地鐵開挖初期支護階段導洞內粉塵顆粒物特性研究*

吳玉鵬 周翠紅 王建宏# 馮利華 王彥瑩

(1.北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院，北京 100124；2.北京石油化工學院機械工程學院，北京 102617；3.中鐵一局集團第二工程有限公司，河北 唐山 063000)

隨著我國經(jīng)濟建設的推進，大力發(fā)展城市軌道交通對緩解城市交通壓力有著重要意義[1]。與此同時，地鐵施工中產(chǎn)生的粉塵嚴重影響了施工人員健康[2]，而其中PM2.5、PM10由于可被吸入肺泡，對人體危害更加嚴重[3-5]。長期暴露在高濃度顆粒物下會引起心血管疾病和肺損傷等[6-7]。有研究表明，施工揚塵已經(jīng)成為城市大氣顆粒物的主要來源[8-9]。隧道施工顆粒物主要來源于焊接、錨噴等工藝，不同施工技術下的粉塵污染也不相同[10]。暗挖法因其操作環(huán)境相對封閉，產(chǎn)生的顆粒物不易排出，會導致地下施工環(huán)境惡劣[11]。國內外對地鐵施工環(huán)境顆粒物的研究多是針對顆粒物釋放源。趙文彬等[12]21通過對錨噴機受力分析的研究，運用相關流體力學知識提出錨噴產(chǎn)塵的4種方式；CHEN等[13]對比了現(xiàn)存的3種錨噴機(干噴、濕噴、混合噴)的運行方式，闡述了錨噴機的產(chǎn)塵機理。此外，通風系統(tǒng)是隧道施工的一個重要組成部分[14]，隧道施工通風通常采用壓入式、抽出式或混合式[15]。DIEGO等[16]模擬了在一個密閉的環(huán)境下進行通風時空間壓力的變化。在顆粒物接觸水平方面，現(xiàn)在的研究主要集中在地鐵投入運行后乘客的暴露水平。KAM等[17]對比了洛杉磯地面和地下地鐵系統(tǒng)乘客的暴露水平；PARK等[18]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡預測了首爾大都會PM10含量。

綜上所述，當今對地鐵施工過程中產(chǎn)生的顆粒物研究很少，本研究針對工期長、工種多、施工人員工作時間長的初期支護(以下簡稱初支)階段進行研究，對導洞內產(chǎn)生的污染物種類進行檢測，再將其中成分超標的污染物進行單獨研究，最后建立車站模型，使用數(shù)值計算軟件Fluent進行模擬以揭示區(qū)域粉塵難以擴散的原因。此研究能為地鐵車站隧道施工污染物治理提供有益參考。

1 儀器與方法

1.1 實驗儀器

實驗所用儀器主要包括：AKFC-92A礦用粉塵采樣器；FC-1A粉塵采樣器；GXH-3011A便攜式紅外CO分析器；ZC-Q便攜大氣采樣器；8530桌上型粉塵測定儀。

1.2 實驗方法

實驗地點選擇北京某個在建的地鐵暗挖車站，將地鐵按施工內容不同分4個區(qū)域：上料區(qū)域位于負2層錨噴主機處；噴射區(qū)域位于負3層站臺層錨噴機噴槍旁；焊接區(qū)域位于負2層；公共區(qū)域也位于負2層，此處施工人員較多，作業(yè)內容多樣(土方開挖、裝運出渣、鋼筋固定等)。對地鐵常見的空氣污染物進行檢測，檢測項目有總粉塵、呼吸性粉塵、汞、二氧化氮、二氧化硫、鎳、二氧化錫、一氧化碳、砷、溶劑汽油、鉛煙、鎘、鉻、銻、銅煙、錳，共采集126個樣品，然后根據(jù)一系列職業(yè)衛(wèi)生標準和工作場所空氣有毒物質測定標準，對樣品中的粉塵和有毒物質進行測定。

經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，總粉塵和呼吸性粉塵濃度過高，需對粉塵進行進一步研究。實驗布點如圖1所示，在車站主體150 m范圍內進行布點，共布置55個點位，分別在每個點位距地面1.4 m處測定PM2.5和PM10。

圖1 測量點位布置Fig.1 Measurement point layout

2 結果與分析

2.1 不同區(qū)域污染物分析

基于樣品分析結果，根據(jù)式(1)計算污染物時間加權平均容許濃度(PC-TWA，以質量濃度計)。1個工作日的工作時間按8 h計，若不足8 h仍以8 h計。

CTWA=(C1T1+C2T2+…+CnTn)/8

(1)

式中：CTWA為PC-TWA，mg/m3；C1～Cn為監(jiān)測到的某一污染物不同質量濃度，mg/m3；n為不同濃度總計個數(shù)；T1～Tn為C1～Cn下相應的持續(xù)接觸時間，h。

污染物PC-TWA分布見表1。不同區(qū)域內的粉塵濃度有較大差異，其中上料區(qū)域總粉塵(水泥粉塵)PC-TWA為97.05 mg/m3。公共區(qū)域和焊接區(qū)域鉛煙和銅煙濃度總體高于上料區(qū)域和噴射區(qū)域，這是因為鉛煙和銅煙主要由焊接產(chǎn)生，公共區(qū)域在焊接區(qū)域的下風向位置，因此焊接區(qū)域產(chǎn)生的鉛煙和銅煙會隨著氣流擴散到公共區(qū)域，使得這兩個區(qū)域的鉛煙和銅煙濃度較高。上料區(qū)域和噴射區(qū)域總粉塵(水泥粉塵)和呼吸性粉塵(水泥粉塵)的濃度均超過標準限值，其他污染物均未超標，其中二氧化氮、一氧化碳、溶劑汽油、錳的濃度波動較大。

表1 不同區(qū)域各污染物PC-TWATable 1 PC-TWA of pollutants in different regions mg/m3

將二氧化氮、一氧化碳、溶劑汽油、錳濃度進行相關性分析，結果發(fā)現(xiàn)，錳與二氧化氮相關性只有0.21，與一氧化碳的相關性為-0.22；而一氧化碳與二氧化氮的相關性為0.79，相關性較強，這兩種氣體主要由焊接作業(yè)產(chǎn)生且都屬于氣態(tài)污染物，在導洞內擴散規(guī)律相似。

2.2 工況對PM2.5和PM10的影響

為探究地鐵開挖初支階段不同工況產(chǎn)生的PM10和PM2.5濃度，取施工面附近點位所測的連續(xù)5 d的PM10和PM2.5進行分析。

如圖2所示，不同工況產(chǎn)生的顆粒物濃度區(qū)別很大，噴射混凝土、格柵架設、土方開挖時PM10分別為25.70～31.30、7.46～11.40、2.29～2.60 mg/m3，PM2.5分別為17.20～25.90、7.00～10.10、1.93～2.19 mg/m3。噴射混凝土時顆粒物濃度范圍波動很大，主要是因為在噴射混凝土過程中，粉塵顆粒的產(chǎn)生及運動過程相當復雜，同時與噴射物料中粉塵的性質和噴射工藝有很大關系[12]23；格柵架設時產(chǎn)生的顆粒物濃度波動主要跟焊接時長有關；土方開挖時產(chǎn)生的顆粒物濃度波動范圍較小。我國暫未制定職業(yè)場所顆粒物接觸限值，但是顆粒物濃度遠遠超過《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095—2012)中二類環(huán)境空氣功能區(qū)PM10、PM2.5的24 h平均限值(0.150、0.075 mg/m3)。

圖2 不同工況下PM10和PM2.5質量濃度Fig.2 PM10 and PM2.5 concentration under different working conditions

統(tǒng)計不同工況下PM2.5/PM10(質量比)，結果見圖3。3種工況PM2.5/PM10均在0.5以上，說明在施工過程中產(chǎn)生的PM10中，PM2.5占主導，可見PM2.5的防治是以后主要研究方向。后文的數(shù)值模擬也著重圍繞PM2.5展開。格柵架設的PM2.5/PM10最高，基本在0.9以上，土方開挖其次，噴射混凝土最低但波動最大。顆粒物粒徑越小，沉降速度越慢，在空氣中懸浮時間越長，因此施工時需要靠輔助通風或者除塵設備來降低隧道內粉塵含量。

圖3 不同工況下PM2.5/PM10Fig.3 PM2.5/PM10 under different working conditions

注：圖中A、B均表示等值線密集處；箭頭指示顆粒物主要流動方向。圖4 顆粒物平均質量濃度分布云圖Fig.4 Average particulate matter concentration distribution contour map

2.3 污染物總體分布

由于在實際施工過程中污染物來源復雜，有時會出現(xiàn)混凝土噴射效果不好需要補噴、局部焊接的情況。分別取PM2.5和PM10平均值繪制等值線云圖，結果見圖4。A點處的等值線比B點處更密集，這是因為A點附近有2號豎井，豎井與外界大氣連通使得附近污染物容易擴散，因此顆粒物濃度衰減很快。由圖4還可以看出，顆粒物主要沿箭頭方向流動，是因為該車站施工區(qū)域內有3個豎井，豎井之間形成循環(huán)氣流影響顆粒物的濃度分布。施工現(xiàn)場的通風采用的是壓入式通風，該通風方式只能驅散小范圍內的顆粒物且效果不佳。豎井間形成的自然氣流可以作為地下通風的動力，這種自然氣流也會對粉塵有一定的去除作用，由于其只依靠自然風而不需要能耗，可能會是未來地鐵施工通風的發(fā)展方向[19]。

3 數(shù)值模擬

3.1 計算模型

利用Fluent對隧道內的粉塵擴散分布進行模擬。地鐵施工過程中粉塵的擴散屬于氣固兩項流，采用離散相模型(DPM)描述顆粒物的運動。直接對流體相求解N-S方程，離散相通過計算流場中粒子運動得到。采用標準模型模擬三維湍流，創(chuàng)建離散相噴射源求解耦合流動。RNGk—ε模型是基于N-S方程重整化群分析理論提出的，具有廣泛的通用性，尤其適用于旋流的模擬，因此選擇RNGk—ε模型模擬隧道內部粉塵流動情況。

3.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

對車站進行建模并對粉塵流動情況進行Fluent模擬，因實際施工過程中工況較為復雜，往往伴隨著多個工況同時施工，為了提高模擬精度，此次模擬僅針對錨噴作業(yè)進行時粉塵的釋放和擴散規(guī)律。圖5為車站1號豎井和2號豎井之間的隧道模型，為了使計算數(shù)據(jù)在網(wǎng)格間精準傳遞，布置六面體網(wǎng)格，該模型右側為進風口，左側為出風口，中間半弧形圓柱為塵源(即施工面)。

圖5 車站隧道模型Fig.5 Station tunnel model

3.3 數(shù)值模擬結果分析

繪制距隧道地面1.4 m水平面PM2.5分布，結果見圖6。PM2.5主要集中在施工面附近，隨著施工的進行隧道內PM2.5濃度不斷上升，再隨著進風口的風流逐漸擴散到施工隧道其他區(qū)域，圖中標記部分雖然距離施工面有一定距離但卻出現(xiàn)了較高PM2.5濃度，且在該區(qū)域附近PM2.5出現(xiàn)了明顯的濃度斷層。圖7展示了施工面附近速度流線和PM2.5分布，PM2.5主要集中在距離施工面較近的前兩個弧形拱洞區(qū)域內。這是因為頂部的弧形結構導致了氣流漩渦的存在，使PM2.5在此處聚集而難以擴散，這也能解釋圖6標記區(qū)域的現(xiàn)象。因此，目前的隧道結構不利于PM2.5的擴散，在實際施工中應充分考慮這一因素。

圖6 距隧道地面1.4 m水平面的PM2.5分布Fig.6 Distribution of PM2.5 concentration in the horizontal plane 1.4 m from the tunnel ground

圖7 施工面附近速度流線和PM2.5分布云圖Fig.7 Velocity streamline diagram and dust concentration cloud diagram near the construction surface

取污染源同側距離墻壁2 m且高1.4 m處，繪制監(jiān)測和模擬的PM2.5濃度圖，結果見圖8。監(jiān)測與模擬的PM2.5濃度變化規(guī)律基本相同，驗證了模型的可行性。0～15 m處，PM2.5濃度下降速率較快；15～35 m處，PM2.5濃度有上下波動；35 m之外，PM2.5又開始平穩(wěn)降低。因此在15～35 m區(qū)域內應當增加額外的輔助通風或者除塵設備。

圖8 監(jiān)測與模擬的PM2.5質量濃度Fig.8 Monitoring and simulation of PM2.5 concentration

4 結論與建議

地鐵有修建工期長、施工環(huán)境復雜、施工環(huán)境惡劣的特點，長期暴露在高濃度污染物下會對施工人員健康造成危害。本研究基于北京某地鐵車站開挖初支階段導洞內污染物檢測結果與粉塵顆粒物特性，得出以下結論與建議：

(1) 分別在地鐵施工的4個區(qū)域內進行污染物檢測，發(fā)現(xiàn)總粉塵(水泥粉塵)和呼吸性粉塵(水泥粉塵)含量超標，噴射混凝土產(chǎn)生的PM10和PM2.5濃度最大，為了降低噴射混凝土造成的污染可以使用濕噴工藝或者采用機械上料的方式以減少人工操作，降低對人的危害。

(2) 通過對比不同工況下PM2.5/PM10可知，開挖導洞時3種工況的PM2.5/PM10均大于0.5。格柵架設時的PM2.5/PM10基本在0.9以上，因此相對于噴射混凝土所產(chǎn)生的顆粒物更難沉降，需要借助輔助通風或者除塵設備來降塵。

(3) 模擬和監(jiān)測的PM2.5濃度變化規(guī)律基本一致，隨著距離的增加PM2.5濃度出現(xiàn)先迅速下降再波動最后再降低的過程，隧道結構對粉塵擴散有較大影響。