消煙降塵系統(tǒng)在長大隧道施工中的應(yīng)用研究

王 祥，熊 勝

(中鐵五局集團有限公司，貴陽 550003)

隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，隧道工程建設(shè)也隨之發(fā)展，長大隧道不斷出現(xiàn)。伴隨著人們環(huán)保意識的提高，以人為本理念的深入，改善隧道施工作業(yè)環(huán)境，確保作業(yè)安全也就成為了工程施工面臨的首要問題。在施工過程中隧道內(nèi)產(chǎn)生的有害氣體和粉塵不但對施工人員的身心健康構(gòu)成直接危害，而且嚴重影響勞動效率的提高，制約施工進度，同時還會對洞內(nèi)設(shè)施造成損害［1］，因而解決長大隧道消煙降塵就成為隧道施工中不容忽視的重要問題。及時、高效、經(jīng)濟地將洞內(nèi)有害氣體和粉塵清除，不但體現(xiàn)了綠色環(huán)保的人文工作理念，更能有效地提高工作效率，加快施工進度。

傳統(tǒng)的施工方法中，消煙降塵的基本措施通常是通過機械通風(fēng)稀釋和排出工作地點煙霧及懸浮粉塵，補充新鮮空氣。而對于長大隧道的施工，由于距離的增長，不但加大通風(fēng)難度，增加經(jīng)濟成本，更會在將粉塵排出洞外過程中，使粉塵彌漫整個隧道，降低消煙除塵的效果。故為達到消煙降塵經(jīng)濟實效，加快施工進度的目的，本文提出一種新的方法，即在分析污染來源，優(yōu)化通風(fēng)方案的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置消煙降塵系統(tǒng)將粉塵消除在源頭，達到消煙降塵的目的，該法既經(jīng)濟環(huán)保，又能確保施工進度優(yōu)質(zhì)高效，通過工程實踐，取得了良好的效果。

1 水霧消煙降塵基本原理

1.1 水霧消煙降塵機理

消煙降塵系統(tǒng)由獨頭通風(fēng)、風(fēng)管、降塵站、洗車槽、路面清洗等組成，與一般隧道通風(fēng)除塵不同，本降塵系統(tǒng)把通風(fēng)與高壓噴霧降塵兩者密切地結(jié)合起來，以達到更好的除塵效果。隧道內(nèi)的水霧簾幕降塵裝置設(shè)計充分利用隧道施工用的高壓風(fēng)和高壓水進行，即利用氣體介質(zhì)與液體介質(zhì)之間的相互擠壓、加速或剪切作用，將液體霧化，形成高壓水微粒霧蔽帶，使粉塵不能向外擴散，隨著水粒降落。在從降塵裝置前端噴出的高速霧粒、氣流吸入并凈化附近空氣之后，受空氣阻力，逐漸減速失去動能后，還有粉塵混入，其中一部分在降塵裝置形成負壓作用下，重新被吸入降塵裝置，得到徹底凈化后放入大氣。再加之通風(fēng)形成的霧蔽，把粉塵集中在有限的空間內(nèi)，從而增大了水粒與粉塵的接觸機會，增加了降塵效果［2～5］。把兩者密切地結(jié)合起來可達到更好的除塵效果。

噴霧降塵過程是水霧與塵粒因凝結(jié)而除塵的過程，把水霧化成微細水滴并噴射于空氣中，使其與塵粒碰撞接觸，則塵粒被水捕捉而附于水滴上或者被濕潤的塵粒互相凝聚成大顆粒，從而加快其降塵速度，水霧與塵粒的凝結(jié)決定了噴霧降塵的除塵效果。當(dāng)水霧粒不帶電荷時，水霧粒通過與粉塵粒子的慣性碰撞、攔截以及凝聚、擴散等的綜合作用來降塵。資料表明［6］，不帶電荷水霧粒對直徑為10 μm以下粉塵捕捉效率較低，對粒徑＜7.07 μm呼吸性粉塵降塵效率很低，而對10 μm以上的粉塵具有較高的除塵效率。但噴霧水滴卻對呼吸性粉塵具有較高的捕集效率，這主要是因為霧粒速度高，霧粒直徑小造成的。試驗表明，隨著水壓的提高，霧粒速度顯著提高，提高水壓是提高水霧電荷值的重要途徑，這也是噴霧降塵取得最佳效果的原因所在。

噴霧灑水，不僅可以清除粉塵，而且可以溶解部分有害氣體，并能降低洞內(nèi)溫度，使空氣變得明凈清爽。目前隧道施工廣泛使用的乳化炸藥主要由氧化劑水溶液、燃料油、乳化劑、高熱劑等成分組成，爆炸后除產(chǎn)生高熱能外還生成大量氣體，其中部分對人體危害極大［7］，而利用霧化水微粒對有害氣體(如 CO2、NO2、SO2、NH3等)能起到凈化作用。大部分可同霧化水微粒反應(yīng)如下:

H2SO3、HNO3、H2SO4為中強酸和強酸，在隧道中對混凝土有腐蝕作用，所以迅速降低 CO2、NO2、SO2等氣體的濃度對保證混凝土的質(zhì)量有非常重要的作用。CO2、NO2、SO2、NH3溶于水并能與水起化學(xué)反應(yīng)，通過降塵站形成的水霧可迅速降低有毒有害氣體的濃度并隨隧道的排水系統(tǒng)迅速排出洞外。

1.2 水霧降塵的重點與控制措施

影響噴霧捕塵效率的因素有水霧的粒度、水霧噴射速度、含塵風(fēng)流的速度等。水滴霧化越充分，噴射速度越高，含塵風(fēng)流的速度越低，捕塵的效率也就越高。經(jīng)對各種參數(shù)的分析，水霧系統(tǒng)降塵效果的好壞與工作面液壓管路的壓力、噴嘴的放置方向、噴霧裝置距離工作面的距離以及通風(fēng)形成霧蔽帶的效果等因素密切相關(guān)［8-9］。

1)水壓:提高水壓，減少出水孔徑可增加噴射速度和霧粒的分散度，從而提高降塵效果。

2)噴嘴的放置方向:水粒與塵粒的相對速度決定粉塵與水粒的接觸效果，水粒速度越高則動能越大，與塵粒接觸有利于克服水的表面張力，將粉塵濕潤捕捉。為此將噴嘴迎風(fēng)向上45°方向設(shè)置，這樣可以加大水與塵粒的相對速度，有利于水霧覆蓋斷面，達到更好的除塵效果。

3)噴霧裝置距離工作面的距離:為了節(jié)約用水，減少對工作面生產(chǎn)的影響，同時又能取得更好的除塵效果，就必須把噴霧裝置放在適當(dāng)?shù)奈恢谩ｋx工作面遠，除塵效果會下降，不能滿足工程防塵的目的，使工作環(huán)境惡化;離工作面太近，則必須投入更多的物力，不但不經(jīng)濟而且并不一定能夠取得更好的除塵效果。經(jīng)試驗研究分析，選擇噴霧裝置離工作面的距離在30 m左右效果最佳。

2 消煙降塵系統(tǒng)的設(shè)置

2.1 消煙降塵系統(tǒng)的設(shè)置

降塵站可結(jié)合開挖臺車設(shè)置，也可在成洞段每100～150 m設(shè)置一處，開挖臺車一般設(shè)置在靠掌子面?zhèn)?，單獨設(shè)一φ40 mm鍍鋅鋼管接入高壓風(fēng)及高壓水，長度為臺車寬度，鋼管每20 cm鉆2 mm排霧孔2排，孔宜設(shè)計成垂直狀，以形成簾狀。臺車退出后、放炮前降塵站開啟，注意在打鉆清孔后有意識留存一定壓力高壓風(fēng)以形成水霧，同時確保臺車退讓距離，避免風(fēng)水管被砸壞。

成洞段降塵站構(gòu)成基本相同，主要由φ40鍍鋅鋼管架、高壓風(fēng)管、高壓水管、閘閥(高壓風(fēng)管設(shè)單向閥)、堵頭等組成。管架頂端在前后兩側(cè)各設(shè)一排排霧孔，孔宜設(shè)45°～60°上仰角以形成降塵區(qū)段。使用時在需要降塵區(qū)段開啟，一般在爆破后開啟2～3個降塵站即可滿足要求。注意高壓水壓力宜控制在0.7 MPa以下，高壓風(fēng)管應(yīng)設(shè)置單向閥，以免高壓水進入風(fēng)管中影響鉆眼。降塵站結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 降塵站結(jié)構(gòu)示意

2.2 配套設(shè)施

為有效減少運輸途中揚塵，保持路面的清潔濕潤，可在隧道內(nèi)注重于配套設(shè)施除塵降溫。如保證運輸路面平順(在打底板及填充時應(yīng)嚴格要求平整度);保持路面濕潤，減少運輸過程中的揚塵并降低洞內(nèi)溫度;隧道洞內(nèi)每100 m左右設(shè)置一沖洗用水接口，定期沖洗路面;并在一定距離及在通道口設(shè)置洗車槽，減少行走設(shè)備的灰塵。

利用高壓風(fēng)水形成的高壓水微粒區(qū)段能將90%以上的粉塵煙霧消減在掌子面附近，同時根據(jù)需要開設(shè)的多個降塵站點同時降塵，形成了掌子面制霧降塵(利用開挖臺車)—降塵站降塵—洗車槽、路面清洗降塵等配套形成的綜合降塵體系，有效達到隧道短距離內(nèi)消煙降塵的目的。

3 工程應(yīng)用

巖山隧道是貴廣線重點控制工程，巖山隧道平導(dǎo)設(shè)計長度為3 960 m，原設(shè)計為單車道輔助坑道，為加快出渣速度，提高工程進度，開挖后凈空尺寸調(diào)整為7.3 m(寬)×6.5 m(高)雙車道輔助坑道。

按照施組安排，平導(dǎo)及正洞口各設(shè)一臺2×110 kW通風(fēng)機，并根據(jù)施工進度情況設(shè)置抽風(fēng)及增壓設(shè)備。截至2010年5月底平導(dǎo)已開挖掘進2 700 m，1#橫通道于2 100 m處進入正洞，在施工中設(shè)置掌子面降塵站、綜合降塵站及洗車槽等配套設(shè)施，見圖2。

圖2 降塵站現(xiàn)場應(yīng)用

現(xiàn)場在掘進中多次進行了高壓風(fēng)與高壓水結(jié)合水微粒的噴高壓水霧試驗，取得效果如表1、表2所示。

表1 不同實施方案排煙時間比較

表2 現(xiàn)場使用情況與效果比較

現(xiàn)場應(yīng)用實踐表明，消煙降塵系統(tǒng)具有以下功效及特點:

1)實效性強，有效降塵率達90%以上，減少通風(fēng)時間，特別是長大隧道，可使施工中產(chǎn)生的煙塵在洞內(nèi)迅速消減。

2)符合環(huán)保、綠色、人文的理念，有效保障施工一線人員的身體健康。

3)投入少，經(jīng)濟合理，能極大地節(jié)省隧道通風(fēng)除塵的工程成本。

4)對通風(fēng)、空壓機等洞內(nèi)機械設(shè)備起到降塵保護的作用，節(jié)約維修檢查的費用。

5)制作簡單，使用方便，通過加掛裝飾小彩燈還能對洞內(nèi)環(huán)境起到亮化美觀的作用。

4 結(jié)論

采用消煙降塵系統(tǒng)更改以往抽排、壓排等通風(fēng)排煙方式，通過分析粉塵、有害氣體的源頭，利用開挖臺車、通道口等關(guān)鍵部位將絕大部分粉塵、有害氣體及時消減在作業(yè)通道內(nèi)。避免了煙霧等長時間污染作業(yè)面及通道，危害施工人員身體健康及耽誤作業(yè)時間，體現(xiàn)了人文施工理念，提高了施工效率。

消煙降塵系統(tǒng)在貴廣高速鐵路巖山隧道施工中的實踐應(yīng)用表明，該系統(tǒng)在降塵效率、排煙時間、改善洞內(nèi)施工環(huán)境等方面均取得了顯著效果，且制作簡單、操作方便，具有較高的經(jīng)濟和社會效益，有廣闊的應(yīng)用前景。

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