水霧包裹式隧道降塵技術(shù)試驗研究

王軼君，王飛，賈悅迪，潘衛(wèi)華，賀星醇，姚文輝

（1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065；2.長安大學，陜西 西安 710064）

0 引言

隧道爆破施工粉塵極大影響現(xiàn)場施工人員的健康與施工進度。如何快速有效降塵已成為當下相關學者研究的熱點課題。

金龍哲等［1］采用現(xiàn)場試驗方法研究了新型水炮泥對爆破降塵的影響；陳義剛等［2］依托峨漢高速公路大巖隧道研究了隧道霧化水幕降塵技術(shù)；王曉奎等［3］以花果山隧道為依托進行現(xiàn)場試驗，得出變頻射流風機可較好地抑制施工中的粉塵濃度；江俊杰［4］提出在開挖臺車上部設置噴霧降塵裝置，并依托米倉山隧道驗證了該技術(shù)方案的降塵效果；張穩(wěn)濤［5］提出壓入式風機向洞內(nèi)送風與軸流風機向外排氣相結(jié)合的隧道降塵技術(shù)方案；谷莉薇［6］以鄭家?guī)X1 號隧道為例，建議采用濕式鑿巖技術(shù)，且在爆破施工后及時對掌子面區(qū)域進行噴霧降塵；周伏虎等［7］基于長河壩隧道研究了V 字形水幕裝置的降塵效果；王祥等［8］以獨頭通風、降塵站、洗車槽組成隧道聯(lián)合降塵系統(tǒng)，通過巖山隧道驗證了該方案的優(yōu)越性；王樹軍［9］提出濕式鑿巖與水幕聯(lián)合降塵方案；陳志強［10］深入分析了隧道減塵、降塵、排塵、除塵與個體防護5 個方面；岳忠翔［11］將濕式鑿巖、水霧與內(nèi)燃機凈化聯(lián)合應用于半巖子隧道施工降塵技術(shù)中；張哲等［12］采用Fluent 軟件模擬了不同噴霧裝置的降塵效果；袁地鏡［13］采用AnsysCFX軟件對隧道內(nèi)粉塵與有害氣體的擴散規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究；孫忠強［14］以辛莊隧道為例，聯(lián)合采用水炮泥與汽水霧化系統(tǒng)進行降塵。

綜上，目前關于隧道施工降塵問題，研究成果較多。然而，關于爆破后煙塵的擴散規(guī)律研究較少，且存在降塵方式稍顯單一、降塵過程耗時較長的缺陷。

為此，本文依托云南轎頂隧道研究隧道爆破施工后煙塵氣體的基本擴散規(guī)律；提出“風筒水霧包裹式”與“車載水霧包裹式”兩種新型噴霧降塵技術(shù)方案；通過現(xiàn)場試驗研究兩種新型方案的降塵效果，以期為隧道施工降塵研究提供借鑒。

1 水霧包裹式降塵技術(shù)

1.1 風筒水霧包裹式降塵技術(shù)

風筒水霧包裹式降塵技術(shù)方案需結(jié)合隧道通風管道進行設置。對于壓入式通風軟管，需在原送風管出口處續(xù)接2 m 硬質(zhì)風管，如圖1 所示。霧化噴頭定位裝置的制作需依據(jù)硬質(zhì)風管尺寸進行，利用細鋼絲將霧化水噴射裝置固定于硬質(zhì)風筒的管口處，接入隧道內(nèi)既有高壓水，水壓不小于2.0 MPa。為提高降塵效率，噴射裝置宜布設在硬質(zhì)風管2/3 高度處，噴霧環(huán)直徑宜取硬風筒直徑的1/3～1/2，如圖2 所示。

圖1 風筒水霧包裹式降塵方案示意圖Figure 1 Dust reduction scheme of air duct water mist wrapped type

圖2 硬質(zhì)風管與霧化噴頭（單位:cm)Figure 2 Rigid air duct and atomizing nozzle （unit:cm)

當采用硬質(zhì)風管進行抽出式通風除塵時，可直接將噴射裝置安設于掌子面通風管的管口處。

風筒水霧式除塵裝置的基本原理：風筒內(nèi)部通風氣流首先將粉塵吹向掌子面，繼而霧化水噴射裝置將高壓水霧噴向掌子面，在掌子面區(qū)域達到集中降塵效果。該技術(shù)方案可充分利用洞內(nèi)原有通風設施與高壓水系統(tǒng)，達到快速降塵效果。隨著掌子面不斷掘進，只需接長軟風管便可重復使用。

1.2 車載水霧包裹式降塵技術(shù)

圖3 為車載水霧包裹式降塵技術(shù)方案示意圖。該方案由柴油發(fā)電機、水箱、多級增壓泵、高壓噴水裝置、兩臺便攜式軸流風機、主控裝置6 部分組成。兩臺軸流風機實現(xiàn)全斷面送風，將爆破粉塵集中吹向掌子面，噴霧設施在隧道橫斷面上形成一道水幕，達到在掌子面附近集中降塵的目的。

圖3 車載水霧包裹式降塵方案示意圖Figure 3 Dust reduction scheme of vehicle-mounted water mist wrapped type

軸流風機沿隧道軸向進行送風，主控裝置控制風量大小與送風角度。柴油發(fā)電機為軸流風機與增壓泵供電，高壓噴頭將水霧噴向隧道橫斷面方向，形成全斷面降塵水幕。主控裝置采用PLC，以其控制水管噴水量及噴射角度，通過現(xiàn)場調(diào)試達到最佳降塵效果。為了盡可能使得弧形水管所噴射出的水幕輻射于隧道全段面，水管平面宜與豎直平面存在一定傾角。通過現(xiàn)場試驗，傾角取15°。

采用車載水霧包裹式降塵技術(shù)方案時，降塵車輛應預先駛?cè)胨淼纼?nèi)部，并停留在隧道內(nèi)安全位置處。待爆破完成且掌子面安全后，即以倒退方式緩緩向掌子面方向推進，在距掌子面200 m 時（視煙塵情況而定）即開啟噴霧系統(tǒng)，倒退至距掌子面30～50 m 時完成一次包裹式除塵操作。繼而車輛緩緩向外行駛至初始噴水位置。依此類推，完成多個循環(huán)的降塵操作。

1.3 霧化水噴射裝置的設置研究

霧化水噴射裝置是風筒、車載水霧包裹式降塵系統(tǒng)的關鍵部位，其直接影響現(xiàn)場水霧的形成質(zhì)量，繼而影響隧道降塵效果。因此霧化水噴射裝置的設置非常重要。

（1） 避免水中雜質(zhì)

由于霧化噴頭的孔徑十分微小，水中雜質(zhì)極可能會堵塞噴頭，導致噴霧系統(tǒng)部分或全部失效。本研究在水泵入口處設置了過濾網(wǎng)，使得水在進入噴頭前便已除去了大顆粒雜質(zhì)，避免噴頭被堵塞。

（2） 選取合理的噴頭類型

在霧化方式上，考慮到旋轉(zhuǎn)式霧化噴頭具備結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、成本低廉、噴霧角度可調(diào)節(jié)、霧化效果好、霧滴分布均勻且不易堵塞的優(yōu)點，試驗中統(tǒng)一采用旋轉(zhuǎn)式霧化噴頭。從噴霧體形狀上，考慮爆破施工后隧道內(nèi)降塵范圍大、粉塵濃度高的特點，試驗時采用實心錐體噴頭。

（3） 確定適宜的霧化壓力

壓力越大，霧化效果越好，降塵效率越高。經(jīng)研究，1 MPa 水壓的降塵效率約為30%，3 MPa 時為70%，5 MPa 時可達80%［15-16］。綜合考慮多方影響因素，試驗在高壓水管端頭額外接入增壓泵，使噴霧系統(tǒng)的霧化壓力最終達到3.5 MPa。

（4） 選取適當?shù)膰婎^直徑

當噴霧壓力相同時，噴頭直徑不斷增加，霧粒直徑也隨之增大，霧粒粒度分布范圍也更廣，在噴嘴直徑為1.5 mm 時降塵效率達到最大值［17-19］，試驗中噴嘴直徑取1.5 mm。

（5） 確定適宜的噴頭數(shù)量

噴頭數(shù)量偏少會導致霧化水量不足，致使噴霧力度偏低，降塵效果不佳。若噴頭數(shù)量偏多則會致使霧化水顆粒重疊，且噴頭平均水壓減小，降低噴霧除塵效率。經(jīng)現(xiàn)場反復調(diào)試，風筒方案噴頭數(shù)量確定為20 枚，車載方案為38 枚。

2 現(xiàn)場試驗測試方案

2.1 依托工程概述

研究依托工程為在建的云南串佛高速公路轎頂隧道，其為雙洞單向單拱特長公路隧道，斷面尺寸采用半圓拱形，凈寬10.25 m，凈高5.00 m。圍巖基本為Ⅳ級，采用上下臺階鉆爆法進行施工。斜井處布置4臺132 kW 的軸流式風機，供左右線4 個掌子面進行壓入式通風降塵。筆者于2019 年7 月29 日—8 月5 日，集中進行現(xiàn)場降塵試驗，獲取了相應的測試數(shù)據(jù)。

2.2 現(xiàn)場測試方案布置

考慮爆破施工后粉塵主要集中于掌子面后方200 m 范圍內(nèi)，且掌子面后50 m 范圍內(nèi)存在大量爆破石渣而無法靠近，故以道路中心線為基準，在距掌子面50 m 位置處設置第1 個測試點，2～5 測試點距掌子面的距離分別為70 m、100 m、125 m、150 m。鑒于掌子面處粉塵濃度最大，再次以測試點1 為基準，左右各偏3 m 確定1-1、1-2 測點，共計7 個測點，如圖4所示?？紤]粉塵對施工人員健康的影響，測試儀器主機的架設高度取1.5 m。

圖4 現(xiàn)場測試點布置示意圖（單位:m)Figure 4 Layout of site test points(unit:m)

2.3 現(xiàn)場試驗方法

現(xiàn)場試驗時，試驗人員事先進入隧道內(nèi)部并臨時躲避于安全位置處，待爆破完成且掌子面安全后佩戴防毒面具，并在預先選定的測試位置處架設測試儀器，統(tǒng)一在爆破完成15 min 后進行測試。

對兩種水霧包裹式裝置的降塵效果進行現(xiàn)場試驗時，均需分別獲得隧道爆破后粉塵的初始分布規(guī)律，為降塵效果提供對比數(shù)據(jù)。

測試一組數(shù)據(jù)所需時間為5 min，此期間在0、2.5 min、5 min 時分別讀取一組數(shù)據(jù)，以均值作為此次測試的最終結(jié)果。相鄰兩次測試需設置5 min 間隔，以更換粉塵檢測儀的濾紙及凡士林。

2.4 現(xiàn)場試驗儀器

試驗人員在進行現(xiàn)場測試時，各小組分別配備4種測試儀器：CCHZ-1000 型粉塵檢測儀、四合一氣體檢測儀、DYM3 型空盒氣壓表、AR217 溫濕度表。

測試技術(shù)標準按《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3660—2020）［20］要求執(zhí)行：10%以上游離二氧化硅的粉塵，空氣中含量不得大于2 mg/m3；10%以下游離二氧化硅的礦物性粉塵，空氣中含量不得大于4 mg/m3。CO 體積分數(shù)為30×10-6，NO2體積分數(shù)不得超過5×10-6，CO2按體積計不得大于0.5%。

3 現(xiàn)場試驗結(jié)果分析

3.1 掌子面煙塵基本擴散規(guī)律

在隧道爆破施工后，無除塵措施掌子面后方區(qū)域縱、橫向特征位置處粉塵濃度的初始分布情況如圖5 所示。

圖5 縱、橫向試驗點粉塵濃度Figure 5 Dust concentration at longitudinal and transverse test points

由圖5 可以看出：

（1） 橫向特征位置處粉塵濃度整體要高于縱向。橫向中央特征位置粉塵濃度最高，兩端位置濃度略偏低，且右側(cè)濃度略低于左側(cè)，這是由于在掌子面右側(cè)存在通風風筒。3 處橫向特征位置處粉塵濃度測試的平均值為32.78 mg/m3，是粉塵允許濃度的8.19倍，可見掌子面處粉塵濃度極為嚴重。

（2） 對于縱向特征位置處粉塵濃度，其呈現(xiàn)出隨距掌子面距離的增加而逐步減小的趨勢。1～3 號特征位置處的粉塵濃度下降最為快速，4 號特征位置處于模板臺車后方，由于通風氣流的積聚效應，使該處粉塵濃度有所升高。5 號特征位置距掌子面距離較大，粉塵擴散對其影響較小。

圖6 為在隧道爆破施工后，掌子面區(qū)域縱、橫向特征位置處CO 體積分數(shù)的初始分布規(guī)律。

圖6 縱、橫向試驗點CO 體積分數(shù)Figure 6 CO concentration at longitudinal and transverse test points

由圖6 可以看出：

（1） 掌子面橫向特征位置處的CO 體積分數(shù)明顯高于縱向。3 處橫向特征位置處的CO 體積分數(shù)呈現(xiàn)“山”字形的分布形式。中央特征位置處體積分數(shù)最高，兩端體積分數(shù)略偏低，且右側(cè)體積分數(shù)略低于左側(cè)，這仍是由風筒影響所導致。3 處橫向特征位置處CO 體積分數(shù)均值為625.25×10-6，是允許體積分數(shù)的20.84 倍。

（2） 對于縱向特征位置，CO 體積分數(shù)呈現(xiàn)出隨距掌子面距離增加而逐步減小的趨勢。1～2 號特征位置處CO 體積分數(shù)分別為663.75、668.75×10-6，整體保持較高水平，2～4 號位置CO 體積分數(shù)呈現(xiàn)線性下降趨勢，直至4～5 號位置時已降至較低水平，其體積分數(shù)分別為222.5×10-6與237.5×10-6。

圖7 為掌子面區(qū)域縱、橫向特征位置處CO2體積分數(shù)的分布規(guī)律。

圖7 縱、橫向試驗點CO2體積分數(shù)Figure 7 CO2 concentration at longitudinal and transverse test points

從圖7 可以看出：

（1） CO2的體積分數(shù)分布規(guī)律基本與粉塵保持一致。橫向特征位置處的CO2體積分數(shù)水平明顯要高于縱向。中央特征位置體積分數(shù)略高于兩側(cè)，且其體積分數(shù)為0.182 1%，小于允許體積分數(shù)0.5%?？梢奀O2體積分數(shù)始終滿足施工要求。

（2） 縱向特征位置處的CO2體積分數(shù)，仍呈現(xiàn)出隨距掌子面距離增大而逐步減小的規(guī)律。1～3 號特征位置處的CO2體積分數(shù)呈現(xiàn)快速下降趨勢，4 號位置處CO2體積分數(shù)有所升高，這也是由于氣流積聚效應所導致。

圖8 為在隧道爆破施工后，掌子面附近區(qū)域O2體積分數(shù)的分布規(guī)律。

圖8 縱、橫向試驗點O2體積分數(shù)Figure 8 O2 concentration at longitudinal and transverse test points

由圖8 可知：縱、橫向特征位置處O2體積分數(shù)均為20.9%，大于允許體積分數(shù)20.0%。可見隧道內(nèi)O2體積分數(shù)也始終滿足施工要求。

3.2 風筒水霧包裹式除塵效果

為了對比風筒（車載）水霧包裹式技術(shù)方案的降塵效果，首先需獲取隧道爆破施工后，未采用水霧除塵時各特征位置處粉塵濃度的初始分布情況。

圖9 為采用風筒水霧裝置進行降塵前，橫向特征位置處粉塵濃度的初始分布情況。中央位置處粉塵濃度最高為18.5 mg/m3，是容許濃度的4.64 倍。

圖9 橫向特征位置粉塵初始濃度Figure 9 Initial dust concentration at transverse characteristic position

圖10 為縱向特征位置處粉塵濃度的初始分布情況。隨距掌子面距離的增加，粉塵濃度逐步下降。1～5 號位置的粉塵濃度分別是容許濃度的4.46、3.94、4.82、2.62 及2.18 倍。

圖10 縱向特征位置粉塵初始濃度Figure 10 Initial dust concentration at longitudinal characteristic position

在圖9、10 初始工況基礎上，采用風筒包裹式降塵技術(shù)方案。在降塵10 min 后，縱向特征位置處粉塵濃度的分布情況如圖11 所示。整體上看，隨著與掌子面距離的逐步增大，風筒水霧包裹式裝置的降塵效果逐步降低，這是因為對于降塵設備的后方區(qū)域，降塵功能的實現(xiàn)主要依靠回流風以及殘余水霧。設備開啟10 min 后，1 號測點粉塵濃度降至3.87 mg/m3，降幅為79.2%，滿足規(guī)范要求。2～5 號測點降幅依次為53.8%、27.8%、24.2%、15.2%?？梢娫摻祲m裝置對隧道粉塵濃度的抑制作用明顯，特別是針對掌子面區(qū)域。

圖11 風筒水霧包裹式降塵結(jié)果Figure 11 Dust reduction results of air duct water mist wrapped type scheme

3.3 車載水霧包裹式除塵效果

圖12 為實施車載水霧包裹式降塵技術(shù)方案前橫向特征位置的粉塵測試濃度。橫向特征位置處粉塵濃度均值為48.79 mg/m3，是粉塵允許濃度的12.19 倍。

圖12 橫向特征位置粉塵初始濃度Figure 12 Initial dust concentration at transverse characteristic position

圖13 為縱向特征位置處粉塵濃度。對于各特征位置粉塵濃度，其隨距掌子面距離增加而逐步減小。1～5 號粉塵平均濃度為33.86 mg/m3，為粉塵允許濃度的8.47 倍。

圖13 縱向特征位置粉塵初始濃度Figure 13 Initial dust concentration at longitudinal characteristic position

在圖12、13 初始工況基礎上，采用車載水霧包裹式降塵技術(shù)，在10～50 min 時，各縱向特征位置粉塵濃度的變化規(guī)律如圖14、15 所示。

圖14 車載水霧包裹式降塵結(jié)果(1)Figure 14 Dust reduction results of vehicle-mounted water mist wrapped type scheme (1)

圖15 車載水霧包裹式降塵結(jié)果(2)Figure 15 Dust reduction results of vehicle-mounted water mist wrapped type scheme (2)

整體上看，車載水霧包裹式裝置的降塵效果良好，在噴霧降塵20 min 后，粉塵濃度下降最為快速，在20～50 min 降塵期間，各縱向特征位置粉塵濃度的變化規(guī)律基本保持穩(wěn)定。

在首次集中噴霧降塵后，亦即降塵10 min 后，2號特征位置處粉塵濃度降至27.00 mg/m3，降幅為42.9%，20 min 后 降 低 至18.42 mg/m3，降 幅 為61.1%。1 號特征位置粉塵濃度的變化規(guī)律基本與2號位置保持一致。3 號位置處的粉塵濃度在20 min后下降至3.82 mg/m3，降幅為89.9%，滿足規(guī)范要求。

4 號特征位置在噴霧降塵40 min 后，亦即車載降塵第4 個循環(huán)結(jié)束后，粉塵濃度降低至4.45 mg/m3，此時降幅為82.1%，滿足規(guī)范要求。

由于車載水霧包裹式除塵裝置在移動過程中，部分粉塵可從掌子面區(qū)域移動至5 號特征位置處，使得該處粉塵濃度變化較小。同時由于在前4 次循環(huán)除塵過程中，除塵車輛會怠速停滯于5 號特征位置處，車輛尾氣、柴油發(fā)電機廢氣致使5 號測點位置粉塵濃度始終較高。在第5 個除塵循環(huán)后，車輛駛出隧道，5 號特征位置處的粉塵濃度快速達到規(guī)范要求。

3.4 討論

（1） 風筒水霧包裹式降塵技術(shù)對掌子面區(qū)域的降塵效果顯著。在實際操作時，應根據(jù)現(xiàn)場降塵要求，設置適宜的供水流量、水壓、供風風速，并確定適宜的環(huán)形水管的噴頭形式、數(shù)量、風筒架設位置、高度與角度。

（2） 相比于風筒式降塵，車載水霧包裹式降塵期間停止了風機送風，故該方案降塵效果更為明顯。在完成前兩個降塵循環(huán)后，亦即降塵20 min 后，隧道內(nèi)粉塵濃度下降比例最明顯。故在隧道爆破施工后，根據(jù)掌子面的污染情況，進行多次降塵操作。

（3） 采用車載水霧包裹式降塵技術(shù)方案時，環(huán)形噴霧裝置斷面形狀宜與隧道橫斷面相類似。水管水壓力不宜低于3.5 MPa。環(huán)形水管斷面宜與豎直平面呈10°～30°夾角。

（4） 車載降塵技術(shù)不僅可用于爆破后的掌子面區(qū)域，而且可用于整個隧道內(nèi)部的沿途降塵以及隧洞外局部區(qū)域降塵。

4 結(jié)論

采用現(xiàn)場試驗方法，研究了隧道爆破施工后的降塵技術(shù)，結(jié)論如下：

（1） 爆破施工后，橫向中央特征位置處的粉塵濃度最高，兩側(cè)位置略低于中央，且右側(cè)稍低于左側(cè)。3處橫向特征位置的粉塵濃度均值遠超過粉塵允許濃度?？v向特征位置處的粉塵濃度呈現(xiàn)出隨距掌子面距離增加而逐步下降的趨勢。隧道內(nèi)部O2、CO2體積分數(shù)均滿足《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3660—2020）要求。

（2） 基于隧道爆破施工后粉塵的分布及擴散規(guī)律，提出了“風筒水霧包裹式”和“車載水霧包裹式”兩種施工降塵技術(shù)方案。采用現(xiàn)場試驗方法，驗證其各自的降塵效果。

（3） 風筒水霧包裹式裝置對掌子面處的降塵效果較快，隨距掌子面距離逐漸增大降塵效果逐步下降。在降塵10 min 后，1 號特征位置處的粉塵濃度下降至3.87 mg/m3，滿足規(guī)范要求，降幅為79.2%。2～5 號位置處的粉塵濃度降幅分別為53.8%、27.8%、24.2%及15.2%。

（4） 采用車載水霧包裹式降塵技術(shù)，前兩個降塵循環(huán)是粉塵濃度下降最為快速的階段，此時1、2、3 號特征位置處的粉塵濃度降幅分別為70.6%、61.1%及89.9%。

（5） 鑒于爆破施工后，緊貼掌子面后方約50 m位置無法接近，但該處粉塵濃度分布較為集中。在后期隧道施工中，可嘗試聯(lián)合采用“水壓爆破+水霧包裹式”降塵技術(shù)，使降塵效果更優(yōu)。