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双隧道循环通风系统中的气流特性和气体扩散
Yong Fang , Jianguo Fan , Bernadette Kenneally , Michael Mooney
（教育部交通隧道工程重点实验室，西南交通大学，成都610031；美国科罗拉多州金学院地下施工与隧道中心，邮编80401）
摘 要：人工通风和再循环系统通常用于长双隧道的建设，因为它们能够低成本地提供大量的新鲜空气。然而，由于交叉通道附近的合流，单隧道的流体特性和气体浓度与传统的人工通风有很大的不同。为了研究双隧道交叉通道附近空气特性和有害气体扩散，建立了三维数值模型。现场检测后，验证了数值模型的正确性。研究结果表明，在交叉通道前面有一个“死区”，其风速比双隧道的其他部分要低得多，并且危险气体更集中和分布更均匀。在空气流出隧道的交叉通道和合流区，甲烷倾向于在顶部聚集，硫化氢倾向于在底部聚集。通过增加能耗的方式去增加再循环速度并不能消除交叉通道附近的“死区”。提高风管的风速是改善空气质量的有效方法，但同时也很昂贵，特别是在风管较长的情况下。在本研究中，当喷气式风扇放置在交叉通道前面时，“死区”被完全消除。对于双隧道的再循环通风系统，局部射流风机为消除“死区”提供了一种有效、经济的方法。
关键词：隧道施工；再循环通风；有害气体；局部通风机；安全设备
Air flow behavior and gas dispersion in the recirculation ventilation system of a twin-tunnel construction
Yong Fang , Jianguo Fan , Bernadette Kenneally , Michael Mooney
（Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China
Center for Underground Construction amp; Tunneling, Colorado School of Mines, Golden, CO 80401, USA）
Abstract：Forced ventilation and recirculation systems are usually used in the construction of long twin tunnels as they offer large amounts of fresh air economically. However, because of the confluence near the crossaisle, the fluid behavior and gas concentration are very different than in traditional forced ventilation for a single tunnel. A three-dimensional numerical model was built to study the air flow behavior and hazardous gas dispersion near the cross-aisle of a twin-tunnel construction. Field measurements were also carried out to validate the numerical model. The results show that there is a lsquo;lsquo;dead zone” ahead of the cross-aisle which has a much lower air velocity than in other parts of the twin tunnels and where hazardous gases are more concentrated and uniformly distributed. In the cross-aisle and confluence zone of the air flow-out tunnel, methane tends to gather at the top and hydrogen sulfide tends to gather at the bottom. Increasing the recirculation velocity does not eliminate the lsquo;lsquo;dead zone” near the cross-aisle although it consumes a huge amount of energy. Increasing the air velocity of the duct is an effective method to improve the air quality, but it is also expensive, especially when the air duct is long. When a jet fan was placed ahead of the cross-aisle in this study, the lsquo;lsquo;dead zone” was eliminated completely. With respect to the recirculation ventilation system of twin tunnels, local jet fans offer an effective and economical way to eliminate the lsquo;lsquo;dead zone”.
Keywords:tunnel construction ;recirculation ventilation ;hazardous gases ;local fan ;safety
1 概况
隧道施工过程中，有害气体会被排放到隧道内。这些气体包括内燃机和爆破产生的一氧化碳（CO）和周围岩石排放的甲烷（CH4）或硫化氢（H2S）（Elioff等人，1995年；Tang等人，2011年）。一般来说，一氧化碳的排放量很少，不是主要的危险源。相比之下，甲烷和硫化氢的排放量无法预测并且很容易聚集在一起，从而产生气体爆炸和中毒的危险。为了解决这些问题，必须通过通风系统不断向工作区引入新鲜空气，以快速稀释污染物（Parra等人，2006年）。虽然交通隧道建设中瓦斯爆炸的危险性远低于煤矿开采中瓦斯爆炸的危险性，但我国却发生了许多严重的事故，如1959年的岩角寨铁路隧道爆炸70多人，1994年的泡台山铁路隧道爆炸13人，董家山公路隧道爆炸13人。2005年爆炸造成44人死亡（Lei，2011年）。
众所周知，隧道施工的安全和工作条件取决于通风系统的效率（Lowndes等人，2006年；Torantilde;o等人，2009年）。主要有三种通风系统：人工通风、排气、混合通风。人工通风由于其方便、经济等优点，在隧道施工中的应用比其它两种通风系统更为广泛。例如，Torantilde;o等人（2009）提出排气通风方式比人工通风方式效率低。由于风管长度一般受风管漏泄问题的限制（Onder等人，2006年；Onder和Cevik，2008年），人工通风和再循环系统（图1）已广泛应用于中国超长平行隧道的建设，如中南山公路隧道（2*18公里）、米仓山隧道（2*13.8公里）、二郎山隧道（2*13.4公里）、尼巴山隧道（2*10公里）。在需要更多新鲜空气来稀释甲烷和硫化氢等有害气体的隧道施工中，也采用了这种组合。在循环通风系统中，由于平行隧道分别作为新鲜空气进出通道和污染物空气进出通道，因此大量空气可以非常高效的混合（Maidl等人，2013年）。
图1 人工通风与再循环系统相结合
就工作面附近的流场和污染物扩散问题而言，与采矿隧道相关的研究还比较多。Parra等人（2006年）通过数值和实验分析研究了三个通风系统的流场，以展示死区的空间分布和局部平均空气龄。Hargreaves和Lowndes（2007年）通过一个全面的实验，使用CFD模型研究了连续采矿机切割过程中各个阶段的通风流。Diego等人（2011）揭示了在一个死端隧道通风系统中，连续矿工和一辆铰接式卡车周围的压力损失。Torantilde;o等人（2011）研究了混合通风系统中掘进机周围的气流和粉尘浓度。最近，Sasmio等人（2013）分析了地下煤矿不同通风系统的风速场和甲烷浓度。这些研究大多集中在掘进工作面正压通风和抽气通风问题上，而循环通风系统的流场和污染物浓度等问题则鲜有提及。
本研究旨在揭示平行隧道内循环通风系统中，横贯通道附近之流场及有害气体浓度分布。为验证三维数值模型的计算结果，进行了实验测量。在研究中，考虑了实际中遇到的危险气体硫化氢和甲烷。这些气体也代表危险气体，其重量分别比空气重和轻。研究结果有助于工程人员更好地了解循环通风系统的流态，并设计出一套有效的通风系统，用于危险气体平行隧道的施工。
2 测量过程
华阴山双隧道（每个8151m）是中国四川省高速公路的一部分。由于地质勘探结果表明，气藏中含有硫化氢的围岩释放出甲烷（CH4），因此将其归类为天然气隧道。为此，在华阴山双隧道施工中，采用强制循环通风系统，向掘进工作面引入大量新鲜空气。强制辅助通风包括一个直径为1.6 m的柔性扁平铺设管道，悬挂在靠近隧道右侧壁的屋顶上，如图2所示。
- （b）
图2 实际通风系统：（a）掘进巷道；（b）交叉通道
空气通过该管道被两台132千瓦的变频风机压入双导洞的导洞面，该风机位于距离交叉通道约30米处的气流隧道内。射流风机也沿隧道布置，在进风口处吸入新鲜空气，在出风口处排出有害的空气，使空气循环。通风方案建议平均再循环风速Vr不小于2.0 m/s，掘进隧道内气流平均流速Vr不小于0.5 m/s，各掘进工作面新风量Q大于39 /s，风道出口风速Vin=Q/a大于19.4 m/s，其中E表示风管的出口截面面积，1600 mm风管的出口截面面积为2.01 ㎡。
通过现场测量，揭示了循环通风系统中交叉通道附近空气流量和有害气体浓度的特征。如图3所示，共有10个截面需要测试。采用分辨率为0.01 m/s的热线风速仪测试风速，采用分辨率为0.01%（CH4）和0.1 ppm（H2S）的便携式多传感器测试有害气体浓度。由于风速和有害气体浓度随位置的变化而变化，因此增加监测点的数量以获得断面的平均风速和气体浓度是非常重要的。因此，基础隧道（I-I、II-II、III-III和IV-IV段）的横截面分为八部分，交叉通道（V-V段）的横截面分为六部分。以15-s为间隔，记录各部位质心处的风速和有害气体浓度10分钟。各部分的风速和有害气体浓度记录平均值分别为vi和ci。因此，可以计算横截面的平均风速vs和危险气体浓度cs：
（1）
（2）
其中i=1，hellip;，8用于基底隧道，i=1，hellip;，6表示横通道，ai表示横截面第一部分的面积。
图3 现场测量方案：（a）监测断面的位置，（b）I-I、II-II、III-III和IV-IV断面的细节，（c）V-V断面的细节
3 数学建模
3.1.模型建立
本研究以横贯通道附近之气流及污染物扩散为研究重点，故本研究忽略了掘进工作面之开挖。待建模的再循环通风系统由长230 m、宽12 m、高8 m的双平行隧道和宽5 m、高6.35 m的交叉通道组成，如图3所示。双隧道中心线之间的距离为35 m。横通道与掘进工作面之间的距离约为115 m。在该距离处，气流在从工作面向横通道移动时会变为稳定状态(Kurnia 等人, 2014; Nan 等人, 2015;Zhang 等人, 2015。
利用计算流体力学（CFD）软件Fluent对循环通风系统的流场进行了数值模拟。网格划分对CFD模型的计算结果有很大的影响，该模型既涉及到映射网格划分，也涉及到了边界层（靠近墙壁）所在隧道壁附近的密集网格划分（Torno等人，2013年；Diego等人，2011年）。独立网格试验也在不同的网格尺寸下进行：2 m（29827个元素）、1.5 m（71168个元素）、1 m（164199个元素）、0.8 m（236433个元素）和0.5 m（722587个元素）。网格尺寸越大，单元数越小，计算速度越快。结果表明，当网格尺寸小于0.8m时，计
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