吳雄,張雨薇,裴俊豪,王志強,萬永皓

（1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院,貴州 貴陽,550025;2.三江學(xué)院土木工程學(xué)院,江蘇 南京,210012）

近年來,在隧道施工和礦山開挖過程中產(chǎn)生大量粉塵[1],高質(zhì)量濃度粉塵是隧道現(xiàn)場工作者誘發(fā)塵肺病的罪魁禍?zhǔn)?根據(jù)2021年7月中華人民共和國國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布的《2020年我國衛(wèi)生健康事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》中的統(tǒng)計數(shù)據(jù),2020年全國各類職業(yè)病新病例共計17 064例,其中職業(yè)性塵肺病14 367例,占據(jù)我國各類職業(yè)病的84.19%[2].在硬質(zhì)巖層中采用懸臂掘進機開挖小斷面、狹長的地鐵隧道時,隧道工作面的施工是粉塵產(chǎn)生的主要來源,粉塵質(zhì)量濃度高達2 500～3 000 mg/m3,不僅影響施工進度,還極大地威脅著隧道現(xiàn)場施工人員的身心健康.因此,對隧道防塵、抑塵和抑塵等措施和方法的研究一直是關(guān)注的重點[3-5].

目前,用于隧道施工抑塵的措施主要有噴霧抑塵、通風(fēng)抑塵、泡沫抑塵以及表面活性劑抑塵等[6].宋斌等[7]采用附壁風(fēng)筒結(jié)合除塵機的方法有效控制爆破產(chǎn)生的粉塵質(zhì)量濃度;Peng等[8]研制了一種巷道全斷面水幕抑塵裝置;胡耀洲等[9]研究負(fù)離子在擴散荷電和綜合荷電兩種效應(yīng)下的分級除塵效率和綜合除塵效率;還有部分研究者則是在地下掘進設(shè)備原有的噴霧抑塵裝置基礎(chǔ)上,針對供水壓力、噴霧壓力和噴嘴口徑等因素對單個噴嘴的霧化性能的影響規(guī)律展開了一系列研究,Han等[10]探討了不同供水壓力對內(nèi)混空氣霧化噴嘴的霧化特性和除塵效率的影響規(guī)律.在霧化噴嘴的選型的過程中,研究者往往通過噴嘴的霧化角、射程和流量等宏觀參數(shù)以及霧滴速度、粒徑和質(zhì)量濃度等微觀參數(shù)來實現(xiàn)霧化效果的定量對比[11-12].

諸多研究人員通過數(shù)值模擬、模型試驗和現(xiàn)場應(yīng)用等方式對巷道的防塵和抑塵進行了大量的研究,但是在隧道施工的通風(fēng)類型不同和現(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜等情況下,不能對隧道開挖現(xiàn)場的粉塵抑制展開充分的研究,導(dǎo)致對現(xiàn)有噴霧系統(tǒng)的噴霧壓力、噴嘴類型及噴嘴直徑的選擇不恰當(dāng),因此不能達到很好的抑塵效果.為有效降低地鐵隧道掘進過程中產(chǎn)生的粉塵質(zhì)量濃度,本文根據(jù)貴陽地鐵3號線花果園東站至花果園西站區(qū)間地鐵隧道實際施工情況,提出一種掘進機端頭U形抑塵裝置,采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場應(yīng)用相結(jié)合的方法,系統(tǒng)綜合分析了不同供水壓力下的霧化噴嘴的抑塵性能,選取出抑塵效率最優(yōu)的一種霧化噴嘴并確定其最佳霧化參數(shù).通過對U形抑塵裝置進行現(xiàn)場應(yīng)用,驗證裝置的抑塵性能,從而改善隧道現(xiàn)場施工工作環(huán)境,進一步為隧道施工掘進粉塵的抑制提供借鑒.

1 氣流-液滴的噴霧抑塵機理及數(shù)學(xué)模型

1.1 噴霧抑塵機制

加壓的水流在通過霧化噴嘴之后,將在一定的空間范圍內(nèi)形成由大量的微小液滴組成的霧滴場.霧滴場各項物理參數(shù)（液滴質(zhì)量濃度和尺寸分布等）對抑塵性能有顯著影響[13-14].霧化抑塵過程主要有慣性碰撞、攔截捕捉、凝聚和重力沉降等環(huán)節(jié).其中,當(dāng)粉塵在氣流作用下運移至液滴附近時,將在慣性作用下與液滴發(fā)生碰撞,塵粒克服液滴的表面張力與液滴凝聚后,在重力作用下直接沉降.當(dāng)塵粒與液滴的距離小于其半徑時,塵粒將吸附在液滴上被攔截捕捉.此外,做布朗運動的微小塵粒也會被液滴直接捕獲,稱作擴散捕獲.較大顆粒的塵粒將在重力作用下直接發(fā)生沉降[15].

1.2 氣流-液滴的數(shù)學(xué)模型

本研究采用Realizableκ-ε湍流模型和TAB破碎模型對噴霧過程進行數(shù)值模擬.噴霧的作用是氣液兩相流耦合的過程.將噴霧液滴視作離散相,因為噴霧是瞬時作用的,不考慮霧滴的蒸發(fā);將氣流場視作連續(xù)相,并且認(rèn)為氣體是不可壓縮的湍流狀態(tài).氣體和液體兩相耦合過程中不進行能量交換.

1.2.1 湍流模型 本研究中采用Realizableκ-ε湍流模型對噴霧場的演化過程進行數(shù)值模擬[16].在湍流動能k方程的基礎(chǔ)上,引入湍流耗散ε方程[17].

在式（1）和（2）中:ρ表示氣體密度;t表示時間;Gk表示引起湍流動能產(chǎn)生的平均速度梯度;Gb表示由浮力等因素引起的湍流動能的產(chǎn)生;k表示層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能;YM表示可壓縮湍流中瞬態(tài)擴散引起的波動流量;C1ε、C2ε和C3ε表示經(jīng)驗常數(shù);σk和σε分別表示湍流動能和耗散對應(yīng)的普朗特數(shù);Sk和Sε表示定義的湍流動能.

1.2.2 霧滴場的TAB模型 液滴破碎是指液體水在空氣動力學(xué)作用下振蕩、變形而破碎的過程.目前,用于模擬噴霧場的模型主要有波浪誘導(dǎo)破碎模型（WAVE）和泰勒類比分解模型（TAB）兩種.其中,WAVE模型對韋伯?dāng)?shù)大于100的流動具有良好的適用性;而TAB模型對低韋伯?dāng)?shù)的射流霧化和標(biāo)準(zhǔn)態(tài)空氣具有良好的適用性,其通過考慮與阻尼彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的類比來描述液滴動力學(xué),具有簡單和準(zhǔn)確的優(yōu)勢,在模擬液滴破碎過程中有廣泛應(yīng)用[18].因此,本研究采用TAB模型模擬霧化過程.模型中認(rèn)為作用在水滴表面的力由氣動力Fα、表面張力Fσ和黏性力Fμ組成.

TAB破碎模型中液滴的受力方程為[19]

2 噴嘴的優(yōu)化選擇與數(shù)值模擬

2.1 地鐵隧道掘進粉塵沿程變化規(guī)律

抑塵效率在一定程度上受粉塵場粒徑分布的影響.因此采集施工粉塵樣本并進行粒徑分布分析.在壓風(fēng)口出口距離掌子面15 m和風(fēng)速為7.5 m/s的通風(fēng)條件下,掘進機施工正常并且粉塵擴散穩(wěn)定后,使用粉塵采樣儀分別采集距離掌子面5 m、20 m、35 m和50 m位置處的掘進粉塵,采樣時間為15 min.采用粒度分析儀分析不同斷面樣本粒徑分布,測量流程如圖2所示.

圖2 粒徑采樣分析Fig.2 Particle size sampling analysis

將距隧道工作面5 m、20 m、35 m和50 m處的采樣粉塵命名為S5、S20、S35和S50,粉塵粒度測量結(jié)果如圖3所示.

圖3 粉塵粒度分析結(jié)果Fig.3 Results of particle size analysis

由圖3可知,不同斷面的粉塵粒徑分布具有較大差異,隨著距離工作面距離的增大,粉塵粒徑分布逐漸減小.距工作面5 m處粒徑分布范圍在0～121.8μm,距掌子面20 m處粒徑分布范圍在0～101.1μm,當(dāng)距掌子面35 m處,粉塵粒徑分布范圍縮小較大,粒徑范圍在0～43.7μm,距掌子面50 m處粒徑范圍在0～2.9μm.出現(xiàn)上述情況的主要原因是粉塵在隧道沿程擴散過程中因重力作用,大粒徑粉塵沉降明顯,小顆粒的粉塵沉降的相對較慢.為使得抑塵裝置在產(chǎn)塵源頭達到良好的抑塵效果,對霧化噴嘴所形成的霧滴場要求較高,應(yīng)選擇合適的噴嘴安裝在抑塵裝置上,在粉塵源頭有效控塵.

2.2 噴嘴的選擇與噴霧試驗

對市場中的各種噴嘴進行調(diào)查,經(jīng)過初步篩選后,選擇A1為直徑1.6 mm的廣角型實心錐形噴嘴;A2為直徑1.2 mm的標(biāo)準(zhǔn)型實心錐形噴嘴;A3為直徑1.8 mm的標(biāo)準(zhǔn)型實心錐形噴嘴;A4為直徑1.6 mm的精細(xì)型實心錐形噴嘴等4種噴嘴并對其霧化角、射程和流量進行測試.

圖4 測試示意Fig.4 Test schematic diagram

在隧道模型中垂直向下布置噴嘴;調(diào)整鼓風(fēng)機,使隧道模型風(fēng)速為1.5 m/s,與地鐵隧道掌子面風(fēng)速一致;連接外部水源后啟動增壓泵,依次設(shè)定水壓為2、4、6、8 MPa,記錄流量計中的流量.采用Photron高速相機拍攝不同噴嘴在不同噴霧壓力下形成的噴霧場.通過圖像處理對霧化角度相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析,然后水平放置噴嘴測量射程.將各個噴嘴的宏觀霧化特性整理如表1所示.

表1 噴嘴霧化特性參數(shù)Tab.1 Atomization characteristic parameters of nozzle

由表1可知,在2～8 MPa范圍內(nèi),隨著供水壓力的增大,噴嘴的霧化角整體減小,噴霧射程逐漸增大,流量也增大.在供水壓力為2、4、6和8 MPa時,A1型噴嘴的霧化角范圍為78.71°～88.72°,在8 MPa時的射程達到4.32 m,流量適中,抑塵性能較好;A2型噴嘴的霧化角范圍為67.39°～80.95°,噴霧影響范圍較A1型噴嘴和A4型噴嘴效果差,且在2 MPa的時候有效射程僅為1.69 m,因為噴嘴出水口至掌子面的距離為1.5 m,射程較短容易受到風(fēng)流的影響,抑塵性能差;A3型噴嘴的射程相較于其他3種類型噴嘴最大,但是霧化角最小,噴霧影響范圍小,抑塵性能不佳;A4型噴嘴的霧化角范圍為76.30°～87.60°,比A1型噴嘴的霧化角相差略小,且在供水壓力為2、4、6和8 MPa時,有效射程最大僅為3.92 m,也比A1型噴嘴短,流量與A1型噴嘴相近.經(jīng)過對4種類型噴嘴的霧化特性進行比選并按照抑塵性能優(yōu)異排序:A1型噴嘴>A4型噴嘴>A2型噴嘴>A3型噴嘴,所以最終確定A1型噴嘴為比選出的最佳噴嘴,并用A1型噴嘴進行后續(xù)研究.

2.3 U形霧化抑塵裝置

針對懸臂掘進機在隧道內(nèi)施工時產(chǎn)生的大量粉塵集中在隧道工作面附近,導(dǎo)致掘進機駕駛員看不清隧道掌子面的具體位置,需要等粉塵質(zhì)量濃度降低到安全施工要求的范圍內(nèi)才能繼續(xù)施工,懸臂掘進機開挖掘進的速度嚴(yán)重影響施工進度.本文提出一種懸臂掘進機前置U形抑塵裝置,抑塵裝置形成的噴霧環(huán),將隧道工作面粉塵源處的粉塵抑制,防止粉塵向后方擴散.

U形霧化抑塵裝置的示意圖如圖5,該裝置主要包括蓄水箱、增壓泵、輸水管、U形分流管、噴霧桿和霧化噴嘴.U形霧化抑塵裝置安裝在懸臂掘進機截割部,設(shè)置有環(huán)狀分流管,U形分流管設(shè)置有多個出水口和一個進水口.U形分流管的多個出水口與噴霧桿相連接,U形分流管的進水口通過輸水軟管與增壓泵相連通,增壓泵設(shè)置在懸臂掘進機的機蓋上.

圖5 U形霧化抑塵系統(tǒng)Fig.5 U-shaped atomization and dust suppression system

3 結(jié)果和討論

3.1 物理模型的建立

使用SolidWorks軟件建立簡化后的三維物理模型.該物理模型包括:隧道（長×寬×高為50.0 m×5.8 m×5.8 m）、懸臂掘進機、單筒壓風(fēng)系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng),如圖6所示.

圖6 物理模型Fig.6 Physical model diagram

3.2 網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格獨立性測試

網(wǎng)格的質(zhì)量影響著數(shù)值模擬結(jié)果的精度,網(wǎng)格數(shù)量的增加,數(shù)值模擬計算結(jié)果的精度提高,在考慮計算效率的同時,應(yīng)盡可能的提高網(wǎng)格質(zhì)量[20-21].對于非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,為了驗證網(wǎng)格數(shù)量的獨立性,保證數(shù)值模擬計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,需要對網(wǎng)格進行獨立性測試.采用Solidworks建立三維模型后導(dǎo)入ANSYS-ICEM軟件,采用非結(jié)構(gòu)化的四面體劃分網(wǎng)格并優(yōu)化網(wǎng)格參數(shù)后得到301萬個四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分見圖7.

圖7 網(wǎng)格劃分示意Fig.7 Schematic diagram of grid division

網(wǎng)格的質(zhì)量統(tǒng)計見圖8.

圖8 網(wǎng)格質(zhì)量統(tǒng)計Fig.8 Statistical diagram of grid quality

由圖8可知,在劃分的975 024個網(wǎng)格中,有974 626個網(wǎng)格的網(wǎng)格質(zhì)量大于0.4,達到總網(wǎng)格數(shù)量的99.96%.由網(wǎng)格質(zhì)量統(tǒng)計圖可知最大網(wǎng)格質(zhì)量和最小網(wǎng)格質(zhì)量分別為0.999 064、0.136 368,并且平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.838 621,網(wǎng)格質(zhì)量達到數(shù)值模擬計算精度要求.

3.3 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

設(shè)置壓風(fēng)筒出口和隧道出口的邊界條件分別為速度入口和壓力出口,同時設(shè)置設(shè)置噴嘴的噴霧壓力.根據(jù)掘進過程中產(chǎn)生粉塵的現(xiàn)場情況,主要模擬參數(shù)設(shè)置見表2.

表2 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter Settings of numerical simulation

3.4 降塵裝置性能研究

3.4.1 噴霧壓力對液滴速度的影響 噴霧壓力的大小直接影響液滴速度.在特定的通風(fēng)條件下,粉塵的擴散速度基本保持不變,液滴的相對速度是影響抑塵效率的關(guān)鍵因素[22].實驗研究表明,液滴抑塵的最佳霧滴速度為20～30 m/s[23].對不同噴霧壓力下的液滴速度模擬結(jié)果見圖9.

圖9 不同壓力作用下液滴速度分布云圖Fig.9 Cloud diagram of droplet velocity distribution under different pressures

由圖9可知,隨著噴霧壓力的增加,液滴速度逐漸增加.當(dāng)噴霧壓力為2 MPa時,代表液滴速度的云圖顏色以藍色為主,表示液滴速度在10 m/s左右;當(dāng)噴霧壓力在4 MPa范圍時,液滴云圖以綠色和藍色為主,表明在該范圍內(nèi),隨著噴霧壓力的增加,液滴速度的變化幅度減小.當(dāng)噴霧壓力在4～6 MPa范圍內(nèi)時,顏色變化顯著,表明在該范圍內(nèi)隨著噴霧壓力的增加,液滴速度變化很大.當(dāng)噴霧壓力為6 MPa和8 MPa時,液滴云圖顏色以紅色為主,表明大多數(shù)液滴的速度25 m/s左右.

3.4.2 噴嘴數(shù)量對霧滴場包裹性的影響 為在粉塵源頭達到較好的抑塵效果,確保U形霧化抑塵裝置所形成的霧滴場能緊密包裹住懸臂掘進機截割頭鑿巖過程中產(chǎn)生的粉塵顆粒,在抑塵裝置的U形管上分別設(shè)置了7個、9個和11個噴嘴,分析在不同供水壓力下產(chǎn)生的高濃度霧滴群（質(zhì)量濃度>40 g/m3）對核心產(chǎn)區(qū)包裹范圍以判斷霧滴場的包裹性,以此比選出包裹性更好的一種噴嘴設(shè)置.選取距離掌子面10 cm位置截面作為目標(biāo)監(jiān)測面,圖中黑圈為核心產(chǎn)塵區(qū).

由圖10可知,隨著噴霧壓力的增大,U形抑塵裝置在核心產(chǎn)塵區(qū)周圍形成的霧滴場包裹范圍逐漸減小.當(dāng)霧化噴嘴數(shù)量為7個和9個時,隨著噴霧壓力的增大,核心產(chǎn)塵區(qū)的下部分明顯裸露在霧滴場外,在此種情況下,核心產(chǎn)塵區(qū)中的粉塵會從截割頭的下部分逃逸,抑塵效果不理想.當(dāng)霧化噴嘴數(shù)量為11,噴霧壓力為6 Mpa和8 Mpa的情況下,U形抑塵裝置所形成的高濃度霧滴場能將核心產(chǎn)塵區(qū)緊密包裹.特別是當(dāng)噴霧壓力為6 Mpa,噴嘴數(shù)量為11個時,U形抑塵裝置所形成的高濃度霧滴群對核心產(chǎn)塵區(qū)的包裹效果最好.

圖1 霧滴捕捉塵粒原理Fig.1 Schematic diagram of droplet capturing dust particles

圖10 霧滴場包裹范圍效果Fig.10 Effect of fog drop field covering range

3.4.3 霧滴粒徑分布 霧滴場中的粒徑分布對抑塵效果有很大影響,抑塵噴霧的霧滴場最佳液滴尺寸范圍為30～100μm[24].為了解霧滴場液滴尺寸的變化趨勢,圖11給出了噴霧數(shù)量為11,噴霧壓力分別為2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa時條件下霧滴場中的液滴粒徑分布.

圖11 霧滴粒徑Fig.11 Droplet size

從噴霧場的微觀統(tǒng)計可以看出,隨著噴霧壓力的增加,抑塵裝置的液滴濃度逐漸增加,液滴速度逐漸增加,液滴直徑逐漸減小.

液滴的總體尺寸只能反映整體霧化質(zhì)量,在實際情況下,形成的液滴呈現(xiàn)出不均勻的分布,為進一步了解目標(biāo)監(jiān)測面上的液滴分布情況,圖12給出了噴霧壓力分別為2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa的條件下的霧滴場監(jiān)測取樣面上液滴尺寸分布統(tǒng)計結(jié)果.

圖12 不同噴霧壓力下液滴粒徑分布Fig.12 Droplet size distribution under different spray pressures

由圖12可以看出,隨著噴霧壓力的增加,優(yōu)質(zhì)液滴尺寸占比先增大后降低.當(dāng)噴霧壓力為2 MPa時,液滴尺寸主要分布在150～440μm范圍內(nèi),霧滴粒徑變化幅度較大,不能實現(xiàn)有效抑塵.當(dāng)噴霧壓力為4 MPa時,最大霧滴粒徑由440μm減小到180μm,但霧滴粒徑仍較大,無法實現(xiàn)有效抑塵.考慮到抑塵的最佳液滴尺寸范圍為30～100μm.當(dāng)噴霧壓力為6 MPa時,30～100μm的優(yōu)質(zhì)液滴占比均大于89%;當(dāng)噴霧壓力為8 MPa時,30～100μm的優(yōu)質(zhì)液滴占比下降到79%左右.因此,噴霧壓力設(shè)定為6 MPa時,優(yōu)質(zhì)液滴尺寸占比最大.

4 現(xiàn)場應(yīng)用

為驗證U形噴霧抑塵裝置的抑塵效果,在貴陽地鐵三號線區(qū)間地鐵隧道掘進過程中,采用FCC-25型粉塵采樣儀測量各個測點的總塵質(zhì)量濃度和呼吸性粉塵質(zhì)量濃度,測點為掘進機司機位置、距離工作面10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、40 m和50 m 8個斷面位置（如圖13所示）,每個斷面分別測量隧道中心線隧道、左側(cè)人行中心線和隧道右側(cè)人行中心線的濃度并求平均值.測點高度為1.5 m呼吸帶高度,供水壓力調(diào)為6 Mpa.現(xiàn)場應(yīng)用見圖14,抑塵效率見圖15.

圖13 測點布置Fig.13Layout of measuring points

圖14 現(xiàn)場應(yīng)用Fig.14Field application

圖15 抑塵效率Fig.15 Dust suppression efficiency

經(jīng)過現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)的結(jié)果可知,未使用抑塵措施前,隧道內(nèi)的掘進粉塵質(zhì)量濃度較高,且在所有測點中掘進機司機位置處的粉塵質(zhì)量濃度最大,最大總塵質(zhì)量濃度達到629.58 mg/m3,最大呼吸性粉塵達到225.16 mg/m3.開啟抑塵裝置后,抑塵裝置形成的噴霧場將產(chǎn)生的粉塵緊緊包圍,充分吸附粉塵后使得粉塵沉降,在塵源處有效抑塵,防止大量粉塵沿隧道向后方擴散,總塵質(zhì)量濃度和呼吸性粉塵的質(zhì)量濃度大幅下降.在掘進機司機處的總塵抑塵效率達到81.55%,呼吸性粉塵的抑塵效率達到80.24%,其他監(jiān)測位置的抑塵效率也都在71.21%以上,抑塵效果明顯.

5 小結(jié)

本文提出一種用于懸臂掘進粉塵源頭的U型噴霧抑塵裝置,并確定孔徑為1.6 mm的精細(xì)型實心錐形噴嘴為適用于該抑塵裝置的最優(yōu)噴嘴.

根據(jù)CFD數(shù)值模擬結(jié)果,隨著該裝置設(shè)置的噴嘴數(shù)量增多,形成的霧滴場包裹范圍逐漸增大.當(dāng)噴嘴數(shù)量為11個,噴霧壓力6 MPa時,U形噴霧抑塵裝置所形成霧滴場中的高濃度液滴對核心產(chǎn)塵區(qū)的包裹性最好,30～100μm優(yōu)質(zhì)抑塵液滴的尺寸占比也最大.

現(xiàn)場應(yīng)用表明:該款噴霧裝置形成的噴霧場可將粉塵包圍嚴(yán)實,在塵源處有效抑塵.在掘進機司機位置處的總塵抑塵效率可達81.55%,呼吸性粉塵的抑塵效率可達80.24%,其后40 m縱向范圍內(nèi)的抑塵效率仍可達71.21%以上.