水炮泥降塵施工隧道粉塵粒度分布演化的非穩(wěn)態(tài)分析

喬力偉，蔣葛夫，桑琮輝

水炮泥降塵施工隧道粉塵粒度分布演化的非穩(wěn)態(tài)分析

喬力偉1，蔣葛夫1，桑琮輝2

(1. 西南交通大學(xué) 交通運輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031；2. 四川省泰坤建筑工程有限公司，四川 成都 610000)

分別以氯化鉀(KCl)基水炮泥和氯化鈉(NaCl)基水炮泥為堵料對隧道炮孔進(jìn)行封堵后爆破，采用相關(guān)儀器對掌子面爆破后施工作業(yè)區(qū)內(nèi)粉塵顆粒及濃度值進(jìn)行現(xiàn)場采集，通過圖像處理軟件對2段試驗中粉塵分散度及外形參數(shù)進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：不同基料降塵劑對炮眼封堵爆破后，相同周期通風(fēng)時間條件下呼吸性粉塵與總粉塵濃度演化趨勢基本一致，但粉塵粒度分布出現(xiàn)明顯差異，粉塵顆粒長徑比參數(shù)均在1附近發(fā)生窄幅震蕩；各粒徑粉塵顆粒頻率分布基本符合正態(tài)分布，呼吸性粉塵粒徑分布峰值范圍在5~7 μm之間；以氯化鈉(NaCl)作為降塵劑基料時小粒徑粉塵的降塵效果優(yōu)于氯化鉀(KCl)基降塵劑，掌子面爆破通風(fēng)60 min后氯化鈉(NaCl)基降塵劑條件下呼吸性粉塵與粒徑小于2 μm的肺泡區(qū)高沉積呼吸性粉塵的平均累計分布較氯化鉀(KCl)基降塵劑條件下分別下降38.68%和69.65%；隧道粉塵凈化效果進(jìn)行判斷時除考慮呼吸性粉塵與總粉塵濃度下降率外，還要將粉塵粒度的分布變化情況納入判斷依據(jù)。

施工隧道；水炮泥；呼吸性粉塵；粉塵濃度；粉塵粒度分布；粉塵長徑比參數(shù)

隧道掘進(jìn)中的粉塵污染已嚴(yán)重威脅到施工人員的身心健康，相關(guān)數(shù)據(jù)[1]顯示鉆爆法施工條件下呼吸性粉塵與總粉塵濃度超標(biāo)頻率均為100%，據(jù)2018年6月12日國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布的《2017年我國衛(wèi)生健康事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》統(tǒng)計數(shù)據(jù)[2]：職業(yè)性呼吸系統(tǒng)疾病22 790例，其中塵肺22 701例，占比99.61 %。塵肺病的致病物為空氣動力粒徑小于7.07 μm可經(jīng)呼吸直接進(jìn)入人體肺泡區(qū)的粉塵顆粒物，即呼吸性粉塵[3]?，F(xiàn)階段在隧道鉆爆法施工中多采用水炮泥封堵炮孔的方法進(jìn)行爆破，該方法配合機(jī)械通風(fēng)可以有效降低隧體內(nèi)粉塵濃度，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于隧道傳統(tǒng)型水炮泥(水基型)[4?7]及改性水炮泥(化學(xué)劑基型)[8?10]的技術(shù)特性、霧化程度以及霧粒運動速度等方面研究較多，大部分是基于穩(wěn)態(tài)(未限定試驗時間周期)情況下針對粉塵的降塵效果進(jìn)行評價，不能判斷真正的降塵效率，同時，僅采用呼吸性粉塵與總粉塵濃度值的降低幅度作為其降塵效果的唯一評價指標(biāo)，未對不同粒徑級別的粉塵顆粒的細(xì)化評價。目前有研究表明[11]作業(yè)環(huán)境下粉塵濃度值不是導(dǎo)致塵肺病的唯一誘因，其粒度分布，尤其是高沉積粉塵顆粒分布及顆粒外形等參數(shù)亦與塵肺病高度相關(guān)。綜上，通過對水炮泥條件下施工隧道主要施工作業(yè)區(qū)不同時間周期內(nèi)粉塵粒度分布特性、濃度及顆粒外形參數(shù)進(jìn)行分析，可以獲取相關(guān)試驗參數(shù)，為判斷水炮泥條件下隧道粉塵凈化效果提供更全面的理論依據(jù)，同時為優(yōu)化除塵系統(tǒng)的設(shè)計提供重要數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗隧道概況

以某新建單線鐵路隧道為研究背景，隧道洞口至掌子面樁號分別為Dyk194+225和Dyk196+351，開挖長度2 126 m。施工過程采用獨頭單管壓入式供風(fēng)，通風(fēng)機(jī)為一臺穿山甲牌SDF(C)-11.5型2×75 kW對旋極變多速軸流通風(fēng)機(jī)，供風(fēng)量1 865 m3/min，額定風(fēng)壓4 629 Pa。風(fēng)管直徑1.2 m，百米漏風(fēng)率1%，出風(fēng)口下緣距隧道地面高度2.5 m，距離掌子面31 m，通風(fēng)距離2 115 m，隧體內(nèi)未串入中繼射流風(fēng)機(jī)。施工段位于Ⅱ~Ⅲ級巖層非瓦斯設(shè)防區(qū)段，采用全斷面鉆爆法開挖，斷面輪廓面積62.2 m2，開挖循環(huán)進(jìn)尺2 m，掌子面開挖炮眼布置方案如圖1所示。

圖1 掌子面全斷面開挖炮眼布置圖

爆破采用3種規(guī)格乳化炸藥卷，直徑40 mm為掏槽眼藥卷，直徑32 mm為掘進(jìn)眼藥卷，周邊眼采用 25 mm小直徑藥卷以減輕爆破時對圍巖的擾動。周邊眼間距60 cm，抵抗線75 cm，相對距0.8，裝藥集中度0.25 kg/m，堵塞段長度40 cm，非電起爆。爆破前炮眼使用無機(jī)鹽水炮泥進(jìn)行封堵。試驗分2階段進(jìn)行，第1階段：采用降塵劑基料為氯化鉀(KCl)的水炮泥對炮眼進(jìn)行封堵，掌子面爆破后通風(fēng)條件下進(jìn)行相關(guān)粉塵數(shù)據(jù)采集。第2階段：采用降塵劑基料為氯化鈉(NaCl)的水炮泥對炮眼進(jìn)行封堵，掌子面爆破后通風(fēng)條件下進(jìn)行第2階段試驗數(shù)據(jù)采集。降塵劑配方：第1，2試驗階段基料分別為氯化鉀和氯化鈉，表面活性劑、添加劑均為12烷基本磺酸鈉(CH3(CH2)4CH(C6H4SO3Na)(CH2)5CH3)和硫酸銅(CuSO4)

1.2 檢測點布置與粉塵采樣

鉆爆法施工隧道內(nèi)主要人工作業(yè)包括掌子面鉆孔、仰拱鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)、澆筑及隧道壁面襯砌等。通常定義在距走行面1.5 m高度上人員雙肩前方半徑=0.15~0.2 m的半球形區(qū)域為呼吸帶[12]。為使現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)更有針對性，根據(jù)GBZ/T192.1—2007《工作場所空氣質(zhì)量測定》[13]在隧道內(nèi)主要施工地點(掌子面、仰拱、襯砌臺車)人員呼吸帶高度上布設(shè)數(shù)據(jù)監(jiān)測點，布設(shè)方案如圖2所示。

各檢測點距離作業(yè)平臺走行面(地面)垂直高度為1.5 m，檢測點7和9位于襯砌臺車掌子面一側(cè)，檢測點8和10位于襯砌臺車隧道口一側(cè)。檢測點1，3，4和6距隧道壁面1 m，掌子面檢測點、仰拱監(jiān)測點、臺車兩側(cè)檢測點分別距離掌子面1，31，68和77 m。

圖2 隧體內(nèi)檢測點布設(shè)示意圖

1.3 采樣方法與試驗步驟

對粉塵顆粒采樣時采用分時連續(xù)周期性采 樣[14]，采樣時間為通風(fēng)后15，30和60 min。粉塵濃度值選用CCZ1000直讀式礦用粉塵儀進(jìn)行采集，粉塵顆粒選用FT-M22型高分子低黏透氣濾膜進(jìn)行采集，實驗室選用Bresser52-01000高清成像數(shù)字顯微鏡按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[15]對顆粒相關(guān)參數(shù)進(jìn)行觀測、計量與統(tǒng)計。

表1 檢測設(shè)備技術(shù)參數(shù)

1.4 測試指標(biāo)選擇

粉塵參數(shù)中與塵肺病密切相關(guān)的指標(biāo)除粉塵濃度外還包括粉塵粉塵的長徑比、比表面積、粒度頻率分布和累計分布。對此，試驗將對上述指標(biāo)進(jìn)行針對性分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 粉塵粒度及濃度演化特征試驗結(jié)果

由于篇幅限制，僅將隧道掌子面爆破后2階段試驗中檢測周期時間內(nèi)檢測點1上采集到的部分粉塵顆粒在顯微鏡下的分散狀態(tài)加以顯示，如圖3 所示。

2階段試驗中各監(jiān)測點在掌子面爆破完畢，通風(fēng)15，30和60 min后粉塵顆粒粒度分布與濃度測定結(jié)果如表2所示。

由表2可看出：相同周期通風(fēng)時間條件下，h和z指標(biāo)在2階段試驗中變化范圍很小，表明呼吸性粉塵與總粉塵濃度演化趨勢基本一致。對上表中非穩(wěn)態(tài)條件下各監(jiān)測點10，25，50，75，90和100指標(biāo)浮動范圍進(jìn)行統(tǒng)計，如表3所示。

由表3可看出：第2階段試驗中各監(jiān)測點上粉塵粒度較第1階段試驗呈增大趨勢，說明第2階段試驗中小粒徑粉塵的降塵效果優(yōu)于第1階段試驗。

2.2 粉塵粒徑頻率分布與累計分布

以監(jiān)測點2，5和7為例，對施工人員長期作業(yè)的掌子面施工區(qū)、仰拱施工區(qū)及襯砌臺車施工區(qū)加以分析，統(tǒng)計3個監(jiān)測點上粉塵粒徑頻率分布，如圖4所示。

考慮到圖形的簡潔性，圖中僅對掌子面處監(jiān)測點2的擬合曲線進(jìn)行圖示標(biāo)識。由圖4可知：第1階段試驗中各粒徑粉塵顆粒頻率分布基本符合正態(tài)分布，粒徑在5~7 μm范圍內(nèi)的粉塵顆粒分布最多；第2階段試驗中，隨通風(fēng)時間的延長各粒徑粉塵顆粒頻率的正態(tài)分布形式退化，逐漸趨于連續(xù)分布。對于正態(tài)分布，各監(jiān)測點上粉塵粒徑頻率分布曲線均可通過正態(tài)分布公式進(jìn)行擬合；對于連續(xù)分布，各監(jiān)測點上粉塵粒徑頻率分布曲線可通過多項式進(jìn)行擬合，公式中常數(shù)的取值方法參見文獻(xiàn)[16?17]，本文不再進(jìn)行討論。

(a) 1階段試驗通風(fēng)15 min；(b) 1階段試驗通風(fēng)30 min；(c) 2階段試驗通風(fēng)15 min；(d) 2階段試驗通風(fēng)30 min

表2 非穩(wěn)態(tài)條件下2階段試驗中各監(jiān)測點粉塵粒度分布與濃度測定結(jié)果

注：表中10表示樣品粉塵累計粒度分布數(shù)達(dá)到10%時所對應(yīng)的粒徑，單位μm，其物理意義為小于該粒徑的粉塵顆粒占比為10%。25，50，75，90和100的定義與物理意義與10類似；h與z分別表示呼吸性粉塵濃度和總粉塵濃度，單位mg/m3。

表3 非穩(wěn)態(tài)條件下各監(jiān)測點D10，D25和D50指標(biāo)浮動范圍

(a) 1階段試驗通風(fēng)15 min；(b) 1階段試驗通風(fēng)30 min；(c) 1階段試驗通風(fēng)60 min；(d) 2階段試驗通風(fēng)15 min；(e) 2階段試驗通風(fēng)30 min；(f) 2階段試驗通風(fēng)60 min

相關(guān)職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[18]定義空氣動力學(xué)粒徑在7.07 μm以下，可以通過呼吸直接進(jìn)入人體肺泡區(qū)的顆粒物為呼吸性粉塵。檢測點2，5和7上4種粒徑分級0~1，1~2，2~5和5~7 μm的呼吸性粉塵在不同通風(fēng)時間條件下頻率分布平均值如表4 所示。

表4 非穩(wěn)態(tài)條件下檢測點2，5和7上呼吸性粉塵的頻率分布平均值

非穩(wěn)態(tài)條件下檢測點2，5和7上不同粒徑粉塵顆粒的累計分布如圖5所示。

英國醫(yī)學(xué)研究會(BMRC)提出的相關(guān)數(shù)據(jù)[19]：空氣動力粒徑<2 μm的粉塵顆粒在人體肺內(nèi)沉積率高達(dá)90%。對非穩(wěn)態(tài)條件下兩階段試驗中呼吸性粉塵顆粒和粒徑<2 μm的高沉積粉塵顆粒的累計分布平均值進(jìn)行統(tǒng)計，如表5所示。

以上分析數(shù)據(jù)表明：第2階段試驗對呼吸性粉塵的降塵效果明顯優(yōu)于第1階段試驗，尤其對于粒徑<2 μm的肺泡區(qū)高沉積呼吸性粉塵，通風(fēng)60 min后第2階段試驗粉塵顆粒平均累計分布率較1階段試驗下降了69.65%。

2.3 粉塵顆粒微觀外形參數(shù)與比表面積分析

試驗室數(shù)據(jù)分析時對粉塵顆粒的二維投影外形參數(shù)進(jìn)行了圖像分析，各監(jiān)測點上粉塵顆粒的平均長徑比及比表面積統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。

(a) 1階段試驗通風(fēng)15 min；(b) 1階段試驗通風(fēng)30 min；(c) 1階段試驗通風(fēng)60 min；(d) 2階段試驗通風(fēng)15 min；(e) 2階段試驗通風(fēng)30 min；(f) 2階段試驗通風(fēng)60 min

表5 非穩(wěn)態(tài)條件下檢測點2，5和7上呼吸性粉塵的累計分布平均值

(a) 第1階段試驗；(b) 第2階段試驗

粉塵顆粒外形參數(shù)中長徑比指顆粒長寬比值，比表面積表征粉體顆粒單位質(zhì)量的表面積，cm2/g。對非穩(wěn)態(tài)條件下2階段試驗中各檢測點粉塵顆粒長徑比峰谷值進(jìn)行統(tǒng)計，如表6所示。

表6 非穩(wěn)態(tài)條件下2階段試驗中各檢測點粉塵顆粒長徑比峰谷值

2階段試驗中各監(jiān)測點粉塵顆粒平均長徑比均在1附近發(fā)生窄幅震蕩，說明不同試驗段對粉塵顆粒微觀外形影響結(jié)果相似。由粉塵顆粒平均比表面積統(tǒng)計曲線可以看出：在非穩(wěn)態(tài)條件下，第2階段試驗中粉塵顆粒平均比表面積統(tǒng)計曲線均位于第1階段試驗統(tǒng)計曲線以下，進(jìn)一步證明了第2階段試驗對小粒徑顆粒粉塵的降塵效果更好。

3 結(jié)論

1) 對隧道粉塵凈化效果進(jìn)行判斷時不能僅考慮呼吸性粉塵與總粉塵濃度下降率，還要將粉塵粒度的變化情況納入判斷依據(jù)。不同基料降塵劑對粉塵外形長徑比參數(shù)影響甚微，粉塵凈化效果評價時可以減少對該項指標(biāo)的考慮。

2) 第1階段試驗中各粒徑粉塵顆粒頻率分布基本符合正態(tài)分布，其中粒徑在5~7 μm范圍內(nèi)的粉塵顆粒分布最多；第2階段試驗中，隨通風(fēng)時間的延長各粒徑粉塵顆粒頻率的正態(tài)分布形式退化，逐漸趨于連續(xù)分布。

3) 以氯化鈉(NaCl)作為降塵劑基料時，小粒徑粉塵的降塵效果優(yōu)于氯化鉀(KCl)基降塵劑。

4) 對于呼吸性粉塵，掌子面爆破通風(fēng)60 min后氯化鈉(NaCl)基降塵劑條件下平均累計分布率較氯化鉀(KCl)基降塵劑條件下下降了38.74%；對于粒徑＜2 μm的肺泡區(qū)高沉積呼吸性粉塵，通風(fēng)60 min后氯化鈉(NaCl)基料降塵劑條件下平均累計分布率較氯化鉀(KCl)基料降塵劑條件下下降了69.65%。

5) 通過粉塵粒徑累計分布可以判斷以氯化鈉(NaCl)作為降塵劑基料通風(fēng)30 min后呼吸性粉塵的粒度分布排序為：掌子面作業(yè)區(qū)>襯砌臺車作業(yè)區(qū)>仰拱作業(yè)區(qū)。

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Unsteady analysis of dust particle size evolution in construction tunnel based on water stemming

QIAO Liwei1, JIANG Gefu1, SANG Conghui2

(1. School of Transportation and logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Sichuan Taikun Construction Engineering Co., Ltd, Chengdu 610000, China)

KCl-based stemming and NaCl-based stemming were respectively used as the blasthole plugging materials to seal and blast in construction tunnel, dust particle and concentration was collected using related instrument in construction site after working face blasting, meanwhile the dispersity and shape parameter of dust were analyzed by image processing software. The results indicate that the concentration of total dust and respirable dust have evolved in a similar way when the ventilation time was same, however there were significant differences in dust particle size distribution after blasting under different dustfall agents. The draw ratio of dust particle were distributed at around 1 during the experiments. The frequency distribution of dust fitted the normal distribution basically, and the peak of respirable dust range 5 μm to 7 μm. When NaCl is used as the base material of dustfall agent, the effect of small-particle dust remover is better than that of KCl-based dust agent, the average cumulative distribution of respirable dust and dust with particle size less than 2 μm were decreased 38.68% and 69.65%, respectively, compared with that of KCl-based dust agent after blasting and ventilation for 60 min. In addition to concentration of total dust and respirable dust, the distribution and change of dust particle should also be taken into account when judging the purification effect of tunnel dust.

construction tunnel; water stemming; respirable dust; dust concentration; dust dispersity; draw ratio of dust

U25

A

1672 ? 7029(2019)09? 2272 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.09.019

2018?11?27

國家自然科學(xué)基金資助項目(61403317，61703351)；國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFB1200702)

蔣葛夫(1954?)，男，四川南充人，教授，博士，從事交通運輸安全與環(huán)境研究；E?mail：ggxe_swjtu@126.com

(編輯 涂鵬)