摘要：[HJ18mm]引汉济渭工程是陕西省为缓解关中渭河沿线城市和工业缺水问题，而提出的由汉江调水到渭河流域的大型水利工程。椒溪河段工程为穿河段，地形地质相对复杂，隧洞施工期的通风问题也相对比较严重。采用CFD（Computational Fluid Dynamics）数值模拟方法对带有支洞隧洞的通风过程进行模拟，研究几种典型工况下隧洞内的流场和浓度场在施工期时随时间的变化规律，分析掌子面以及支洞内涡流对气流及有害气体分布的影响。在气流排散通道不顺畅时，掌子面附近的涡流区域内涡流的大小和位置呈现周期性的变化，并随通风时间的增加影响范围逐渐降低。隧道爆破产生的有害气体和烟尘会随着气流的流动发生移动和扩散过程，并逐渐排向洞外。通过对隧洞主洞与支洞内气流和有害气体排散过程的研究，得出隧洞爆破后在通风作用下隧洞的掌子面附近和支洞与主洞的交叉位置处形成涡流区，涡流的产生和变化不断的消耗通风的机械能，降低通风效率，对有害气体的排散造成一定的阻滞作用，隧洞内有害气体的排散过程包括移动和扩散两方面，移动过程将CO排向洞外，扩散过程不断的降低洞内CO峰值，总结出了不同工况下隧洞内达到安全浓度的时间，对隧洞施工进度给出一定的参考意见。
关键词：压入式通风；交叉隧道；数值模拟；流场；浓度场
中图分类号：TV554文献标识码：A文章编号：
16721683（2017）06013707
Abstract：HanjiangtoWeihe River Water Transfer Project is a large water conservancy project to ease the water shortage in Guanzhong Plain in Shaanxi provinceThe Jiaoxihe tunnel crosses a river and faces complicated geographical and geological conditionsWe simulated the ventilation in the tunnel with a branch tunnel using CFD numerical simulation，studied the variation of the flow and concentration fields in the tunnel during the construction period under several typical conditions，and analyzed the influence of the vortex on airflow and harmful gas distribution near the working face and in the branch tunnelWhen the exhaust passage was hindered，the size and position of vortexes would change periodically near the working face，and their influence range would gradually decline with the ventilation timeIn addition，the harmful gas and smoke produced from tunnel blasting would move and diffuse gradually out of the tunnelAfter studying the airflow and dissipation of harmful gas in the main tunnel and branch tunnel，we had the following findings：A vortex zone would form after tunnel blasting due to ventilation near the working face and the intersection of the main tunnel and branch tunnelThe production and variation of vortexes would continuously consume the mechanical energy of ventilation，reduce ventilation efficiency，and hinder the dissipation of harmful gasThe dissipation process of the harmful gas in the tunnel included movement and diffusionThe movement process drove the CO out of the tunnelThe diffusion process continuously reduced the peak CO value in the tunnelWe calculated the time needed to reach safety concentration in the tunnel under different conditions and gave relevant suggestions on the construction progress
Key words：forced ventilation；cross tunnel；numerical simulation；flow field；concentration field
隧洞是水利工程中十分普遍的工程。通風技术是保障隧洞施工、运营安全的基础。随着工程技术的发展，隧洞的建筑施工越来越多。施工过程产生的问题需要学者们不断的研究和探索[1]。隧洞是个相对封闭的区域，爆破时产生的炮烟和有害气体不会随自然风扩散到大气中，随着隧洞掘进距离的增加和工程地质的复杂，其施工通风往往成为制约其施工进度的关键。隧洞工程的爆破危害十分严重，隧洞施工通风的技术水平直接影响隧洞独头掘进的施工效率，威胁到施工人员的生命安全。因此，研究独头掘进隧洞的管道通风技术有着十分重要的意义[23]。研究通风的方式主要有实验室模拟和计算机数值模拟。由于实验室模拟的造价高、周期长、测量数据不够全面等缺点，相比之下随着计算机性能的提高和有限元理论的发展，以及工程实例验证的可靠性和合理性，越来越多的学者采用数值模拟的方法对隧洞的通风状况进行研究[46]，并对具体的工程给出相关的意见和建议。例如，Xia等[7]使用CFD软件建立模拟模型，通过研究隧道通风和除尘系统的特点，得出通风管在隧道内位置的不同会导致不同的通风效果。Esmaeel等[8]通过对运行期隧洞的通风数值模拟，分析不同类型的风机运行效率，对新型风机的优势做出详细的比较。但是由于很多工程地质环境的复杂和施工过程的需要，许多复杂的隧道更需要详细的研究[911]。例如，Fang等[12]建立三维数值模型研究交叉隧洞内气体流动和有害气体扩散的规律。结果表明在交叉的通道内流体流速较低导致有害气体在该区域的排散不利和滞留。第15卷 总第93期·南水北调与水利科技·2017年12月