特長小半徑螺旋隧道CO氣體分布規(guī)律研究

摘要 ：螺旋隧道不同于直線隧道，受曲率、坡度及其他因素的影響，其通風(fēng)效果也會有所不同。以韓口隧道為依托工程，采用Fluent數(shù)值模擬軟件計算并分析螺旋隧道在不同曲線半徑、送風(fēng)速度和不同風(fēng)管末端距掌子面距離工況下隧道內(nèi)CO氣體的運移規(guī)律，將所得結(jié)果與現(xiàn)場實驗結(jié)果相互驗證。結(jié)果表明，各影響因素對掌子面前方污染物擴散影響排序為：送風(fēng)速度＞風(fēng)管出口距掌子面距離＞曲線半徑，在實際工程中，建議風(fēng)速25 m/s左右（經(jīng)濟性為前提），風(fēng)管末端距掌子面距離為15 m左右;數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)較為吻合，可以較好地反映出數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞 ：螺旋隧道;現(xiàn)場實驗;數(shù)值模擬;CO

中圖分類號：TP393.1 ""文獻標(biāo)志碼：A"" 文章編號：1004-0366（2025）01-0100-07

在地形地貌復(fù)雜、山勢險峻的地區(qū)，傳統(tǒng)的直線隧道設(shè)計很難適應(yīng)地形的高差和陡峭度，且過陡的坡度會使螺旋隧道內(nèi)部通風(fēng)效果變差，也可能導(dǎo)致交通事故增加。而螺旋隧道線形可根據(jù)地質(zhì)條件靈活調(diào)整，能滿足山區(qū)公路的個性化線形指標(biāo)，克服高差、縱坡等因素，故螺旋隧道的修建是交通工程設(shè)計中的一項重要創(chuàng)新，不僅能夠解決特定的工程難題，還能提高道路的安全性和通行效率。

螺旋隧道的建設(shè)目前正處于萌芽階段，國內(nèi)對螺旋隧道施工通風(fēng)影響因素的研究較少，而良好的施工環(huán)境是一項對施工人員的身心健康以及施工進度都有利的因素。鄧聲寶等^［1］針對特長螺旋曲線隧道——咪的村隧道施工通風(fēng)的特點及設(shè)計、計算、設(shè)備的選型優(yōu)化等通風(fēng)技術(shù)進行了總結(jié);高峰等^［2］研究了高海拔螺旋隧道中隧道螺旋曲率對射流風(fēng)機的安裝參數(shù)影響，得到了較為完整的橫斷面安裝參數(shù);王中岐等^［3］采用Fluent有限元軟件對隧道施工期間瓦斯運移規(guī)律及通風(fēng)效果進行了數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了通風(fēng)對隧道瓦斯?jié)舛鹊挠绊?張佳鵬等^［4］建立了基于CO體積分?jǐn)?shù)的爆破工況和出渣工況下隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量理論模型，對智能控制模型在隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)中的適用性展開了研究;李潤雙^［5］采用現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬手段，對隧道整體雙洞互補式通風(fēng)條件下瓦斯擴散規(guī)律進行了分析研究，結(jié)果表明在隧道掌子面附近區(qū)域瓦斯?jié)舛茸兓顬轱@著;孫晉鋒等^［6］從原理、特點和適用條件上詳細(xì)介紹了隔斷壓入式通風(fēng)系統(tǒng)，對該系統(tǒng)在實際中的應(yīng)用進行了評價和分析，對類似工程具有借鑒意義;羅剛等^［7］采用Fluent軟件，對特長公路隧道掌子面施工風(fēng)倉接力通風(fēng)方式進行了研究;高峰等^［8］采用Fluent軟件，研究了不同風(fēng)筒出口距離和不同風(fēng)筒布置方式下隧道內(nèi)部的風(fēng)流流場特征;CHANG等^［9］對隧道內(nèi)部通風(fēng)流場特征、污染物擴散規(guī)律及如何高效保證隧道內(nèi)部通風(fēng)充足展開了研究，結(jié)果表明在隧道中添加射流風(fēng)扇，構(gòu)成抽風(fēng)加通風(fēng)隧道，可以極大減少通風(fēng)時間并提高通風(fēng)效率。

以上大部分研究都是針對直線隧道，且針對螺旋隧道的文獻中關(guān)于特長小半徑螺旋隧道不同因素下CO氣體分布規(guī)律的研究鮮少，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實驗相結(jié)合的研究方法的文獻更少。因此，本文對特長小半徑螺旋隧道在不同因素下隧道內(nèi)CO氣體運移規(guī)律進行研究，并與現(xiàn)場實驗結(jié)果相互驗證，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

韓口隧道是目前世界上最長的小半徑螺旋分離式隧道，隧址區(qū)海拔781.46～1 340.22 m，相對最大高差約560 m。隧道左線全長4 459 m，右線全長4 369 m。隧道左線設(shè)置為 R =730 m的圓曲線接 A =341.760 m的緩和曲線， L =1 822.344 m直線段接 A =569.913 m的緩和曲線，接 R =2 030 m的圓曲線;小里程至大里程為2.45%上坡4 459 m。隧道右線設(shè)置為 R =700 m的圓曲線接 A =334.664 m的緩和曲線，接長1 818.849 m直線段接 A =568.507 m的緩和曲線，接 R =2 020 m的圓曲線;小里程至大里程為2.465%上坡4 369 m。新晉高速螺旋隧道群見圖1。

2 計算模型

2.1 幾何模型

根據(jù)韓口隧道現(xiàn)場實際情況建立了螺旋隧道模型，模型曲線半徑為700 m，坡度為2.45 %，長度為300 m。風(fēng)筒直徑1.8 m，中心位于距離地面4.4 m、距離隧道中心線3.4 m位置處，通風(fēng)管道建于隧道外側(cè)，出風(fēng)口距離掌子面25 m。為了保證計算結(jié)果的精確性，在流場變化劇烈位置加密網(wǎng)格。隧道模型如圖2所示，隧道模型斷面如圖3所示。

2.2 有害氣體初始濃度

隧道施工時，在掌子面放炮相當(dāng)于在半封閉空間內(nèi)部爆破，沖擊波攜帶污染物迅速擴散到隧道內(nèi)一定距離范圍。

爆破初始濃度計算公式為

C=mGbLS， （1）

其中：C為 CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù);mG為一次爆破使用的炸藥量（ kg ）;b為1 "kg 炸藥爆破產(chǎn)生有害氣體的體積（ m3/kg ），取0.04 "m3/kg ;L為炮煙拋擲距離（ m ），L=15+mG15;S為隧道開挖面積（ m2），取100 m 2。

將各參數(shù)帶入公式，計算得到炮煙拋擲距離為65.06 m，取65 m;爆破產(chǎn)生的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 539。

2.3 基本假設(shè)

（1） 隧道內(nèi)施工通風(fēng)氣流為低速連續(xù)介質(zhì)，故將其視為不可壓縮流體。

（2） 隧道內(nèi)的空氣和壁面的溫度相同，無能量交換。

（3） 隧道內(nèi)污染物的有害氣體在理論炮煙拋擲范圍內(nèi)均勻分布且不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

2.4 邊界條件

（1） 隧道內(nèi)風(fēng)管出口為入口邊界，類型為Velocity-inlet， v =22.16 m/s，風(fēng)流垂直射入管道內(nèi)部。

（2） 風(fēng)管管壁及隧道內(nèi)壁邊界類型均為wall，滿足無滑移條件，即 V =0 m/s。

（3） 隧道進口截面為壓力出口邊界。

3 結(jié)果分析

3.1 隧道通風(fēng)風(fēng)流流場特性

距拱底1.7 m高度截面風(fēng)速矢量云圖見圖4。由圖4可知，氣流由射流風(fēng)機射出，經(jīng)由通風(fēng)管道運送到掌子面前方，在隧道內(nèi)部流動區(qū)域為：附壁射流區(qū)、沖擊射流區(qū)、渦流區(qū)、回流區(qū)^［10］。

在掌子面前方形成一大一小2個渦流區(qū)域，2個渦流區(qū)域風(fēng)流旋轉(zhuǎn)方向正好相反，在兩渦流交界區(qū)域速度較小。渦流區(qū)域中心的風(fēng)速較小，遠(yuǎn)離渦流中心區(qū)域風(fēng)速逐漸增大。距離掌子面一定距離后，風(fēng)流流場逐漸穩(wěn)定。

距拱底1.7 m高度中線沿程風(fēng)速曲線見圖5。由圖5可知，掌子面前方風(fēng)速最大，在距掌子面10 m范圍內(nèi)，風(fēng)速快速下降，降幅達(dá)58.10 %;在距掌子面10～50 m，由于受2個渦流區(qū)域的影響，風(fēng)速經(jīng)歷了“減小-增加-減小”的過程，這與渦流區(qū)域中心風(fēng)速小、邊緣風(fēng)速較大相符合;在距離掌子面50 m以外風(fēng)速逐漸穩(wěn)定。

3.2 曲線半徑對CO氣體擴散規(guī)律影響分析

本文建立了曲線半徑 R 分別為340 m、570 m、700 m和2 030 m的螺旋隧道模型，研究曲線半徑對螺旋隧道內(nèi)部CO氣體分布的影響。

不同曲線半徑下距掌子面1 m截面CO氣體分布云圖見圖6。由圖6可知，各工況CO氣體濃度最小位置在隧道外側(cè)拱腰處， R =340 m、 R =570 m和 R =700 m工況下CO氣體濃度最高位置在隧道

外側(cè)墻腳處，各工況CO氣體濃度由隧道外側(cè)拱腰處向隧道外側(cè)墻腳處逐漸增加。 R =2 030 m工況下，CO氣體濃度最高位置在隧道中心區(qū)域，其CO氣體濃度由隧道外側(cè)拱腰處向隧道中心區(qū)域逐漸增加。由于 R =2 030 m工況更加接近于直線隧道，其CO氣體最高濃度為最小。

不同曲線半徑下距掌子面1 m截面CO質(zhì)量濃度隨時間變化曲線見圖7。由圖7可知，掌子面爆破完，CO氣體充斥在整個炮煙拋擲范圍內(nèi)，隨著新鮮風(fēng)的射入，CO質(zhì)量濃度逐漸減小。

在通風(fēng)0～13 s時，各工況CO質(zhì)量濃度由峰值濃度快速下降;在通風(fēng)13 s時， R =340 m工況和 R =570 m工況均有一個較小的CO質(zhì)量濃度增長，形成第2個峰值;在通風(fēng)15～250 s時，各工況CO質(zhì)量濃度下降幅度有所減?。?R =2 030 m工況＞ R =570 m工況＞ R =700 m工況＞ R =340 m工況;在通風(fēng)250 s后，各工況CO質(zhì)量濃度降低到規(guī)范要求的濃度之下，曲線趨于平穩(wěn)。

3.3 送風(fēng)速度對CO氣體擴散規(guī)律影響分析

送風(fēng)速度對隧道內(nèi)部CO氣體的分布有著至關(guān)重要的影響，建立送風(fēng)速度為 v =15 m/s、 v =25 m/s、 v =35 m/s和 v =45 m/s的螺旋隧道模型，研究不同送風(fēng)速度對螺旋隧道內(nèi)部CO氣體分布的影響。

不同送風(fēng)速度下距掌子面30 m截面CO氣體分布云圖見圖8。由圖8可知，各工況CO分布基本相同，CO氣體濃度最低位置均在隧道內(nèi)側(cè)拱腰處及附近區(qū)域，CO氣體濃度最高位置在隧道外側(cè)墻腳處，其中 v =15 m/s、 v =45 m/s工況在風(fēng)管位置有CO氣體殘留，且殘留濃度較高，應(yīng)多監(jiān)測此

位置的CO氣體濃度。各工況CO氣體濃度由隧道內(nèi)側(cè)拱腰處及附近區(qū)域向隧道外側(cè)墻腳處逐漸增加。

隨著送風(fēng)速度的增加，各工況截面位置處CO氣體整體濃度逐漸減小，最大濃度分別為4.61×10^-2 mol/m3、3.23×10^-2 mol/m3、1.74×10^-2 mol/m3和1.32×10^-2 mol/m3，較 v =15 m/s工況下，其他3個工況CO氣體最大濃度降幅分別為29.93%、62.26%和71.37%。

不同送風(fēng)速度下距掌子面50 m截面CO質(zhì)量濃度隨時間變化曲線見圖9。由圖9可知，隨著新鮮風(fēng)的射入，CO質(zhì)量濃度開始降低，各工況CO質(zhì)量濃度開始下降時間分別為33 s、14 s、14 s、8 s。

隨著送風(fēng)速度的增加，各工況在相同時間下CO質(zhì)量濃度逐漸減小，CO質(zhì)量濃度下降幅度逐漸減緩，CO質(zhì)量濃度下降至規(guī)范要求以下所需時間逐漸減小。送風(fēng)速度對隧道內(nèi)部CO質(zhì)量濃度的降低有著很大影響，在考慮經(jīng)濟的前提下，適當(dāng)提高送風(fēng)速度有助于隧道內(nèi)部污染物濃度的降低。

3.4 風(fēng)管末端距掌子面距離對CO氣體擴散規(guī)律的影響分析

風(fēng)管末端距掌子面距離也是影響隧道內(nèi)部CO氣體分布的重要因素，若距離太近影響工作人員工作，若距離太遠(yuǎn)則風(fēng)流到達(dá)不了掌子面。故建立風(fēng)管末端距掌子面距離分別為 L =15 m、 L =25 m、 L =35 m和 L =45 m的螺旋隧道模型，研究不同風(fēng)管末端距掌子面距離對螺旋隧道內(nèi)部CO氣體分布的影響。

通風(fēng)1 min時，不同風(fēng)管末端距掌子面距離工況下距掌子面20 m截面CO氣體分布云圖見圖10。由圖10可知， L =15 m工況下CO氣體濃度最低位置在隧道內(nèi)側(cè)拱腰處及附近區(qū)域，在 L =25 m、 L =35 m和 L =45 m工況下CO氣體濃度最低位置在

隧道外側(cè)拱腰處；在 L =15 m、 L =25 m和 L =35 m工況下，CO氣體濃度最高位置在隧道外側(cè)墻腳處， L =45 m工況下CO氣體濃度最高位置在隧道內(nèi)側(cè)拱腰處及附近位置和隧道內(nèi)側(cè)墻腳附近。

在 L =15 m工況下，CO氣體濃度由隧道內(nèi)側(cè)拱腰及附近區(qū)域向隧道外側(cè)墻腳處逐漸增加;在 L =25 m、 L =35 m工況下，由隧道外側(cè)拱腰處向隧道外側(cè)墻腳處逐漸增加;在 L =45 m工況下，由隧道外側(cè)拱腰處向內(nèi)側(cè)拱腰及附近位置、隧道內(nèi)側(cè)墻腳附近逐漸增加。各工況CO氣體最大濃度分別為2.34×10^-2 mol/m3、2.77×10^-2 mol/m3、3.18×10^-2 mol/m3和2.71×10^-2 mol/m3。

不同風(fēng)管未端距掌子面距離下距掌子面1 m截面上CO質(zhì)量濃度隨時間變化曲線見圖11。

由圖11可知，隨著風(fēng)管出口距掌子面距離的增加，CO質(zhì)量濃度開始降低的時間逐漸增加，且在通風(fēng)15～480 s時，相同時間CO質(zhì)量濃度逐漸減小，CO質(zhì)量濃度的降幅逐漸減小。由此可見，風(fēng)管出口距離掌子面15 m的距離有助于減小隧道內(nèi)部CO質(zhì)量濃度。

4 現(xiàn)場實驗

4.1 測量儀器及方案

在掌子面爆破之前，測量人員手持激光測距儀標(biāo)記距掌子面1 m距離處截面，在掌子面爆破后，在測量截面架好CO測試儀（距地面1.7 m高度），每1 min記錄一次讀數(shù)，每次讀數(shù)測量3次取平均值，連續(xù)記錄30 min。

4.2 CO質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)對比分析

距掌子面1 m截面CO質(zhì)量濃度數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比曲線見圖12。由圖12可知，由于現(xiàn)場掌子面前方干擾因素少，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)較為吻合，可以較好地反映出現(xiàn)場掌子面前方CO質(zhì)量濃度的變化趨勢，證明數(shù)據(jù)模擬所設(shè)置的邊界條件和使用的模型參數(shù)是可靠的。

5 結(jié)語

基于計算流體力學(xué)（CFD）相關(guān)理論，使用Fluent軟件對依托工程背景的韓口螺旋隧道進行了數(shù)值模擬研究，分析螺旋隧道施工期CO分布情況，并與現(xiàn)場試驗得到的結(jié)果對比分析。得到以下主要結(jié)論：

（1） 掌子面前方形成2個風(fēng)流旋轉(zhuǎn)方向相反的渦流區(qū)域，受2個渦流區(qū)域的影響，掌子面前方風(fēng)速經(jīng)歷了“減小-增加-減小”過程，與渦流區(qū)域中心風(fēng)速小、邊緣風(fēng)速較大相符合。

（2） 半徑 R 在700 m內(nèi)，CO氣體濃度由隧道外側(cè)拱腰處向隧道外側(cè)墻腳處逐漸增加。 R =2 030 m工況CO氣體濃度由隧道外側(cè)拱腰處向隧道中心區(qū)域逐漸增加。

（3） 送風(fēng)速度的不同對隧道內(nèi)部CO質(zhì)量濃度的降低有較大影響，在考慮經(jīng)濟的前提下，適當(dāng)提高送風(fēng)速度有助于隧道內(nèi)部污染物濃度的降低。隨著送風(fēng)速度的增加，各工況在相同時間的CO質(zhì)量濃度逐漸減小，下降幅度逐漸減緩，CO質(zhì)量濃度降至規(guī)范要求以下所需時間逐漸減小。

（4） 風(fēng)管出口距掌子面15 m的距離有助于隧道內(nèi)部CO質(zhì)量濃度減小。隨著風(fēng)管出口距掌子面距離的增加，CO質(zhì)量濃度開始降低的時間逐漸增加，且在通風(fēng)15～480 s時，相同時間CO質(zhì)量濃度逐漸減小，CO質(zhì)量濃度的降幅逐漸減小。

（5） 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)較為吻合，較好地反映出現(xiàn)場掌子面前方CO質(zhì)量濃度的變化趨勢，證明數(shù)值模擬所設(shè)置的邊界條件和使用的模型參數(shù)是可靠的。

參考文獻：

［1］ 鄧聲寶，魏永兵，艾祖斌，等.公路螺旋曲線隧道施工通風(fēng)技術(shù)研究［J］.云南水力發(fā)電，2021，37（4）：108-111.

［2］ 高峰，張捷，劉武昊，等.高海拔隧道曲率對射流風(fēng)機安裝參數(shù)影響研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2021，17（2）：608-617.

［3］ 王中岐，林志，馮森，等.公路隧道瓦斯運移及通風(fēng)防災(zāi)研究［J］.中外公路，2023，43（2）：164-172.

［4］ 張佳鵬，郭春.基于CO需風(fēng)量理論的隧道施工通風(fēng)控制優(yōu)化模型研究［J］.隧道建設(shè)（中英文），2023，43（7）：1153-1160.

［5］ 李潤雙.瓦斯隧道有害氣體運移規(guī)律及通風(fēng)方案優(yōu)化研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2022（2）：117-121.

［6］ 孫晉鋒，唐進才，廖煙開.隔斷壓入式通風(fēng)系統(tǒng)在瓦斯隧道中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2021，47（3）：118-119.

［7］ 羅剛，劉暢，賈航航，等.特長公路隧道風(fēng)倉式通風(fēng)參數(shù)優(yōu)化研究［J］.施工技術(shù)，2020，49（23）：57-60.

［8］ 高峰，張捷，連曉飛，等.螺旋隧道獨頭掘進壓入式通風(fēng)參數(shù)研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，38（4）：41-46.

［9］ CHANG X K，CHAI J R，LIU Z， et al .Comparison of ventilation methods used during tunnel construction［J］.Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics.2020，14（1）：107-121.

［10］ 曹魏楊.大斷面瓦斯隧道施工通風(fēng)優(yōu)化及風(fēng)險管理［D］.重慶：重慶大學(xué)，2017

Study on CO gas distribution pattern in extra-long

small-radius spiral tunnels

WEI Guilin1，YANG Luming1，HUANG Yusheng1，HAN Jichuan1，LI Xinzhi^1，2

（1.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China;

2.Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control，School of Clvil Engineering，

Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China）

Abstract

Spiral tunnels are different from straight tunnels that the ventilation effects are affected by curvature，slope and other factors.Taking the Hankou Tunnel as the base project，F(xiàn)luent numerical simulation software is used to analyse the CO gas transport law in the spiral tunnel under different curve radii，air supply speeds and different distances between the end of the ducts and the palisade surface，then to verify the results with those obtained from on-site experiments.The results show that the influence of each influence factor on the diffusion of pollutants in front of the palm face are as follows：air supply speed＞distance of duct outlet from the palm face＞curve radius.In the actual project，it is recommended that the wind speed is about 25 m/s （economy as a prerequisite），and the distance of the end of the duct from the palm face is about 15 m.The numerical simulation data and the measured data at the site are more in line with each other，and the accuracy of the numerical simulation results can be reflected better.

Key words

Spiral tunnel;Field experiment;Numerical simulation;CO

（本文責(zé)編：葛 文）