孫澤順

(中鐵二十四局集團南昌鐵路工程有限公司 江西南昌 330000)

1 引言

由于我國公路隧道建設起步較晚，因此隧道中的通風系統(tǒng)研究也比發(fā)達國家落后[1]。解決中深巷道掘進的通風問題是科技工作者一直探索的難題[2]?，F今國內由于在職業(yè)活動中長期吸入生產性粉塵(灰塵)引起矽肺病的人越來越多。為了給作業(yè)人員提供一個良好的作業(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題已迫在眉睫。貴陽軌道交通1號線第五工作段所施工的延中區(qū)間隧道通過現場實際操作和理論分析，研究幾種不同通風方法的降塵效果并進行對比分析，得出一種完全適用于懸臂掘進機施工通風降塵的方法。

2 工程概況

延中區(qū)間位于貴陽市強巖溶復雜地質環(huán)境。隧道粉塵產生的主要來源為懸臂掘進機施工產生的煙塵、噴射混凝土產生的灰塵、洞內內燃機械設備運行產生的尾氣等。隧道開挖粉塵濃度見表1。針對隧道內的粉塵問題，除了采用壓入式通風＋抽出式通風相結合的方法進行處理外，還將增加輔助設施對隧道內粉塵進行進一步消除，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，同時也會對項目工作的整體推進造成影響。

表1 隧道開挖粉塵濃度測量數據統(tǒng)計表

3 隧道通風設計

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

3.1 通風方式選擇

通風方式按照通風的動力劃分，可分為自然通風和機械通風[4]。

延中區(qū)間隧道采用懸臂掘進機施工。結合各種通風的特點，懸臂掘進機在掘進過程中會產生大量粉塵，采用常規(guī)的壓入式通風會使粉塵吹入到隧道里面。為保證隧道施工人員的身心健康，需在懸臂掘進機掘進過程中對粉塵濃度采取有效措施，如在掘進機后方增加一臺22 kW的除塵風機，從原來的壓入式通風轉變成壓入式＋抽出式相結合的方式。

3.2 隧道通風量計算

施工通風所需風量按洞內同時作業(yè)最多人數、

式中，K為單位需風量，取3.0 m3/min；Ni為各臺柴油機械設備的功率；Ti為利用率系數。

洞內作業(yè)車輛及性能參數分別如下:洞內作業(yè)車輛按裝載機1臺、自卸汽車2臺、挖機1臺。自卸汽車實車1臺，功率為60 kW，負荷率為0.8，利用率為0.9；自卸汽車空車1臺，功率為60 kW，負荷率為0.3，利用率為0.9；裝載機1臺，功率為92 kW，負荷率為 0.85，利用率為 0.9；挖機一臺，功率為40.7 kW，負荷率0.85，利用率0.9。稀釋內燃設備廢氣所需的供風量Q3＝482.7 m3/min。

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

3.3 風機選型

延中區(qū)間隧道通風主要采用軸流風機為SDFNo11型旋軸流風機，功率為55 kW，風壓1 200～8 300 Pa，流量可達1 015～1 985 m3/min＞570 m3/min。隧道內除塵風機選用KCS-3500型風機，功率為22 kW。

3.4 風管的布置

壓入式＋抽出式通風系統(tǒng)總體布置:延中區(qū)間隧道通風機安裝在洞外距離豎井口15 m左右位置，通過豎井到達橫通道位置，在橫通道處分成四個口分別向四個掌子面供風。在掘進機開挖的后方初支右側布置除塵風機，接上20～30 m長風管，如圖1所示。洞內允許最小風速、按稀釋內燃機廢氣所需要空氣量計算，取其中最大值作為控制風量[5-6]。

(1)按洞內同時作業(yè)最多人數計算

式中，q為作業(yè)面作業(yè)人員的通風量，取3 m3/min；n為作業(yè)面同時作業(yè)的最多人數，30人。計算可知需風量為90 m3/min。

(2)按洞內允許最小風速0.25 m/s計算

式中，s為隧道開挖斷面積38 m2；v為洞內允許最小風速0.25 m/s。計算可知需風量為570 m3/min。

(3)按稀釋內燃設備廢氣計算需風量

供風量應足夠將內燃設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，可按下式計算:

圖1 隧道內通風方式

4 除塵風機布置位置分析

4.1 風口匯流吸氣流動理論

除塵風機在隧道內能通過吸風口吸收大量的污濁空氣，并通過自身內部的除塵裝置過濾污濁空氣中的粉塵，并將新鮮空氣排出，實現對隧道內粉塵的捕捉。吸風口的強大氣流會在周圍形成局部負壓區(qū)。局部負壓區(qū)的存在對于污濁空氣的匯流有重要作用。通過引入有效吸程的概念在理論上求取風口作用區(qū)的位置大小。

除塵風機的匯流吸氣過程可分為兩種氣流運動，即風流匯入吸風口的風流運動和風流沿巷道的運動。用平面流動理論進行分析，風流從巷道進入匯流作用區(qū)可以認為是平行于x軸的平面流動，其流函數Ψ1為[7]:

式中，A為常數。根據流速與流函數的關系，有:

設通風風量為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A＝Q/HB，再代入(4)式即得:

考慮匯流沿巷道分布均勻，根據匯流理論得到流函數Ψ2，表示風流被吸入過程。

根據平面勢流疊加原理，得到吸程區(qū)風流流函數Ψ。

引入有效吸程概念，即吸風口對風流作用的最遠點距離。用流函數和無因次坐標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、流線邊界條件，x′＝0，y′＝1，arctan(y′/x′)＝π/2時，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)。 因為x′＝y(tǒng)′/tan[(π/2)y′]在區(qū)間 (0，1)上為單調遞減，故y′?0時函數x′為最大值。但是函數x′在y′＝0的點不連續(xù)，由此求y′?0時的x′極限x′max的有效吸程Le表示為:

對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算式為:

此外，各學者根據實驗或經驗提出了不同的有效吸程計算式[8-9]，如沃羅寧克生諾馮托娃暨朝松美國礦山局

表2 不同公式計算出的風機吸風口有效吸程

不同公式計算出的風機吸風口有效吸程見表2。根據現場試驗得出的結果，與理論計算式差別較大，說明在實際操作中對于抽出式通風的吸程有重要因素沒有考慮到。部分實驗研究指出，風筒吸口在巷道斷面上的不同布置，吸風口流量等均會影響風口的有效吸程大小。

貴陽地鐵1號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)可得除塵風機的有效吸程約為3.8 m左右。國內類似隧道工程通風設計實例表明，一般600 mm吸風筒在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風機的流量為240 m3/min，實際有效吸程也應比3 m更大。實際通風設計中，壓入新風量為6～8 m3/s，風口直徑1.2 m，壓入口風速約為6 m/s左右。而除塵風機的吸風口流量為4 m3/s，風口直徑0.6 m，風口的空氣流速高達14.1 m/s，局部負壓作用十分明顯，這也是除塵風機匯流作用的基礎。

4.2 實際布置位置的確定

由于機體占據一部分隧道空間，形成對氣體流道的阻塞效應，會加大機體周邊范圍內空氣的流速，也加大粉塵的流速，不利于除塵風機對粉塵的捕捉；受機體的影響，機體周邊的氣流湍流效應明顯，氣流和粉塵的流動呈無序性增加，對于除塵風機的粉塵捕捉功效會產生明顯影響。

根據理論分析的數據在現場布置除塵風機的位置。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]。經過多次位置的不斷調整，最終確定隧道風機風壓為除塵風機風壓的1.5倍，且將除塵風機安放在距掌子面30 m左右(距離掘進機后方18 m左右)的位置，除塵效果最好。隧道通風降塵布置如圖2所示。

圖2 隧道通風降塵裝置布置示意

5 隧道施工空氣質量監(jiān)控技術

粉塵屬于有害物質，對工作人員的危害巨大，長期工作在高濃度粉塵環(huán)境下易患上塵肺職業(yè)病，而且粉塵濃度過高容易引起粉塵爆炸等安全事故。因此，加強對粉塵的檢測在工程施工中非常重要[11]。延中區(qū)間隧道針對隧道內粉塵含量的檢測和CO含量的檢測每周進行4次。懸浮顆粒采用LCJ-1P PM2.5檢測儀進行檢測，CO含量采用Gas Detector Alarm可燃氣體報警裝置進行檢測，如圖3所示。

圖3 隧道粉塵及有害氣體檢測儀

根據檢測結果，采取加大通風量、噴霧降塵或暫停局部工作面等方式來提高隧道內空氣質量，避免影響隧道正常施工。

6 相關輔助設施的選用

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及環(huán)向噴淋設備，以降低通過洞口處的粉塵濃度，如圖4所示。

圖4 隧道噴淋管及密目網

隧道內掘進機進行開挖時，在隧道豎井口設置一環(huán)噴淋設備，將隧道洞內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 粉塵濃度對照

2015年9月2日至11月27日抽取的數據與實施前對比發(fā)現，處理后數據基本小于或接近標準值。在區(qū)間隧道懸臂掘進機施工過程中的持續(xù)粉塵產生且濃度較高的問題已經得到了改善，如圖6所示。

7 結束語

隧道施工粉塵的問題不僅影響到工人的身心健康，還會制約工程的進展。為此，本文針對地鐵區(qū)間隧道懸臂掘進機施工的粉塵濃度問題進行研究，從隧道的施工環(huán)境及配置出發(fā)，計算隧道的通風量；根據理論分析計算隧道除塵風機的合理布置位置，在此基礎上，配置相應的輔助設施。粉塵濃度從前期的40～60 mg/m3下降至基本小于或接近標準值，粉塵問題得到明顯改善，保證了區(qū)間隧道內的作業(yè)環(huán)境和施工人員的身心健康，避免了對區(qū)間隧道施工總體進度的影響。