隧道瀝青鋪裝作業(yè)柔性通風(fēng)技術(shù)研究

吳林生，宋 雕

（1. 長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2. 四川川交路橋有限責(zé)任公司路面分公司，四川 德陽 618300）

隧道瀝青路面攤鋪施工具有多煙、空氣流通差以及可見度低等特點(diǎn)，對于長大隧道而言，環(huán)境封閉、透氣性差更為明顯，極易使有毒有害氣體超過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。為了確保良好的空氣質(zhì)量，保障施工人員健康，使發(fā)動機(jī)柴油充分燃燒，提高施工效率，節(jié)能減污，需加強(qiáng)隧道通風(fēng)［1］。趙馨鑫對隧道瀝青攤鋪過程中隧道需風(fēng)量進(jìn)行相關(guān)研究，并建立了隧道施工需風(fēng)量數(shù)學(xué)模型［2-4］；蘇劍針對溫度、瀝青煙、通風(fēng)等環(huán)境因素給隧道瀝青施工帶來的困難提出了新的施工工藝［5］；李光耀等研究出了一套隧道實(shí)時(shí)預(yù)警提示和突發(fā)事件應(yīng)急救護(hù)一體化的監(jiān)控系統(tǒng)［6］；寧鐸提出了一種互補(bǔ)型太陽能隧道自然通風(fēng)系統(tǒng)，通過太陽能直接加熱空氣實(shí)現(xiàn)“光—熱”轉(zhuǎn)換利用［7］；唐明對隧道通風(fēng)設(shè)備變頻調(diào)速的作用、注意事項(xiàng)和工作流程進(jìn)行了研究［8］；薛超證明了變頻調(diào)速技術(shù)在隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)中的可行性，對隧道通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行了總體的設(shè)計(jì)以及數(shù)學(xué)建模［9］；趙洋楊應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合的控制模式實(shí)現(xiàn)了隧道風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速［10］。綜上所述，關(guān)于隧道運(yùn)營通風(fēng)的研究較多，但對隧道瀝青鋪裝過程通風(fēng)技術(shù)的研究較少，本文基于已有研究提出高效節(jié)能的柔性通風(fēng)技術(shù)，探討解決隧道瀝青鋪裝過程中的通風(fēng)節(jié)能問題。

1 隧道瀝青鋪裝排放的有害物質(zhì)

在隧道瀝青路面鋪裝施工時(shí)，有害氣體排放主要來自施工機(jī)械和瀝青混合料。施工機(jī)械主要有攤鋪機(jī)、壓路機(jī)及運(yùn)輸設(shè)備［11］，主要污染源為施工機(jī)械的廢氣排放物。瀝青混合料有害物質(zhì)排量主要和溫度有關(guān)，溫度越高，排放的有害物質(zhì)越多。

1.1 瀝青混合料揮發(fā)有害物質(zhì)

瀝青路面應(yīng)用于隧道的鋪裝工程日益增多，在隧道瀝青攤鋪施工中，瀝青混合料有2種類型，熱拌瀝青混合料和溫拌瀝青混合料。通常熱拌瀝青混合料（簡稱HMA）拌和后溫度不低于150℃，攤鋪和碾壓時(shí)的溫度不低于140℃。溫拌瀝青混合料拌和溫度一般保持在130℃~135℃，攤鋪和壓實(shí)路面的溫度為110℃~120℃，相對于HMA，溫度降低了30℃左右。

瀝青混合料排放的有害物質(zhì)主要有瀝青煙、苯可溶物和苯并［a］芘，其排放量與溫度密切相關(guān)，不同溫度有害物質(zhì)排放量差別很大。瀝青混合料現(xiàn)場攤鋪中，隨著攤鋪時(shí)間的增加，瀝青混合料溫度降低，且路面以下和上部瀝青混合料溫度也存在差異。隧道瀝青攤鋪過程中，瀝青混合料有害物質(zhì)的排量隨著溫度的變化而不同。施工現(xiàn)場瀝青混合料溫度變化曲線見圖1［12］。

1.2 施工機(jī)械排放有害氣體

隧道瀝青鋪裝施工時(shí)，攤鋪機(jī)、壓路機(jī)及運(yùn)輸機(jī)械均使用柴油發(fā)動機(jī)，柴油發(fā)動機(jī)燃燒主要排放物為NOX、CO、HC等物質(zhì)，柴油發(fā)動機(jī)在施工過程中排放物與廢氣一起排出，廢氣排放率［2］

式中 q0——柴油機(jī)廢氣排放率，m3·min-1；V——柴油機(jī)氣缸每次排氣量，L；

m——?dú)飧讛?shù)C；=

K—— 柴油機(jī)每工作循環(huán)轉(zhuǎn)數(shù)，r·min-1，四沖程取2，二沖程取1；

n——柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1；

ηn——充氣系數(shù)，通常取0.75～0.9。

以NOX為例，對發(fā)動機(jī)廢氣中的有害氣體排放量進(jìn)行分析。柴油機(jī)每小時(shí)排放的NOX體積［13］

式中 VNOX—— 單位時(shí)間內(nèi)燃機(jī)排放的NOX體積，（m3·min-1）；

PV——有害氣體排放體積濃度值，ppm。比排放量［13］

式中 g——比排放量，g ·（kW·h）-1；

ρNOX——NOX的密度，g·m-3；

Pe——內(nèi)燃機(jī)功率，kW。

CO和HC的排量計(jì)算和NOX的排量計(jì)算方式相同。由以上各式可以計(jì)算出柴油發(fā)動機(jī)有害物排放量。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可得柴油機(jī)發(fā)動機(jī)燃燒室有害排放量見表1［14］。

表1 柴油機(jī)發(fā)動機(jī)2種燃燒室有害排放量

由式（1）-（3）可知，施工機(jī)械在作業(yè)過程中，有害物質(zhì)的排量主要與柴油機(jī)廢氣排放率有關(guān)，隨著柴油機(jī)的構(gòu)造、轉(zhuǎn)數(shù)及充氣系數(shù)等因素變化而不同。其次，有害物排量還受環(huán)境等因素的影響，隨著各因素的變化，有害物排量也顯現(xiàn)出差異。一些環(huán)境、結(jié)構(gòu)因素對柴油機(jī)排放的影響程度描述見表2［15］。

表2 一些環(huán)境、結(jié)構(gòu)因素對柴油機(jī)排放的影響程度描述

柴油機(jī)燃燒是一種多相非均勻混合物的不穩(wěn)定的燃燒過程。在隧道瀝青鋪裝施工時(shí)，施工機(jī)械的轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)負(fù)荷等因素隨著工況的不同而發(fā)生變化，在隧道密閉的空間中，空氣狀況也較復(fù)雜。而且油束在燃燒室空間的濃度分布、著火部位及局部溫度各處都不一樣，有害物質(zhì)排量隨著各因素的變化波動［14］。

1.3 其它有害物質(zhì)

在隧道瀝青路面攤鋪時(shí)，通風(fēng)設(shè)備還未安裝，隧道巖壁散發(fā)的瓦斯等有害氣體還未徹底消失，且在施工過程中極小的塵土也是比較常見的。

2 隧道瀝青攤鋪過程中需風(fēng)量

在隧道瀝青路面鋪裝過程中，通過計(jì)算通風(fēng)量，合理布設(shè)風(fēng)機(jī)，確保施工過程中氧氣含量和有害物質(zhì)濃度在正常范圍內(nèi)。隧道施工中有毒氣體允許濃度值見表3［16］。

氣體名稱允許濃度體積/% 濃度/（mg·m-3）一氧化碳（CO） ≤0.0024 ≤30二氧化碳（CO2） ≤0.5 ≤10二氧化氮（NO2） ≤0.00025 ≤5二氧化硫（SO2） ≤0.0005 ≤15硫化氫（H2S） ≤0.00066 ≤10甲烷（CH4） ≤1

2.1 隧道需風(fēng)量計(jì)算

在隧道瀝青攤鋪通風(fēng)計(jì)算時(shí)，假定空氣具有不壓縮和穩(wěn)定流動的特點(diǎn)，視空氣為連續(xù)介質(zhì)、服從連續(xù)性定律且隧道內(nèi)空氣質(zhì)量守恒。隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)的供風(fēng)能力應(yīng)能滿足各項(xiàng)作業(yè)對風(fēng)量的最大需求，計(jì)算通風(fēng)量為選擇通風(fēng)方式和通風(fēng)設(shè)備提供依據(jù)。計(jì)算通風(fēng)量應(yīng)先得出各種情況所需風(fēng)量，取其最大值可得需風(fēng)量。需風(fēng)量［2］

式中 C——需風(fēng)量，m3·min-1；

Q1—— 隧道內(nèi)作業(yè)人員所需風(fēng)量，m3·min-1；

Q2——施工機(jī)械所需風(fēng)量，m3·min-1；

Q3—— 稀釋或排除瀝青混合料施工操作時(shí)的瀝青煙霧及廢氣所需風(fēng)量，m3·min-1；

Q4——維持最小風(fēng)速所需風(fēng)量，m3·min-1。

下面分別對人員呼吸、稀釋瀝青混合料揮發(fā)物質(zhì)、稀釋發(fā)動機(jī)車尾氣、排塵需風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算。

（1）工作人員呼吸所需風(fēng)量。

按隧道內(nèi)同時(shí)作業(yè)人員計(jì)算風(fēng)量［2］

式中 k——風(fēng)量備用系數(shù)，取1～1.25；

q—— 每 一 作 業(yè) 人 員 的 通 風(fēng) 量 ， m3·（p·min）-1；

n——隧道內(nèi)同一時(shí)間作業(yè)人員的最多人數(shù)。

（2）柴油機(jī)所需風(fēng)量。

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)取該污染物排放率最大時(shí)的轉(zhuǎn)速。廢氣中各污染物的濃度由試驗(yàn)測定，因而一般可將柴油機(jī)出廠時(shí)標(biāo)的風(fēng)量要求作為計(jì)算風(fēng)量的參考。以稀釋和排除NOX為例，其需風(fēng)量［17］

式中 Q——隧道稀釋NOX的需風(fēng)量，m3·s-1；

QNOX——隧道NOX排放量，m3·s-1；

δ——NOX允許體積濃度，ppm；

p0—— 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，kN·m-2，取101.325 kN·m-2；

p——隧址大氣壓，kN·m-2；

T0——標(biāo)準(zhǔn)氣溫，K，取273K；

T——隧址夏季氣溫，K。

由上式可知，稀釋有害氣體的需風(fēng)量和隧址所在地的氣壓、溫度相關(guān)，計(jì)算過程中既要考慮濃度，又要考慮經(jīng)歷的時(shí)間。

目前，我國尚缺乏隧道內(nèi)使用柴油機(jī)的成熟經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，通常按柴油機(jī)功率計(jì)算風(fēng)量［2］

式中 Q2——施工機(jī)械所需風(fēng)量，m3·min-1；

q1—— 柴油機(jī)每min·kW所要的供風(fēng)量，m3·（min·kW）-1；

ΣW——計(jì)算的柴油機(jī)總功率，kW；

k1——同時(shí)工作系數(shù)。

（3）稀釋瀝青混合料揮發(fā)物所需風(fēng)量。

按瀝青混合料揮發(fā)的有害物計(jì)算所需風(fēng)量［2］

式中 Q3—— 稀釋或排除瀝青混合料施工操作時(shí)的瀝青煙霧及廢氣所需風(fēng)量，m3·min-1；

N——瀝青混合料的重量，kg；

q2—— 每千克瀝青混合料施工操作時(shí)的瀝青煙霧及廢氣排放量，m3·（min·kg）-1。

（4）按最低允許風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量。

隧道內(nèi)的風(fēng)速是由粉塵及斷面積決定的。確定最小風(fēng)速后，所需風(fēng)量［2］

式中 Q4——維持最小風(fēng)速所需風(fēng)量，m3·min-1；

v——洞內(nèi)允許最小風(fēng)速，m·s-1；

S——隧道最大斷面積，m2。

風(fēng)速是決定通風(fēng)除塵效果的主要因素，風(fēng)速過低，粗粒粉塵將與空氣分離下沉，不易排出；風(fēng)速過高，能將落塵揚(yáng)起，增大隧道內(nèi)空氣中的粉塵濃度。粉塵濃度和風(fēng)速的關(guān)系，從調(diào)查結(jié)果看，最好使風(fēng)速在0.3m·s-1以上，在發(fā)生瓦斯的地點(diǎn)，由于易在拱頂形成甲烷帶，為了稀釋它，風(fēng)速應(yīng)大于0.5m·s-1。

2.2 影響需風(fēng)量的其它因素

在隧道瀝青路面攤鋪過程中，由于瀝青混合料、瀝青煙及發(fā)動機(jī)散熱等因素的影響，隧道內(nèi)部溫度分布差異較大，導(dǎo)致局部空氣密度不同，隧道內(nèi)部空氣流動狀態(tài)復(fù)雜，與假設(shè)條件不一致。溫拌瀝青混合料表面以上空間溫度分布見圖2［12］。

隧道瀝青路面攤鋪過程中通風(fēng)量受到諸多因素影響，如攤鋪機(jī)、壓路機(jī)在工作過程中運(yùn)行狀態(tài)不斷發(fā)生變化，移動過程會產(chǎn)生交通風(fēng)，使空氣流動方向不斷變化。而且，隨著路面攤鋪長度不斷延伸，風(fēng)機(jī)距離施工點(diǎn)的距離不斷變化，施工通風(fēng)量也受到影響。

圖2 溫拌瀝青混合料表面以上空間溫度分布

隧道在通風(fēng)過程中，主要通過稀釋通風(fēng)和置換通風(fēng)兩種方式降低粉塵濃度。稀釋通風(fēng)是用送風(fēng)沖淡有害物濃度，而置換通風(fēng)是用送風(fēng)把有害物擠出作業(yè)區(qū)內(nèi)。隧道瀝青鋪裝過程中同時(shí)存在稀釋和置換通風(fēng)。有害氣體稀釋及置換示意圖見圖3［11］。

圖3 有害氣體稀釋及置換示意圖

由于隧道瀝青攤鋪施工過程中瀝青混合料溫度的變化、機(jī)械不同運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等特殊工況，實(shí)際需風(fēng)量與計(jì)算需風(fēng)量存在差異，易使通風(fēng)量過量或不足，造成不必要的能源浪費(fèi)或財(cái)產(chǎn)損失。因此，需要探索新的方法，以解決隧道攤鋪過程中的通風(fēng)問題。

3 柔性通風(fēng)技術(shù)

在保證隧道施工作業(yè)需風(fēng)量要求的條件下，為實(shí)現(xiàn)隧道高效通風(fēng)，提供合理的風(fēng)量，有效節(jié)約能源，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和變頻技術(shù)建立了柔性通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由有害氣體濃度傳感器、粉塵濃度傳感器、風(fēng)速傳感器、溫度傳感器和變頻風(fēng)機(jī)組成，能夠?qū)崟r(shí)檢測隧道內(nèi)的溫度、風(fēng)速、氧氣濃度、有害物質(zhì)濃度及粉塵濃度，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法處理傳感器檢測值，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)供風(fēng)量大小，使隧道有害氣體濃度和氧氣含量在正常范圍內(nèi)，保證機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)和人員安全，節(jié)約能源，解決瀝青鋪裝計(jì)算需風(fēng)量過量和不足的問題。

3.1 變頻技術(shù)

隧道施工所用通風(fēng)機(jī)通常是由異步電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行通風(fēng)?？刹捎米冾l控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)機(jī)的出風(fēng)流量達(dá)到通風(fēng)控制的目的。異步電機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)的。交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為［11］

式中 f1——電源頻率，Hz；

p——異步電機(jī)的磁極對數(shù)；

s——電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率；

ω1——相應(yīng)的角頻率，rad·s-1。

交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率

式中 ns——異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，rad·s-1；

n——固有角頻率，rad·s-1。

交流異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速

由式（10）-（12）可以得出，改變輸入到異步電機(jī)定子繞組的電源頻率f1，就可以改變異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速ns和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n。這種通過改變電源頻率來改變交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式稱為變頻調(diào)速。在變頻調(diào)速技術(shù)中，使用變頻器向電動機(jī)提供頻率可變的電源改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.2 搭建系統(tǒng)

柔性通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制模式為閉環(huán)控制。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，首先根據(jù)隧道瀝青鋪裝現(xiàn)場的主要有害物質(zhì)成分設(shè)置相應(yīng)的傳感器，如CO傳感器、NOx傳感器、O2傳感器、粉塵傳感器、風(fēng)速傳感器及溫度傳感器。粉塵傳感器監(jiān)測瀝青混合料散發(fā)的煙氣及粉塵濃度；有害氣體濃度傳感器監(jiān)測施工機(jī)械廢氣排放；氧氣濃度傳感器用來監(jiān)測氧氣含量，確保人員安全，保證施工機(jī)械供氧量；溫度傳感器和風(fēng)速傳感器監(jiān)測隧道環(huán)境狀況。

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)求解隧道變頻通風(fēng)控制，輸入氣體濃度，獲得網(wǎng)絡(luò)輸出，從輸出層經(jīng)過中間層逐層修正各連接權(quán)值，按照減少目標(biāo)輸出與實(shí)際誤差的方向，最后回到輸入層。隨著這種誤差反向傳播修正不斷進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)對輸入模式響應(yīng)的正確率也不斷提高［9］（見圖4）。

圖4 隧道變頻通風(fēng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

柔性通風(fēng)系統(tǒng)自動變頻運(yùn)行時(shí)，傳感器將有害物質(zhì)濃度傳輸?shù)娇刂破?，在其中進(jìn)行邏輯比較，當(dāng)任何一種有害物質(zhì)的濃度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最低濃度時(shí)，控制信號就會對變頻控制單元發(fā)送指令，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，隨著有害物質(zhì)濃度的增加，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的頻率會越來越高，風(fēng)量也越來越大。如果風(fēng)機(jī)頻率達(dá)到最大時(shí)仍不能滿足要求則進(jìn)行報(bào)警。反之，隨著濃度的降低，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的頻率會越來越低，風(fēng)量會越來越小，直至風(fēng)管出口的風(fēng)速降至最小風(fēng)速設(shè)定值。柔性通風(fēng)系統(tǒng)框圖見圖5［11］。

4 結(jié)束語

（1）隧道溫拌瀝青混合料的施工時(shí)，有害物質(zhì)來源于混合料揮發(fā)的有害氣體和施工機(jī)械排放的尾氣。為了使有害物質(zhì)和氧氣濃度處在安全范圍，采用相關(guān)公式計(jì)算了隧道瀝青鋪裝需風(fēng)量；

（2）由于隧道瀝青鋪裝現(xiàn)場影響需風(fēng)量因素較多，如不同的機(jī)械工作狀態(tài)、瀝青溫度變化等因素，使計(jì)算得出的需風(fēng)量過量或不足。針對需風(fēng)量計(jì)算過程中的困難，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和變頻技術(shù)建立了柔性通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由有害氣體濃度傳感器、粉塵濃度傳感器、風(fēng)速傳感器、溫度傳感器和變頻風(fēng)機(jī)組成，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法處理傳感器檢測值，控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小，使得隧道中的有害物質(zhì)濃度維持在正常范圍內(nèi)，為施工提供合理風(fēng)量，有效節(jié)約能源。

圖5 柔性通風(fēng)系統(tǒng)框圖

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