淺談TBM施工隧道通風(fēng)與除塵

謝 超

（中鐵裝備技術(shù)服務(wù)公司，河南 鄭州 450016 ）

淺談TBM施工隧道通風(fēng)與除塵

謝 超

（中鐵裝備技術(shù)服務(wù)公司，河南 鄭州 450016 ）

以重慶軌道交通某TBM區(qū)間現(xiàn)場(chǎng)施工為依托，通過分析總結(jié)隧道通風(fēng)風(fēng)量的計(jì)算、風(fēng)機(jī)的選擇、隧道除塵的一般措施等，將TBM施工隧道內(nèi)通風(fēng)與除塵兩者結(jié)合研究，重點(diǎn)在于改善洞內(nèi)人員施工作業(yè)環(huán)境，為同行提供相關(guān)借鑒和參考。

TBM施工；隧道通風(fēng)；除塵；新鮮風(fēng)機(jī)；除塵風(fēng)機(jī)

近年來隨著國(guó)內(nèi)南水北調(diào)利民工程、高鐵、高速公路的日益發(fā)展，中國(guó)已成為世界上隧道最多、最復(fù)雜、發(fā)展最快的國(guó)家。早期隧道開挖采用人工鉆爆，危險(xiǎn)性很大，高粉塵、噪音污染對(duì)作業(yè)人員傷害大。如今隧道技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)榉潜频臋C(jī)械化施工、合理規(guī)劃與環(huán)境保護(hù)、設(shè)計(jì)可靠合理、使用安全等方面考慮。無論是人工鉆爆還是TBM施工，不同地質(zhì)均會(huì)產(chǎn)生灰塵甚至有害氣體，因此隧道內(nèi)通風(fēng)、除塵與洞內(nèi)施工作業(yè)人員健康息息相關(guān)，也是隧道建設(shè)的重點(diǎn)難題。

1 隧道通風(fēng)

通風(fēng)主要作用:①供施工人員呼吸；②除塵、降溫；③灰塵太大時(shí)不利于導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量。隧道采用壓入式通風(fēng)，通過?1.8m高強(qiáng)度抗靜電阻燃通風(fēng)軟管輸送到TBM后配套末端的通風(fēng)管儲(chǔ)存器。儲(chǔ)存器后面是帶有出風(fēng)管和消音器的后配套風(fēng)機(jī)（即二次增壓風(fēng)機(jī)）。后配套上的二次增壓通風(fēng)機(jī)將洞外新鮮風(fēng)機(jī)送進(jìn)的新鮮風(fēng)壓入TBM的前方靠近護(hù)盾的地方。除塵管路一直延伸到掌子面，部分空氣由于除塵風(fēng)機(jī)的抽吸作用被送至刀盤。新鮮空氣形成循環(huán)，污濁空氣及有害氣體排出洞外（圖1）。

1.1 隧道內(nèi)通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)及風(fēng)量計(jì)算

1.1.1 通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

①正洞風(fēng)速不小于0.5m/s；② 氧氣含量：按體積不小于20%；③瓦斯?jié)舛龋盒∮?.5%；④CO最高允許濃度0.0024%以下；⑤CO2濃度：按體積不大于0.5%；⑥氮氧化物：換算成NO2為0.00025%以下；⑦粉塵最大允許濃度：每方空氣中含有10%以上游離二氧化物的粉塵為2mg；⑧洞內(nèi)氣溫小于28℃；⑨日接觸時(shí)間8h接觸限值為85分貝。

圖1 隧道通風(fēng)示意圖

1.1.2 總風(fēng)量計(jì)算

1）根據(jù)洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)的最多人數(shù)計(jì)算

式中 q—— 洞內(nèi)每人每分鐘所需新鮮空氣，取3m3/min；

m—— 洞內(nèi)一般同時(shí)工作的人數(shù)為40，最多人數(shù)取100人；

K—— 風(fēng)量備用系數(shù)，取1.15。

2）按洞內(nèi)允許最小風(fēng)速計(jì)算Q2=60VS=819.8m3/min

式中 V—— 洞內(nèi)最小允許風(fēng)速m/s，隧道最小允許風(fēng)速為0.5m/s。

S——洞室截面積，S≈45.54cm2。

取以上計(jì)算得到的最大通風(fēng)量作為設(shè)計(jì)通風(fēng)量，設(shè)計(jì)通風(fēng)量為Q總=Q1+Q2=1164.8m3/min。

1.1.3 漏風(fēng)量計(jì)算

隧道通風(fēng)，采用直徑1.8m的高強(qiáng)度抗靜電阻燃通風(fēng)軟管，管節(jié)長(zhǎng)100m，每百米漏風(fēng)量率β為1.3%。

供風(fēng)量

式中 P—— 風(fēng)管全程漏風(fēng)系數(shù)，P=1/(1－L×β/100)=1/(1-4493×1.3%/ 100)≈2.403。

因此，考慮到人員作業(yè)、洞內(nèi)風(fēng)速及漏風(fēng)量，洞內(nèi)需要2799m3/min的風(fēng)量。

1.1.4 通風(fēng)阻力計(jì)算

通風(fēng)總阻力=風(fēng)管段阻力+隧道段阻力+其他阻力

式中 h總——隧道總風(fēng)壓；

h摩總—— 管道摩擦阻力，h摩總＝6.5aLgQ隧2/d5＝4004.7Pa；

h局總——局部阻力，h局總=ξQ2/d4=94.45Pa;

h其它—— 其它局部阻力，取h摩總的20%～30%，h其它=28.33Pa；

a——風(fēng)道摩擦阻力系數(shù)，取a=0.016；

L——風(fēng)道長(zhǎng)度，m；

Q隧——風(fēng)機(jī)風(fēng)量，2799÷60=40.65m3/s；

d——風(fēng)管直徑，d=1.8m；

ξ——局部阻力系數(shù)，ξ＝0.6。

1.1.5 風(fēng)機(jī)的選擇

1）通風(fēng)機(jī)出風(fēng)量不能小于理論計(jì)算風(fēng)量。

2）通風(fēng)機(jī)直徑與選取通風(fēng)管直徑不能差別太大。

3）風(fēng)機(jī)全壓值≮管道總阻力。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果采用SDF（B）-NO14型軸流式通風(fēng)機(jī)(官網(wǎng)提供數(shù)據(jù))可以滿足使用要求。

2 隧道除塵

2.1 灰塵來源

TBM掘進(jìn)時(shí)主要產(chǎn)生灰塵的地方有以下幾點(diǎn)：①刀具切削巖石；②渣土從出渣口落入皮帶機(jī)；③皮帶機(jī)接頭處及滾筒處；④出渣口落入渣車處；⑤高壓風(fēng)輸送豆粒石產(chǎn)生灰塵（僅限于單護(hù)盾TBM）。

2.2 除塵風(fēng)機(jī)

2.2.1 除塵風(fēng)機(jī)原理

當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪中各部分空氣也被帶動(dòng)一起旋轉(zhuǎn)，在葉輪中心處便形成真空，于是外部的空氣在大氣壓差的作用下，不斷地流入，這樣就使風(fēng)機(jī)具備了吸入空氣的能力，含塵氣流通過圓風(fēng)筒進(jìn)入除塵器內(nèi)。該含塵氣流首先經(jīng)過一個(gè)大顆粒分離器，將大顆粒的粉塵與氣流分離，再進(jìn)入風(fēng)道并均勻地由外向內(nèi)穿過過濾板，在這個(gè)過程中粉塵被隔離在過濾板的外壁。除塵后的氣流通過通風(fēng)管排到TBM尾部，理論上風(fēng)機(jī)功率越大產(chǎn)生負(fù)壓能力越大，除塵風(fēng)機(jī)是最有效的除塵方法（圖2）。

2.2.2 濾板清理（脈沖除塵裝置）

灰塵被隔離在濾板的表面，濾板隔段時(shí)間需要清理，為了監(jiān)視除塵設(shè)備的性能（流量），在含塵氣流的入口處以及在潔凈氣流的出口處均設(shè)有一個(gè)真空表，通過真空表讀數(shù)可以看到除塵設(shè)備系統(tǒng)的總阻力。濾板的清洗是通過高壓潔凈空氣，以4.5bar的壓縮空氣瞬時(shí)氣壓脈沖，由濾板內(nèi)進(jìn)氣向外吹。脈沖除塵可根據(jù)相應(yīng)的粉塵特性和濃度，設(shè)定間隔時(shí)間（2～200s）和脈沖時(shí)間（30～1000ms）內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這些粉塵被吹離并落入下方的料倉(cāng)，由螺旋輸送機(jī)輸送至集料斗，加水?dāng)嚢韬笈懦觯蟼}(cāng)帶有物料液位傳感器、集料斗帶有液位傳感器，除塵排灰可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.2.3 噴水除塵

除塵方式除了TBM自帶除塵設(shè)備外，噴水除塵也是簡(jiǎn)單有效的除塵方法。刀盤上自帶8個(gè)噴水頭，采用電磁閥控制，由主司機(jī)根據(jù)掌子面圍巖情況適當(dāng)噴水。當(dāng)圍巖較硬且圍巖自穩(wěn)能力較強(qiáng)的Ⅵ～Ⅳ圍巖時(shí)如：花崗巖、玄武巖時(shí)可以大量噴水，既可以降塵又有降低刀具溫度的作用。當(dāng)掌子面情況為角礫、砂、泥松軟體軟塑狀黏性土及潮濕的粉細(xì)砂質(zhì)泥Ⅰ～Ⅲ圍巖時(shí)如：泥巖、砂巖，刀盤噴水應(yīng)少開或者不開，容易糊刀盤結(jié)泥餅，為后來清理刀盤帶來麻煩，此時(shí)應(yīng)盡量采用皮帶機(jī)噴水降塵。在皮帶接頭處及皮帶中間加裝多路噴水，啟動(dòng)皮帶后由主司機(jī)啟停電磁閥來控制噴水。

2.2.4 其他除塵措施

刀盤切削巖石產(chǎn)生灰塵，大部分被除塵風(fēng)機(jī)吸走，其中一部分灰塵會(huì)從主機(jī)皮帶機(jī)伸縮孔跑出，采用橡膠簾封堵伸縮孔減少灰塵跑出量，另外在此處增加吸風(fēng)口。

圖2 TBM除塵風(fēng)機(jī)布置圖

3 結(jié) 論

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，風(fēng)速、粉塵濃度符合隧道通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，噪聲污染低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。洞內(nèi)施工人員可以體感空氣流動(dòng)，除塵風(fēng)機(jī)也起到加速隧道空氣循環(huán)流通作用。污濁空氣及時(shí)有效地排出洞外，從而起到改善TBM上施工人員作業(yè)工作環(huán)境。

TBM前后分布瓦斯、二氧化碳、一氧化碳、氧氣及硫化氫氣體監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)洞內(nèi)有害氣體，當(dāng)有害氣體高于設(shè)定值，控制室聲光報(bào)警上位機(jī)上報(bào)警提示并在30s后切斷電源（照明除外）。洞外新鮮風(fēng)機(jī)安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離隧道洞口30m為宜，杜絕風(fēng)機(jī)吸入污濁空氣造成洞內(nèi)二次污染。

(編輯 張海霞)

Discussion on TBM tunnel construction ventilation and dust collection

XIE Chao

TU621

B

1001-1366(2015)11-0077-03

2015-09-14