消煙降塵系統在長大隧道施工中的應用研究

王 祥，熊 勝

(中鐵五局集團有限公司，貴陽 550003)

隨著我國鐵路建設的快速發展，隧道工程建設也隨之發展，長大隧道不斷出現。伴隨著人們環保意識的提高，以人為本理念的深入，改善隧道施工作業環境，確保作業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產生的有害氣體和粉塵不但對施工人員的身心健康構成直接危害，而且嚴重影響勞動效率的提高，制約施工進度，同時還會對洞內設施造成損害［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、經濟地將洞內有害氣體和粉塵清除，不但體現了綠色環保的人文工作理念，更能有效地提高工作效率，加快施工進度。

傳統的施工方法中，消煙降塵的基本措施通常是通過機械通風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，不但加大通風難度，增加經濟成本，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，優化通風方案的基礎上，通過設置消煙降塵系統將粉塵消除在源頭，達到消煙降塵的目的，該法既經濟環保，又能確保施工進度優質高效，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

消煙降塵系統由獨頭通風、風管、降塵站、洗車槽、路面清洗等組成，與一般隧道通風除塵不同，本降塵系統把通風與高壓噴霧降塵兩者密切地結合起來，以達到更好的除塵效果。隧道內的水霧簾幕降塵裝置設計充分利用隧道施工用的高壓風和高壓水進行，即利用氣體介質與液體介質之間的相互擠壓、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。再加之通風形成的霧蔽，把粉塵集中在有限的空間內，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，水霧與塵粒的凝結決定了噴霧降塵的除塵效果。當水霧粒不帶電荷時，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量有非常重要的作用。CO2、NO2、SO2、NH3溶于水并能與水起化學反應，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、含塵風流的速度等。水滴霧化越充分，噴射速度越高，含塵風流的速度越低，捕塵的效率也就越高。經對各種參數的分析，水霧系統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形成霧蔽帶的效果等因素密切相關［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。為此將噴嘴迎風向上45°方向設置，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:為了節約用水，減少對工作面生產的影響，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的位置。離工作面遠，除塵效果會下降，不能滿足工程防塵的目的，使工作環境惡化;離工作面太近，則必須投入更多的物力，不但不經濟而且并不一定能夠取得更好的除塵效果。經試驗研究分析，選擇噴霧裝置離工作面的距離在30 m左右效果最佳。

2 消煙降塵系統的設置

2.1 消煙降塵系統的設置

降塵站可結合開挖臺車設置，也可在成洞段每100～150 m設置一處，開挖臺車一般設置在靠掌子面側，單獨設一φ40 mm鍍鋅鋼管接入高壓風及高壓水，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以形成水霧，同時確保臺車退讓距離，避免風水管被砸壞。

成洞段降塵站構成基本相同，主要由φ40鍍鋅鋼管架、高壓風管、高壓水管、閘閥(高壓風管設單向閥)、堵頭等組成。管架頂端在前后兩側各設一排排霧孔，孔宜設45°～60°上仰角以形成降塵區段。使用時在需要降塵區段開啟，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，高壓風管應設置單向閥，以免高壓水進入風管中影響鉆眼。降塵站結構示意如圖1所示。

圖1 降塵站結構示意

2.2 配套設施

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

利用高壓風水形成的高壓水微粒區段能將90%以上的粉塵煙霧消減在掌子面附近，同時根據需要開設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消煙降塵的目的。

3 工程應用

巖山隧道是貴廣線重點控制工程，巖山隧道平導設計長度為3 960 m，原設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，平導及正洞口各設一臺2×110 kW通風機，并根據施工進度情況設置抽風及增壓設備。截至2010年5月底平導已開挖掘進2 700 m，1#橫通道于2 100 m處進入正洞，在施工中設置掌子面降塵站、綜合降塵站及洗車槽等配套設施，見圖2。

圖2 降塵站現場應用

現場在掘進中多次進行了高壓風與高壓水結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 現場使用情況與效果比較

現場應用實踐表明，消煙降塵系統具有以下功效及特點:

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

2)符合環保、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，經濟合理，能極大地節省隧道通風除塵的工程成本。

4)對通風、空壓機等洞內機械設備起到降塵保護的作用，節約維修檢查的費用。

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

4 結論

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

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

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