劉海軍、溫曉明、藍(lán)金泉

（中交路橋華東工程有限公司，上海 201203）

0 引言

隨著我國(guó)基建項(xiàng)目的快速發(fā)展，隧道的建設(shè)越趨增多，且特長(zhǎng)隧道占比明顯增大且單端掘進(jìn)距離長(zhǎng)，隧道開(kāi)挖鉆孔、爆破、裝出渣揚(yáng)塵及設(shè)備尾氣排放、噴錨支護(hù)、仰拱及襯砌作業(yè)等施工中會(huì)產(chǎn)生大量煙塵，隧道施工為有限空間作業(yè)，在較短的施工時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量煙霧粉塵無(wú)法排出，造成洞內(nèi)能見(jiàn)度低，空氣質(zhì)量差，常規(guī)通風(fēng)需要時(shí)間長(zhǎng)且甚至出現(xiàn)空氣質(zhì)量無(wú)法達(dá)標(biāo)，作業(yè)人員長(zhǎng)期處于該作業(yè)環(huán)境，易引發(fā)職業(yè)病、機(jī)械設(shè)備故障率高且壽命短，作業(yè)工效降低、安全環(huán)保得不到保證以及能耗利用率低成本增加等種種問(wèn)題，因此隧道洞內(nèi)有限空間改善作業(yè)環(huán)境是施工領(lǐng)域的技術(shù)難題。通過(guò)傳統(tǒng)的通風(fēng)消煙除塵方式需要較長(zhǎng)的時(shí)間且為稀釋空氣中煙霧粉塵濃度來(lái)改善作業(yè)環(huán)境，雖能滿足現(xiàn)有施工的需要，但仍不能從根本上改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境，提高能耗的利用率。本文以特長(zhǎng)隧道毛栗坪隧道為依托，在傳統(tǒng)的通風(fēng)消煙除塵系統(tǒng)從設(shè)備的選型、工藝的改進(jìn)、設(shè)備的改創(chuàng)出發(fā)，利用綜合控制系統(tǒng)，在一定程度上可以提高通風(fēng)消煙除塵效率及能耗的利用率，但在高效節(jié)能環(huán)保方面仍值得探索和研究。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

毛栗坪隧道位于貴州省石阡縣境內(nèi)，隧道全長(zhǎng)4691m，最大埋深449m。隧道形式進(jìn)出口為小凈距、洞身段為分離式，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車(chē)道標(biāo)準(zhǔn)，建筑限界主洞寬10.25m，緊急停車(chē)帶凈寬13.25m，凈高為5m，隧道縱坡為人字坡，進(jìn)出口坡度分別為2.5%、3.5%，巖層主要為炭質(zhì)頁(yè)巖夾砂質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、灰?guī)r夾炭質(zhì)頁(yè)巖夾變余砂巖、頁(yè)巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖，隧道采用進(jìn)出口兩端掘進(jìn)施工，根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃安排，隧道進(jìn)口計(jì)劃最大掘進(jìn)長(zhǎng)度為2565m，出口計(jì)劃掘進(jìn)2126m，圍巖主要以Ⅳ、Ⅴ級(jí)為主，巖性主要為變余砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、小部分段落石灰?guī)r。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)情況

為最大程度地改善隧道洞內(nèi)的作業(yè)環(huán)境和提高能耗的利用率，為節(jié)能環(huán)保降低施工成本，隧道在方案設(shè)計(jì)中經(jīng)多方案比選，最終確定施工方案主要為開(kāi)挖爆破采用濕式鑿巖機(jī)鉆孔、聚能水壓爆破施工，裝運(yùn)機(jī)械安裝尾氣凈化裝置及運(yùn)輸車(chē)采用封閉車(chē)廂運(yùn)輸，運(yùn)輸前用噴淋設(shè)備對(duì)渣體進(jìn)行浸潤(rùn)，支護(hù)采用濕噴臺(tái)車(chē)工藝施工，襯砌作業(yè)鋼筋焊接作業(yè)。非必須洞內(nèi)采用拼接安裝禁用焊接作業(yè)。通風(fēng)消煙除塵系統(tǒng)采用壓入式通風(fēng)、混合式通風(fēng)、濕式除塵器、霧炮、風(fēng)幕機(jī)（或簾幕）及定制式循環(huán)除塵器、在濕噴臺(tái)車(chē)安裝負(fù)壓除塵等措施進(jìn)行消煙除塵，根據(jù)隧道掘進(jìn)的距離分階段進(jìn)行設(shè)備配置，結(jié)合新技術(shù)應(yīng)用、配置優(yōu)化和現(xiàn)有設(shè)備的改創(chuàng)實(shí)施，通過(guò)各系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并反饋數(shù)據(jù)，通過(guò)智能集成控制系統(tǒng)進(jìn)行階段性調(diào)整通風(fēng)除塵設(shè)備變頻和啟?？刂频倪\(yùn)行。

通過(guò)鉆爆破孔、爆破開(kāi)挖、支護(hù)、設(shè)備排放等分階段收集施工過(guò)程中洞內(nèi)的粉塵及氣體進(jìn)行送檢，經(jīng)檢測(cè)主要的成分為開(kāi)挖爆破、裝運(yùn)渣體、支護(hù)噴混等施工作業(yè)產(chǎn)生固體顆粒的渣體粉塵（游離SiO2）、煙霧成分主要為CO、NO、NO2、N2O3、少量SO2、H2S 等，根據(jù)氣體成分，在施工過(guò)程中對(duì)方案進(jìn)行再優(yōu)化完善，以保證洞內(nèi)的空氣質(zhì)量和提高除塵效率。

2 設(shè)備選型配置及優(yōu)化

2.1 設(shè)備選型配置

根據(jù)隧道的圍巖等級(jí)及施工工效確定的施工計(jì)劃，計(jì)算出隧道單端的最大掘進(jìn)長(zhǎng)度，通過(guò)風(fēng)管的選型，最大送風(fēng)距離及工作面所需風(fēng)量、風(fēng)管的漏風(fēng)率和摩擦因素計(jì)算出風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量和風(fēng)壓，再根據(jù)所需風(fēng)機(jī)供風(fēng)量和風(fēng)壓，計(jì)算有效功率，確定軸流風(fēng)機(jī)的功率和數(shù)量，經(jīng)過(guò)計(jì)算對(duì)比，優(yōu)先選擇大管徑、低漏風(fēng)率的風(fēng)管，以保證洞內(nèi)新鮮空氣，以及粉塵煙霧從掌子面壓出或吸出。

定制式循環(huán)除塵器根據(jù)設(shè)計(jì)圍巖、支護(hù)類型、爆破開(kāi)挖理論最大裝藥量及洞口段爆破、裝運(yùn)渣及噴混支護(hù)試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的煙霧粉塵的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、推算，考慮一定的富余系數(shù)，從高效和經(jīng)濟(jì)入手，與廠家定制相應(yīng)功率的通風(fēng)及除塵設(shè)備。

負(fù)壓除塵主要根據(jù)濕噴臺(tái)車(chē)的類型進(jìn)行定制，要與機(jī)械臂伸縮轉(zhuǎn)動(dòng)相協(xié)調(diào)適應(yīng)，具體的除塵功率根據(jù)洞口段數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行推算確定。

在以上通風(fēng)消煙除塵的設(shè)備選型的基礎(chǔ)上，配置通風(fēng)消煙除塵系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行洞內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至集成的控制平臺(tái)，進(jìn)行智能控制設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中變頻、啟閉調(diào)控。

該隧道單洞口通風(fēng)消煙除塵系統(tǒng)選用的主要具體型號(hào)設(shè)備配置見(jiàn)表1。

表1 單洞口通風(fēng)消煙除塵系統(tǒng)主要設(shè)備配置

2.2 設(shè)備及工藝優(yōu)化

在上述通風(fēng)消煙除塵系統(tǒng)配置的基礎(chǔ)上，根據(jù)隧道的圍巖類別、開(kāi)挖爆破、支護(hù)噴混等施工過(guò)程通過(guò)統(tǒng)計(jì)通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)、效率等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析比對(duì)，對(duì)以上的通風(fēng)管、洞內(nèi)空間的有效隔離、濕式除塵器等設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，具體有以下幾個(gè)方面。

軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)袋采用組合風(fēng)袋，在靠近風(fēng)機(jī)一端的風(fēng)壓差大的區(qū)段集采用硬風(fēng)管，并將使用舊的風(fēng)管在一定時(shí)長(zhǎng)應(yīng)用在靠近出風(fēng)口的末端區(qū)段，起到風(fēng)管防漏降阻的作用，并在風(fēng)帶末端采用輕質(zhì)的硬塑管進(jìn)行出風(fēng)口，避免軟質(zhì)出風(fēng)口壓縮，風(fēng)管在送風(fēng)過(guò)程中風(fēng)阻增加，在通過(guò)修飾養(yǎng)護(hù)、襯砌、鋼筋綁扎臺(tái)車(chē)時(shí)，設(shè)置相應(yīng)的硬質(zhì)管過(guò)度，確保在管道彎折通過(guò)的位置形成管道風(fēng)阻，從而提高通風(fēng)效率。

開(kāi)挖爆破過(guò)程中，濕式鑿巖作業(yè)鉆孔、聚能水壓爆破、轉(zhuǎn)運(yùn)渣體的分層噴霧浸潤(rùn)處理[1]，在開(kāi)挖支護(hù)，分階段進(jìn)行設(shè)備的變頻和開(kāi)啟，同時(shí)配置濕式除塵器、風(fēng)幕機(jī)、霧炮及循環(huán)消煙除塵設(shè)備進(jìn)行封閉空間消煙除塵，然后再進(jìn)行通風(fēng)，有效防止煙霧、粉塵擴(kuò)散和稀釋，提高能耗的利用率。

噴混臺(tái)車(chē)安裝的除塵系統(tǒng)由安裝于噴混臺(tái)車(chē)上（包括濕噴機(jī)械手、簡(jiǎn)易噴漿機(jī)及濕噴臺(tái)車(chē)等）的負(fù)壓吸塵裝置，通過(guò)管道將噴射混凝土過(guò)程中的負(fù)壓吸塵口安裝在近噴頭處，在噴射混凝土過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行負(fù)壓除塵，除去噴射工作面的粉塵及噴射過(guò)程中因混凝土壓力變化和反彈產(chǎn)生的粉塵。

3 施工技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用及節(jié)能環(huán)保措施

3.1 施工技術(shù)設(shè)備應(yīng)用

3.1.1 開(kāi)挖

鉆孔作業(yè)采用隔離操作的鉆孔鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行濕式鉆孔，風(fēng)水聯(lián)動(dòng)進(jìn)行作業(yè)，鉆孔過(guò)程中的供水水壓滿足鉆孔要求，保證鉆孔過(guò)程中孔內(nèi)充滿水，為了提高對(duì)微細(xì)塵粒的吸附能力，在水中添加少量濕潤(rùn)劑降低水的表面張力。

節(jié)能環(huán)保聚能水壓爆破與傳統(tǒng)的光面爆破基本相同，只是在堵炮孔眼和裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，裝藥采用水袋進(jìn)行間隔，然后孔口采用炮泥封堵，在爆破的巨大能量下，會(huì)產(chǎn)生聚能水壓切割形成“水刀”作用，切削圍巖形成石塊，水袋爆破會(huì)產(chǎn)生霧化作用，能夠大大降低粉層濃度，從源頭上減少粉層。

爆破后，渣體采用噴淋設(shè)備進(jìn)行渣體濕潤(rùn)，裝運(yùn)采用機(jī)械設(shè)備安裝尾氣凈化裝置的，運(yùn)輸車(chē)安裝自動(dòng)啟閉式的封閉擋板，防止渣體裝運(yùn)過(guò)程中的渣體散落及揚(yáng)塵。

3.1.2 通風(fēng)消煙除塵系統(tǒng)

通風(fēng)考慮分為三個(gè)階段進(jìn)行設(shè)備配置，通過(guò)計(jì)算需風(fēng)量及供風(fēng)計(jì)算，第一階段在掘進(jìn)距離1km 以內(nèi)，采用主要為壓入式通風(fēng)；第二階段在掘進(jìn)距離大于1km，采用混合通風(fēng)，第三階段采用混合式通風(fēng)結(jié)合在已完成洞口襯砌短適當(dāng)里程位置拱頂設(shè)置射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)和排煙除塵。

具體通風(fēng)通過(guò)在洞口安裝一組壓入式軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng)，一組備用，通過(guò)風(fēng)帶進(jìn)行送風(fēng)，末端要與掌子面保持一定的距離。在洞內(nèi)安裝一組吸出式軸流風(fēng)機(jī)，在鋼筋綁扎臺(tái)車(chē)上設(shè)置風(fēng)幕機(jī)（或簾幕），在爆破前將其劃分區(qū)域物理隔離，爆破后，先采用高壓水幕或水霧、霧炮進(jìn)行地面及空氣中降塵；然后采用濕式除塵進(jìn)行除塵；再將有循環(huán)消煙除塵裝置車(chē)行駛至掌子面與風(fēng)幕或簾幕之間。循環(huán)消煙系統(tǒng)通過(guò)在內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)除塵并通過(guò)凈化系統(tǒng)將爆破產(chǎn)生有毒有害氣體進(jìn)行凈化，除塵效果在達(dá)到一定程度后，然后采用置于洞內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行排出。一定時(shí)間后，關(guān)閉風(fēng)幕（或簾幕）采用壓入式軸流風(fēng)機(jī)壓入新鮮空氣，另外在裝出渣時(shí)要確保渣土浸潤(rùn)，避免過(guò)多產(chǎn)生揚(yáng)塵，方可進(jìn)行下道工序作業(yè)。

在襯砌施工前，將安裝在襯砌裝修臺(tái)車(chē)上和鋼筋綁扎臺(tái)車(chē)風(fēng)幕機(jī)同時(shí)打開(kāi)，形成封閉的空間，采用循環(huán)消煙系統(tǒng)進(jìn)行凈化襯砌鋼筋作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體。在洞口至襯砌段因縱坡坡度，空氣渦流聚集粉塵等，通過(guò)三階段射流風(fēng)機(jī)及移動(dòng)式霧炮機(jī)加速粉塵的稀釋和交換[2]，在一定的條件下，可采用循環(huán)式除塵器進(jìn)行除塵。

3.1.3 噴混設(shè)備的改進(jìn)

在支護(hù)施工前，根據(jù)噴混臺(tái)車(chē)的類型及性能定制負(fù)壓吸塵裝置安裝于相適應(yīng)的噴混臺(tái)車(chē)上，將負(fù)壓輸送粉塵管及吸塵罩安裝于混凝土泵管上，噴射混凝土前，先將吸塵裝置打開(kāi)，對(duì)所噴混凝土工作面、圍巖等周邊粉塵源進(jìn)行負(fù)壓吸塵，在確保無(wú)塵的工作面打開(kāi)噴射混凝土嘴進(jìn)行工作，噴射混凝土自下而上進(jìn)行，負(fù)壓吸塵口隨著噴混泵送口移動(dòng)，待噴射混凝土完成后，負(fù)壓吸塵口繼續(xù)工作，直至完成噴混工作面周邊的噴混及地面吹起的粉塵，這樣有效避免了噴混過(guò)程中粉塵的擴(kuò)散而造成作業(yè)人員所處作業(yè)環(huán)境的粉塵污染。

3.2 煙塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及節(jié)能環(huán)保措施

根據(jù)隧道掘進(jìn)距離、圍巖的特性采用水壓爆破、支護(hù)噴射混凝土及襯砌等施工過(guò)程產(chǎn)生煙霧、粉塵的濃度，利用洞內(nèi)設(shè)置的空氣質(zhì)量環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)煙霧和粉塵的成分及粉塵濃度，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，數(shù)據(jù)反饋至控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)中，通過(guò)設(shè)置粉塵和煙霧的濃度數(shù)據(jù)的分析，聯(lián)動(dòng)通風(fēng)除塵系統(tǒng)，通過(guò)智能集成分階段對(duì)設(shè)備自行開(kāi)啟/關(guān)閉相應(yīng)設(shè)備的組數(shù)或變頻調(diào)節(jié)其功率，既確保施工高效且在整個(gè)通風(fēng)消煙除塵起到很好的節(jié)能效果。

4 效果驗(yàn)證

通過(guò)在隧道施工通風(fēng)消煙除塵設(shè)備的選型、配置優(yōu)化，采用濕式鉆孔、水壓爆破法技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)械設(shè)備安裝尾氣凈化裝置，循環(huán)消煙除塵系統(tǒng)及定制的負(fù)壓吸塵噴混臺(tái)車(chē)的改進(jìn)，通過(guò)煙霧粉塵的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與通風(fēng)消煙除塵系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，最終由綜控系統(tǒng)智能控制，消煙除塵時(shí)長(zhǎng)縮短、工效提高，關(guān)鍵是能耗降低且環(huán)保、成本方面突顯，也有效改善洞內(nèi)作業(yè)人員環(huán)境，降低了設(shè)備的故障率和延長(zhǎng)了使用壽命，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的雙提升。

5 結(jié)語(yǔ)

通風(fēng)消煙除塵作為隧道施工作業(yè)一項(xiàng)重要的前提條件，直接關(guān)系到影響人身健康，設(shè)備的故障率和壽命，也是隧道綜合進(jìn)度、安全環(huán)保、施工成本的重要指標(biāo)，該項(xiàng)目通過(guò)以上所述技術(shù)措施，在一定程度上消煙除塵時(shí)長(zhǎng)縮短，有效工作時(shí)間延長(zhǎng)，改善作業(yè)環(huán)境后，洞內(nèi)空氣質(zhì)量得到凈化，施工工效相對(duì)較高、成本效益突顯，且環(huán)保節(jié)能，但隧道施工消煙除塵技術(shù)設(shè)備改進(jìn)、施工技術(shù)的革新方面任重而道遠(yuǎn)，望與隧道建設(shè)施工相關(guān)技術(shù)人員及相關(guān)科研人員能夠在隧道施工的通風(fēng)消煙除塵技術(shù)上深入探討研究，為以后隧道施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒和技術(shù)參考。