高原特長(zhǎng)隧道環(huán)保除塵控制措施的探索及應(yīng)用

宋衛(wèi)忠 尹吉才

摘要：隧道建設(shè)屬于地下工程，建設(shè)空間狹窄，施工作業(yè)集中。由于出風(fēng)口單一，隧道內(nèi)開(kāi)挖爆破煙塵、噴射混凝土粉塵、施工機(jī)械排放尾氣、支護(hù)焊接煙塵全靠通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓向外排出。隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的加深，洞口通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓達(dá)到掌子面時(shí)壓力較弱，通風(fēng)排煙作用較差，隧道內(nèi)空氣清潔度較差。隨著近年來(lái)國(guó)家對(duì)職業(yè)健康標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高以及綠色低碳建造技術(shù)的大力推廣，施工企業(yè)應(yīng)該積極轉(zhuǎn)型升級(jí)，應(yīng)用新能源，降低碳排放，進(jìn)一步加強(qiáng)職業(yè)健康保障措施，清潔隧道環(huán)境。關(guān)鍵詞：公路隧道;通風(fēng)降塵;綠色低碳

中圖分類(lèi)號(hào)：U453.83????????? ??????????????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 工程概況

S38線王格爾塘至夏河高速公路 WXSG-6標(biāo)段起點(diǎn)樁號(hào) K26+136，終點(diǎn)樁號(hào) K33+800，路線全長(zhǎng)7.664 km，本合同段共設(shè)置橋梁421.75 m/2座，夏河2 號(hào)長(zhǎng)隧道1 620.5 m/1座，拉卜楞特長(zhǎng)隧道5511m/1座，路基111 m。按雙線四車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，整體式路基寬度25.5 m，分離式路基寬度12.75 m，設(shè)計(jì)速度80km/h 。其中拉卜楞特長(zhǎng)隧道進(jìn)、出口共開(kāi)設(shè)四個(gè)工作面，獨(dú)頭掘進(jìn)深度為 2755m，無(wú)斜井、豎井。隧址所在地夏河縣處于青藏高原東北緣過(guò)渡帶，屬寒冷冬干型高山草原氣候區(qū)，隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的加深，隧道內(nèi)低壓、缺氧現(xiàn)象明顯。

2 隧道通風(fēng)要求

（1）拉卜楞特長(zhǎng)隧道地處高原地區(qū)，海拔為3000 m ～3 700 m，空氣中含氧量應(yīng)大于20%。

（2 ）每人應(yīng)供應(yīng)新鮮空氣3 m3/min，采用內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時(shí)，供風(fēng)量不宜小于4.5 m3/（min·kW）。全斷面開(kāi)挖時(shí)風(fēng)速不應(yīng)小于0.15 m/s，導(dǎo)洞內(nèi)不應(yīng)小于0.25 m/s，但均不應(yīng)大于6m/s。

（3）工作場(chǎng)所空氣中粉塵含量（PC- TWA），白云山、大理石、石灰石粉塵含量總體不超過(guò)8 mg/m3，沉淀的 SiO2粉塵不超過(guò)5 mg/m3，電焊煙塵不超過(guò)4 mg/m3，水泥粉塵（游離 SiO2含量小于10%）不超過(guò)4 mg/m3[1 ]。

（4 ）工作場(chǎng)所空氣中有毒氣體含量（PC-TWA），一氧化碳含量不大于15 mg/m3，一氧化氮含量不大于15 mg/m3，二氧化氮含量不大于5 mg/m3，二氧化硫含量不大于5 mg/m3[1 ]。

3 隧道內(nèi)煙塵、有害氣體來(lái)源

隧道內(nèi)煙塵、粉塵、有害氣體的來(lái)源主要有以下四個(gè)方面。

3.1 開(kāi)挖爆破產(chǎn)生的煙塵

拉卜楞特長(zhǎng)隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖開(kāi)挖每循環(huán)裝藥量從90 kg ～288 kg 不等。爆破過(guò)程中釋放巨大的高溫高壓氣體瞬間將炮孔外圈巖石擊成粉碎并產(chǎn)生濃烈的粉塵，同時(shí)巨大的爆破震動(dòng)將隧道內(nèi)的塵土全部振起在空中飄浮。掌子面100 m 范圍內(nèi)能見(jiàn)度幾乎為零。2號(hào)巖石乳化炸藥的主要成分硝酸銨，爆炸后產(chǎn)生刺激性有毒氣體，如 CO、SO2、CO2、NO 等氣體，對(duì)人體眼、鼻、喉都有刺激性。刺激時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能引起頭暈，惡心，虛脫等癥狀[2 ]。

3.2 噴射混凝土產(chǎn)生的粉塵

噴射混凝土?xí)r風(fēng)壓在0.5～ 0.6 Mpa，在高壓風(fēng)作用下部分混合物瞬間由混合物狀變成粉塵向四周浮游擴(kuò)散。如圖2 所示，掌子面至二襯臺(tái)車(chē)附近全是游離粉塵。由于混凝土噴射時(shí)間在3.5 h 左右，噴射時(shí)連續(xù)產(chǎn)生大量的粉塵長(zhǎng)期在隧道內(nèi)隨氣流漂浮，對(duì)操作員的呼吸系統(tǒng)影響較大。長(zhǎng)期吸入含一定濃度游離二氧化硅（SiO2）粉塵易引起塵肺病[3]。

3.3 拱架、鋼筋焊接產(chǎn)生的煙塵

在支護(hù)焊接過(guò)程中焊接部位較多，從掌子面至二襯分布筋均有。焊接時(shí)將產(chǎn)生大量焊接煙塵，焊接煙塵中的主要有害物質(zhì)為Fe2O3、SiO2等，焊接煙氣中有毒有害氣體的成份主要為CO、CO2、NOX、CH4等，其中以CO 所占的比例最大[4]。由于焊煙濃度較大，排除困難。??? 3.4 施工機(jī)械尾氣排放

拉卜楞特長(zhǎng)隧道施工屬于機(jī)械化集群作業(yè)。單洞機(jī)械配置為一臺(tái)阿特拉斯鑿巖臺(tái)車(chē)（開(kāi)挖用）、一臺(tái)挪曼爾特濕噴臺(tái)車(chē)（噴射混凝土用）、一臺(tái) VOLVO 挖機(jī)、一臺(tái)臨工855F裝載機(jī)、4輛砼運(yùn)輸車(chē)、6輛運(yùn)渣自卸汽車(chē)（出渣用）。由于掌子面24 h 連續(xù)作業(yè)，眾多的機(jī)械集中在掌子面作業(yè)將產(chǎn)生大量的尾氣，如 CO、SO2、NOX? 等氣體[5]，無(wú)法有效排除。

4 排煙降塵措施分析

通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)煙塵、粉塵、有毒氣體的來(lái)源分析可知，產(chǎn)生粉塵較多的兩個(gè)原因，一是開(kāi)挖爆破產(chǎn)生的煙塵，二是噴射混凝土產(chǎn)生的粉塵。這兩種煙塵均在掌子面產(chǎn)生，不易排出，但其源頭空間相對(duì)封閉，容易局部封閉控制。如果將這兩種粉塵封閉在掌子面并消除，隧道里的空氣就會(huì)清潔很多。由于煙塵是微小體積的顆粒，重量較輕漂浮在空中，顆粒被水包圍后在重力作用下便會(huì)降落。因此針對(duì)這兩種粉塵所采取的降塵措施是遠(yuǎn)程高壓水炮、細(xì)霧降塵。對(duì)于焊接煙塵和施工機(jī)械尾氣排放，隨隧道內(nèi)氣流浮動(dòng)不易封閉控制，只能采取有針對(duì)性措施來(lái)排除。

5 環(huán)保除塵控制措施

5.1 霧炮降塵在隧道施工中的應(yīng)用

對(duì)于隧道成洞段，霧炮降塵是一種行之有效的降塵方式。隧道內(nèi)施工機(jī)械眾多，流動(dòng)頻繁，路面及空中的粉塵被機(jī)械設(shè)備氣流卷起在空中飄浮。通過(guò)路面和空中噴灑水霧，降塵效率較高。在對(duì)空中進(jìn)行噴霧降塵時(shí)，還能對(duì)二次襯砌進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。這樣能達(dá)到降塵作用，又能對(duì)二次襯砌起到養(yǎng)護(hù)作用。5C474685-75F0-4D28-A266-E1397A58D31A

隧道多功能掃地、升降、噴灑作業(yè)臺(tái)車(chē)是一款適用于公路、鐵路隧道等現(xiàn)場(chǎng)的多功能設(shè)備，具有空中噴霧、道路清掃、高空輔助作業(yè)等功能。隨車(chē)攜帶的霧炮可液霧降塵，有效分解空氣中的污染顆粒物、塵埃，提升施工環(huán)境的空氣質(zhì)量。利用掃地機(jī)進(jìn)行清掃作業(yè)能有效減少隧道內(nèi)清掃人員數(shù)量，提高了工作效率，降低施工成本。

5.2 開(kāi)挖爆破后的降塵措施

爆破后掌子面會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵，有2 號(hào)巖石乳化炸藥爆炸產(chǎn)生的濃煙，也有大量的巖石粉塵。由于煙塵濃度較大，且聚集在掌子面，但風(fēng)袋末端壓力較小，不能將煙塵快速排出。另外，爆破后掌子面60 m 范圍內(nèi)全是粒徑不同的塊石，灑水車(chē)無(wú)法進(jìn)入到掌子面前方。

5.2.1?? 聚能管水壓爆破

水壓爆破的目的是為了提高爆破質(zhì)量，減少炸藥單耗，節(jié)約成本。利用水的不可壓縮特征，無(wú)損失傳遞炸藥爆破能量，利于圍巖破碎。產(chǎn)生的“水楔”作用進(jìn)一步破碎圍巖，還可以防止巖爆[6]。另外，水壓爆破起爆還可以起到源頭控制降塵的作用。將直徑?30mm，重量300 g 水袋均勻間隔與藥卷裝在一起，每支炮孔裝入 5支水袋。將周邊孔、周邊輔助孔全部裝入水袋，裝炮孔數(shù)為65孔，共計(jì)裝水量為97.5 kg，爆破過(guò)程中在傳遞能量的同時(shí)還具有一定的降塵作用。

5.2.2? 電動(dòng)水炮降塵

爆破后對(duì)掌子面降塵是消除隧道內(nèi)煙塵的重要方法，限于車(chē)輛無(wú)法停靠在掌子面附近，只有通過(guò)遠(yuǎn)程灑水的方式來(lái)進(jìn)行降塵。將煙塵封閉在掌子面并快速消除，一方面可以改善掌子面環(huán)境，保障工作人員的身體健康;另一方面縮短通風(fēng)、排煙時(shí)間，加快隧道工序循環(huán)。

為了增加灑水車(chē)的噴射距離，可在灑水車(chē)上安裝一種高壓電動(dòng)水炮。借助于電動(dòng)水炮將水送至掌子面。該電動(dòng)水炮有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1 ）在駕駛室內(nèi)便可遙控控制，無(wú)需駕駛員下車(chē)調(diào)節(jié);（2）噴射距離較長(zhǎng)可達(dá)到60 m，噴射高程可達(dá)35 m，適合遠(yuǎn)距離降塵;（3）水炮的射程和噴射形狀可隨時(shí)調(diào)節(jié)，既可以降塵、又可以抑塵。通常將該水炮安裝在駕駛室的前方，視線清晰便于控制調(diào)節(jié)。

電動(dòng)水炮降塵流程如下，爆破后立即將灑水車(chē)停靠在棧橋前方，開(kāi)啟電動(dòng)水炮進(jìn)行噴射降塵。降塵方式是先對(duì)掌子面進(jìn)行左右擺動(dòng)集中噴射，當(dāng)掌子面煙塵往外流出時(shí)，改變水柱的噴射形狀，對(duì)流出的煙塵進(jìn)行環(huán)形封閉阻止外流。通過(guò)不斷調(diào)節(jié)水柱的形狀，直至將掌子面的煙塵全部消除。該過(guò)程持續(xù)時(shí)間為15 min，消耗水量為6 m3左右，可消除掌子面大部分煙塵。

5.3 噴射混凝土粉塵降塵措施

5.3.1?? 基于濕噴臺(tái)車(chē)的噴霧降塵工作原理

在隧道初支噴射混凝土過(guò)程中將產(chǎn)生大量的粉塵，該粉塵隨噴嘴不斷移動(dòng)，在掌子面前方空間飄浮，同時(shí)向外浮動(dòng)。對(duì)于移動(dòng)式粉塵降塵，首先水霧要跟隨移動(dòng);其次水量不宜過(guò)大，過(guò)大會(huì)影響噴射作業(yè)，細(xì)霧狀態(tài)能將噴嘴附近的粉塵消除即可。針對(duì)這一特點(diǎn)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種基于濕噴臺(tái)車(chē)的噴霧降塵裝置，專(zhuān)用于消除噴射混凝土粉塵。其工作原理如圖1 所示，車(chē)載水箱內(nèi)的抑塵液通過(guò)增壓泵傳到門(mén)架式噴霧裝置，對(duì)粉塵進(jìn)行抑制降稱(chēng)。

5.3.2?? 除塵工藝流程

在噴射混凝土作業(yè)時(shí)開(kāi)啟車(chē)載除塵裝置，門(mén)架式噴頭組噴射的細(xì)水霧形成一道屏障，如圖2 所示，噴射混凝土?xí)r產(chǎn)生的粉塵，隨噴射壓力往外流動(dòng)，當(dāng)流動(dòng)到水霧屏障時(shí)遇水會(huì)自動(dòng)降塵。水霧屏障將噴射混凝土產(chǎn)生的粉塵全部抑制在掌子面并當(dāng)即消除。除塵工藝流程如圖3 所示，該措施可有效降低掌子面粉塵，改善隧道內(nèi)空氣的清潔度，改善濕噴操作員的作業(yè)環(huán)境。? 5.4 焊接煙塵降塵措施

由于隧道內(nèi)初支拱架、二襯配筋鋼材使用量較大，焊點(diǎn)分部較廣。焊接過(guò)程中焊條用量大，平均每天使用 8包，產(chǎn)生的焊接煙塵大，且焊接煙塵濃度大不宜排除。焊接煙塵的消除措施主要有兩種：（1 ）源頭控制。目前整體拼裝式拱架已在不斷完善發(fā)展。拼裝式拱架制作在鋼筋加工場(chǎng)完成，在隧道支護(hù)過(guò)程中只需少量焊點(diǎn)即可完成支護(hù)固定，可從源頭上解決焊接煙塵的產(chǎn)生;（2）使用焊接煙塵凈化器。可用于焊接、切割等工序中產(chǎn)生煙塵和粉塵的凈化。可凈化大量懸浮在空氣中對(duì)人體有害的細(xì)小金屬顆粒。具有凈化效率高、噪聲低、使用靈活、占地面積小等特點(diǎn)[7 ]。

5.5 施工機(jī)械尾氣排放環(huán)保措施

拉卜楞特長(zhǎng)隧道建設(shè)實(shí)行機(jī)械化集群作業(yè)，全工序機(jī)械化覆蓋，洞內(nèi)施工機(jī)械車(chē)輛眾多，流動(dòng)頻繁，且隧道內(nèi)含氧量低，尾氣排放量大。隨著新能源機(jī)械設(shè)備的不斷發(fā)展，以及綠色低碳技術(shù)的應(yīng)用。液電混動(dòng)、純電動(dòng)機(jī)械設(shè)備將成為新的發(fā)展趨勢(shì)，為凈化隧道空氣，減少尾氣排放，可考慮引進(jìn)純電動(dòng)裝載機(jī)、卡車(chē)等。目前本項(xiàng)目已擁有液、電混動(dòng)鑿巖臺(tái)車(chē)和濕噴臺(tái)車(chē)。下一步項(xiàng)目將引進(jìn)純電動(dòng)裝載機(jī)和卡車(chē)，進(jìn)一步改善隧道作業(yè)環(huán)境。

5.6 增加風(fēng)機(jī)組循環(huán)除塵措施

利用通風(fēng)機(jī)通風(fēng)除塵是一種傳統(tǒng)高效的除塵方式，但隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的不斷增加，當(dāng)進(jìn)尺大于1 500 m 時(shí)單向風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓到掌子面時(shí)風(fēng)壓較弱，不能有效的排出隧道內(nèi)的煙塵。因此，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，利用雙向循環(huán)風(fēng)壓將隧道內(nèi)的煙塵排除[8，9]。

5.6.1?? 隧道風(fēng)量的計(jì)算及確定

（1 ）通風(fēng)量計(jì)算

①按洞內(nèi)最小風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量：

式中：

V—最小風(fēng)速，取0.25 m/s[1 ];

A—洞內(nèi)開(kāi)挖面積，取106m2;

計(jì)算得：Q1=60*0.25*106=1590 m3/min。

②按洞內(nèi)最多工作人員計(jì)算風(fēng)量：

式中：

q—每人每分鐘所需的新鮮空氣量，取3m3/min[1 ]; m—同時(shí)工作人數(shù)，取35人;

k—風(fēng)量備用系數(shù)，取1.2;5C474685-75F0-4D28-A266-E1397A58D31A

計(jì)算得：Q2=3*35*1.2=126 m3/min。

③按稀釋爆破煙塵計(jì)算風(fēng)量：

式中：

t—爆破后的通風(fēng)時(shí)間，取30min;

E—爆破炸藥用量，取288 kg;

be—1 kg 炸藥爆破時(shí)有害氣體產(chǎn)生量，取40 L/kg; e'—允許有害氣體的濃度，取0.02;

計(jì)算得：Q3=1920 m3/min。

④按稀釋機(jī)械設(shè)備尾氣計(jì)算風(fēng)量：

洞內(nèi)出渣汽車(chē)6 輛，功率為162 kW/臺(tái);裝載機(jī)一

臺(tái)，功率為168 kW;砼罐車(chē)2輛，功率247 kW/臺(tái)。

總功率：P=6*162+2*247+168=1634 kW

Q4=V/K，其中 V =????????????????????????????????? （ 4）

式中：

β—內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生有害氣體，CO 氣體為0.09×10-3（m3/ min·kW）;

P—內(nèi)燃機(jī)功率;

K—允許濃度，取0.008%;

計(jì)算得：Q4=1838.25 m3/min

（2 ）通風(fēng)風(fēng)量確定

取以上四種計(jì)算得到的最大通風(fēng)量作為設(shè)計(jì)通風(fēng)量，由計(jì)算可知到達(dá)掌子面的最大風(fēng)量：Q 計(jì)=Q3=1 920 m3/min。

采用φ120 cm 的風(fēng)袋供風(fēng)，百米漏風(fēng)率取1.2%，采用壓入式通風(fēng)，通風(fēng)距離為 L=2655 m，

供風(fēng)系統(tǒng)的漏風(fēng)系數(shù)：

P=1/（1-L/100×P100）= 1.52??????????????????????? （）5

因此要求風(fēng)機(jī)的供風(fēng)率不小于

Q 供=P×Q計(jì)=1.52×1920=2918.4m3/min?????????? （）6

5.6.2? 通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

通風(fēng)方案設(shè)計(jì)如圖4 所示。

由于拉卜楞特長(zhǎng)隧道為雙向獨(dú)頭掘進(jìn)，掘進(jìn)深度為 2755 m，且隧道內(nèi)低壓、缺氧現(xiàn)象明顯。為保障隧道內(nèi)空氣清潔，含氧量充足，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙向串聯(lián)循環(huán)式系統(tǒng)。洞口及洞內(nèi)通風(fēng)機(jī)向隧道內(nèi)送風(fēng)，洞內(nèi)對(duì)向側(cè)風(fēng)機(jī)向洞口抽風(fēng)，形成循環(huán)氣壓。距離洞門(mén)口30 m 處安裝2 臺(tái)132 kW 軸流變頻風(fēng)機(jī)，風(fēng)壓（1698-6 637 Pa）;在隧道內(nèi)K29+510 m 處安裝一臺(tái)110 kW 軸流變頻風(fēng)機(jī)，風(fēng)壓3 312 Pa;在隧道內(nèi)K30+110 m 處安裝一臺(tái)75kW 軸流變頻風(fēng)機(jī)，風(fēng)壓3 098 Pa 。在對(duì)向 K30+110 m 處安裝一臺(tái)55kW 射流風(fēng)機(jī)。通風(fēng)機(jī)總功率為504 kW，在使用過(guò)程中根據(jù)隧道內(nèi)空氣質(zhì)量調(diào)整變頻柜來(lái)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及風(fēng)量。另外，在隧道里面安裝風(fēng)機(jī)時(shí)應(yīng)計(jì)算隧道內(nèi)電壓，如果電壓不足，需更增加升壓器。

6 結(jié)束語(yǔ)

隧道通風(fēng)一直是高原特長(zhǎng)隧道施工的難點(diǎn)，一方面影響施工人員身體健康，一方面制約隧道施工進(jìn)度。進(jìn)尺短時(shí)利用壓入式風(fēng)機(jī)組通風(fēng)排煙，進(jìn)尺較長(zhǎng)時(shí)采用循環(huán)風(fēng)機(jī)組排出。其次利用灑水車(chē)進(jìn)行灑水降塵，可有效抑制隧道內(nèi)的浮塵。最后，應(yīng)結(jié)合施工特點(diǎn)，針對(duì)局部位置進(jìn)行降塵。開(kāi)挖爆破后可利用高壓水炮遠(yuǎn)程灑水降塵;減少機(jī)械設(shè)備尾氣排放，選擇新能源電動(dòng)機(jī)械設(shè)備代替燃油機(jī)械;采用焊接煙塵凈化器減少焊接產(chǎn)生的煙塵。隧道降塵關(guān)乎施工人員的身體健康，應(yīng)高度重視通風(fēng)、降塵措施，有效改善隧道內(nèi)空氣清潔度。

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