淺談TBM施工隧道通風與除塵

謝 超

（中鐵裝備技術服務公司，河南 鄭州 450016 ）

淺談TBM施工隧道通風與除塵

謝 超

（中鐵裝備技術服務公司，河南 鄭州 450016 ）

以重慶軌道交通某TBM區(qū)間現(xiàn)場施工為依托，通過分析總結隧道通風風量的計算、風機的選擇、隧道除塵的一般措施等，將TBM施工隧道內通風與除塵兩者結合研究，重點在于改善洞內人員施工作業(yè)環(huán)境，為同行提供相關借鑒和參考。

TBM施工；隧道通風；除塵；新鮮風機；除塵風機

近年來隨著國內南水北調利民工程、高鐵、高速公路的日益發(fā)展，中國已成為世界上隧道最多、最復雜、發(fā)展最快的國家。早期隧道開挖采用人工鉆爆，危險性很大，高粉塵、噪音污染對作業(yè)人員傷害大。如今隧道技術的發(fā)展方向為非爆破的機械化施工、合理規(guī)劃與環(huán)境保護、設計可靠合理、使用安全等方面考慮。無論是人工鉆爆還是TBM施工，不同地質均會產(chǎn)生灰塵甚至有害氣體，因此隧道內通風、除塵與洞內施工作業(yè)人員健康息息相關，也是隧道建設的重點難題。

1 隧道通風

通風主要作用:①供施工人員呼吸；②除塵、降溫；③灰塵太大時不利于導向系統(tǒng)測量。隧道采用壓入式通風，通過?1.8m高強度抗靜電阻燃通風軟管輸送到TBM后配套末端的通風管儲存器。儲存器后面是帶有出風管和消音器的后配套風機（即二次增壓風機）。后配套上的二次增壓通風機將洞外新鮮風機送進的新鮮風壓入TBM的前方靠近護盾的地方。除塵管路一直延伸到掌子面，部分空氣由于除塵風機的抽吸作用被送至刀盤。新鮮空氣形成循環(huán)，污濁空氣及有害氣體排出洞外（圖1）。

1.1 隧道內通風標準及風量計算

1.1.1 通風標準

①正洞風速不小于0.5m/s；② 氧氣含量：按體積不小于20%；③瓦斯?jié)舛龋盒∮?.5%；④CO最高允許濃度0.0024%以下；⑤CO2濃度：按體積不大于0.5%；⑥氮氧化物：換算成NO2為0.00025%以下；⑦粉塵最大允許濃度：每方空氣中含有10%以上游離二氧化物的粉塵為2mg；⑧洞內氣溫小于28℃；⑨日接觸時間8h接觸限值為85分貝。

圖1 隧道通風示意圖

1.1.2 總風量計算

1）根據(jù)洞內同時作業(yè)的最多人數(shù)計算

式中 q—— 洞內每人每分鐘所需新鮮空氣，取3m3/min；

m—— 洞內一般同時工作的人數(shù)為40，最多人數(shù)取100人；

K—— 風量備用系數(shù)，取1.15。

2）按洞內允許最小風速計算Q2=60VS=819.8m3/min

式中 V—— 洞內最小允許風速m/s，隧道最小允許風速為0.5m/s。

S——洞室截面積，S≈45.54cm2。

取以上計算得到的最大通風量作為設計通風量，設計通風量為Q總=Q1+Q2=1164.8m3/min。

1.1.3 漏風量計算

隧道通風，采用直徑1.8m的高強度抗靜電阻燃通風軟管，管節(jié)長100m，每百米漏風量率β為1.3%。

供風量

式中 P—— 風管全程漏風系數(shù)，P=1/(1－L×β/100)=1/(1-4493×1.3%/ 100)≈2.403。

因此，考慮到人員作業(yè)、洞內風速及漏風量，洞內需要2799m3/min的風量。

1.1.4 通風阻力計算

通風總阻力=風管段阻力+隧道段阻力+其他阻力

式中 h總——隧道總風壓；

h摩總—— 管道摩擦阻力，h摩總＝6.5aLgQ隧2/d5＝4004.7Pa；

h局總——局部阻力，h局總=ξQ2/d4=94.45Pa;

h其它—— 其它局部阻力，取h摩總的20%～30%，h其它=28.33Pa；

a——風道摩擦阻力系數(shù)，取a=0.016；

L——風道長度，m；

Q隧——風機風量，2799÷60=40.65m3/s；

d——風管直徑，d=1.8m；

ξ——局部阻力系數(shù)，ξ＝0.6。

1.1.5 風機的選擇

1）通風機出風量不能小于理論計算風量。

2）通風機直徑與選取通風管直徑不能差別太大。

3）風機全壓值≮管道總阻力。

根據(jù)計算結果采用SDF（B）-NO14型軸流式通風機(官網(wǎng)提供數(shù)據(jù))可以滿足使用要求。

2 隧道除塵

2.1 灰塵來源

TBM掘進時主要產(chǎn)生灰塵的地方有以下幾點：①刀具切削巖石；②渣土從出渣口落入皮帶機；③皮帶機接頭處及滾筒處；④出渣口落入渣車處；⑤高壓風輸送豆粒石產(chǎn)生灰塵（僅限于單護盾TBM）。

2.2 除塵風機

2.2.1 除塵風機原理

當電機帶動葉輪高速旋轉時，葉輪中各部分空氣也被帶動一起旋轉，在葉輪中心處便形成真空，于是外部的空氣在大氣壓差的作用下，不斷地流入，這樣就使風機具備了吸入空氣的能力，含塵氣流通過圓風筒進入除塵器內。該含塵氣流首先經(jīng)過一個大顆粒分離器，將大顆粒的粉塵與氣流分離，再進入風道并均勻地由外向內穿過過濾板，在這個過程中粉塵被隔離在過濾板的外壁。除塵后的氣流通過通風管排到TBM尾部，理論上風機功率越大產(chǎn)生負壓能力越大，除塵風機是最有效的除塵方法（圖2）。

2.2.2 濾板清理（脈沖除塵裝置）

灰塵被隔離在濾板的表面，濾板隔段時間需要清理，為了監(jiān)視除塵設備的性能（流量），在含塵氣流的入口處以及在潔凈氣流的出口處均設有一個真空表，通過真空表讀數(shù)可以看到除塵設備系統(tǒng)的總阻力。濾板的清洗是通過高壓潔凈空氣，以4.5bar的壓縮空氣瞬時氣壓脈沖，由濾板內進氣向外吹。脈沖除塵可根據(jù)相應的粉塵特性和濃度，設定間隔時間（2～200s）和脈沖時間（30～1000ms）內進行調節(jié)。這些粉塵被吹離并落入下方的料倉，由螺旋輸送機輸送至集料斗，加水攪拌后排出，料倉帶有物料液位傳感器、集料斗帶有液位傳感器，除塵排灰可以實現(xiàn)自動控制。

2.2.3 噴水除塵

除塵方式除了TBM自帶除塵設備外，噴水除塵也是簡單有效的除塵方法。刀盤上自帶8個噴水頭，采用電磁閥控制，由主司機根據(jù)掌子面圍巖情況適當噴水。當圍巖較硬且圍巖自穩(wěn)能力較強的Ⅵ～Ⅳ圍巖時如：花崗巖、玄武巖時可以大量噴水，既可以降塵又有降低刀具溫度的作用。當掌子面情況為角礫、砂、泥松軟體軟塑狀黏性土及潮濕的粉細砂質泥Ⅰ～Ⅲ圍巖時如：泥巖、砂巖，刀盤噴水應少開或者不開，容易糊刀盤結泥餅，為后來清理刀盤帶來麻煩，此時應盡量采用皮帶機噴水降塵。在皮帶接頭處及皮帶中間加裝多路噴水，啟動皮帶后由主司機啟停電磁閥來控制噴水。

2.2.4 其他除塵措施

刀盤切削巖石產(chǎn)生灰塵，大部分被除塵風機吸走，其中一部分灰塵會從主機皮帶機伸縮孔跑出，采用橡膠簾封堵伸縮孔減少灰塵跑出量，另外在此處增加吸風口。

圖2 TBM除塵風機布置圖

3 結 論

現(xiàn)場實踐證明，風速、粉塵濃度符合隧道通風標準，噪聲污染低于國家標準。洞內施工人員可以體感空氣流動，除塵風機也起到加速隧道空氣循環(huán)流通作用。污濁空氣及時有效地排出洞外，從而起到改善TBM上施工人員作業(yè)工作環(huán)境。

TBM前后分布瓦斯、二氧化碳、一氧化碳、氧氣及硫化氫氣體監(jiān)測傳感器，實時監(jiān)測洞內有害氣體，當有害氣體高于設定值，控制室聲光報警上位機上報警提示并在30s后切斷電源（照明除外）。洞外新鮮風機安裝位置應遠離隧道洞口30m為宜，杜絕風機吸入污濁空氣造成洞內二次污染。

(編輯 張海霞)

Discussion on TBM tunnel construction ventilation and dust collection

XIE Chao

TU621

B

1001-1366(2015)11-0077-03

2015-09-14