一種新型三區段噴霧系統及降塵性能研究

劉 寧， 陳 坤， 馬文榮， 蘇 杰

(1. 貴州大學土木工程學院， 貴州 貴陽 520025； 2. 中鐵八局集團第三工程有限公司，貴州 貴陽 520007； 3. 中鐵二局集團第一工程有限公司， 貴州 貴陽 520007)

0 引言

隧道礦山法施工過程中會產生大量粉塵，工作人員在此環境中作業會吸入大量粉塵，尤其是呼吸性粉塵，這極易導致塵肺病[1-3]。國家衛生健康委員會通報2020年全國各類職業病新病例17 064例，其中職業性塵肺病14 367例，約占84.2%，因塵肺病死亡6 668例[4]。塵肺病是職業病防治的重中之重，其在給工人及家屬帶來痛苦與災難的同時，也造成了巨大的經濟損失，每年給中國造成數十億元的直接經濟損失[5]。因此，進行隧道施工粉塵控制技術研究十分有意義。

目前，在隧道除塵領域，許多學者提出了新型的降塵方法和裝置。如： 宋斌等[6]提出附壁風筒降塵+車載除塵方案。Jiang等[7]發現常規通風方式很難排除粉塵，采用長壓短抽式通風方案降塵效率提高約60%。王祥等[8]提出了掌子面制霧降塵—降塵站降塵—洗車槽、路面清洗降塵綜合降塵體系。Sun等[9]在噴嘴和霧滴研究的基礎上，研制了文丘里負壓二次除塵裝置，同時提出局部噴霧封閉技術，不僅能有效防止粉塵逸入人行道空間，還能成功清除人行道空間呼吸帶周圍的粉塵。Ren等[10]依據柯恩達效應設計了一種新型除塵裝置，以少量壓縮空氣為動力源，通過均勻布置高速射流圓孔帶動中心空氣運動，形成夾帶效應，較原除塵裝置，呼吸性粉塵和總抑塵效率分別提高了30.5%和11.5%。

Peng等[11]模擬了風機作用下噴淋系統產生的霧滴場，研究了風機對霧滴速度和擴散的影響，同時分析了不同噴霧壓力下目標平面速度、直徑和質量濃度等噴霧場微觀參數。Yang等[12]通過模擬發現，當噴嘴傾斜角度為30°時，其產生的霧滴場能完全覆蓋切煤機切割頭和產塵區域，滾筒的截齒大多位于形成的噴霧幕的有效抑塵區域內。Ma等[13]研究了噴嘴口徑對霧滴場的影響，發現在相同的噴霧壓力下，較大直徑的噴嘴可以形成霧滴質量濃度更大的噴霧場，同時隨著噴霧壓力的增加，噴嘴直徑對霧滴尺寸的影響逐漸減小。

雖然針對隧道施工除塵取得了一定的研究成果，但現有噴霧裝置未根據隧道沿程粉塵粒徑特點選擇噴嘴，對噴嘴布置與入射角度，及兩者與霧滴群分布關系的研究較少。基于上述原因，本研究考慮不同工種施工人員工作位置，研發了一種新型的三區段噴霧降塵系統。該噴霧系統考慮隧道沿程粉塵粒徑分布的差異性，選擇最佳的噴嘴類型，優化噴嘴布置，這對有效降低粉塵質量濃度和保護隧道作業人員職業健康水平有重要意義。

1 三區段噴霧系統設計

依據鉆爆法施工各工種作業人員位置，將隧道劃分為3個區段，區段1為掌子面至棧橋，是爆破人員、出渣人員和初期支護施作人員作業位置；區段2為棧橋至二次襯砌臺車，是仰拱施工人員作業位置；區段3為二次襯砌臺車以后區域，是二次襯砌施工人員作業位置。保障以上3個區段符合安全粉塵質量濃度，是保證隧道施工人員健康的關鍵所在。三區段噴霧系統如圖1所示。

圖1 三區段噴霧系統

該系統由結構相同的4套噴霧裝置構成，噴霧裝置如圖2所示。每個噴霧裝置由垂直鍍鋅水管、水平鍍鋅水管、三通接頭和旋轉噴頭組成，裝置兩兩一組分別布置于掌子面至棧橋和棧橋至二次襯砌臺車合適位置處，該系統還包括增壓水泵和輸水主管道，現場試用情況如圖3所示。

圖2 噴霧裝置

圖3 噴霧裝置在現場試用情況

2 粉塵粒徑特征與噴嘴適用性分析

2.1 噴霧降塵模型

噴霧降塵的主要原理是在慣性碰撞和截獲捕集的綜合作用下，粉塵與霧滴相互凝聚并在重力作用下沉降。影響霧滴降塵效率的主要因素有粉塵質量濃度、霧滴與塵粒的相對運動速度、相對粒徑、霧滴的作用面積等，霧滴在單位長度單位時間內的捕集量

δΜ=f(v，ηg,C,A,q,S,V)/V

。

(1)

式中：δΜ為在單位長度單位時間的降塵量，g/(m·t)；f為函數關系；v為霧滴與粉塵的相對速度，m/s；ηg為單一霧滴的捕集效率；C為粉塵質量濃度，g/m3；A為捕集區截面積，m2；q為空間體積含水量，m3/m3；S為霧滴截面積，m2；V為霧滴體積，m3。

單一霧滴的捕集效率

(2)

式中st為斯托克斯數。

斯托克斯數可以計算為

(3)

式中：dp為粉塵粒徑，m；ρp為塵粒密度，kg/m3；μg為氣體密度，Pa·s；Dc為霧滴粒徑，m。

斯托克斯數用于描述粒子在流體中的慣性，慣性碰撞是降塵的主要作用機制，斯托克斯數較小的粉塵顆粒慣性小，其將隨著運動軌跡繞過液滴，此時降塵效率較低；斯托克斯數越大，塵埃粒子的慣性越大，其可能在慣性作用下沿原軌跡向前運動與液滴發生碰撞，從而提高降塵效率。

噴霧裝置產生的細小霧滴與空氣中懸浮的塵粒碰撞接觸，增加塵粒的濕度從而被捕集，通過進一步的擴散運動，形成更大的顆粒，加速沉降。在有限空間內，空氣中的含水量一定，霧滴粒徑分布均勻，降塵效率越高；霧滴與粉塵相對運動速度越大，則擁有更強的克服霧滴表面張力和粉塵表面空氣阻力的能力，二者融合概率將增加。

2.2 隧道沿程粒徑分布特征

粉塵粒徑是影響降塵效率的因素之一，隧道沿程粉塵粒徑分布具有較大的差異性。采集隧道爆破粉塵進行分析，并作為模型試驗粉塵源。采樣段為Ⅳ級圍巖，采集時，掌子面爆破后風機正常開啟，隧道內的粉塵擴散達到穩定后開始采樣，采樣時間為5 min，測量儀器為粉塵采樣儀，采樣斷面距掌子面分別為10、40、70 m，粉塵樣本分別命名為S10、S40、S70。采用粒徑分析儀分析不同斷面樣本粒徑分布。測量流程如圖4所示。

圖4 測量流程

距隧道掌子面10、40、70 m處的粉塵粒徑分析結果如圖5所示。由圖5可知，不同斷面的粉塵粒徑表現出較大的差異性，距掌子面10 m處粒徑分布范圍在0～101.2 μm，距掌子面40 m處粒徑分布范圍在0～52.6 μm，距掌子面70 m處粒徑分布范圍在0～7.4 μm。粉塵樣本的特性參數如表1所示。

(a) 距掌子面10 m

表1 粉塵樣本的特性參數

由圖5可知： 粉塵峰值體積頻率朝著小粒徑方向移動，并且峰值體積頻率數值不斷增大。其主要原因是： 粉塵在隧道沿程擴散過程中因重力作用，大粒徑粉塵沉降明顯，小顆粒粉塵沉降相對較慢；同時，因為霧滴捕捉粉塵的最小粒徑與霧滴粒徑成正相關，所以在分區段降塵過程中，不應該采用單一形式的噴霧參數。在掌子面附近應以控制粉塵源為主，將爆破產生的大部分粉塵快速沉降；在隧道后段，以消除呼吸性粉塵為主，應采用有針對性的噴霧參數沉降小粒徑粉塵，阻止其向后部空間和洞外繼續擴散。

2.3 噴嘴測試試驗

2.3.1 噴嘴類型

根據霧滴特性，選取3種具有代表性的噴嘴。A1為直徑1.9 mm的廣角型實心錐形噴嘴，其霧化角度最大，霧滴粒徑較大，速度較快；A2為直徑1.2 mm的精細型實心錐形噴嘴，其霧化角度較大，霧滴粒徑較小，速度較慢；A3為直徑1.8 mm的實心錐形標準型噴嘴，其霧化角度最小，霧滴粒徑居于前兩者之間。

試驗在自行設計的試驗平臺上進行，試驗平臺由前后2個測量段和中間的降塵段組成，2個測量段均放置1臺粉塵濃度測定儀和1臺粉塵采樣儀，用來測量降塵前后粉塵質量濃度和粒徑分布情況，降塵段在亞克力隧道模型頂部預留的接口處放置噴嘴，與外部供水裝置連接，試驗平臺示意圖見圖6。以隧道現場粉塵樣本作為粉塵源，無極調速鼓風機作為風源。本次室內試驗風速為1.5 m/s，通過風速儀測定隧道內空氣流速，調節鼓風機旋鈕，當試驗平臺內風速達到1.5 m/s時，鎖定開關。

圖6 試驗平臺

2.3.2 噴嘴適用性

為研究不同噴嘴的適用性，分別以S10、S40、S70作為粉塵源，測量其在不同噴嘴作用下的降塵效率，全塵降塵效率如表2所示。由表2可知： A1型噴嘴對于S10粉塵的降塵效率最佳，達到了73.64%，但對于S70粉塵的降塵效率最差，只有45.21%；A2型噴嘴對于S70的降塵效率最佳，但對于S10和S40的降塵效率均不如A1型；A3型噴嘴對于S70的降塵效率介于A2和A1型之間，但對于S10和S40的降塵效率均不如A1型和A2型噴嘴。在有限空間內，A1廣角型噴嘴對于粒徑分布范圍廣且較為分散的粉塵源具有較高的降塵效率，A2精細型噴嘴對于小粒徑粉塵的降塵效率較高。

表2 不同噴嘴作用下全塵降塵效率

為考察不同噴嘴的降塵特點和范圍，選取代表大粒徑、粒徑分散的S10粉塵源和小粒徑、粒徑分布集中的S70粉塵源，采集噴霧降塵后的粉塵進行粒徑分析，結果如圖7所示。

(a) S10粉塵源

由圖7(a)可知，經3種噴嘴噴霧降塵后，粉塵體積頻率依然表現出2個明顯的波峰，結合圖5中噴霧前的粒徑分析，右側大粒徑的峰值頻率均有所下降，A1、A2、A3型噴嘴峰值體積頻率分別下降了0.542%、0.133 3%和0.274 9%，A1廣角型噴嘴對大粒徑塵粒的沉降效果最為顯著；左側呼吸性粉塵體積頻率有所上升，分別提高了1.252%、0.411%和0.761%。A2精細型噴嘴對于呼吸性粉塵的降塵效果好于其余2種。由圖7(b)可知，不同噴嘴降塵后粉塵粒徑變化較小，粒徑分布范圍縮窄，但縮窄程度較小。左側小粒徑粉塵的峰值體積頻率下降程度為A2>A3>A1，右側峰值體積頻率下降程度為A1>A3>A2。由上述分析可以看出，A1廣角型噴嘴對大粒徑塵粒保持著較高的沉降效率，A2精細型噴嘴對呼吸性粉塵降塵效率較高。

3 風場影響下噴嘴布置數值模擬

3.1 噴霧場數值模擬結果的驗證

在ICEM中建立試驗平臺并生成網格，霧滴群的運動狀態在fluent中求解，數值模擬參數如表3所示。與文獻[14]選取相同位置的觀測點，以噴嘴開口為原點，選取A—F共6個點作為觀測點，A—F的坐標分別為(0,0,0)，(0,0.5,0)，(0,0.5,0.2)，(0,1,0)，(0,1,0.2)，(0,1,0.4)，計算霧滴粒徑和速度，如圖8所示。與文獻中現場試驗噴霧場微觀特征進行比較，驗證數值模擬的準確性，結果如圖9所示。

表3 數值模擬參數設置

(a) 霧滴粒徑(單位： m)

(a) 霧滴粒徑

由圖9可知： 各測點霧滴平均粒徑和速度的誤差在1.93%～8.46%，誤差較小，可認為CFD的模擬結果是準確的。由結果可以看出，受重力作用，沿Y軸方向，自噴嘴向下，霧滴的平均粒徑逐漸增大，霧滴速度逐漸減?。谎豘軸方向，遠離Y軸的霧滴平均粒徑逐漸減小，霧滴速度逐漸減小。

3.2 入射角度對霧滴場質量濃度的影響

不同入射角度將影響霧滴場質量濃度分布、覆蓋范圍和霧滴速度。上述參數也是影響降塵效率的重要因素。風場影響下的不同入射角度模擬示意圖見圖10。因噴霧裝置安裝在隧道風場穩定區，取風速為1.5 m/s，噴嘴入射角度為0°、15°、30°、45°、60°、75°。統計不同入射角度下各段面霧滴質量濃度大于1 g/m3所占比例及各斷面的霧滴速度情況，如圖11所示。

圖10 不同入射角度模擬示意圖

(a) 入射角度0° (b) 入射角度15°

由圖11可知: 1)沿Z軸方向，噴嘴位置處(Z=1.5 m)的霧滴質量濃度均處于較高水平，然后向兩側大致保持減小的趨勢，并且這種衰減趨勢隨入射角度的增加而減小。2)噴嘴直接入射區域(Z<1.5m)霧滴質量濃度大于1 g/m3的面積小于區域(Z>1.5 m)，主要原因是Z<1.5 m區域射流較為集中，但Z>1.5 m區域內的霧滴速度一般遠小于Z<1.5 m區域。3)當入射角度為0°時，受風場作用，Z<1.25 m的區域霧滴質量濃度極低，霧滴峰值速度也僅有8.1 m/s，Z<1.75 m的區域內，霧滴質量濃度大于1 g/m3的面積較噴嘴所在的斷面有所增加，但均不超過30%，霧滴峰值速度僅有14.7 m/s，由此可見入射角度為0°時，霧滴的影響范圍不足0.5 m，射流過于集中，且高速霧滴在空間中的存留時間過短，不是最佳的入射角度。4)隨著入射角度的增加，霧滴質量濃度大于1 g/m3的面積先增加后減少，在60°時達到峰值，其0.25 m

3.3 噴嘴位置對霧滴場質量濃度的影響

為探究噴嘴不同位置對霧滴場質量濃度分布的影響，分別模擬了噴嘴從側向和底部以不同角度入射的情況。各斷面霧滴質量濃度與速度情況如圖12和圖13所示。由圖可知： 1)噴嘴自側向射入空間，當入射角度為60°時，霧滴質量濃度超過1 g/m3的面積占比最高； 2)噴嘴自底部射入空間，當入射角度為45°時，霧滴質量濃度超過1 g/m3的面積占比最高。結合圖11可以發現： 1)噴嘴從頂部入射和底部入射所產生的霧滴場質量濃度分布有較大的相似性，而當噴嘴從底部入射時，霧滴質量濃度超過1 g/m3的面積峰值占比降低了約13%； 2)當噴嘴位于底部時，不同入射角度的霧滴質量濃度超過1 g/m3的面積峰值占比集中出現在Z=1.5 m處，而當噴嘴從側部和頂部入射時，峰值面積向遠離噴嘴處移動，大部分集中出現在Z=1 m處。由上述分析可知，噴嘴從頂部和側向入射，入射角度為60°時高質量濃度霧滴場分布最廣；噴嘴從底部入射，入射角度為45°時高質量濃度霧滴場分布最廣。

圖12 噴嘴位于側向

圖13 噴嘴位于底部

3.4 噴嘴位置對霧滴粒徑分布的影響

霧滴粒徑是影響降塵效率的重要因素，不同入射角度下各斷面的霧滴平均粒徑如圖14所示，因噴嘴位于不同位置，霧滴粒徑變化有較大的相似性，僅展示了噴嘴位于頂部的統計結果。由圖14可知，當入射角度為0°時，Z=1 m處的霧滴平均粒徑為37.6 μm，而Z=2.5 m處的霧滴平均粒徑為82.8 μm，沿Z軸方向霧滴平均粒徑有較大波動。經計算,各斷面粒徑的標準差如表4所示。由表4可知，隨著入射角度的增加，各斷面的霧滴粒徑波動幅度先減小后增加，在60°時，霧滴粒徑波動幅度最小，其各斷面平均粒徑均在65.6～72.1 μm，有利于捕捉粉塵。

圖14 各斷面霧滴平均粒徑

表4 各斷面粒徑標準差

4 現場應用與降塵效果測量

現場試驗設置在太焦高速鐵路天橋隧道。試驗段以石灰巖為主，灰黑色，弱風化，隱晶質結構，中厚層狀構造，巖芯一般呈柱狀，局部呈塊狀，裂隙發育，裂隙面見方解石脈填充，錘擊聲脆，致密堅硬。

根據上文噴霧參數的研究，首級噴霧裝置位于仰拱作業處和掌子面間，距掌子面20 m，采用直徑1.9 mm的廣角型實心錐形噴嘴A1，每個噴霧裝置耗水量約為173 L/min，由于接頭和沿程阻力損失，實際噴霧壓力約為6.9 MPa；次級噴霧裝置位于二次襯砌和仰拱施作間，距掌子面70 m，采用直徑1.2 mm的精細型實心錐形噴嘴A2，每個噴霧裝置耗水量約為116 L/min，實際噴霧壓力約為7.1 MPa。隧道軸線至掌子面方向設為X軸正向，平行地面方向設為Y方向，地面法線方向設為Z方向，向拱頂噴射的噴嘴與YZ平面的夾角為45°，向仰拱噴射的噴嘴與YZ平面的夾角為60°，向邊墻方向噴射的噴嘴與YZ平面的夾角為60°，噴霧裝置布置如圖15所示。

圖15 噴霧裝置布置

為檢驗新型三區段噴霧系統的降塵效率，測量了3種操作環境下的全塵和呼吸塵質量濃度。作業環境如下： 1)未采取正常通風外的其余除塵措施(模式1)； 2)使用二次襯砌臺車處的噴霧裝置(模式2)； 3)使用新型三區段噴霧系統(模式3)。測量時間為采取降塵措施后30 min。不同作業環境下，呼吸塵和全塵的降塵效率如圖16所示。

由圖16可知： 1)在第1種作業環境下，僅依靠隧道通風系統除塵，掌子面附近全塵和呼吸塵質量濃度達到了60.32 mg/m3和27.34 mg/m3，隧道各工序作業位置處呼吸塵質量濃度均高于22.31 mg/m3，隧道洞口呼吸塵質量濃度依然有16.34 mg/m3，長期暴露于該環境下極易導致塵肺病。因此，有必要采取控塵措施。2)第2種工作環境是使用較為普遍的一種控塵措施，當在二次襯砌臺車處使用高壓噴霧形成幕簾時，各工序作業位置處呼吸塵降塵效率均低于45%，降塵效果并不顯著。3)第3種工作環境下，呼吸塵和全塵降塵效率均高于75%，較第2種工作環境下的平均降塵率提高了42.71%，同時洞口段的呼吸塵和全塵的質量濃度降至了4.83 mg/m3和2.92 mg/m3，能有效阻止隧道內粉塵向外擴散。

(a) 全塵降塵效率

5 結論與建議

1)通過對太焦鐵路天橋隧道測試段沿程粉塵粒徑分析，發現粉塵峰值體積頻率不斷朝著粒徑減小的方向移動，并且峰值體積頻率數值不斷增大，直徑1.9 mm的廣角型實心錐形噴嘴對近掌子面處的粉塵抑塵效果更佳，1.2 mm的精細型實心錐形噴嘴對小粒徑粉塵抑塵效果更佳。

2)隨著入射角度的增加，Z<1.5 m區域內霧滴質量濃度超過1 g/m3的面積先增加后減小，噴嘴置于頂部、側部和底部的最佳入射角度分別為60°、60°、45°。噴嘴位于頂部和側部時峰值霧滴作用面積大于底部。

3)天橋隧道測試段三區段噴霧系統應用結果表明，各工種作業位置處呼吸塵和全塵降塵效率均高于75%，與原有控塵措施相比，平均降塵率提高了42.71%，同時能有效阻止隧道內粉塵向外擴散。

本文數值模擬僅建立了單個噴嘴模型，在下一步的研究中，將考慮噴霧重疊區干擾和隧道復雜流場的影響，建立真實隧道環境下的新型噴霧模型。