0 引言

近年来随着国家对中西部地区的基础道路建设进一步加大，中西部地区的公路建设里程也在不断增加.在部分中西部省市，山脉众多，煤炭资源非常丰富，在隧道施工中，瓦斯隧道非常常见.瓦斯隧道施工中，如果瓦斯浓度过高，极易引发工程安全事故[1-3].而降低瓦斯浓度的最有效的方法就是通风[4-5].在这个领域内，国内外许多专家学者，都进行过许多卓有成效的研究，建立了许多相关数学模型并提出了相应建议.

本文基于流体软件模拟某二级公路中某瓦斯隧道中风管末端与掌子面不同距离以及风管布置在隧道拱顶、拱肩、拱腰不同位置通风对隧道掌子面风压分布、瓦斯浓度分布以及瓦斯稀释的影响，旨在为相关工程施工指导提供参考依据.

1 工程实例

某二级公路隧道周边地貌为山地丘陵，穿越了褶皱带构造区.主洞净宽10.25 m，净5 m，最大埋深为219 m，全程2 730 m，起讫里程为K135+715～K137+845，隧道地质情况较为复杂，围岩主要为IV级和V级围岩.对该隧道地质环境考察表明该隧道所经断层带可能存在高浓度瓦斯聚集.在施工阶段，测得掌子面附近存在瓦斯涌出，且量较大，达到了4.95 m3/min.

虽然循环肿瘤细胞、循环肿瘤DNA和microRNA、外泌体等新兴血液生物标志物检测因其无创性和低风险性逐渐兴起，但其临床应用仍然相对较少[10]，而血清肿瘤标志物仍然是胰腺癌中应用最为广泛的生物标志物[11]。

现场主要通风设备为2台SDF-NO12.5型轴流流风机，配以φ1 500 mm软质风管，风管采用φ1 500 mm软质双抗(抗燃烧、抗静电)风管，每节30 m，设在洞外30 m位置.

2 模型建立过程

k-ε模型中参数ui为速度分量；t为时间；p为压力；k为紊流动能；ε为紊流动能耗散率；μ为动力粘性系数；Gk为紊流能量生成率；C1ε、C2ε、σε、σk为湍流项经验常数.

  

图1 隧道模型

隧道施工中，隧道内风速一般较低且平缓，因此隧道内通风可以作为不可压缩紊流.标准k-ε模型非常适合在一般的紊流模型中使用.该模型的张量可以用如下方程表示：

1) 连续性方程式

 

(1)

2) 能量守恒方程

近年来，在云南省各级森林公安机关的共同努力下，打击破坏野生动物资源犯罪的工作卓有成效。但同时，破坏野生动物资源犯罪的案发数仍然居高不下，野生动物非法贸易现象依然猖獗。

 

(2)

3) 湍流动能k方程

养殖试验结束后，停食24 h，测定试验虾生长性能。测定各箱虾的总重并记录尾数，每箱虾随机抽取6尾，测量每尾虾的体长、体重，抽取血淋巴立即注入加有抗凝剂的Ep管中，并在冰盘上解剖分离肝胰脏和肠道并称取重量，所有样品立即放入液氮罐中，样品采集完成后，保存在-80℃冰箱备用。统计饲喂量、饵料系数、肥满度、肝体比、增重率、成活率。

 

(3)

4) 湍流动能耗散率ε方程

 

(4)

Fluent流体软件是国内外目前在研究流体力学方面最常用的软件之一，它具有丰富的物理模型、先进的算法和强大的前后端处理能力[6-7].本文通过采集实例数据，应用Fluent前处理模块Gambit，建立隧道的三维模型并以非结构网络划分法来划分模型网格.具体模型如图1所示.

为了模拟计算结果的精确性，考虑到实际环境，对边界条件作出如下设定：以风管出口为速度进口条件，风速为7.5 m/s；以隧道进口为压力进口条件，工作压力为0.在二衬处设置一交界面，其余面壁面边界无滑移；流体域模拟位置设置在距离掌子面10 cm处，假定质量流量为0.070 1 kg/s.

模拟工况：假设掌子面与风管末端距离为L,设5组模拟距离分别为：L1=5 m,L2=8 m,L3=12 m, L4=16 m, L5=20 m. 风管出口模拟位置为：隧道右侧拱顶、拱腰、拱肩.

3 结果与分析

3.1 模型可靠性检验

从图5可以看出，当风管末端与掌子面距离逐渐加大时，隧道内瓦斯浓度在距离掌子面不同距离点的监测结果的变化趋势基本一致.距离掌子面40 m以内，随着监测面距离增加，平均瓦斯浓度逐渐上升，当距离超过40 m后，平均瓦斯浓度变化基本稳定在0.072%.

经过数据对比，实测数据与模拟计算所得数据基本一致，且都能很好地反映距离掌子面不同距离时，瓦斯浓度的变化趋势.模拟计算所得到的结果可以作为有效数据.

当监测面距离掌子面小于40 m时，在同一个监测面的平均瓦斯浓度，会随着风管末端与掌子面的距离L的增加而呈现出递减的趋势；当L=5 m时，监测面平均瓦斯浓度为最大，当L=20 m时最小.说明当风管位于拱肩时，L值越小，隧道内掌子面附近瓦斯分布会因负风压的增大，释放的瓦斯增加，瓦斯聚积就会越多，浓度就会越高，瓦斯稀释越慢.为了尽快降低掌子面附近瓦斯浓度，可以适当增加风管末端和掌子面的距离.

  

图2 实测与模拟计算瓦斯浓度曲线

3.2 风管末端与掌子面不同距离对瓦斯浓度的影响

在瓦斯隧道施工中，一般通过钻瓦斯孔来释放岩层中的瓦斯.风管末端吹出的风流经过掌子面阻挡会在掌子面形成不同的风压区，其中正压区多出现在风管附近，负压区会出现在掌子面的回流区.钻孔内的瓦斯释放快慢与钻孔外的风压大小存在密切关系.当孔外风压为正即外界风压大于孔内风压时，孔内瓦斯很难释放；反之，当孔外风压为负时，孔内瓦斯能更快的释放.

为了计算结果的准确性，以掌子面作为监测面，以均匀分布的方式在监测面取150个监测点，以监测到的正负风压监测点个数作为通风情况的参数，依据监测到的正负风压监测点数量绘制了出风口距离掌子面不同距离L的掌子面正负风压监测点分布图，如图3所示；并依据正负风压监测点的分布绘制了出风口距离掌子面不同距离L的掌子面正负风压分布图，如图4所示.

  

图3 正负风压监测点分布图

  

图4 风压分布

从图3中可以看出，随着风管末端距离掌子面距离的增加，掌子面附近的负风压监测点数量逐渐减少，正风压监测点的数量持续增加.从图4中可以发现，风管在隧道的左侧拱肩位置时，当L=5 m时掌子面正风压区域主要位于左上侧小面积区域，负风压在风流的附壁作用下，集中在掌子面右侧大面积区域.随着掌子面与风管的距离逐渐增大，负风压的区域也在迅速缩小，且逐渐集中到掌子面的中心小面积区域.

在瓦斯隧道中，负风压区的分布对瓦斯的释放有着重要的影响，掌子面负风压区范围越大越有利于掌子面瓦斯钻孔内瓦斯的释放，因此，实际施工中，可以通过适当缩短风管末端与掌子面的距离，增加掌子面负压面积来获得更好的瓦斯释放效果.

通过在掌子面设置150个均匀分布的监测点，利用仪器监测掌子面附近风压的不同变化.绘制了风管在不同位置时掌子面正负风压监测点分布图，如图6所示.根据正负风压点的分布，绘制了风管在隧道拱顶，拱肩，拱腰不同位置时掌子面附近风压分布图，如图7所示.

  

图5 末端与掌子面不同距离时隧道内瓦斯浓度分布

在进行模拟计算前，为确保模拟与实际数据的准确性.在距掌子面30 m内利用光干涉式甲烷浓度测试器对不同距离的瓦斯浓度进行了测量并绘制了实测与模拟计算瓦斯浓度曲线,如图2所示.

[2]余从：《弘扬民族戏剧文化的巨著——〈中国京剧史〉评介》，《中国戏剧》,1990年第三辑，第18-19页.

1963年，苏联科学院提出用激光引发核聚变的建议，并于1968年用激光照射氘—氚靶产生了核聚变，证明了该理论的正确性。中国科学院从二十世纪60年代起就已开始准备激光聚变的研究。1972年，美国学者首次公布了聚爆理论。根据这一理论，激光除了可使靶丸加热外，还能使靶芯压缩，成千倍地增加靶芯密度。

3.3 风管不同位置对隧道内瓦斯浓度的影响

风管在隧道不同位置，会影响到掌子面附近的气流变化，进而导致正负气压分布的改变.同时因为瓦斯气体一般较轻，悬浮于隧道中上层，风管位置的变化，也会影响到瓦斯的稀释与排放.

在生态城市建设中，首要目标是为人们提供良好的生活和旅游环境。相关部门要建设公共环境，有目的地策划各区的旅游景点，让大家能够在休闲时光里充分放松，缓解平时工作和生活带来的工作压力，使大家保持愉悦的心情[1]。

为进一步研究风管末端距掌子面不同距离时整个隧道纵深内瓦斯浓度的分布情况，在隧道内距离掌子面每隔8 m设置1个监测面，在同一监测面上均匀取15个点，监测其所在位置的瓦斯浓度，将其平均值作为该监测面的瓦斯浓度效果参数.根据监测数据绘制了风管末端与掌子面不同距离时隧道内瓦斯浓度分布图，如图5所示.

（1）某企业是从事旅游服务的一般纳税人。2018年10月，取得旅游收入60万元，其中包含向其他单位支付的住宿费、餐饮费、交通费、门票费合计30万元，开具增值税专用发票注明金额20万元，增值税额为1.2万元，开具增值税普通发票注明金额38.8 万元。

  

图6 风管在不同位置掌子面正负风压监测点分布

  

图7 风管位于隧道不同位置时掌子面风压区分布

由图6～7可知，当风管位于隧道拱肩和拱腰时，掌子面的负压区监测点数明显要大于位于拱顶时.这是因为，当风管位于隧道拱顶时，整个掌子面附近的风流会呈现出对称分布，风流经掌子面会在附近形成涡流，只在掌子面中心位置附近形成的涡流区中存在部分负压区.当风管位于隧道拱肩和拱腰时，风流会导致掌子面附近出现气流紊乱，会在风管末端附近和拱顶附近的小区域内形成正风压，负风压的区域明显增大.而掌子面的负风压区域越大，越有利于瓦斯的释放.

风管位于隧道拱顶、拱肩、拱腰位置时，隧道内不同纵深距离瓦斯平均浓度变化趋势如图8.

  

图8 风管不同位置隧道内不同纵深距离瓦斯浓度分布

图8中风管在隧道不同位置时，隧道内纵向的瓦斯平均浓度变化基本一致，都随着监测面距离掌子面距离的增大而逐渐上升，当距离达到32 m时达到最大值.之后瓦斯平均浓度，基本稳定在0.072%左右.其中风管位于拱顶，平均瓦斯浓度在同一监测面明显会高于位于拱肩和拱腰时，且在16 m左右时就达到了最大值，其后一直稳定在这个最高值左右.这说明风管位于拱顶时，掌子面瓦斯扩散情况明显低于其他2种情况，最不利于瓦斯的稀释排放.风管位于拱腰，负压区域面积会比在拱肩时略大，监测数据也非常接近，是瓦斯稀释与排放的理想位置.

4 结论

结合流体计算软件，对风管末端距掌子面风管不同位置和风管在隧道不同位置，对隧道内风压区分布和瓦斯释放和稀释的影响进行分析研究.主要结论如下：

我国政府对区域经济发展策略主要有：第一，改革开放前提出“超前共产主义”均衡发展战略。第二，改革开放后实行非均衡发展战略，提出优先发展东部沿海地区，先让一部分人富起来，“先富”带动“后富”。第三，为缩小东、中、西部之间经济发展的差距，提出“振兴东北老工业基地”“西部大开发”“促进中部地区崛起”等战略，促进东、中、西部协调发展。第四，现阶段区域协调发展战略已是我国地区经济发展的主要方向，十八届五中全会提出“创新、协调、绿色、开放、共享”理念；十九大工作报告中又明确指出，要“贯彻新发展理念，实施区域协调发展战略，建立更加有效的区域协调发展新机制”。

1) 风管末端与掌子面的距离对掌子面的风压分布有着明显的影响，进而影响到瓦斯的释放与排放.风管末端与掌子面的距离较小时，掌子面负风压面积越大，越有利于瓦斯的释放，但是过近的距离会导致瓦斯气体在短距离内达到稳定值，不利于稀释扩散.

2) 风管在隧道的拱顶、拱腰、拱肩不同位置，对瓦斯的稀释排放同样有着重要的影响.风管位于拱腰和拱肩位置时，掌子面负风压区域明显更大，在拱腰位置时，掌子面附近负风压范围会略大于在拱肩，更有利于瓦斯气体的释放.

3) 结合监测结果，本实例中，风管位于拱腰，且末端与掌子面距离为12 m时，掌子面附近负风压区域最大，最有利于瓦斯的释放与稀释排放.

参考文献：

[1] 苟彪. 瓦斯隧道施工控制及防治措施探讨[J]. 现代隧道技术, 2011, 48(2):20-27.

[2] 杨超, 王志伟. 公路隧道通风技术现状及发展趋势[J]. 地下空间与工程学报, 2011,7(4):819-824.

[3] 康小兵, 许模, 丁睿. 隧道瓦斯灾害危险性评价初探[J]. 铁道工程学报, 2010, 27(5):39-42.

[4] 赵阶勇. 铁路瓦斯隧道施工特点及问题探讨[J]. 隧道建设, 2011, 31(1): 82-87.

[5] 孟庆彪. 瓦斯释放中的影响因素及其预测手段的研究[D]. 合肥：安徽理工大学, 2010.

[6] 刘昌敏. 公路隧道通风优化设计与控制[J]. 山西交通科技, 2015(3):62-64.

[7] 汤民波. 掘进工作面压入式通风风流流场数值模拟研究[D]. 赣州：江西理工大学, 2013.