地铁区间隧道悬臂掘进机施工除尘技术探讨

孙泽顺

(中铁二十四局集团南昌铁路工程有限公司 江西南昌 330000)

1 引言

由于我国公路隧道建设起步较晚，因此隧道中的通风系统研究也比发达国家落后[1]。解决中深巷道掘进的通风问题是科技工作者一直探索的难题[2]。现今国内由于在职业活动中长期吸入生产性粉尘(灰尘)引起矽肺病的人越来越多。为了给作业人员提供一个良好的作业环境，保证施工人员的身心健康，解决隧道施工的粉尘问题已迫在眉睫。贵阳轨道交通1号线第五工作段所施工的延中区间隧道通过现场实际操作和理论分析，研究几种不同通风方法的降尘效果并进行对比分析，得出一种完全适用于悬臂掘进机施工通风降尘的方法。

2 工程概况

延中区间位于贵阳市强岩溶复杂地质环境。隧道粉尘产生的主要来源为悬臂掘进机施工产生的烟尘、喷射混凝土产生的灰尘、洞内内燃机械设备运行产生的尾气等。隧道开挖粉尘浓度见表1。针对隧道内的粉尘问题，除了采用压入式通风＋抽出式通风相结合的方法进行处理外，还将增加辅助设施对隧道内粉尘进行进一步消除，防止粉尘从隧道口溢出，造成周边环境的污染，影响周边居民的生活，同时也会对项目工作的整体推进造成影响。

表1 隧道开挖粉尘浓度测量数据统计表

3 隧道通风设计

目前隧道施工常采用压入式通风、吸出式通风、压吸结合式通风、竖井通风等方法[3]。在隧道施工开挖或其他工序的施工中，首先要对通风方式进行合理选择，使隧道通风效果达到最佳，为隧道的施工创造最有利条件，提高隧道施工效率。

3.1 通风方式选择

通风方式按照通风的动力划分，可分为自然通风和机械通风[4]。

延中区间隧道采用悬臂掘进机施工。结合各种通风的特点，悬臂掘进机在掘进过程中会产生大量粉尘，采用常规的压入式通风会使粉尘吹入到隧道里面。为保证隧道施工人员的身心健康，需在悬臂掘进机掘进过程中对粉尘浓度采取有效措施，如在掘进机后方增加一台22 kW的除尘风机，从原来的压入式通风转变成压入式＋抽出式相结合的方式。

3.2 隧道通风量计算

施工通风所需风量按洞内同时作业最多人数、

式中，K为单位需风量，取3.0 m3/min；Ni为各台柴油机械设备的功率；Ti为利用率系数。

洞内作业车辆及性能参数分别如下:洞内作业车辆按装载机1台、自卸汽车2台、挖机1台。自卸汽车实车1台，功率为60 kW，负荷率为0.8，利用率为0.9；自卸汽车空车1台，功率为60 kW，负荷率为0.3，利用率为0.9；装载机1台，功率为92 kW，负荷率为 0.85，利用率为 0.9；挖机一台，功率为40.7 kW，负荷率0.85，利用率0.9。稀释内燃设备废气所需的供风量Q3＝482.7 m3/min。

则工作面需要的新鲜风量:Q＝max(Q1，Q2，Q3) ＝570 m3/min。

3.3 风机选型

延中区间隧道通风主要采用轴流风机为SDFNo11型旋轴流风机，功率为55 kW，风压1 200～8 300 Pa，流量可达1 015～1 985 m3/min＞570 m3/min。隧道内除尘风机选用KCS-3500型风机，功率为22 kW。

3.4 风管的布置

压入式＋抽出式通风系统总体布置:延中区间隧道通风机安装在洞外距离竖井口15 m左右位置，通过竖井到达横通道位置，在横通道处分成四个口分别向四个掌子面供风。在掘进机开挖的后方初支右侧布置除尘风机，接上20～30 m长风管，如图1所示。洞内允许最小风速、按稀释内燃机废气所需要空气量计算，取其中最大值作为控制风量[5-6]。

(1)按洞内同时作业最多人数计算

式中，q为作业面作业人员的通风量，取3 m3/min；n为作业面同时作业的最多人数，30人。计算可知需风量为90 m3/min。

(2)按洞内允许最小风速0.25 m/s计算

式中，s为隧道开挖断面积38 m2；v为洞内允许最小风速0.25 m/s。计算可知需风量为570 m3/min。

(3)按稀释内燃设备废气计算需风量

供风量应足够将内燃设备所排放的废气全面稀释和排出，使有害气体降至允许浓度以下，可按下式计算:

图1 隧道内通风方式

4 除尘风机布置位置分析

4.1 风口汇流吸气流动理论

除尘风机在隧道内能通过吸风口吸收大量的污浊空气，并通过自身内部的除尘装置过滤污浊空气中的粉尘，并将新鲜空气排出，实现对隧道内粉尘的捕捉。吸风口的强大气流会在周围形成局部负压区。局部负压区的存在对于污浊空气的汇流有重要作用。通过引入有效吸程的概念在理论上求取风口作用区的位置大小。

除尘风机的汇流吸气过程可分为两种气流运动，即风流汇入吸风口的风流运动和风流沿巷道的运动。用平面流动理论进行分析，风流从巷道进入汇流作用区可以认为是平行于x轴的平面流动，其流函数Ψ1为[7]:

式中，A为常数。根据流速与流函数的关系，有:

设通风风量为Q，m3/s；巷道高度为H，m；宽度为B，m。将Wx＝Q/HB代入(4)式即得常数A＝Q/HB，再代入(4)式即得:

考虑汇流沿巷道分布均匀，根据汇流理论得到流函数Ψ2，表示风流被吸入过程。

根据平面势流叠加原理，得到吸程区风流流函数Ψ。

引入有效吸程概念，即吸风口对风流作用的最远点距离。用流函数和无因次坐标y′＝y/H，X′＝x/H表示，则吸程区流线方程表示为:

C为常数、流线边界条件，x′＝0，y′＝1，arctan(y′/x′)＝π/2时，代入上式得C＝0。 将C＝0代入得吸程区外边界流线方程。

求取上式x′的最大值，可得出有效吸程。x′取值范围为(0， 1)。 因为x′＝y′/tan[(π/2)y′]在区间 (0，1)上为单调递减，故y′➝0时函数x′为最大值。但是函数x′在y′＝0的点不连续，由此求y′➝0时的x′极限x′max的有效吸程Le表示为:

对于宽与高相差不大的巷道，可以近似取H＝其中S为巷道的断面积(m2)。将H代入上式得到有效吸程计算式为:

此外，各学者根据实验或经验提出了不同的有效吸程计算式[8-9]，如沃罗宁克生诺冯托娃暨朝松美国矿山局

表2 不同公式计算出的风机吸风口有效吸程

不同公式计算出的风机吸风口有效吸程见表2。根据现场试验得出的结果，与理论计算式差别较大，说明在实际操作中对于抽出式通风的吸程有重要因素没有考虑到。部分实验研究指出，风筒吸口在巷道断面上的不同布置，吸风口流量等均会影响风口的有效吸程大小。

贵阳地铁1号线第五工作段延中区间隧道断面面积约为38 m2，代入式(12)可得除尘风机的有效吸程约为3.8 m左右。国内类似隧道工程通风设计实例表明，一般600 mm吸风筒在160～200 m3/min的流量下，有效吸程约为2.5～3 m。考率到本工程中除尘风机的流量为240 m3/min，实际有效吸程也应比3 m更大。实际通风设计中，压入新风量为6～8 m3/s，风口直径1.2 m，压入口风速约为6 m/s左右。而除尘风机的吸风口流量为4 m3/s，风口直径0.6 m，风口的空气流速高达14.1 m/s，局部负压作用十分明显，这也是除尘风机汇流作用的基础。

4.2 实际布置位置的确定

由于机体占据一部分隧道空间，形成对气体流道的阻塞效应，会加大机体周边范围内空气的流速，也加大粉尘的流速，不利于除尘风机对粉尘的捕捉；受机体的影响，机体周边的气流湍流效应明显，气流和粉尘的流动呈无序性增加，对于除尘风机的粉尘捕捉功效会产生明显影响。

根据理论分析的数据在现场布置除尘风机的位置。按照粉尘容许浓度，每立方米空气中含有10%以上的游离二氧化硅的滑石粉尘不得大于4 mg；每立方米空气中含有10%以下的游离二氧化硅的水泥粉尘不得大于6 mg[10]。经过多次位置的不断调整，最终确定隧道风机风压为除尘风机风压的1.5倍，且将除尘风机安放在距掌子面30 m左右(距离掘进机后方18 m左右)的位置，除尘效果最好。隧道通风降尘布置如图2所示。

图2 隧道通风降尘装置布置示意

5 隧道施工空气质量监控技术

粉尘属于有害物质，对工作人员的危害巨大，长期工作在高浓度粉尘环境下易患上尘肺职业病，而且粉尘浓度过高容易引起粉尘爆炸等安全事故。因此，加强对粉尘的检测在工程施工中非常重要[11]。延中区间隧道针对隧道内粉尘含量的检测和CO含量的检测每周进行4次。悬浮颗粒采用LCJ-1P PM2.5检测仪进行检测，CO含量采用Gas Detector Alarm可燃气体报警装置进行检测，如图3所示。

图3 隧道粉尘及有害气体检测仪

根据检测结果，采取加大通风量、喷雾降尘或暂停局部工作面等方式来提高隧道内空气质量，避免影响隧道正常施工。

6 相关辅助设施的选用

喷雾洒水，不仅可以清除粉尘，而且可以溶解部分有害气体并能降低洞内温度，使空气变得明净清爽。确定在隧道横通道马头门处增加一道密目网及环向喷淋设备，以降低通过洞口处的粉尘浓度，如图4所示。

图4 隧道喷淋管及密目网

隧道内掘进机进行开挖时，在隧道竖井口设置一环喷淋设备，将隧道洞内溢出的粉尘浓度降低，防治粉尘溢出后造成周边环境污染，如图5所示。

图5 隧道竖井口环向喷淋管

图6 粉尘浓度对照

2015年9月2日至11月27日抽取的数据与实施前对比发现，处理后数据基本小于或接近标准值。在区间隧道悬臂掘进机施工过程中的持续粉尘产生且浓度较高的问题已经得到了改善，如图6所示。

7 结束语

隧道施工粉尘的问题不仅影响到工人的身心健康，还会制约工程的进展。为此，本文针对地铁区间隧道悬臂掘进机施工的粉尘浓度问题进行研究，从隧道的施工环境及配置出发，计算隧道的通风量；根据理论分析计算隧道除尘风机的合理布置位置，在此基础上，配置相应的辅助设施。粉尘浓度从前期的40～60 mg/m3下降至基本小于或接近标准值，粉尘问题得到明显改善，保证了区间隧道内的作业环境和施工人员的身心健康，避免了对区间隧道施工总体进度的影响。