盾构法施工速度快、安全性高，已成为城市轨道交通的主要施工方式。但盾构区间断面小、台车设备多、施工作业活动复杂，盾构隧道通风是影响隧道施工安全和作业环境的主要因素。

　　 目前，关于煤矿巷道及矿山法隧道通风的研究较多，而关于盾构隧道的通风研究相对较少，相比传统研究方法，数值模拟具有用时少、成本低、可模拟多种工况等优点。本文以盾构隧道风场为模拟对象，通过数值模拟，分析隧道通风规律，确定盾构隧道内部各点的风速情况，从而找出风速较小的危险点，进一步提出针对性措施。

　　 成都轨道交通11号线盾构隧道外径6m，内径5.4m，采用直径6 250mm的复合式土压平衡盾构进行施工。本工程有多个低瓦斯盾构区间，施工风险较大，施工时采用2×115kW风机进行压入式通风，盾构机和台车部分安装10台局部风扇，防止瓦斯局部聚集。

　　 根据成都轨道交通11号线盾构隧道的实际情况，建立1∶1隧道三维模型如图1a所示。本文截取盾构机盾尾及连接桥、1～6号台车、台车后10m隧道为模型，隧道模型长87.6m，内径5.4m，其中1～6号台车长60m，设备连接桥长9.6m，连接桥到盾尾段长8m，盾构顶部二次风管出口位于1号台车端头。台车及连接桥简化为宽1m，高3.2m的2个长方体，左右台车间距1.8m。隧道模型横纵断面分别如图1b,1c所示。

　　 隧道出风口距盾尾19.6m，风从二次风管出口(即风流入口)流出，射入隧道，留到盾尾位置反射回已施工隧道部分，截取盾构6号台车后10m的断面为风流出口。

　　 采用Gambit建立模型并划分网格，网格采用Hex/Wedge(六面体/楔形)混合单元，共划分30 213个单元。

　　 由于隧道内实际风流较复杂，为方便模拟，做以下假设。

　　 1)通风气流可视为不可压缩流体，忽略流体黏性力做功引起的耗散热，同时假定壁面绝热，等温通风。

　　 2)流体的紊流黏性具有各向同性，紊流黏性系数作为标量处理。

　　 3)流动为稳态紊流，满足Boussinesq假设(在低速流动中，流体压强变化不大，主要由温度变化引起密度变化，忽略压强变化引起的密度变化)，且为不可压缩气流流动问题，基本控制方程采用Reynolds方程，紊流模型采用K-ε双方程模型。

　　 4)由于隧道内风流已设为不可压缩流动，故可忽略流体黏性力做功引起的耗散热。

　　 5)壁面风量不可渗透，气密性较好，在壁面处扩散通量为0，据此确定主控制方程。

　　 6)假设盾构机及台车放热由盾构机冷却水循环系统带走，隧道内部及台车部分气温基本恒定。

　　 本文连续方程如下:

　　 动量方程:

　　 K方程和ε方程分别如下:

　　 式中:k，ε，v分别为紊流动能、紊流动能耗散率、层流动力黏性系数;C_1ε，C_2ε为经验常数;σ_k，σ_ε分别为k，ε对应的Prandtl数;G_k为平均速度梯度引起的紊动能产生项。各经验常数取值:C_1ε=1.44,C_2ε=1.92，σ_k=1.0，σ_ε=1.33。

　　 根据盾构隧道实际情况，本模拟求解器采用Implict(隐式隔离求解器)，湍流模型采用K-ε模型，压力场采用标准离散方式，其他采用一阶迎风格式离散。

　　 根据成都轨道交通11号线隧道施工情况，以盾构台车二次风管出口为速度入口，初始速度为20m/s，湍流强度3.38%，水力直径0.8m，出风温度300K(常温)。

　　 以2号台车尾部断面为压力出口，湍流强度3.51%，水力直径5.4m(隧道内径)，出风温度300K(常温)。

　　 台车表面及隧道内壁设定为无滑动，粗糙系数0.5，温度为300K(常温)。

　　 其他选项保持默认。

　　 根据设定的模型和条件进行模拟，迭代计算到第521步时收敛。

　　 根据盾构隧道中心平面风速矢量可得出以下结论。

　　 1)风流从二次风管流出，在盾尾处反射回来，反射回来的风流与风管不断射入风流，在盾尾与连接桥间形成涡流，故盾尾和连接桥间风流较紊乱。

　　 2)1,2号台车各位置风流基本稳定，风流基本为负向(即吹向隧道洞口)。

　　 3)左侧台车与隧道内壁间的空间，连接桥与盾尾位置的风基本为正向，即吹向盾尾，右侧台车与隧道内壁间，左右台车间，风流主要为负向。

　　 根据风速云图，判断隧道中心横断面上z=0m直线上风速相对较小(y=0,z=0)，从该直线上提取几个点，绘制隧道中心横截面风速变化曲线，如图3a所示。从y=0,z=-2.4m直线上提取数据，得到左侧台车与隧道内壁间隙风速变化，如图3b所示。从y=0,z=2.4m直线上提取数据，得到右侧台车与隧道内壁间隙风速变化情况如图3c所示。

　　 根据风速云图及风速曲线图，可得以下结论。

　　 1)从连接桥端头(距盾尾8m)到盾尾，风速变化较明显，其中盾尾位置风速最大，距盾尾3m处(涡流中心处)风速最小。

　　 2)从二次风管出口(距盾尾20m)至连接桥端头(距盾尾8m)，风速逐渐增大，最大风速为5.8m/s。

　　 3)二次风管出口后的台车(距盾尾>17.6m)，风速较稳定，其中6号台车尾部为0.563m/s，满足回风风速0.5m/s要求。

　　 4)2,3号台车处风速较低，小于风速最小值(2号台车尾部)，仅0.2m/s。此位置为整个台车通风的危险区域。

　　 5)1～6号台车与隧道内壁间隙风速均<0.5m/s，应加强监测并满足辅助措施。

　　 6)盾构机及台车绝大部分风速均<4m/s，属轻风和微风级别，不影响设备运转和工人正常工作。

　　 成都轨道交通11号线盾构区间均安排专业瓦斯检查人员，定期监测隧道内风速(主要监测出风口风速及隧道回风风速，隧道回风风速按距洞口20m计)，监测数据如表1所示。

　　 经数据对比可知，数值模拟与现场实测差距不大，均<10%，说明数值模拟可信度较高。

　　 采用控制变量法，其他条件不变时，单独改变二次风管出口风速为45.6m/s，进行数值模拟计算，经迭代计算671步后收敛。得出z=0m截面(隧道中心纵截面)连接桥到盾尾部分风速矢量。

　　 提取隧道中心线各点风速(标量，此处仅考虑大小)，得到风速变化曲线如图4所示。分析对比数据得到以下结论。

　　 1)风速大小基本不影响风向和风速变化趋势，主要影响涡流处最小风速和台车后部最小风速。

　　 2)隧道内风场涡流位置主要受隧道模型影响，初始风速对涡流位置存在一定影响，但不是主要影响因素。

　　 采用控制变量法，在其他条件不变的情况下，单独改变隧道内环境温度为310K(37℃时)，经迭代计算521步后收敛，得到风速云图。

　　 根据所得数据可知，在环境温度恒定，不考虑热交换的情况下，环境温度变化不影响隧道内的风场流向和风速大小。

　　 1)初始通风风速大小是影响隧道内风场变化和风速大小的主要因素。

　　 2)在不考虑热交换的情况下，温度对隧道内风场变化基本无影响。

　　 3)隧道风场形成涡流的位置主要由隧道和台车结构形式决定，涡流处最小风速主要由初设通风速度决定，因此，改善隧道通风，保证施工安全，应从2方面采取针对性措施:增大风机功率，加大初始通风速度;加强涡流位置的瓦斯监测和局部通风。

　　 4)连接桥到盾尾间的区域，2,3号台车位置会形成涡流，风场较紊乱，涡流中心风速较小;连接桥到盾尾位置有螺旋输送机出口，极易聚集瓦斯等有害气体，2,3号台车为工人活动的主要区域，施工安全风险较大，必须重点加强此处的施工监测和通风。

　　 1)针对成都轨道交通11号线外径6m，内径5.4m的低瓦斯盾构隧道，为保证隧道回风风速满足要求，二次风管出口风速应>20m/s。

　　 2)针对通风在隧道中产生的涡流，建议在相应涡流位置(盾尾与连接桥间，2、3号台车间)设置射流风机、局部风扇等通风装置，以吹散局部瓦斯聚集，同时在涡流附近区域设置风速和瓦斯浓度监测点，采用自动监测和人工监测的双重监测方式。

　　 3)两侧台车与隧道内壁间的空间较狭窄，风速较低，需对两侧台车，尤其是左侧台车人行通道的位置进行常态化监测，保证施工安全。

　　 4)建议在盾构螺旋机、台车及成型隧道内分别安装风速及瓦斯检测装置，保证瓦斯浓度超标等安全风险能在第一时间进行反馈。