隧道內(nèi)機(jī)械化清篩作業(yè)通風(fēng)除塵方案設(shè)計(jì)

宮實(shí)俊，高春雷，何國華

(1．中國神華軌道機(jī)械化維護(hù)分公司，天津300457;2．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

隧道內(nèi)機(jī)械化清篩作業(yè)通風(fēng)除塵方案設(shè)計(jì)

宮實(shí)俊1，高春雷2，何國華2

(1．中國神華軌道機(jī)械化維護(hù)分公司，天津300457;2．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

應(yīng)用大型養(yǎng)路機(jī)械對鐵路隧道內(nèi)有砟道床清篩作業(yè)時(shí)，粉塵大，發(fā)動機(jī)廢氣濃度高，能見度低，嚴(yán)重影響作業(yè)質(zhì)量與效率，危害作業(yè)人員的健康及安全。本文針對以上問題，對一隧道進(jìn)行通風(fēng)除塵方案設(shè)計(jì)，采用濕式除塵方案，對除塵風(fēng)機(jī)的安裝位置和風(fēng)量進(jìn)行了理論計(jì)算分析，并建立了隧道通風(fēng)仿真計(jì)算模型，確定了隧道通風(fēng)風(fēng)機(jī)的較優(yōu)位置。

鐵路隧道 有砟軌道 機(jī)械化施工 通風(fēng) 除塵

1 概述

對于隧道內(nèi)有砟軌道的清篩施工，目前國內(nèi)以人工作業(yè)為主。人工清篩，由于施工人數(shù)多，環(huán)境差，清篩進(jìn)度慢，質(zhì)量差，安全保障困難。此外，通常需延長作業(yè)時(shí)間，影響運(yùn)輸秩序。在進(jìn)行隧道內(nèi)清篩機(jī)研發(fā)的同時(shí)，還需考慮在隧道內(nèi)機(jī)械化施工的大量粉塵以及發(fā)動機(jī)排放的廢氣無法及時(shí)擴(kuò)散的問題。由于施工環(huán)境粉塵大，發(fā)動機(jī)廢氣濃度高，能見度低，嚴(yán)重影響施工質(zhì)量、效率，危害施工人員的健康及安全［1］。因此對采用機(jī)械化施工的隧道進(jìn)行通風(fēng)除塵設(shè)計(jì)十分重要。本文以一隧道為例，進(jìn)行通風(fēng)除塵方案設(shè)計(jì)。

一隧道長度834 m，截面尺寸如圖1所示，截面積28.5 m2。

圖1 隧道截面(單位:cm)

在隧道內(nèi)清篩作業(yè)之前，要提前灑水降塵。清篩作業(yè)時(shí)要進(jìn)行起撥道、清篩、污土轉(zhuǎn)運(yùn)、新砟補(bǔ)充、線路搗固、通風(fēng)等工作，需要使用清篩機(jī)、搗固車、物料運(yùn)輸車、軌道車、平車、灑水車、通風(fēng)車等車輛。

2 濕式除塵方案

2.1 除塵機(jī)理

除塵是利用一定的外力作用使粉塵從空氣中分離出來的一個(gè)物理過程。使粉塵從空氣中分離的作用力主要有:

1)重力。氣流中的塵粒可以依靠重力自然沉降，從氣流中分離出來。但是，塵粒的沉降速度一般較小。這個(gè)機(jī)理只能用于粗大的塵粒。

2)離心力。當(dāng)含塵氣流作圓周運(yùn)動時(shí)，由于離心力的作用，塵粒和氣流會產(chǎn)生相對運(yùn)動，使塵粒從氣流中分離出來。這是旋風(fēng)除塵器的主要機(jī)理。

3)慣性碰撞。含塵氣流在運(yùn)動過程中，遇到物體的阻擋(如擋板、纖維、水滴等)時(shí)，氣流要改變方向進(jìn)行繞流，細(xì)小的塵粒會隨氣流一起流動。粗大的塵粒由于具有較大的慣性，它將脫離流線，維持自身的慣性運(yùn)動，塵粒將和物體發(fā)生碰撞。這種現(xiàn)象稱為慣性碰撞。慣性碰撞是過濾式除塵器、濕式除塵器和慣性除塵器的主要除塵機(jī)理。

4)接觸阻留。細(xì)小的塵粒隨氣流一起繞流時(shí)，如果流線緊靠物體(纖維或液滴)表面，有些塵粒與物體發(fā)生接觸而被阻留，這種機(jī)制稱為接觸阻留。當(dāng)塵粒尺寸大于纖維網(wǎng)眼而被阻留時(shí)，這種現(xiàn)象稱為篩濾作用。過濾式除塵器主要依靠篩濾作用進(jìn)行除塵。

5)擴(kuò)散。小于1 μm的微小粒子在氣體分子撞擊下，像氣體分子一樣作布朗運(yùn)動(懸浮微粒不停地做無規(guī)則運(yùn)動的現(xiàn)象)。如果塵粒在布朗運(yùn)動過程中和物體表面接觸，就會從氣流中分離，這種機(jī)理稱為擴(kuò)散。對于直徑dc≤0.3 μm的塵粒，這是一個(gè)主要的分離機(jī)理。濕式除塵器和袋式除塵器的分級效率曲線表明，當(dāng)dc=0.3 μm左右時(shí)，除塵器效率最低。因?yàn)樵赿c＞0.3 μm時(shí)，擴(kuò)散的作用還不顯著，而慣性的作用是隨粒徑的減小而減小，當(dāng)dc≤0.3 μm時(shí)，慣性不起作用，這時(shí)主要依靠擴(kuò)散作用，布朗運(yùn)動隨粒徑的減小而增強(qiáng)。

6)靜電力。懸浮在氣流中的塵粒，若帶有一定量的電荷，可以通過靜電力使它從氣流中分離出來。由于自然狀態(tài)下，塵粒的荷電量很小，因此，要得到較高的除塵效率，必須設(shè)置專門的高壓電場，使塵粒充分荷電。

7)凝聚。凝聚作用不是一種直接的除塵機(jī)理。通過超聲波、蒸汽凝結(jié)、加濕等凝聚作用，可以使細(xì)小塵粒凝聚增大，再用一般的除塵方法分離出來［2］。

在工程上常用的除塵器通常不是簡單地依靠某一種除塵機(jī)理，而是幾種除塵機(jī)理的綜合作用。

2.2 濕式除塵風(fēng)機(jī)

根據(jù)粉塵來源，清篩機(jī)作業(yè)時(shí)由扒掘、篩分、輸送等工序產(chǎn)生粉塵，主要集中在清篩機(jī)作業(yè)過程中。為此，可參照煤礦掘進(jìn)作業(yè)，選用礦用濕式除塵風(fēng)機(jī)在扒掘清篩過程中立刻除塵凈化空氣。濕式除塵風(fēng)機(jī)直接利用由葉輪高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流強(qiáng)化含塵空氣中的粉塵與水霧霧粒的沖突，提高對細(xì)微粉塵的捕獲率，使其得到充分混合并形成含塵液滴，由旋轉(zhuǎn)氣流產(chǎn)生的離心力將含塵液滴拋到內(nèi)筒壁上，經(jīng)通孔進(jìn)入夾層空腔，落入積水盒后被排出，從而實(shí)現(xiàn)捕獲氣載粉塵、凈化空氣的目的。濕式除塵機(jī)理涉及各種機(jī)理中的一種或幾種，主要是慣性碰撞、擴(kuò)散效應(yīng)、黏附、擴(kuò)散漂移和熱漂移、凝聚等作用［3］。其除塵功能完全利用空氣動力特性實(shí)現(xiàn)，不需要復(fù)雜的過濾裝置，徹底解決了現(xiàn)有產(chǎn)品在現(xiàn)場使用中因?yàn)V網(wǎng)堵塞所造成的一系列問題。除塵風(fēng)機(jī)具有除塵效率高、除塵系統(tǒng)阻力小、無需經(jīng)常維修等優(yōu)點(diǎn)，能滿足現(xiàn)場的需要。

濕式除塵機(jī)選型主要參數(shù)為處理風(fēng)量。處理風(fēng)量與清篩機(jī)作業(yè)斷面、作業(yè)速度有關(guān)，需要的最大處理風(fēng)量Q需按照下式計(jì)算

式中:VV為養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)速度，km/h;A為隧道橫斷面凈面積，m2。

濕式除塵需配備循環(huán)水系統(tǒng)，需要水泵及儲水箱等。水泵流量按照下式計(jì)算

式中:Q水為水泵流量，L/min;r為液氣比，取0.1 L/m3;Q風(fēng)為處理風(fēng)量，m3/min。

按每個(gè)天窗施工時(shí)間計(jì)算，則儲水箱容積V水為

式中:t為施工時(shí)間，h。

2.3 濕式除塵風(fēng)機(jī)安裝位置

由于濕式除塵風(fēng)機(jī)主要適用于粉塵比較集中的產(chǎn)塵作業(yè)點(diǎn)含塵空氣就地凈化，因此風(fēng)機(jī)應(yīng)安裝在清篩機(jī)的附近。清篩機(jī)行駛方向后端為松散道床線路，無法正常走行軌道車，而清篩機(jī)行駛方向前端需與物料運(yùn)輸車相連輸送污土［4］，因此，將濕式除塵風(fēng)機(jī)安放在清篩機(jī)行駛方向前端，與物料運(yùn)輸車相連的平車上。為達(dá)到最佳的除塵效果，將除塵風(fēng)機(jī)與前進(jìn)方向形成一個(gè)夾角擺放。

3 隧道通風(fēng)方案

對于運(yùn)營隧道的通風(fēng)，一般選用射流風(fēng)機(jī)。射流風(fēng)機(jī)是一種特殊的軸流風(fēng)機(jī)，主要用于公路、鐵路及地鐵隧道的縱向通風(fēng)系統(tǒng)中，提供全部的推力。也可用于半橫向通風(fēng)系統(tǒng)或橫向通風(fēng)系統(tǒng)中的敏感部位，如隧道的進(jìn)出口，起誘導(dǎo)氣流或排煙等作用。射流風(fēng)機(jī)是一種開放進(jìn)出口的特殊軸流風(fēng)機(jī)，在這種工作條件下風(fēng)機(jī)被設(shè)計(jì)為具有最高效率(高于運(yùn)行于具有一定靜壓的工作點(diǎn))。射流風(fēng)機(jī)對空氣的作用力，即通常所說的推力，與風(fēng)機(jī)支承受到的力等大、反向。風(fēng)機(jī)一般懸掛在隧道頂部或兩側(cè)，不占用交通面積，不需另外修建風(fēng)道，土建造價(jià)低。風(fēng)機(jī)容易安裝，運(yùn)行、維護(hù)簡單，是一種很經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)方式［5］。射流風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，將隧道內(nèi)的一部分空氣從風(fēng)機(jī)的一端吸入，經(jīng)葉輪加速后，由風(fēng)機(jī)的另一端高速射出。這部分帶有較高動能的高速氣流將能量傳送給隧道內(nèi)的其它氣體，從而推動隧道內(nèi)的空氣順風(fēng)機(jī)噴射氣流方向流動。當(dāng)流動速度衰減到一定程度時(shí)，下一組風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作。這樣，就實(shí)現(xiàn)了從隧道的一端吸入新鮮空氣，從另一端排出污濁空氣的目的。

隧道的機(jī)械通風(fēng)方式分為全橫向通風(fēng)、半橫向通風(fēng)及縱向通風(fēng)。目前隧道通常采用單向雙洞的形式，為了充分利用交通風(fēng)，長大隧道普遍采用縱向通風(fēng)的方式［6-7］。隧道縱向通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算主要分為3個(gè)步驟:①根據(jù)隧道通行車輛組成，計(jì)算CO、煙霧等污染物散發(fā)量，進(jìn)而根據(jù)隧道通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，分別確定隧道稀釋CO、煙霧和異味需風(fēng)量，同時(shí)要考慮作業(yè)人員呼吸新鮮風(fēng)量需求及洞內(nèi)允許最小風(fēng)速，綜合考慮以上因素，取最大值作為隧道所需通風(fēng)量;②根據(jù)隧道所需通風(fēng)量計(jì)算通風(fēng)阻抗力、交通通風(fēng)力、自然風(fēng)阻力，確定射流風(fēng)機(jī)總的升壓力;③由隧道所需總的升壓力和單臺射流風(fēng)機(jī)升壓力確定射流風(fēng)機(jī)型號、臺數(shù)及布置方式。

3.1 施工工作面通風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)我國多年來隧道施工經(jīng)驗(yàn)，洞內(nèi)供風(fēng)量的計(jì)算應(yīng)從以下三個(gè)方面考慮，分別計(jì)算出各種情況下的的通風(fēng)量，取其最大值作為工作面所需風(fēng)量。

1)按洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算

式中:L1為洞內(nèi)通風(fēng)量，m3/min;q為每人每分鐘呼吸所需空氣量，通常取3 m3/(min·人);m為洞內(nèi)同時(shí)工作的施工人員數(shù)量;k為風(fēng)量備用系數(shù)，一般取1.15。

隧道施工總?cè)藬?shù)按100人計(jì)算，含管理及防護(hù)等80名配合人員。則L1=3×100×1.15=345 m3/min。

2)按稀釋內(nèi)燃設(shè)備廢氣計(jì)算所需風(fēng)量

式中:q內(nèi)為內(nèi)燃機(jī)每1 kW功率所需要的風(fēng)量，通常取3 m3/(min·kW);N為洞內(nèi)同時(shí)工作的內(nèi)燃機(jī)功率，kW。

隧道清篩作業(yè)時(shí)車輛編組如下(按車輛行駛方向從后往前):1臺清篩機(jī)、2臺物料運(yùn)輸車、1臺平車(用于安裝濕式除塵風(fēng)機(jī))。隧道入口處放置1臺軌道車及1臺平車，用于安裝通風(fēng)裝置。則L2=3×(224+ 2×70+3×60)=1 632 m3/min。

3)按洞內(nèi)允許最小風(fēng)速計(jì)算

根據(jù)施工通風(fēng)時(shí)洞內(nèi)允許最小風(fēng)速計(jì)算通風(fēng)量，按下式計(jì)算

式中:vmin為最小允許風(fēng)速，取0.25 m/s。

取以上允許風(fēng)量最大值，得出通風(fēng)設(shè)計(jì)量，即風(fēng)量L=1 632 m3/min，則隧道風(fēng)速V1=L/(60A)=1 632/ (60×28.5)=0.954 m/s。

3.2 隧道內(nèi)的阻力計(jì)算

隧道中的摩擦阻力損失主要組成［8］如下。

1)隧道進(jìn)出口的阻力。隧道進(jìn)出口的阻力通常取隧道內(nèi)空氣動壓的1.5倍，即Pen，ex=1.5ρV21/2。其中，ρ為氣體密度，取1.22 kg/m3。則Pen，ex=0.833 Pa。

2)車輛對空氣的阻力Pdrag=Avρ(V1－Vv)2/ (2A)。其中，Av為養(yǎng)路機(jī)械等效阻抗面積，取15 m2; Vv為養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)速度，取500 m/h(0.14 m/s)。則Pdrag=0.213 Pa。

3)隧道內(nèi)表面的沿程阻力PL=ρV21fL/(2Dh)。其中，f為摩擦阻力系數(shù)，f=0.02～0.04，一般取0.025; L為隧道的長度，取834 m;Dh為隧道截面的當(dāng)量直徑，Dh=4×截面積/斷面周長=4×28.5/19=6 m。則PL=1.929 Pa。

隧道中總的阻力損失PT=Pen，ex+Pdrag+PL= 2.975 Pa，則隧道中射流風(fēng)機(jī)所需克服的總推力TT= PTA=85 N。

3.3 射流風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)風(fēng)量(1 632 m3/min)及所需總推力(85 N)，并考慮到風(fēng)機(jī)布置和通風(fēng)效率，選擇2臺風(fēng)量為846 m3/min的射流風(fēng)機(jī)，總風(fēng)量為1 692 m3/min。

3.4 系統(tǒng)仿真

3.4.1 仿真模型建立

兩臺風(fēng)機(jī)距隧道入口10 m，風(fēng)機(jī)布置如圖2所示，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速32.6 m/s，清篩機(jī)車隊(duì)距隧道入口60 m。

圖2 風(fēng)機(jī)布置(單位:cm)

采用有限元分析前處理軟件Gambit建立仿真模型，并沿縱向1 m劃分1個(gè)單元格。

3.4.2 仿真數(shù)據(jù)分析

采用仿真軟件FLUENT 6.3建立湍流k－ξ黏性模型加以分析，仿真計(jì)算迭代308步后收斂。

1)隧道中的風(fēng)速分布

圖3為隧道高度1.0，3.0，5.5 m的軸線風(fēng)速分布?？梢?隧道內(nèi)的風(fēng)速在風(fēng)機(jī)出口處最高，之后風(fēng)速逐漸降低，在距風(fēng)機(jī)出口約20 m降到3.2 m/s左右，之后穩(wěn)定在3.2 m/s;在作業(yè)車隊(duì)所處平面內(nèi)，風(fēng)被遮擋，周圍風(fēng)速加快，風(fēng)速約6 m/s。

圖3 隧道截面不同高度的軸線風(fēng)速分布

2)隧道風(fēng)向

圖4為清篩機(jī)處隧道截面速度矢量圖?？梢姡L(fēng)向均沿車輛行駛方向，氣流未因作業(yè)車隊(duì)的遮擋而形成渦流，該風(fēng)機(jī)布置不會將作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的粉塵卷起。

3)隧道風(fēng)壓分布

隧道的靜壓、動壓分布分別見圖5、圖6。可見，風(fēng)機(jī)前后存在一個(gè)靜壓和動壓的壓力跳躍。在風(fēng)機(jī)前方，動壓迅速降低，靜壓逐漸增大，整個(gè)過程為動能向勢能的轉(zhuǎn)化。空氣靜壓在距風(fēng)機(jī)約30 m處達(dá)到最大之后逐漸降低，可見風(fēng)機(jī)的影響距離約為30 m。

圖4 清篩機(jī)處隧道截面速度矢量圖(單位:m/s)

圖5 隧道高度1，3，5.5 m截面處的風(fēng)機(jī)靜壓

圖6 隧道軸線風(fēng)機(jī)動壓

3.4.3 仿真結(jié)果

1)在隧道口，預(yù)置的通風(fēng)風(fēng)機(jī)安裝在平車兩側(cè)，不會卷起作業(yè)車隊(duì)清篩過程中產(chǎn)生的粉塵。

2)通風(fēng)風(fēng)機(jī)影響距離約為30 m，應(yīng)將其布置在清篩區(qū)域30 m內(nèi)。

3.5 射流風(fēng)機(jī)安裝位置

通過對單線隧道的仿真計(jì)算可知，清篩作業(yè)時(shí)，需要在清篩機(jī)后面30 m內(nèi)固定一平車，放置射流風(fēng)機(jī)。由于清篩機(jī)、搗固車等養(yǎng)路機(jī)械的遮擋，將影響隧道的通風(fēng)效果。另外，由于隧道高度的限制，如將射流風(fēng)機(jī)架高安裝，將與除塵風(fēng)機(jī)產(chǎn)生重合區(qū)域，會造成除塵效果減弱，因此，降低射流風(fēng)機(jī)安裝位置，將其安裝于平車兩側(cè)，將有利于隧道通風(fēng)及避免影響除塵風(fēng)機(jī)除塵［9-10］。射流風(fēng)機(jī)布置立面圖見圖7，截面圖參見圖2。

圖7 射流風(fēng)機(jī)布置立面圖

4 結(jié)語

在鐵路隧道內(nèi)清篩養(yǎng)護(hù)作業(yè)時(shí)強(qiáng)制采取機(jī)械通風(fēng)除塵措施，在一定程度上能去除施工環(huán)境粉塵、稀釋發(fā)動機(jī)廢氣濃度，從而提高作業(yè)時(shí)的能見度及工作效率，更好地保障施工人員的健康及安全。本文對一鐵路隧道進(jìn)行清篩養(yǎng)護(hù)作業(yè)時(shí)的通風(fēng)方案進(jìn)行了理論計(jì)算和方案設(shè)計(jì)，并建立了隧道通風(fēng)模型予以仿真分析。由理論計(jì)算和仿真分析結(jié)果可知，將隧道口預(yù)置的通風(fēng)風(fēng)機(jī)安裝在平車兩側(cè)不會卷起作業(yè)車隊(duì)清篩過程中產(chǎn)生的粉塵，隧道通風(fēng)風(fēng)機(jī)的安裝位置應(yīng)布置在清篩區(qū)域30 m內(nèi)。

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(責(zé)任審編李付軍)

U216.6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．36

1003-1995(2015)03-0130-04

2014-09-01;

2014-11-05

宮實(shí)俊(1974—)，男，山西繁峙人，工程師。