概况

某隧道斜井采用压入式施工通风，全长740m，为便于理论与数值计算的对照，取685m进行研究。斜井平面布置如图1所示。采用(SDF(D)-No12.5)型轴流风机，布置于斜井洞外30m处。风管出口距离斜井掌子面15m。斜井横断面布置如图2所示。

图1 斜井通风平面布置

图2 斜井横断面

2 隧道通风阻力理论

2.1 摩擦阻力

摩擦阻力是风流与隧道或风管侧壁摩擦以及空气分子间的扰动和摩擦而产生的能量消耗[10]。

当不计管路漏风时，计算公式为式(1)。

(1)

式中：hf为管路的摩擦阻力Pa；λ为摩擦系数；L为管路长度m；d为管路直径m；v为管路内风流速度m/s；ρ为空气密度kg/m3。

当管路漏风时，计算公式为式(2)。

(2)

式中：β为风管百米漏风率平均值；Q0为风机工作点风量m3/s；其余符号同前。

2.2 局部阻力

局部阻力风流流经突然扩大或缩小、转弯交叉等的管路时，产生的能量消耗[10]。

计算公式为式(3)。

(3)

式中：hx为管路的局部阻力损失Pa；ξ为局部阻力系数；v1为管路小断面处的风速m/s；其余符号同前。

3 隧道施工通风理论计算

斜井当量直径为5.448m，面积为40.439m2。风管直径φ1.5m，风管横截面积Afg为1.767m2。斜井与风管沿程阻力系数λ分别取0.043和0.018。风管百米漏风率β取2%。空气密度ρ取1.225kg/m3。斜井需风量为Q0。通风参数计算：

3.1 送风机风量

送风机风量为：

3.2 通风阻力

3.2.1 风管阻力

风管沿程阻力：

风机入口局部阻力：

风管出口动压损失：

风管总阻力：

3.2.2 斜井阻力

斜井沿程阻力：

斜井出口局部阻力：

斜井总阻力：

3.2.3 系统通风总阻力

根据理论计算绘制斜井通风阻力特性曲线(图3)。

图3 斜井通风阻力特性曲线

4 隧道施工通风数值计算

按3节中系统通风总风阻H和需风量Q0的关系，分别取定4种需风量，得到相应系统总风阻，如表1所示。将对表中4种工况进行数值模拟，以期与理论结果进行对照。

表1 各需风量下系统总风阻

4.1 基本假定

根据相关学者对隧道施工通风的研究[1, 3, 6, 11-14]，对隧道内空气作出基本假定：

(2)气体为不可压缩流体。

(3)气体的流动为稳定流。

(4)气体的流动服从连续性规律。

4.2 几何模型及网格划分

采用前处理软件Gambit建立1∶1的三维数值模型，导入大型流体分析软件FLUENT进行计算。数值模型如图4所示，分别建立风机、风管和隧道空气区域模型。考虑到斜井洞外的风机进风口流场分布较为复杂，故在斜井洞外建立3倍洞径的外部空气域，尽可能消除边界效应的影响。网格划分采用六面体网格，并对风管漏风点和斜井掌子面附近网格进行加密。为模拟风管漏风，如图5所示，每隔100m设置一处漏风点，取漏风面积为0.004 5m2。

图4 数值计算网格

图5 风管漏风示意

4.3 边界条件

参考现有隧道施工通风研究[13,15-19]，并结合FLUENT软件中边界条件相关特点，计算模型边界条件设置为：

(1)风机、斜井和风管壁面均采用Wall边界，隧道壁粗糙高度取0.23m，风机和风管壁粗糙高度取0.000 5m。

(2)斜井外部空气域采用Pressureoutlet边界，指定标准大气压。

(3)风机进风口采用Fan边界，按表1分别设定4种工况下的风机全压。

4.4 计算结果与分析

4.4.1 风管出口风量

根据数值计算结果，将工况1～4风管出口风量列于表2。由表2可知，数值计算风管出口风量与理论风量较为接近，各工况下相对误差均在5%以内，满足实际工程误差要求。而大多压入式隧道施工通风的需风量为20～50m3/s，故数值计算结果具有普遍性。故本文数值计算结果具有可靠性与合理性，数值计算模型可用于隧道施工通风研究。

表2 数值计算风量统计

4.4.2 风管百米漏风率

根据风管漏风点处平均风速，换算得到各段漏风量和漏风率。将工况1～4中各段风管漏风率平均值列于表3中，由表3可知：

表3 风管百米漏风率统计

(1)数值计算平均漏风率与理论计算取值较为接近，最大误差仅为6.8%，数值计算具有合理性。

(2)工况1～4，风机风压由896Pa增加至5 600Pa，风管平均100m漏风率从2.022%增加至2.137%，风机工作风压对风管漏风率影响较小。

将各工况下，风管百米漏风率随距离的变化绘制如图6所示。由曲线可知，风管漏风率随距离的增加而不断减小，且减小幅值较大，由3%～0.5%，故在实际隧道施工时，应尽量保证与风机距离较近的风管具有较好的气密性，从而减小风量的损失。且工况1～4，即不同风机风压条件下，风管漏风率随距离的变化趋势相同。

图6 风管百米漏风率随距离变化曲线

4.4.3 漏风点处流场分布

风管内外存在压强差，漏风点处，存在风压损失。如图7所示，为工况4风管漏风点处全压云图，风管内全压约为4 500Pa，隧道内全压仅约为200Pa，风管经过漏风点风压衰减，斜井隧道内压力局部增加，全压从高到低过渡。以此可知，漏风点处风管与斜井隧道压力场相互影响。同时，漏风点处风流将从管内的高压区流向斜井隧道低压区[20]。如图8所示，漏风点处风流从风管沿前进方流向斜井隧道，在斜井内局部产生涡流，经过漏风点，风管中风速也略有减小。

图7 漏风点处静压场云图(工况1)

图8 漏风点处流速场矢量图(工况1)

5 结论

本文建立“风机-风管-隧道”系统三维数值计算模型，对某斜井隧道压入式施工通风进行模拟，获取风量、漏风率等通风参数，并与理论计算结果进行对照，得出结论：

(1)数值计算风管出口风量与理论风量较为接近，各工况下相对误差均在5%以内，满足实际工程误差要求，说明本数值计算模型具有合理性。

(2)数值计算平均漏风率与理论计算取值较为接近，最大误差仅为6.85%，表明数值计算风管漏风面积取值合理。

(3)风机风压由896Pa增加至5 600Pa，而风管平均百米漏风率仅从2.022%增加至2.137%，说明风机工作风压对风管漏风率影响较小。

(4)风管漏风率随着与风机距离的增加而不断减小，且减小幅值较大。

(5)漏风点处，风管与斜井隧道的压力场与流速场相互影响。