地鐵區(qū)間隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)施工除塵技術(shù)探討

孫澤順

(中鐵二十四局集團(tuán)南昌鐵路工程有限公司 江西南昌 330000)

1 引言

由于我國(guó)公路隧道建設(shè)起步較晚，因此隧道中的通風(fēng)系統(tǒng)研究也比發(fā)達(dá)國(guó)家落后[1]。解決中深巷道掘進(jìn)的通風(fēng)問(wèn)題是科技工作者一直探索的難題[2]。現(xiàn)今國(guó)內(nèi)由于在職業(yè)活動(dòng)中長(zhǎng)期吸入生產(chǎn)性粉塵(灰塵)引起矽肺病的人越來(lái)越多。為了給作業(yè)人員提供一個(gè)良好的作業(yè)環(huán)境，保證施工人員的身心健康，解決隧道施工的粉塵問(wèn)題已迫在眉睫。貴陽(yáng)軌道交通1號(hào)線第五工作段所施工的延中區(qū)間隧道通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作和理論分析，研究幾種不同通風(fēng)方法的降塵效果并進(jìn)行對(duì)比分析，得出一種完全適用于懸臂掘進(jìn)機(jī)施工通風(fēng)降塵的方法。

2 工程概況

延中區(qū)間位于貴陽(yáng)市強(qiáng)巖溶復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境。隧道粉塵產(chǎn)生的主要來(lái)源為懸臂掘進(jìn)機(jī)施工產(chǎn)生的煙塵、噴射混凝土產(chǎn)生的灰塵、洞內(nèi)內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的尾氣等。隧道開挖粉塵濃度見表1。針對(duì)隧道內(nèi)的粉塵問(wèn)題，除了采用壓入式通風(fēng)＋抽出式通風(fēng)相結(jié)合的方法進(jìn)行處理外，還將增加輔助設(shè)施對(duì)隧道內(nèi)粉塵進(jìn)行進(jìn)一步消除，防止粉塵從隧道口溢出，造成周邊環(huán)境的污染，影響周邊居民的生活，同時(shí)也會(huì)對(duì)項(xiàng)目工作的整體推進(jìn)造成影響。

表1 隧道開挖粉塵濃度測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3 隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)

目前隧道施工常采用壓入式通風(fēng)、吸出式通風(fēng)、壓吸結(jié)合式通風(fēng)、豎井通風(fēng)等方法[3]。在隧道施工開挖或其他工序的施工中，首先要對(duì)通風(fēng)方式進(jìn)行合理選擇，使隧道通風(fēng)效果達(dá)到最佳，為隧道的施工創(chuàng)造最有利條件，提高隧道施工效率。

3.1 通風(fēng)方式選擇

通風(fēng)方式按照通風(fēng)的動(dòng)力劃分，可分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)[4]。

延中區(qū)間隧道采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工。結(jié)合各種通風(fēng)的特點(diǎn)，懸臂掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，采用常規(guī)的壓入式通風(fēng)會(huì)使粉塵吹入到隧道里面。為保證隧道施工人員的身心健康，需在懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)粉塵濃度采取有效措施，如在掘進(jìn)機(jī)后方增加一臺(tái)22 kW的除塵風(fēng)機(jī)，從原來(lái)的壓入式通風(fēng)轉(zhuǎn)變成壓入式＋抽出式相結(jié)合的方式。

3.2 隧道通風(fēng)量計(jì)算

施工通風(fēng)所需風(fēng)量按洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)、

式中，K為單位需風(fēng)量，取3.0 m3/min；Ni為各臺(tái)柴油機(jī)械設(shè)備的功率；Ti為利用率系數(shù)。

洞內(nèi)作業(yè)車輛及性能參數(shù)分別如下:洞內(nèi)作業(yè)車輛按裝載機(jī)1臺(tái)、自卸汽車2臺(tái)、挖機(jī)1臺(tái)。自卸汽車實(shí)車1臺(tái)，功率為60 kW，負(fù)荷率為0.8，利用率為0.9；自卸汽車空車1臺(tái)，功率為60 kW，負(fù)荷率為0.3，利用率為0.9；裝載機(jī)1臺(tái)，功率為92 kW，負(fù)荷率為 0.85，利用率為 0.9；挖機(jī)一臺(tái)，功率為40.7 kW，負(fù)荷率0.85，利用率0.9。稀釋內(nèi)燃設(shè)備廢氣所需的供風(fēng)量Q3＝482.7 m3/min。

則工作面需要的新鮮風(fēng)量:Q＝max(Q1，Q2，Q3) ＝570 m3/min。

3.3 風(fēng)機(jī)選型

延中區(qū)間隧道通風(fēng)主要采用軸流風(fēng)機(jī)為SDFNo11型旋軸流風(fēng)機(jī)，功率為55 kW，風(fēng)壓1 200～8 300 Pa，流量可達(dá)1 015～1 985 m3/min＞570 m3/min。隧道內(nèi)除塵風(fēng)機(jī)選用KCS-3500型風(fēng)機(jī)，功率為22 kW。

3.4 風(fēng)管的布置

壓入式＋抽出式通風(fēng)系統(tǒng)總體布置:延中區(qū)間隧道通風(fēng)機(jī)安裝在洞外距離豎井口15 m左右位置，通過(guò)豎井到達(dá)橫通道位置，在橫通道處分成四個(gè)口分別向四個(gè)掌子面供風(fēng)。在掘進(jìn)機(jī)開挖的后方初支右側(cè)布置除塵風(fēng)機(jī)，接上20～30 m長(zhǎng)風(fēng)管，如圖1所示。洞內(nèi)允許最小風(fēng)速、按稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣所需要空氣量計(jì)算，取其中最大值作為控制風(fēng)量[5-6]。

(1)按洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)計(jì)算

式中，q為作業(yè)面作業(yè)人員的通風(fēng)量，取3 m3/min；n為作業(yè)面同時(shí)作業(yè)的最多人數(shù)，30人。計(jì)算可知需風(fēng)量為90 m3/min。

(2)按洞內(nèi)允許最小風(fēng)速0.25 m/s計(jì)算

式中，s為隧道開挖斷面積38 m2；v為洞內(nèi)允許最小風(fēng)速0.25 m/s。計(jì)算可知需風(fēng)量為570 m3/min。

(3)按稀釋內(nèi)燃設(shè)備廢氣計(jì)算需風(fēng)量

供風(fēng)量應(yīng)足夠?qū)?nèi)燃設(shè)備所排放的廢氣全面稀釋和排出，使有害氣體降至允許濃度以下，可按下式計(jì)算:

圖1 隧道內(nèi)通風(fēng)方式

4 除塵風(fēng)機(jī)布置位置分析

4.1 風(fēng)口匯流吸氣流動(dòng)理論

除塵風(fēng)機(jī)在隧道內(nèi)能通過(guò)吸風(fēng)口吸收大量的污濁空氣，并通過(guò)自身內(nèi)部的除塵裝置過(guò)濾污濁空氣中的粉塵，并將新鮮空氣排出，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)粉塵的捕捉。吸風(fēng)口的強(qiáng)大氣流會(huì)在周圍形成局部負(fù)壓區(qū)。局部負(fù)壓區(qū)的存在對(duì)于污濁空氣的匯流有重要作用。通過(guò)引入有效吸程的概念在理論上求取風(fēng)口作用區(qū)的位置大小。

除塵風(fēng)機(jī)的匯流吸氣過(guò)程可分為兩種氣流運(yùn)動(dòng)，即風(fēng)流匯入吸風(fēng)口的風(fēng)流運(yùn)動(dòng)和風(fēng)流沿巷道的運(yùn)動(dòng)。用平面流動(dòng)理論進(jìn)行分析，風(fēng)流從巷道進(jìn)入?yún)R流作用區(qū)可以認(rèn)為是平行于x軸的平面流動(dòng)，其流函數(shù)Ψ1為[7]:

式中，A為常數(shù)。根據(jù)流速與流函數(shù)的關(guān)系，有:

設(shè)通風(fēng)風(fēng)量為Q，m3/s；巷道高度為H，m；寬度為B，m。將Wx＝Q/HB代入(4)式即得常數(shù)A＝Q/HB，再代入(4)式即得:

考慮匯流沿巷道分布均勻，根據(jù)匯流理論得到流函數(shù)Ψ2，表示風(fēng)流被吸入過(guò)程。

根據(jù)平面勢(shì)流疊加原理，得到吸程區(qū)風(fēng)流流函數(shù)Ψ。

引入有效吸程概念，即吸風(fēng)口對(duì)風(fēng)流作用的最遠(yuǎn)點(diǎn)距離。用流函數(shù)和無(wú)因次坐標(biāo)y′＝y(tǒng)/H，X′＝x/H表示，則吸程區(qū)流線方程表示為:

C為常數(shù)、流線邊界條件，x′＝0，y′＝1，arctan(y′/x′)＝π/2時(shí)，代入上式得C＝0。 將C＝0代入得吸程區(qū)外邊界流線方程。

求取上式x′的最大值，可得出有效吸程。x′取值范圍為(0， 1)。 因?yàn)閤′＝y(tǒng)′/tan[(π/2)y′]在區(qū)間 (0，1)上為單調(diào)遞減，故y′?0時(shí)函數(shù)x′為最大值。但是函數(shù)x′在y′＝0的點(diǎn)不連續(xù)，由此求y′?0時(shí)的x′極限x′max的有效吸程Le表示為:

對(duì)于寬與高相差不大的巷道，可以近似取H＝其中S為巷道的斷面積(m2)。將H代入上式得到有效吸程計(jì)算式為:

此外，各學(xué)者根據(jù)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)提出了不同的有效吸程計(jì)算式[8-9]，如沃羅寧克生諾馮托娃暨朝松美國(guó)礦山局

表2 不同公式計(jì)算出的風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口有效吸程

不同公式計(jì)算出的風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口有效吸程見表2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出的結(jié)果，與理論計(jì)算式差別較大，說(shuō)明在實(shí)際操作中對(duì)于抽出式通風(fēng)的吸程有重要因素沒(méi)有考慮到。部分實(shí)驗(yàn)研究指出，風(fēng)筒吸口在巷道斷面上的不同布置，吸風(fēng)口流量等均會(huì)影響風(fēng)口的有效吸程大小。

貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線第五工作段延中區(qū)間隧道斷面面積約為38 m2，代入式(12)可得除塵風(fēng)機(jī)的有效吸程約為3.8 m左右。國(guó)內(nèi)類似隧道工程通風(fēng)設(shè)計(jì)實(shí)例表明，一般600 mm吸風(fēng)筒在160～200 m3/min的流量下，有效吸程約為2.5～3 m?？悸实奖竟こ讨谐龎m風(fēng)機(jī)的流量為240 m3/min，實(shí)際有效吸程也應(yīng)比3 m更大。實(shí)際通風(fēng)設(shè)計(jì)中，壓入新風(fēng)量為6～8 m3/s，風(fēng)口直徑1.2 m，壓入口風(fēng)速約為6 m/s左右。而除塵風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)口流量為4 m3/s，風(fēng)口直徑0.6 m，風(fēng)口的空氣流速高達(dá)14.1 m/s，局部負(fù)壓作用十分明顯，這也是除塵風(fēng)機(jī)匯流作用的基礎(chǔ)。

4.2 實(shí)際布置位置的確定

由于機(jī)體占據(jù)一部分隧道空間，形成對(duì)氣體流道的阻塞效應(yīng)，會(huì)加大機(jī)體周邊范圍內(nèi)空氣的流速，也加大粉塵的流速，不利于除塵風(fēng)機(jī)對(duì)粉塵的捕捉；受機(jī)體的影響，機(jī)體周邊的氣流湍流效應(yīng)明顯，氣流和粉塵的流動(dòng)呈無(wú)序性增加，對(duì)于除塵風(fēng)機(jī)的粉塵捕捉功效會(huì)產(chǎn)生明顯影響。

根據(jù)理論分析的數(shù)據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)布置除塵風(fēng)機(jī)的位置。按照粉塵容許濃度，每立方米空氣中含有10%以上的游離二氧化硅的滑石粉塵不得大于4 mg；每立方米空氣中含有10%以下的游離二氧化硅的水泥粉塵不得大于6 mg[10]。經(jīng)過(guò)多次位置的不斷調(diào)整，最終確定隧道風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的1.5倍，且將除塵風(fēng)機(jī)安放在距掌子面30 m左右(距離掘進(jìn)機(jī)后方18 m左右)的位置，除塵效果最好。隧道通風(fēng)降塵布置如圖2所示。

圖2 隧道通風(fēng)降塵裝置布置示意

5 隧道施工空氣質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)

粉塵屬于有害物質(zhì)，對(duì)工作人員的危害巨大，長(zhǎng)期工作在高濃度粉塵環(huán)境下易患上塵肺職業(yè)病，而且粉塵濃度過(guò)高容易引起粉塵爆炸等安全事故。因此，加強(qiáng)對(duì)粉塵的檢測(cè)在工程施工中非常重要[11]。延中區(qū)間隧道針對(duì)隧道內(nèi)粉塵含量的檢測(cè)和CO含量的檢測(cè)每周進(jìn)行4次。懸浮顆粒采用LCJ-1P PM2.5檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，CO含量采用Gas Detector Alarm可燃?xì)怏w報(bào)警裝置進(jìn)行檢測(cè)，如圖3所示。

圖3 隧道粉塵及有害氣體檢測(cè)儀

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，采取加大通風(fēng)量、噴霧降塵或暫停局部工作面等方式來(lái)提高隧道內(nèi)空氣質(zhì)量，避免影響隧道正常施工。

6 相關(guān)輔助設(shè)施的選用

噴霧灑水，不僅可以清除粉塵，而且可以溶解部分有害氣體并能降低洞內(nèi)溫度，使空氣變得明凈清爽。確定在隧道橫通道馬頭門處增加一道密目網(wǎng)及環(huán)向噴淋設(shè)備，以降低通過(guò)洞口處的粉塵濃度，如圖4所示。

圖4 隧道噴淋管及密目網(wǎng)

隧道內(nèi)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖時(shí)，在隧道豎井口設(shè)置一環(huán)噴淋設(shè)備，將隧道洞內(nèi)溢出的粉塵濃度降低，防治粉塵溢出后造成周邊環(huán)境污染，如圖5所示。

圖5 隧道豎井口環(huán)向噴淋管

圖6 粉塵濃度對(duì)照

2015年9月2日至11月27日抽取的數(shù)據(jù)與實(shí)施前對(duì)比發(fā)現(xiàn)，處理后數(shù)據(jù)基本小于或接近標(biāo)準(zhǔn)值。在區(qū)間隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)施工過(guò)程中的持續(xù)粉塵產(chǎn)生且濃度較高的問(wèn)題已經(jīng)得到了改善，如圖6所示。

7 結(jié)束語(yǔ)

隧道施工粉塵的問(wèn)題不僅影響到工人的身心健康，還會(huì)制約工程的進(jìn)展。為此，本文針對(duì)地鐵區(qū)間隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)施工的粉塵濃度問(wèn)題進(jìn)行研究，從隧道的施工環(huán)境及配置出發(fā)，計(jì)算隧道的通風(fēng)量；根據(jù)理論分析計(jì)算隧道除塵風(fēng)機(jī)的合理布置位置，在此基礎(chǔ)上，配置相應(yīng)的輔助設(shè)施。粉塵濃度從前期的40～60 mg/m3下降至基本小于或接近標(biāo)準(zhǔn)值，粉塵問(wèn)題得到明顯改善，保證了區(qū)間隧道內(nèi)的作業(yè)環(huán)境和施工人員的身心健康，避免了對(duì)區(qū)間隧道施工總體進(jìn)度的影響。