特長隧道通風消煙除塵系統設備選型配置及節能環保技術措施研究

劉海軍、溫曉明、藍金泉

（中交路橋華東工程有限公司，上海 201203）

0 引言

隨著我國基建項目的快速發展，隧道的建設越趨增多，且特長隧道占比明顯增大且單端掘進距離長，隧道開挖鉆孔、爆破、裝出渣揚塵及設備尾氣排放、噴錨支護、仰拱及襯砌作業等施工中會產生大量煙塵，隧道施工為有限空間作業，在較短的施工時間內會產生大量煙霧粉塵無法排出，造成洞內能見度低，空氣質量差，常規通風需要時間長且甚至出現空氣質量無法達標，作業人員長期處于該作業環境，易引發職業病、機械設備故障率高且壽命短，作業工效降低、安全環保得不到保證以及能耗利用率低成本增加等種種問題，因此隧道洞內有限空間改善作業環境是施工領域的技術難題。通過傳統的通風消煙除塵方式需要較長的時間且為稀釋空氣中煙霧粉塵濃度來改善作業環境，雖能滿足現有施工的需要，但仍不能從根本上改善洞內作業環境，提高能耗的利用率。本文以特長隧道毛栗坪隧道為依托，在傳統的通風消煙除塵系統從設備的選型、工藝的改進、設備的改創出發，利用綜合控制系統，在一定程度上可以提高通風消煙除塵效率及能耗的利用率，但在高效節能環保方面仍值得探索和研究。

1 工程概況

1.1 設計概況

毛栗坪隧道位于貴州省石阡縣境內，隧道全長4691m，最大埋深449m。隧道形式進出口為小凈距、洞身段為分離式，設計標準為雙向四車道標準，建筑限界主洞寬10.25m，緊急停車帶凈寬13.25m，凈高為5m，隧道縱坡為人字坡，進出口坡度分別為2.5%、3.5%，巖層主要為炭質頁巖夾砂質頁巖、炭質頁巖、灰巖夾炭質頁巖夾變余砂巖、頁巖夾炭質頁巖，隧道采用進出口兩端掘進施工，根據進度計劃安排，隧道進口計劃最大掘進長度為2565m，出口計劃掘進2126m，圍巖主要以Ⅳ、Ⅴ級為主，巖性主要為變余砂巖、炭質頁巖、小部分段落石灰巖。

1.2 現場情況

為最大程度地改善隧道洞內的作業環境和提高能耗的利用率，為節能環保降低施工成本，隧道在方案設計中經多方案比選，最終確定施工方案主要為開挖爆破采用濕式鑿巖機鉆孔、聚能水壓爆破施工，裝運機械安裝尾氣凈化裝置及運輸車采用封閉車廂運輸，運輸前用噴淋設備對渣體進行浸潤，支護采用濕噴臺車工藝施工，襯砌作業鋼筋焊接作業。非必須洞內采用拼接安裝禁用焊接作業。通風消煙除塵系統采用壓入式通風、混合式通風、濕式除塵器、霧炮、風幕機（或簾幕）及定制式循環除塵器、在濕噴臺車安裝負壓除塵等措施進行消煙除塵，根據隧道掘進的距離分階段進行設備配置，結合新技術應用、配置優化和現有設備的改創實施，通過各系統監測并反饋數據，通過智能集成控制系統進行階段性調整通風除塵設備變頻和啟停控制的運行。

通過鉆爆破孔、爆破開挖、支護、設備排放等分階段收集施工過程中洞內的粉塵及氣體進行送檢，經檢測主要的成分為開挖爆破、裝運渣體、支護噴混等施工作業產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，根據氣體成分，在施工過程中對方案進行再優化完善，以保證洞內的空氣質量和提高除塵效率。

2 設備選型配置及優化

2.1 設備選型配置

根據隧道的圍巖等級及施工工效確定的施工計劃，計算出隧道單端的最大掘進長度，通過風管的選型，最大送風距離及工作面所需風量、風管的漏風率和摩擦因素計算出風機出口風量和風壓，再根據所需風機供風量和風壓，計算有效功率，確定軸流風機的功率和數量，經過計算對比，優先選擇大管徑、低漏風率的風管，以保證洞內新鮮空氣，以及粉塵煙霧從掌子面壓出或吸出。

定制式循環除塵器根據設計圍巖、支護類型、爆破開挖理論最大裝藥量及洞口段爆破、裝運渣及噴混支護試驗過程中產生的煙霧粉塵的濃度數據進行統計分析、推算，考慮一定的富余系數，從高效和經濟入手，與廠家定制相應功率的通風及除塵設備。

負壓除塵主要根據濕噴臺車的類型進行定制，要與機械臂伸縮轉動相協調適應，具體的除塵功率根據洞口段數據進行檢測數據統計分析進行推算確定。

在以上通風消煙除塵的設備選型的基礎上，配置通風消煙除塵系統監測系統，進行洞內空氣質量的監測，通過監測數據上傳至集成的控制平臺，進行智能控制設備運行過程中變頻、啟閉調控。

該隧道單洞口通風消煙除塵系統選用的主要具體型號設備配置見表1。

表1 單洞口通風消煙除塵系統主要設備配置

2.2 設備及工藝優化

在上述通風消煙除塵系統配置的基礎上，根據隧道的圍巖類別、開挖爆破、支護噴混等施工過程通過統計通風時長、效率等監測數據，通過分析比對，對以上的通風管、洞內空間的有效隔離、濕式除塵器等設備進行了優化和改進，具體有以下幾個方面。

軸流風機的風袋采用組合風袋，在靠近風機一端的風壓差大的區段集采用硬風管，并將使用舊的風管在一定時長應用在靠近出風口的末端區段，起到風管防漏降阻的作用，并在風帶末端采用輕質的硬塑管進行出風口，避免軟質出風口壓縮，風管在送風過程中風阻增加，在通過修飾養護、襯砌、鋼筋綁扎臺車時，設置相應的硬質管過度，確保在管道彎折通過的位置形成管道風阻，從而提高通風效率。

開挖爆破過程中，濕式鑿巖作業鉆孔、聚能水壓爆破、轉運渣體的分層噴霧浸潤處理[1]，在開挖支護，分階段進行設備的變頻和開啟，同時配置濕式除塵器、風幕機、霧炮及循環消煙除塵設備進行封閉空間消煙除塵，然后再進行通風，有效防止煙霧、粉塵擴散和稀釋，提高能耗的利用率。

噴混臺車安裝的除塵系統由安裝于噴混臺車上（包括濕噴機械手、簡易噴漿機及濕噴臺車等）的負壓吸塵裝置，通過管道將噴射混凝土過程中的負壓吸塵口安裝在近噴頭處，在噴射混凝土過程中同時進行負壓除塵，除去噴射工作面的粉塵及噴射過程中因混凝土壓力變化和反彈產生的粉塵。

3 施工技術設備的應用及節能環保措施

3.1 施工技術設備應用

3.1.1 開挖

鉆孔作業采用隔離操作的鉆孔鑿巖臺車進行濕式鉆孔，風水聯動進行作業，鉆孔過程中的供水水壓滿足鉆孔要求，保證鉆孔過程中孔內充滿水，為了提高對微細塵粒的吸附能力，在水中添加少量濕潤劑降低水的表面張力。

節能環保聚能水壓爆破與傳統的光面爆破基本相同，只是在堵炮孔眼和裝藥結構進行了調整，裝藥采用水袋進行間隔，然后孔口采用炮泥封堵，在爆破的巨大能量下，會產生聚能水壓切割形成“水刀”作用，切削圍巖形成石塊，水袋爆破會產生霧化作用，能夠大大降低粉層濃度，從源頭上減少粉層。

爆破后，渣體采用噴淋設備進行渣體濕潤，裝運采用機械設備安裝尾氣凈化裝置的，運輸車安裝自動啟閉式的封閉擋板，防止渣體裝運過程中的渣體散落及揚塵。

3.1.2 通風消煙除塵系統

通風考慮分為三個階段進行設備配置，通過計算需風量及供風計算，第一階段在掘進距離1km 以內，采用主要為壓入式通風；第二階段在掘進距離大于1km，采用混合通風，第三階段采用混合式通風結合在已完成洞口襯砌短適當里程位置拱頂設置射流風機進行通風和排煙除塵。

具體通風通過在洞口安裝一組壓入式軸流風機進行送風，一組備用，通過風帶進行送風，末端要與掌子面保持一定的距離。在洞內安裝一組吸出式軸流風機，在鋼筋綁扎臺車上設置風幕機（或簾幕），在爆破前將其劃分區域物理隔離，爆破后，先采用高壓水幕或水霧、霧炮進行地面及空氣中降塵；然后采用濕式除塵進行除塵；再將有循環消煙除塵裝置車行駛至掌子面與風幕或簾幕之間。循環消煙系統通過在內部進行循環除塵并通過凈化系統將爆破產生有毒有害氣體進行凈化，除塵效果在達到一定程度后，然后采用置于洞內的射流風機進行排出。一定時間后，關閉風幕（或簾幕）采用壓入式軸流風機壓入新鮮空氣，另外在裝出渣時要確保渣土浸潤，避免過多產生揚塵，方可進行下道工序作業。

在襯砌施工前，將安裝在襯砌裝修臺車上和鋼筋綁扎臺車風幕機同時打開，形成封閉的空間，采用循環消煙系統進行凈化襯砌鋼筋作業過程中產生的有害氣體。在洞口至襯砌段因縱坡坡度，空氣渦流聚集粉塵等，通過三階段射流風機及移動式霧炮機加速粉塵的稀釋和交換[2]，在一定的條件下，可采用循環式除塵器進行除塵。

3.1.3 噴混設備的改進

在支護施工前，根據噴混臺車的類型及性能定制負壓吸塵裝置安裝于相適應的噴混臺車上，將負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，對所噴混凝土工作面、圍巖等周邊粉塵源進行負壓吸塵，在確保無塵的工作面打開噴射混凝土嘴進行工作，噴射混凝土自下而上進行，負壓吸塵口隨著噴混泵送口移動，待噴射混凝土完成后，負壓吸塵口繼續工作，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程中粉塵的擴散而造成作業人員所處作業環境的粉塵污染。

3.2 煙塵監測系統及節能環保措施

根據隧道掘進距離、圍巖的特性采用水壓爆破、支護噴射混凝土及襯砌等施工過程產生煙霧、粉塵的濃度，利用洞內設置的空氣質量環境監測系統監測煙霧和粉塵的成分及粉塵濃度，通過監測系統與數據傳輸平臺，數據反饋至控制系統，在控制系統中，通過設置粉塵和煙霧的濃度數據的分析，聯動通風除塵系統，通過智能集成分階段對設備自行開啟/關閉相應設備的組數或變頻調節其功率，既確保施工高效且在整個通風消煙除塵起到很好的節能效果。

4 效果驗證

通過在隧道施工通風消煙除塵設備的選型、配置優化，采用濕式鉆孔、水壓爆破法技術的應用，機械設備安裝尾氣凈化裝置，循環消煙除塵系統及定制的負壓吸塵噴混臺車的改進，通過煙霧粉塵的監測系統與通風消煙除塵系統的聯動，最終由綜控系統智能控制，消煙除塵時長縮短、工效提高，關鍵是能耗降低且環保、成本方面突顯，也有效改善洞內作業人員環境，降低了設備的故障率和延長了使用壽命，實現經濟效益和社會效益的雙提升。

5 結語

通風消煙除塵作為隧道施工作業一項重要的前提條件，直接關系到影響人身健康，設備的故障率和壽命，也是隧道綜合進度、安全環保、施工成本的重要指標，該項目通過以上所述技術措施，在一定程度上消煙除塵時長縮短，有效工作時間延長，改善作業環境后，洞內空氣質量得到凈化，施工工效相對較高、成本效益突顯，且環保節能，但隧道施工消煙除塵技術設備改進、施工技術的革新方面任重而道遠，望與隧道建設施工相關技術人員及相關科研人員能夠在隧道施工的通風消煙除塵技術上深入探討研究，為以后隧道施工提供經驗借鑒和技術參考。