吳玉鵬 周翠紅 王建宏# 馮利華 王彥瑩

(1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124；2.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617；3.中鐵一局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 063000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的推進(jìn)，大力發(fā)展城市軌道交通對(duì)緩解城市交通壓力有著重要意義[1]。與此同時(shí)，地鐵施工中產(chǎn)生的粉塵嚴(yán)重影響了施工人員健康[2]，而其中PM2.5、PM10由于可被吸入肺泡，對(duì)人體危害更加嚴(yán)重[3-5]。長(zhǎng)期暴露在高濃度顆粒物下會(huì)引起心血管疾病和肺損傷等[6-7]。有研究表明，施工揚(yáng)塵已經(jīng)成為城市大氣顆粒物的主要來(lái)源[8-9]。隧道施工顆粒物主要來(lái)源于焊接、錨噴等工藝，不同施工技術(shù)下的粉塵污染也不相同[10]。暗挖法因其操作環(huán)境相對(duì)封閉，產(chǎn)生的顆粒物不易排出，會(huì)導(dǎo)致地下施工環(huán)境惡劣[11]。國(guó)內(nèi)外對(duì)地鐵施工環(huán)境顆粒物的研究多是針對(duì)顆粒物釋放源。趙文彬等[12]21通過(guò)對(duì)錨噴機(jī)受力分析的研究，運(yùn)用相關(guān)流體力學(xué)知識(shí)提出錨噴產(chǎn)塵的4種方式；CHEN等[13]對(duì)比了現(xiàn)存的3種錨噴機(jī)(干噴、濕噴、混合噴)的運(yùn)行方式，闡述了錨噴機(jī)的產(chǎn)塵機(jī)理。此外，通風(fēng)系統(tǒng)是隧道施工的一個(gè)重要組成部分[14]，隧道施工通風(fēng)通常采用壓入式、抽出式或混合式[15]。DIEGO等[16]模擬了在一個(gè)密閉的環(huán)境下進(jìn)行通風(fēng)時(shí)空間壓力的變化。在顆粒物接觸水平方面，現(xiàn)在的研究主要集中在地鐵投入運(yùn)行后乘客的暴露水平。KAM等[17]對(duì)比了洛杉磯地面和地下地鐵系統(tǒng)乘客的暴露水平；PARK等[18]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)了首爾大都會(huì)PM10含量。

綜上所述，當(dāng)今對(duì)地鐵施工過(guò)程中產(chǎn)生的顆粒物研究很少，本研究針對(duì)工期長(zhǎng)、工種多、施工人員工作時(shí)間長(zhǎng)的初期支護(hù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)初支)階段進(jìn)行研究，對(duì)導(dǎo)洞內(nèi)產(chǎn)生的污染物種類(lèi)進(jìn)行檢測(cè)，再將其中成分超標(biāo)的污染物進(jìn)行單獨(dú)研究，最后建立車(chē)站模型，使用數(shù)值計(jì)算軟件Fluent進(jìn)行模擬以揭示區(qū)域粉塵難以擴(kuò)散的原因。此研究能為地鐵車(chē)站隧道施工污染物治理提供有益參考。

1 儀器與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)所用儀器主要包括：AKFC-92A礦用粉塵采樣器；FC-1A粉塵采樣器；GXH-3011A便攜式紅外CO分析器；ZC-Q便攜大氣采樣器；8530桌上型粉塵測(cè)定儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇北京某個(gè)在建的地鐵暗挖車(chē)站，將地鐵按施工內(nèi)容不同分4個(gè)區(qū)域：上料區(qū)域位于負(fù)2層錨噴主機(jī)處；噴射區(qū)域位于負(fù)3層站臺(tái)層錨噴機(jī)噴槍旁；焊接區(qū)域位于負(fù)2層；公共區(qū)域也位于負(fù)2層，此處施工人員較多，作業(yè)內(nèi)容多樣(土方開(kāi)挖、裝運(yùn)出渣、鋼筋固定等)。對(duì)地鐵常見(jiàn)的空氣污染物進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目有總粉塵、呼吸性粉塵、汞、二氧化氮、二氧化硫、鎳、二氧化錫、一氧化碳、砷、溶劑汽油、鉛煙、鎘、鉻、銻、銅煙、錳，共采集126個(gè)樣品，然后根據(jù)一系列職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和工作場(chǎng)所空氣有毒物質(zhì)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)樣品中的粉塵和有毒物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。

經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，總粉塵和呼吸性粉塵濃度過(guò)高，需對(duì)粉塵進(jìn)行進(jìn)一步研究。實(shí)驗(yàn)布點(diǎn)如圖1所示，在車(chē)站主體150 m范圍內(nèi)進(jìn)行布點(diǎn)，共布置55個(gè)點(diǎn)位，分別在每個(gè)點(diǎn)位距地面1.4 m處測(cè)定PM2.5和PM10。

圖1 測(cè)量點(diǎn)位布置Fig.1 Measurement point layout

2 結(jié)果與分析

2.1 不同區(qū)域污染物分析

基于樣品分析結(jié)果，根據(jù)式(1)計(jì)算污染物時(shí)間加權(quán)平均容許濃度(PC-TWA，以質(zhì)量濃度計(jì))。1個(gè)工作日的工作時(shí)間按8 h計(jì)，若不足8 h仍以8 h計(jì)。

CTWA=(C1T1+C2T2+…+CnTn)/8

(1)

式中：CTWA為PC-TWA，mg/m3；C1～Cn為監(jiān)測(cè)到的某一污染物不同質(zhì)量濃度，mg/m3；n為不同濃度總計(jì)個(gè)數(shù)；T1～Tn為C1～Cn下相應(yīng)的持續(xù)接觸時(shí)間，h。

污染物PC-TWA分布見(jiàn)表1。不同區(qū)域內(nèi)的粉塵濃度有較大差異，其中上料區(qū)域總粉塵(水泥粉塵)PC-TWA為97.05 mg/m3。公共區(qū)域和焊接區(qū)域鉛煙和銅煙濃度總體高于上料區(qū)域和噴射區(qū)域，這是因?yàn)殂U煙和銅煙主要由焊接產(chǎn)生，公共區(qū)域在焊接區(qū)域的下風(fēng)向位置，因此焊接區(qū)域產(chǎn)生的鉛煙和銅煙會(huì)隨著氣流擴(kuò)散到公共區(qū)域，使得這兩個(gè)區(qū)域的鉛煙和銅煙濃度較高。上料區(qū)域和噴射區(qū)域總粉塵(水泥粉塵)和呼吸性粉塵(水泥粉塵)的濃度均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值，其他污染物均未超標(biāo)，其中二氧化氮、一氧化碳、溶劑汽油、錳的濃度波動(dòng)較大。

表1 不同區(qū)域各污染物PC-TWATable 1 PC-TWA of pollutants in different regions mg/m3

將二氧化氮、一氧化碳、溶劑汽油、錳濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，錳與二氧化氮相關(guān)性只有0.21，與一氧化碳的相關(guān)性為-0.22；而一氧化碳與二氧化氮的相關(guān)性為0.79，相關(guān)性較強(qiáng)，這兩種氣體主要由焊接作業(yè)產(chǎn)生且都屬于氣態(tài)污染物，在導(dǎo)洞內(nèi)擴(kuò)散規(guī)律相似。

2.2 工況對(duì)PM2.5和PM10的影響

為探究地鐵開(kāi)挖初支階段不同工況產(chǎn)生的PM10和PM2.5濃度，取施工面附近點(diǎn)位所測(cè)的連續(xù)5 d的PM10和PM2.5進(jìn)行分析。

如圖2所示，不同工況產(chǎn)生的顆粒物濃度區(qū)別很大，噴射混凝土、格柵架設(shè)、土方開(kāi)挖時(shí)PM10分別為25.70～31.30、7.46～11.40、2.29～2.60 mg/m3，PM2.5分別為17.20～25.90、7.00～10.10、1.93～2.19 mg/m3。噴射混凝土?xí)r顆粒物濃度范圍波動(dòng)很大，主要是因?yàn)樵趪娚浠炷吝^(guò)程中，粉塵顆粒的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，同時(shí)與噴射物料中粉塵的性質(zhì)和噴射工藝有很大關(guān)系[12]23；格柵架設(shè)時(shí)產(chǎn)生的顆粒物濃度波動(dòng)主要跟焊接時(shí)長(zhǎng)有關(guān)；土方開(kāi)挖時(shí)產(chǎn)生的顆粒物濃度波動(dòng)范圍較小。我國(guó)暫未制定職業(yè)場(chǎng)所顆粒物接觸限值，但是顆粒物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)中二類(lèi)環(huán)境空氣功能區(qū)PM10、PM2.5的24 h平均限值(0.150、0.075 mg/m3)。

圖2 不同工況下PM10和PM2.5質(zhì)量濃度Fig.2 PM10 and PM2.5 concentration under different working conditions

統(tǒng)計(jì)不同工況下PM2.5/PM10(質(zhì)量比)，結(jié)果見(jiàn)圖3。3種工況PM2.5/PM10均在0.5以上，說(shuō)明在施工過(guò)程中產(chǎn)生的PM10中，PM2.5占主導(dǎo)，可見(jiàn)PM2.5的防治是以后主要研究方向。后文的數(shù)值模擬也著重圍繞PM2.5展開(kāi)。格柵架設(shè)的PM2.5/PM10最高，基本在0.9以上，土方開(kāi)挖其次，噴射混凝土最低但波動(dòng)最大。顆粒物粒徑越小，沉降速度越慢，在空氣中懸浮時(shí)間越長(zhǎng)，因此施工時(shí)需要靠輔助通風(fēng)或者除塵設(shè)備來(lái)降低隧道內(nèi)粉塵含量。

圖3 不同工況下PM2.5/PM10Fig.3 PM2.5/PM10 under different working conditions

注：圖中A、B均表示等值線密集處；箭頭指示顆粒物主要流動(dòng)方向。圖4 顆粒物平均質(zhì)量濃度分布云圖Fig.4 Average particulate matter concentration distribution contour map

2.3 污染物總體分布

由于在實(shí)際施工過(guò)程中污染物來(lái)源復(fù)雜，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)混凝土噴射效果不好需要補(bǔ)噴、局部焊接的情況。分別取PM2.5和PM10平均值繪制等值線云圖，結(jié)果見(jiàn)圖4。A點(diǎn)處的等值線比B點(diǎn)處更密集，這是因?yàn)锳點(diǎn)附近有2號(hào)豎井，豎井與外界大氣連通使得附近污染物容易擴(kuò)散，因此顆粒物濃度衰減很快。由圖4還可以看出，顆粒物主要沿箭頭方向流動(dòng)，是因?yàn)樵撥?chē)站施工區(qū)域內(nèi)有3個(gè)豎井，豎井之間形成循環(huán)氣流影響顆粒物的濃度分布。施工現(xiàn)場(chǎng)的通風(fēng)采用的是壓入式通風(fēng)，該通風(fēng)方式只能驅(qū)散小范圍內(nèi)的顆粒物且效果不佳。豎井間形成的自然氣流可以作為地下通風(fēng)的動(dòng)力，這種自然氣流也會(huì)對(duì)粉塵有一定的去除作用，由于其只依靠自然風(fēng)而不需要能耗，可能會(huì)是未來(lái)地鐵施工通風(fēng)的發(fā)展方向[19]。

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

利用Fluent對(duì)隧道內(nèi)的粉塵擴(kuò)散分布進(jìn)行模擬。地鐵施工過(guò)程中粉塵的擴(kuò)散屬于氣固兩項(xiàng)流，采用離散相模型(DPM)描述顆粒物的運(yùn)動(dòng)。直接對(duì)流體相求解N-S方程，離散相通過(guò)計(jì)算流場(chǎng)中粒子運(yùn)動(dòng)得到。采用標(biāo)準(zhǔn)模型模擬三維湍流，創(chuàng)建離散相噴射源求解耦合流動(dòng)。RNGk—ε模型是基于N-S方程重整化群分析理論提出的，具有廣泛的通用性，尤其適用于旋流的模擬，因此選擇RNGk—ε模型模擬隧道內(nèi)部粉塵流動(dòng)情況。

3.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

對(duì)車(chē)站進(jìn)行建模并對(duì)粉塵流動(dòng)情況進(jìn)行Fluent模擬，因?qū)嶋H施工過(guò)程中工況較為復(fù)雜，往往伴隨著多個(gè)工況同時(shí)施工，為了提高模擬精度，此次模擬僅針對(duì)錨噴作業(yè)進(jìn)行時(shí)粉塵的釋放和擴(kuò)散規(guī)律。圖5為車(chē)站1號(hào)豎井和2號(hào)豎井之間的隧道模型，為了使計(jì)算數(shù)據(jù)在網(wǎng)格間精準(zhǔn)傳遞，布置六面體網(wǎng)格，該模型右側(cè)為進(jìn)風(fēng)口，左側(cè)為出風(fēng)口，中間半弧形圓柱為塵源(即施工面)。

圖5 車(chē)站隧道模型Fig.5 Station tunnel model

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

繪制距隧道地面1.4 m水平面PM2.5分布，結(jié)果見(jiàn)圖6。PM2.5主要集中在施工面附近，隨著施工的進(jìn)行隧道內(nèi)PM2.5濃度不斷上升，再隨著進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)流逐漸擴(kuò)散到施工隧道其他區(qū)域，圖中標(biāo)記部分雖然距離施工面有一定距離但卻出現(xiàn)了較高PM2.5濃度，且在該區(qū)域附近PM2.5出現(xiàn)了明顯的濃度斷層。圖7展示了施工面附近速度流線和PM2.5分布，PM2.5主要集中在距離施工面較近的前兩個(gè)弧形拱洞區(qū)域內(nèi)。這是因?yàn)轫敳康幕⌒谓Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致了氣流漩渦的存在，使PM2.5在此處聚集而難以擴(kuò)散，這也能解釋圖6標(biāo)記區(qū)域的現(xiàn)象。因此，目前的隧道結(jié)構(gòu)不利于PM2.5的擴(kuò)散，在實(shí)際施工中應(yīng)充分考慮這一因素。

圖6 距隧道地面1.4 m水平面的PM2.5分布Fig.6 Distribution of PM2.5 concentration in the horizontal plane 1.4 m from the tunnel ground

圖7 施工面附近速度流線和PM2.5分布云圖Fig.7 Velocity streamline diagram and dust concentration cloud diagram near the construction surface

取污染源同側(cè)距離墻壁2 m且高1.4 m處，繪制監(jiān)測(cè)和模擬的PM2.5濃度圖，結(jié)果見(jiàn)圖8。監(jiān)測(cè)與模擬的PM2.5濃度變化規(guī)律基本相同，驗(yàn)證了模型的可行性。0～15 m處，PM2.5濃度下降速率較快；15～35 m處，PM2.5濃度有上下波動(dòng)；35 m之外，PM2.5又開(kāi)始平穩(wěn)降低。因此在15～35 m區(qū)域內(nèi)應(yīng)當(dāng)增加額外的輔助通風(fēng)或者除塵設(shè)備。

圖8 監(jiān)測(cè)與模擬的PM2.5質(zhì)量濃度Fig.8 Monitoring and simulation of PM2.5 concentration

4 結(jié)論與建議

地鐵有修建工期長(zhǎng)、施工環(huán)境復(fù)雜、施工環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，長(zhǎng)期暴露在高濃度污染物下會(huì)對(duì)施工人員健康造成危害。本研究基于北京某地鐵車(chē)站開(kāi)挖初支階段導(dǎo)洞內(nèi)污染物檢測(cè)結(jié)果與粉塵顆粒物特性，得出以下結(jié)論與建議：

(1) 分別在地鐵施工的4個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行污染物檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)總粉塵(水泥粉塵)和呼吸性粉塵(水泥粉塵)含量超標(biāo)，噴射混凝土產(chǎn)生的PM10和PM2.5濃度最大，為了降低噴射混凝土造成的污染可以使用濕噴工藝或者采用機(jī)械上料的方式以減少人工操作，降低對(duì)人的危害。

(2) 通過(guò)對(duì)比不同工況下PM2.5/PM10可知，開(kāi)挖導(dǎo)洞時(shí)3種工況的PM2.5/PM10均大于0.5。格柵架設(shè)時(shí)的PM2.5/PM10基本在0.9以上，因此相對(duì)于噴射混凝土所產(chǎn)生的顆粒物更難沉降，需要借助輔助通風(fēng)或者除塵設(shè)備來(lái)降塵。

(3) 模擬和監(jiān)測(cè)的PM2.5濃度變化規(guī)律基本一致，隨著距離的增加PM2.5濃度出現(xiàn)先迅速下降再波動(dòng)最后再降低的過(guò)程，隧道結(jié)構(gòu)對(duì)粉塵擴(kuò)散有較大影響。