地下洞室施工期空氣質(zhì)量控制措施研究與應(yīng)用

古 小 夢， 錢 凱 旋， 古 藝， 龔 澤 鵬

(1.華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041；2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314000)

1 概 述

拉哇水電站場內(nèi)交通隧道多為長和特長隧道，且坡比較大，最大坡比達(dá)10.68%，導(dǎo)致通風(fēng)線路較長，粉塵、爆破煙霧等不能及時(shí)排除，通風(fēng)降塵管理難度大，嚴(yán)重影響了施工人員的健康和工程進(jìn)度[1]。

目前，常規(guī)的施工通風(fēng)方式是用軸流風(fēng)機(jī)壓入為主，來達(dá)到輸送新鮮空氣及降低污染物濃度的目的。正常情況下，采用傳統(tǒng)的方式既可以滿足施工要求，且費(fèi)用不會(huì)太高，但對于隧道群，盡管用傳統(tǒng)的方式能降低費(fèi)用，卻用時(shí)較長，使施工進(jìn)度得不到保障。

在高海拔地區(qū)，通風(fēng)要根據(jù)施工現(xiàn)場情況，通過氣體狀態(tài)方程求得空氣重率和海拔的關(guān)系來確定高原區(qū)修正系數(shù)，確定單一隧道施工通風(fēng)的需求量，進(jìn)而獲取隧道群施工的通風(fēng)需求量，以便為施工通風(fēng)設(shè)備選型提供依據(jù)。同時(shí)，輔以合理的施工措施，最大限度改善洞內(nèi)空氣質(zhì)量，有效保證洞內(nèi)施工人員的健康，保證隧道施工的進(jìn)度和質(zhì)量。

2 場內(nèi)交通布置

場內(nèi)交通規(guī)劃結(jié)合永久交通要求，以有利施工、方便管理、節(jié)約投資、安全可靠為原則，左、右岸共布置11條主干道路(均為隧道)。左岸①、③道路在大壩下游相交，①道路通向壩頂、必英溝料場和⑦道路，通過不同高程支洞①-1、①-2、①-3道路連接大壩不同高程岸坡，形成左岸高低線回路。右岸②、④道路在下游金沙江大橋右岸附近相交，④道路基本沿江上行連接上游圍堰堰頂，②道路通向壩頂，中間分支線⑧道路，在上游圍堰堰頂附近與④道路連接，形成右岸高低線回路。電站場內(nèi)交通隧道合計(jì)23條，總長約24 km。電站施工總布置見圖1。

圖1 電站施工總布置圖

3 空氣質(zhì)量控制措施

在洞室開挖過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些有害物質(zhì)，并散發(fā)到隧道空氣中，造成污染，使空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，對隧道施工人員的身心健康造成損害，也對工程進(jìn)度造成一定影響，因此，施工通風(fēng)是隧道施工過程中必不可少的重要措施。在水電站隧道施工中，主要采用壓入式通風(fēng)方式，其通風(fēng)設(shè)備采用軸流風(fēng)機(jī)為主，輔以射流風(fēng)機(jī)加強(qiáng)隧道內(nèi)空氣流通。隨著洞室開挖距離增長，采用單純的通風(fēng)措施，將空氣質(zhì)量指標(biāo)降低到一定范圍內(nèi)所需的時(shí)間也逐漸增長，且對空氣質(zhì)量控制效果不佳，進(jìn)而影響工程進(jìn)度，因此，需再輔以合理的施工措施，在短時(shí)間內(nèi)快速提升空氣質(zhì)量。

3.1 隧道施工通風(fēng)主要參數(shù)

隧道施工通風(fēng)應(yīng)能提供洞內(nèi)各項(xiàng)作業(yè)所需要的最小風(fēng)量，須按以下參數(shù)控制：

(1)每人應(yīng)供給新鮮空氣3 m3/min，高原區(qū)按4 m3/min計(jì)算；

(2)采用內(nèi)燃機(jī)作業(yè)時(shí)，供風(fēng)量不宜小于4.5 m3/min·kW；

(3)全斷面開挖時(shí)風(fēng)速不應(yīng)小于0.15 m/s，但不應(yīng)大于6 m/s；

(4)通風(fēng)管每100 m平均漏風(fēng)率不得大于2%。

根據(jù)施工總體方案，隧道群各個(gè)施工面的風(fēng)機(jī)出口最小供風(fēng)量見表1。

表1 隧道群各個(gè)施工面的風(fēng)機(jī)出口最小供風(fēng)量

3.2 施工通風(fēng)設(shè)備的選型與布置

在施工過程中，要選擇合理的施工通風(fēng)設(shè)備，需要較為精確的通風(fēng)計(jì)算結(jié)果。目前，對于隧道壓入式通風(fēng)，使用較多的風(fēng)機(jī)是多級(jí)變速軸流通風(fēng)機(jī)[2]，這樣可以根據(jù)隧道內(nèi)實(shí)際情況去控制通風(fēng)的風(fēng)量和風(fēng)壓，以達(dá)到施工過程中的節(jié)能目標(biāo)。在布置風(fēng)機(jī)時(shí)，送風(fēng)式的進(jìn)風(fēng)管口應(yīng)在洞外離洞口距離至少30 m。同時(shí)，為了保證各作業(yè)面通風(fēng)不受干擾，風(fēng)機(jī)布置宜采用獨(dú)立通風(fēng)的布置方式。工程施工選擇的多級(jí)變速軸流通風(fēng)機(jī)參數(shù)見表2。

3.3 隧道施工工藝優(yōu)化及粉塵控制

隧道內(nèi)的粉塵主要是由初期支護(hù)過程中的噴射混凝土與開挖過程中的爆破兩個(gè)工序產(chǎn)生，根據(jù)公路隧道施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定：矽塵濃度應(yīng)小于2 mg/m3(含有10%以上游離SiO2的粉塵)，水泥粉塵濃度應(yīng)小于6 mg/m3(游離SiO2含量小于10%)[3]，所以，隧道施工粉塵主要通過減少矽塵和水泥粉塵來控制。

表2 工程施工選擇的多級(jí)變速軸流通風(fēng)機(jī)參數(shù)表

3.3.1 工藝優(yōu)化一：通過濕法作業(yè)控制粉塵的產(chǎn)生

由于粉塵顆粒與水結(jié)合后，能凝結(jié)成含水的較重顆粒，使粉塵顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰准婏w的較大顆粒來有效地控制粉塵的產(chǎn)生，從而粉塵的二次擴(kuò)散也因此被阻斷，這是一項(xiàng)能直接減少粉塵產(chǎn)生的重要除塵技術(shù)。濕法作業(yè)在實(shí)際施工中有以下幾個(gè)具體措施：

(1)鉆機(jī)鉆孔和鑿巖作業(yè)時(shí)進(jìn)行帶水作業(yè)，減少鉆孔產(chǎn)生的粉塵；

(2)爆破時(shí)使用水封而不是泥封；

(3)出渣前對堆渣直接灑水以減少堆渣轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)生的粉塵；

(4)出渣時(shí)在運(yùn)渣行駛路線上提前灑水減少道路揚(yáng)塵；

(5)噴混凝土施工時(shí)采用濕噴法減少水泥粉塵的產(chǎn)生。

3.3.2 工藝優(yōu)化二：縮短隧道單頭開挖長度降低通風(fēng)難度

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，及時(shí)開挖具備條件并和特長隧道或長隧道相交的永久或臨時(shí)支線道路隧道，使隧道形成多個(gè)開挖施工作業(yè)面，減小隧道單頭掘進(jìn)長度，降低隧道內(nèi)通風(fēng)難度[4]。在實(shí)際施工過程中，提前開挖與隧道相交的支線道路，使隧道開挖能多斷面同時(shí)施工，可有效降低隧道的通風(fēng)難度。

3.3.3 控制措施一：通過施工通風(fēng)促進(jìn)洞室內(nèi)粉塵稀釋、排出

通風(fēng)除塵是通過通風(fēng)設(shè)備往洞室內(nèi)部不間斷輸送洞室外的新鮮空氣，以稀釋洞室內(nèi)粉塵濃度，促進(jìn)洞室內(nèi)空氣攜帶著粉塵向洞室外流動(dòng)，稀釋通風(fēng)和置換通風(fēng)同時(shí)進(jìn)行，以達(dá)到降塵除塵的目的。在實(shí)際施工過程中，將通風(fēng)措施納入施工方案嚴(yán)格執(zhí)行，通風(fēng)設(shè)備采用多級(jí)變速軸流通風(fēng)機(jī)與其配套軟風(fēng)管，并輔以射流風(fēng)機(jī)。施工時(shí)由多級(jí)變速軸流通風(fēng)機(jī)將洞室外新鮮空氣輸送至施工作業(yè)面加快粉塵稀釋，同時(shí)射流風(fēng)機(jī)加速洞室內(nèi)空氣向洞室外流動(dòng)，促進(jìn)粉塵加速排出。

3.3.4 控制措施二：通過灑水和水幕降低飛揚(yáng)的粉塵

和濕法作業(yè)原理一樣，由于粉塵顆粒能與水結(jié)合形成較重、較大、不易飛揚(yáng)的顆粒直接降落至洞內(nèi)，使洞室內(nèi)隨空氣運(yùn)動(dòng)的粉塵與水結(jié)合，從而降低洞室內(nèi)飛揚(yáng)的粉塵濃度，達(dá)到降塵效果。在施工過程中，從隧道施工面到隧洞出口，每間隔250 m距離沿洞身輪廓布置一根均勻鉆有1.5 mm小孔的水管，孔口垂直于洞身輪廓，并持續(xù)向水管內(nèi)泵送輸水，通過水壓作用使水從孔口徑直噴出形成水幕和空氣中的粉塵結(jié)合形成較重顆粒降落，經(jīng)過洞室內(nèi)均勻彌補(bǔ)的多道水幕，降低空中飛揚(yáng)的粉塵。對于累積粉塵在空氣流動(dòng)過程中產(chǎn)生粉塵飛揚(yáng)的情況(如道路通行)，可以采用灑水的方式進(jìn)行降塵。

3.3.5 控制措施三：通過干式除塵機(jī)防止粉塵擴(kuò)散

隨著洞身開挖長度的增加，通風(fēng)設(shè)備送風(fēng)到達(dá)爆破作業(yè)面的時(shí)間會(huì)越來越長，稀釋粉塵的效果會(huì)越來越差，因此，就近處理是解決粉塵的最好方式。為此，引進(jìn)了SCI3型移動(dòng)干式除塵機(jī)。干式除塵機(jī)是利用凈氣箱使與其聯(lián)結(jié)的濾袋產(chǎn)生負(fù)壓，在濾袋和濾袋外空氣的壓差作用下將粉塵吸入濾袋，使用被過濾后的空氣循環(huán)進(jìn)入隧道。實(shí)際操作是在距離開挖爆破作業(yè)面400 m的位置，將干式除塵機(jī)安裝在平板車上，待爆破后開始啟動(dòng)，然后緩慢向作業(yè)面移動(dòng)，粉塵在向洞外擴(kuò)散時(shí)被干式除塵機(jī)吸收集中，這樣，大幅縮短了炮煙向洞外擴(kuò)散的距離，這種除塵方式在單頭開挖長度大的隧道中效果更明顯。在噴混凝土作業(yè)時(shí)將干式除塵機(jī)布置在作業(yè)面附近，同樣可以起到明顯的除塵作用。

4 實(shí)例應(yīng)用

為更直觀、準(zhǔn)確地評價(jià)施工中空氣質(zhì)量控制措施的應(yīng)用效果，首先在②道路隧道工作面進(jìn)行測試，測試地點(diǎn)在距洞口150 m、300 m處，定時(shí)分別對僅采用通風(fēng)機(jī)與采用綜合控制措施的空氣污染物(CO、NxOy、粉塵)濃度及風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測[5]。150 m處僅采用風(fēng)機(jī)效果監(jiān)測、150 m處采用綜合措施效果監(jiān)測、300 m處僅采用風(fēng)機(jī)效果監(jiān)測、300 m處采用綜合措施效果監(jiān)測分別見表3～6。

表3 150 m處僅采用風(fēng)機(jī)效果監(jiān)測

表4 150 m處采用綜合措施效果監(jiān)測

表6 300 m處采用綜合措施效果監(jiān)測

由上述測試結(jié)果可知，在150 m處時(shí)，采用通風(fēng)機(jī)與采用綜合措施空氣控制質(zhì)量效果基本一致；在300 m處時(shí)，采用綜合控制措施的效果明顯好于只采用風(fēng)機(jī)措施，說明在開挖到一定距離時(shí)，采用本文提出的空氣質(zhì)量控制措施是合理的。

隨著工程的逐步展開和施工的隧道開挖面的增加，難以準(zhǔn)確測試單一工作面開挖時(shí)的空氣質(zhì)量。為確定該控制措施在多工作面開挖時(shí)應(yīng)用的合理性，在工程洞室開挖高峰期選取同時(shí)開挖工作面最多的階段，對各工作面的風(fēng)速、空氣污染物濃度進(jìn)行了測試。各工作面空氣污染物監(jiān)測結(jié)果見表7。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，隧道通風(fēng)狀態(tài)、空氣污染物濃度均滿足規(guī)范要求。

表7 各工作面空氣污染物監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié) 語

針對水電站地下洞室施工期空氣質(zhì)量控制難題，根據(jù)施工進(jìn)度，在施工初期及施工高峰期，合理地進(jìn)行優(yōu)化，縮短隧道單頭開挖長度，動(dòng)態(tài)調(diào)整通風(fēng)措施，配合濕法作業(yè)、水幕和噴霧，有效降低了洞室內(nèi)空氣污染物濃度,保證了洞室施工期間空氣的質(zhì)量。

通過施工期間的通風(fēng)監(jiān)測顯示，隧道內(nèi)空氣質(zhì)量符合規(guī)范要求,說明該措施可以解決長、特長洞室施工期空氣質(zhì)量控制難題。工程施工期隧道開挖單個(gè)作業(yè)面正常情況下Ⅲ級(jí)圍巖洞段月開挖平均進(jìn)尺可達(dá)140 m/m，最高達(dá)202.8 m/m，同時(shí)通過監(jiān)測，洞內(nèi)空氣質(zhì)量滿足施工要求，工作面能見度大，從而保障了施工進(jìn)度及洞內(nèi)施工人員的健康。

本文所研究的通風(fēng)降塵技術(shù),在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了良好的成效，可為其他類似工程參考。