爆破作業(yè)對高海拔隧道CO及粉塵擴散的影響規(guī)律探究

鄒宗良 胡學兵 袁野 陳建忠

(1.西藏自治區(qū)交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督局，西藏 拉薩 850000；2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

隨著我國隧道工程快速發(fā)展，職業(yè)健康逐漸受到重視，施工環(huán)境下隧道粉塵的擴散規(guī)律及防控措施成為研究熱點[1]。國外方面依托大量實際工程，在施工通風方面獲得了寶貴的工程經(jīng)驗和豐碩的科研成果。Mariano[2]通過研究表明，粉塵顆粒的慣性是影響粉塵動力學擴散的關(guān)鍵因素之一。Wang[3]通過對煤塵開展實驗，得出在邊界層里粉塵與氣相流速之間存在粉塵流速大于氣相流速的關(guān)系。Gidhagen[4]以風流和污染物為研究對象，開展通風系統(tǒng)數(shù)值模擬研究，得出穩(wěn)態(tài)下風流和污染物的運移規(guī)律。國內(nèi)方面，杜翠鳳[5]對煤礦混合式通風條件下的粉塵分布規(guī)律開展試驗，提出了降塵劑配方。趙軍喜[6]和蔚艷慶等人針對高海拔地區(qū)氣壓低且作業(yè)效率低等特點，對影響高海拔地區(qū)軸流風機的風壓與風量等多種因素展開分析，得出通風輔助措施以適應隧道施工。譚聰在兩相流理論基礎(chǔ)上分析了影響礦井工作面粉塵分布的因素。苑郁林等研究了高海拔隧道施工通風特點及其對施工組織的制約性。謝尊賢[10]研究了高原隧道機械施工時有害氣體排放特性，探討了相應施工作業(yè)環(huán)境下的衛(wèi)生標準。茍紅松分析了高海拔地區(qū)隧道施工通風風量計算及風機選型。

在高海拔地區(qū)，存在空氣密度小、大氣壓力低、環(huán)境溫度低、氧氣濃度低等特點，通風環(huán)境尤為重要，而目前針對相關(guān)高海拔地區(qū)隧道有害氣體及粉塵運移特性的研究開展較少。本文結(jié)合西藏某高海拔隧道實際工程，利用監(jiān)測儀器現(xiàn)場測定爆破工序產(chǎn)生的CO及粉塵濃度，分析了隧道內(nèi)CO和粉塵擴散規(guī)律，對比了采取控制措施前后CO和粉塵的濃度分布情況。

一、隧道施工有害氣體及粉塵產(chǎn)生機理

粉塵在隧道施工過程時刻存在。隨著各作業(yè)工序循環(huán)推進，一些已經(jīng)散落地面的粉塵容易被氣流再次吹起，懸浮于空氣中，使整個隧道產(chǎn)生粉塵二次污染。此外，出渣運輸過程將渣土倒入卡車中，也會擾動粉塵飛揚。目前，從粒徑角度對粉塵的分類如下：

粗塵：直徑≥40μm，相當于一般篩分的最小粒徑，能夠依靠其自身重力沉降。

細塵：40μm＞直徑≥10μm，在明亮光線下肉眼看見，在空氣中以重力沉降為主，也能依靠自身重力在空氣中加速沉降。

微塵：10μm＞直徑≥0.25μm，用光學顯微鏡可以觀察，由于自身所受浮力約等于重力，使粉塵勻速沉降。

超微粉塵：直徑＜0.25μm，需用電子顯微鏡才能觀察到，由于自身所受浮力大于重力，使得粉塵在空氣中做布朗運動。

不同類型的粉塵對人體造成的危害各不相同，粉塵根據(jù)其對人體的危害程度分為呼吸性、非呼吸性粉塵和全塵。呼吸性粉塵是指粒徑在7μm以下的粉塵，能沉積于肺泡，對人體危害很大，是引起塵肺病的主因。而非呼吸性粉塵的粒徑大于7μm，大部分可通過自然沉降而消失掉。

另外，隧道內(nèi)缺氧會使燃燒不充分，產(chǎn)生有害氣體，如CO、NO等，進一步加劇隧道內(nèi)空氣環(huán)境的污染，嚴重威脅工作人員的身體健康，因此除了粉塵以外，對隧道內(nèi)有害氣體的監(jiān)測也十分重要。

二、高海拔隧道有害氣體及粉塵監(jiān)測方案

以監(jiān)控西藏某高速公路隧道施工過程中的粉塵為例，址區(qū)海拔為4100m～4500m，隧道長度6300m，沒有斷裂構(gòu)造，采用復合式襯砌。該隧道為雙向四車道高速公路隧道，隧道內(nèi)最大縱坡為±3%，地區(qū)起伏較大，山高坡陡，沖溝發(fā)育，沖溝走向以東西為主，地表為剝蝕深切形成的低山丘陵地貌，地面相對切割深度190m，基巖大面積裸露地表。隧道埋深59.59m～69.38m，隧道設(shè)計最大開挖寬度18m。

由于工程地處高海拔地區(qū)，具有氣溫低、氣壓低、氧分壓低等特點，若不能有效控制鉆爆法施工過程中的污染物，會加劇其對人的危害。此次監(jiān)測主要針對爆破過程中的CO和粉塵擴散開展。

粉塵監(jiān)測儀采用粉塵濃度傳感器，基于粉塵的散射光強正比于粉塵質(zhì)量濃度的原理，采用相應儀器如激光器和光電倍增管開展紅外激光照射，并轉(zhuǎn)換成電信號，由此計算粉塵的質(zhì)量濃度。CO監(jiān)測采用便攜式監(jiān)測儀，測點設(shè)置于隧道中線，在接近掌子面處0m～50m處，每隔5m設(shè)置一個測點，同時在接近掌子面100m～500m的洞身處，每隔100m設(shè)置一個粉塵測點，所有測點的監(jiān)測時間均為爆破后10min。

三、爆破作業(yè)有害氣體及粉塵擴散規(guī)律分析

CO濃度高低是隧道內(nèi)空氣優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一，尤其在高海拔地區(qū)，當氧氣不足時，CO濃度過高會嚴重威脅隧道內(nèi)工作人員的健康。爆破后掌子面附近的CO濃度分布如圖1所示。

由圖1可以看出，爆破后距離掌子面50m范圍內(nèi)的CO濃度都較高，最大接近330mg/m3，《公路隧道施工規(guī)范》對CO最大允許濃度為30mg/m3，當CO濃度達292.5mg/m3時，可使人在吸入3小時后產(chǎn)生嚴重的頭痛、眩暈等癥狀，因此爆破后接近掌子面附近的CO濃度嚴重超標，工作人員應當佩戴防護設(shè)備，同時需要采取相應措施控制CO濃度。

圖1 爆破后掌子面附近CO濃度分布

高海拔缺氧的環(huán)境也會加劇粉塵對人體的危害，爆破后掌子面附近及洞身部分粉塵濃度分布如圖2所示。

圖2 隧道粉塵濃度分布圖

由圖2可以看出，爆破產(chǎn)生的粉塵濃度較高，全塵濃度高達320mg/m3，呼吸性粉塵濃度也高達283mg/m3。從縱向上看，全塵與呼吸性粉塵濃度的變化趨勢大致保持一致，并隨掌子面間距增大呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。在100m～500m的范圍內(nèi)粉塵濃度逐漸降低，并趨于穩(wěn)定。此外，爆破后呼吸性粉塵所占比重較高，離掌子面0m～50m范圍內(nèi)平均比重為79%，而在100m～500m范圍內(nèi)，比重接近90%，原因是高海拔地區(qū)氣壓較小，隨著粉塵在隧道內(nèi)沿掌子面致回風處呈現(xiàn)出不同粒徑的粉塵沉降規(guī)律，即大顆粒粉塵在重力與阻力的作用下加速沉降，而小顆粒粉塵在空間中做布朗運動。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，該高海拔隧道需采取一定措施降低有害氣體和粉塵的濃度。通常采取該類措施需注意兩方面，一是減少產(chǎn)生有害氣體和粉塵作業(yè)的強度和總量；二是降低有害氣體和粉塵對人身健康造成的危害。主要措施包括：彌散式供氧、掌子面灑水、水封爆破、加強通風等?；诟吆０嗡淼朗┕きh(huán)境惡劣現(xiàn)狀，該隧道采取了水幕降塵和加強通風的方式，降低有害氣體和粉塵的濃度。采取措施后CO及粉塵監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3和圖4所示。

圖3 采取措施后掌子面附近CO濃度分布

圖4 采取措施后掌子面附近粉塵濃度分布

可以看出，采取水幕降塵和加強通風后，爆破后CO濃度大幅降低，粉塵濃度的降幅相對減小，但是呼吸性粉塵濃度的比重降低幅度有限，平均比重約63%。由此可見，掌子面附近CO和粉塵濃度均得到一定程度的控制，但濃度仍然較高，對人員有一定危害性，因此掌子面爆破現(xiàn)場施工人員應當佩戴防塵面具等防護設(shè)備，同時可考慮增加掌子面彌散供氧、水封爆破等方式降低CO和粉塵的濃度。

四、結(jié)語

本文研究了高海拔隧道爆破時CO和粉塵擴散情況，主要結(jié)論有：爆破后距離掌子面50m范圍內(nèi)的CO濃度較高，最大接近330mg/m3，接近掌子面附近的CO濃度嚴重超標；爆破產(chǎn)生的粉塵濃度最高，全塵濃度高達到320mg/m3，呼吸性粉塵濃度高達到283mg/m3，在隧道縱向全塵與呼吸性粉塵濃度變化趨勢相同，距掌子面增大呈現(xiàn)緩慢下降趨勢；爆破后呼吸性粉塵所占比重較高，離掌子面0m～50m范圍內(nèi)平均比重為79%，在100m～500m范圍內(nèi)比重接近90%；采取水幕降塵和加強通風后，CO濃度大幅降低，呼吸性粉塵比重降低，但總體上CO和粉塵濃度仍然較高，因此掌子面爆破現(xiàn)場施工人員應當佩戴防塵面具等防護設(shè)備，同時應增加掌子面彌散供氧、水封爆破等方式降低CO和粉塵濃度。