隧道內機械化清篩作業通風除塵方案設計

宮實俊，高春雷，何國華

(1．中國神華軌道機械化維護分公司，天津300457;2．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

隧道內機械化清篩作業通風除塵方案設計

宮實俊1，高春雷2，何國華2

(1．中國神華軌道機械化維護分公司，天津300457;2．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

應用大型養路機械對鐵路隧道內有砟道床清篩作業時，粉塵大，發動機廢氣濃度高，能見度低，嚴重影響作業質量與效率，危害作業人員的健康及安全。本文針對以上問題，對一隧道進行通風除塵方案設計，采用濕式除塵方案，對除塵風機的安裝位置和風量進行了理論計算分析，并建立了隧道通風仿真計算模型，確定了隧道通風風機的較優位置。

鐵路隧道 有砟軌道 機械化施工 通風 除塵

1 概述

對于隧道內有砟軌道的清篩施工，目前國內以人工作業為主。人工清篩，由于施工人數多，環境差，清篩進度慢，質量差，安全保障困難。此外，通常需延長作業時間，影響運輸秩序。在進行隧道內清篩機研發的同時，還需考慮在隧道內機械化施工的大量粉塵以及發動機排放的廢氣無法及時擴散的問題。由于施工環境粉塵大，發動機廢氣濃度高，能見度低，嚴重影響施工質量、效率，危害施工人員的健康及安全［1］。因此對采用機械化施工的隧道進行通風除塵設計十分重要。本文以一隧道為例，進行通風除塵方案設計。

一隧道長度834 m，截面尺寸如圖1所示，截面積28.5 m2。

圖1 隧道截面(單位:cm)

在隧道內清篩作業之前，要提前灑水降塵。清篩作業時要進行起撥道、清篩、污土轉運、新砟補充、線路搗固、通風等工作，需要使用清篩機、搗固車、物料運輸車、軌道車、平車、灑水車、通風車等車輛。

2 濕式除塵方案

2.1 除塵機理

除塵是利用一定的外力作用使粉塵從空氣中分離出來的一個物理過程。使粉塵從空氣中分離的作用力主要有:

1)重力。氣流中的塵粒可以依靠重力自然沉降，從氣流中分離出來。但是，塵粒的沉降速度一般較小。這個機理只能用于粗大的塵粒。

2)離心力。當含塵氣流作圓周運動時，由于離心力的作用，塵粒和氣流會產生相對運動，使塵粒從氣流中分離出來。這是旋風除塵器的主要機理。

3)慣性碰撞。含塵氣流在運動過程中，遇到物體的阻擋(如擋板、纖維、水滴等)時，氣流要改變方向進行繞流，細小的塵粒會隨氣流一起流動。粗大的塵粒由于具有較大的慣性，它將脫離流線，維持自身的慣性運動，塵粒將和物體發生碰撞。這種現象稱為慣性碰撞。慣性碰撞是過濾式除塵器、濕式除塵器和慣性除塵器的主要除塵機理。

4)接觸阻留。細小的塵粒隨氣流一起繞流時，如果流線緊靠物體(纖維或液滴)表面，有些塵粒與物體發生接觸而被阻留，這種機制稱為接觸阻留。當塵粒尺寸大于纖維網眼而被阻留時，這種現象稱為篩濾作用。過濾式除塵器主要依靠篩濾作用進行除塵。

5)擴散。小于1 μm的微小粒子在氣體分子撞擊下，像氣體分子一樣作布朗運動(懸浮微粒不停地做無規則運動的現象)。如果塵粒在布朗運動過程中和物體表面接觸，就會從氣流中分離，這種機理稱為擴散。對于直徑dc≤0.3 μm的塵粒，這是一個主要的分離機理。濕式除塵器和袋式除塵器的分級效率曲線表明，當dc=0.3 μm左右時，除塵器效率最低。因為在dc＞0.3 μm時，擴散的作用還不顯著，而慣性的作用是隨粒徑的減小而減小，當dc≤0.3 μm時，慣性不起作用，這時主要依靠擴散作用，布朗運動隨粒徑的減小而增強。

6)靜電力。懸浮在氣流中的塵粒，若帶有一定量的電荷，可以通過靜電力使它從氣流中分離出來。由于自然狀態下，塵粒的荷電量很小，因此，要得到較高的除塵效率，必須設置專門的高壓電場，使塵粒充分荷電。

7)凝聚。凝聚作用不是一種直接的除塵機理。通過超聲波、蒸汽凝結、加濕等凝聚作用，可以使細小塵粒凝聚增大，再用一般的除塵方法分離出來［2］。

在工程上常用的除塵器通常不是簡單地依靠某一種除塵機理，而是幾種除塵機理的綜合作用。

2.2 濕式除塵風機

根據粉塵來源，清篩機作業時由扒掘、篩分、輸送等工序產生粉塵，主要集中在清篩機作業過程中。為此，可參照煤礦掘進作業，選用礦用濕式除塵風機在扒掘清篩過程中立刻除塵凈化空氣。濕式除塵風機直接利用由葉輪高速旋轉所產生的旋轉氣流強化含塵空氣中的粉塵與水霧霧粒的沖突，提高對細微粉塵的捕獲率，使其得到充分混合并形成含塵液滴，由旋轉氣流產生的離心力將含塵液滴拋到內筒壁上，經通孔進入夾層空腔，落入積水盒后被排出，從而實現捕獲氣載粉塵、凈化空氣的目的。濕式除塵機理涉及各種機理中的一種或幾種，主要是慣性碰撞、擴散效應、黏附、擴散漂移和熱漂移、凝聚等作用［3］。其除塵功能完全利用空氣動力特性實現，不需要復雜的過濾裝置，徹底解決了現有產品在現場使用中因濾網堵塞所造成的一系列問題。除塵風機具有除塵效率高、除塵系統阻力小、無需經常維修等優點，能滿足現場的需要。

濕式除塵機選型主要參數為處理風量。處理風量與清篩機作業斷面、作業速度有關，需要的最大處理風量Q需按照下式計算

式中:VV為養路機械作業速度，km/h;A為隧道橫斷面凈面積，m2。

濕式除塵需配備循環水系統，需要水泵及儲水箱等。水泵流量按照下式計算

式中:Q水為水泵流量，L/min;r為液氣比，取0.1 L/m3;Q風為處理風量，m3/min。

按每個天窗施工時間計算，則儲水箱容積V水為

式中:t為施工時間，h。

2.3 濕式除塵風機安裝位置

由于濕式除塵風機主要適用于粉塵比較集中的產塵作業點含塵空氣就地凈化，因此風機應安裝在清篩機的附近。清篩機行駛方向后端為松散道床線路，無法正常走行軌道車，而清篩機行駛方向前端需與物料運輸車相連輸送污土［4］，因此，將濕式除塵風機安放在清篩機行駛方向前端，與物料運輸車相連的平車上。為達到最佳的除塵效果，將除塵風機與前進方向形成一個夾角擺放。

3 隧道通風方案

對于運營隧道的通風，一般選用射流風機。射流風機是一種特殊的軸流風機，主要用于公路、鐵路及地鐵隧道的縱向通風系統中，提供全部的推力。也可用于半橫向通風系統或橫向通風系統中的敏感部位，如隧道的進出口，起誘導氣流或排煙等作用。射流風機是一種開放進出口的特殊軸流風機，在這種工作條件下風機被設計為具有最高效率(高于運行于具有一定靜壓的工作點)。射流風機對空氣的作用力，即通常所說的推力，與風機支承受到的力等大、反向。風機一般懸掛在隧道頂部或兩側，不占用交通面積，不需另外修建風道，土建造價低。風機容易安裝，運行、維護簡單，是一種很經濟的通風方式［5］。射流風機運行時，將隧道內的一部分空氣從風機的一端吸入，經葉輪加速后，由風機的另一端高速射出。這部分帶有較高動能的高速氣流將能量傳送給隧道內的其它氣體，從而推動隧道內的空氣順風機噴射氣流方向流動。當流動速度衰減到一定程度時，下一組風機繼續工作。這樣，就實現了從隧道的一端吸入新鮮空氣，從另一端排出污濁空氣的目的。

隧道的機械通風方式分為全橫向通風、半橫向通風及縱向通風。目前隧道通常采用單向雙洞的形式，為了充分利用交通風，長大隧道普遍采用縱向通風的方式［6-7］。隧道縱向通風設計計算主要分為3個步驟:①根據隧道通行車輛組成，計算CO、煙霧等污染物散發量，進而根據隧道通風衛生標準，分別確定隧道稀釋CO、煙霧和異味需風量，同時要考慮作業人員呼吸新鮮風量需求及洞內允許最小風速，綜合考慮以上因素，取最大值作為隧道所需通風量;②根據隧道所需通風量計算通風阻抗力、交通通風力、自然風阻力，確定射流風機總的升壓力;③由隧道所需總的升壓力和單臺射流風機升壓力確定射流風機型號、臺數及布置方式。

3.1 施工工作面通風量計算

根據我國多年來隧道施工經驗，洞內供風量的計算應從以下三個方面考慮，分別計算出各種情況下的的通風量，取其最大值作為工作面所需風量。

1)按洞內同時工作的最多人數計算

式中:L1為洞內通風量，m3/min;q為每人每分鐘呼吸所需空氣量，通常取3 m3/(min·人);m為洞內同時工作的施工人員數量;k為風量備用系數，一般取1.15。

隧道施工總人數按100人計算，含管理及防護等80名配合人員。則L1=3×100×1.15=345 m3/min。

2)按稀釋內燃設備廢氣計算所需風量

式中:q內為內燃機每1 kW功率所需要的風量，通常取3 m3/(min·kW);N為洞內同時工作的內燃機功率，kW。

隧道清篩作業時車輛編組如下(按車輛行駛方向從后往前):1臺清篩機、2臺物料運輸車、1臺平車(用于安裝濕式除塵風機)。隧道入口處放置1臺軌道車及1臺平車，用于安裝通風裝置。則L2=3×(224+ 2×70+3×60)=1 632 m3/min。

3)按洞內允許最小風速計算

根據施工通風時洞內允許最小風速計算通風量，按下式計算

式中:vmin為最小允許風速，取0.25 m/s。

取以上允許風量最大值，得出通風設計量，即風量L=1 632 m3/min，則隧道風速V1=L/(60A)=1 632/ (60×28.5)=0.954 m/s。

3.2 隧道內的阻力計算

隧道中的摩擦阻力損失主要組成［8］如下。

1)隧道進出口的阻力。隧道進出口的阻力通常取隧道內空氣動壓的1.5倍，即Pen，ex=1.5ρV21/2。其中，ρ為氣體密度，取1.22 kg/m3。則Pen，ex=0.833 Pa。

2)車輛對空氣的阻力Pdrag=Avρ(V1－Vv)2/ (2A)。其中，Av為養路機械等效阻抗面積，取15 m2; Vv為養路機械作業速度，取500 m/h(0.14 m/s)。則Pdrag=0.213 Pa。

3)隧道內表面的沿程阻力PL=ρV21fL/(2Dh)。其中，f為摩擦阻力系數，f=0.02～0.04，一般取0.025; L為隧道的長度，取834 m;Dh為隧道截面的當量直徑，Dh=4×截面積/斷面周長=4×28.5/19=6 m。則PL=1.929 Pa。

隧道中總的阻力損失PT=Pen，ex+Pdrag+PL= 2.975 Pa，則隧道中射流風機所需克服的總推力TT= PTA=85 N。

3.3 射流風機選型

根據風量(1 632 m3/min)及所需總推力(85 N)，并考慮到風機布置和通風效率，選擇2臺風量為846 m3/min的射流風機，總風量為1 692 m3/min。

3.4 系統仿真

3.4.1 仿真模型建立

兩臺風機距隧道入口10 m，風機布置如圖2所示，風機出口風速32.6 m/s，清篩機車隊距隧道入口60 m。

圖2 風機布置(單位:cm)

采用有限元分析前處理軟件Gambit建立仿真模型，并沿縱向1 m劃分1個單元格。

3.4.2 仿真數據分析

采用仿真軟件FLUENT 6.3建立湍流k－ξ黏性模型加以分析，仿真計算迭代308步后收斂。

1)隧道中的風速分布

圖3為隧道高度1.0，3.0，5.5 m的軸線風速分布。可見:隧道內的風速在風機出口處最高，之后風速逐漸降低，在距風機出口約20 m降到3.2 m/s左右，之后穩定在3.2 m/s;在作業車隊所處平面內，風被遮擋，周圍風速加快，風速約6 m/s。

圖3 隧道截面不同高度的軸線風速分布

2)隧道風向

圖4為清篩機處隧道截面速度矢量圖。可見，風向均沿車輛行駛方向，氣流未因作業車隊的遮擋而形成渦流，該風機布置不會將作業時產生的粉塵卷起。

3)隧道風壓分布

隧道的靜壓、動壓分布分別見圖5、圖6。可見，風機前后存在一個靜壓和動壓的壓力跳躍。在風機前方，動壓迅速降低，靜壓逐漸增大，整個過程為動能向勢能的轉化。空氣靜壓在距風機約30 m處達到最大之后逐漸降低，可見風機的影響距離約為30 m。

圖4 清篩機處隧道截面速度矢量圖(單位:m/s)

圖5 隧道高度1，3，5.5 m截面處的風機靜壓

圖6 隧道軸線風機動壓

3.4.3 仿真結果

1)在隧道口，預置的通風風機安裝在平車兩側，不會卷起作業車隊清篩過程中產生的粉塵。

2)通風風機影響距離約為30 m，應將其布置在清篩區域30 m內。

3.5 射流風機安裝位置

通過對單線隧道的仿真計算可知，清篩作業時，需要在清篩機后面30 m內固定一平車，放置射流風機。由于清篩機、搗固車等養路機械的遮擋，將影響隧道的通風效果。另外，由于隧道高度的限制，如將射流風機架高安裝，將與除塵風機產生重合區域，會造成除塵效果減弱，因此，降低射流風機安裝位置，將其安裝于平車兩側，將有利于隧道通風及避免影響除塵風機除塵［9-10］。射流風機布置立面圖見圖7，截面圖參見圖2。

圖7 射流風機布置立面圖

4 結語

在鐵路隧道內清篩養護作業時強制采取機械通風除塵措施，在一定程度上能去除施工環境粉塵、稀釋發動機廢氣濃度，從而提高作業時的能見度及工作效率，更好地保障施工人員的健康及安全。本文對一鐵路隧道進行清篩養護作業時的通風方案進行了理論計算和方案設計，并建立了隧道通風模型予以仿真分析。由理論計算和仿真分析結果可知，將隧道口預置的通風風機安裝在平車兩側不會卷起作業車隊清篩過程中產生的粉塵，隧道通風風機的安裝位置應布置在清篩區域30 m內。

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(責任審編李付軍)

U216.6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．36

1003-1995(2015)03-0130-04

2014-09-01;

2014-11-05

宮實俊(1974—)，男，山西繁峙人，工程師。