高原特長隧道環(huán)保除塵控制措施的探索及應用

宋衛(wèi)忠 尹吉才

摘要：隧道建設屬于地下工程，建設空間狹窄，施工作業(yè)集中。由于出風口單一，隧道內(nèi)開挖爆破煙塵、噴射混凝土粉塵、施工機械排放尾氣、支護焊接煙塵全靠通風機產(chǎn)生的風壓向外排出。隨著開挖進尺的加深，洞口通風機產(chǎn)生的風壓達到掌子面時壓力較弱，通風排煙作用較差，隧道內(nèi)空氣清潔度較差。隨著近年來國家對職業(yè)健康標準的不斷提高以及綠色低碳建造技術的大力推廣，施工企業(yè)應該積極轉型升級，應用新能源，降低碳排放，進一步加強職業(yè)健康保障措施，清潔隧道環(huán)境。關鍵詞：公路隧道;通風降塵;綠色低碳

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1 工程概況

S38線王格爾塘至夏河高速公路 WXSG-6標段起點樁號 K26+136，終點樁號 K33+800，路線全長7.664 km，本合同段共設置橋梁421.75 m/2座，夏河2 號長隧道1 620.5 m/1座，拉卜楞特長隧道5511m/1座，路基111 m。按雙線四車道高速公路標準，整體式路基寬度25.5 m，分離式路基寬度12.75 m，設計速度80km/h 。其中拉卜楞特長隧道進、出口共開設四個工作面，獨頭掘進深度為 2755m，無斜井、豎井。隧址所在地夏河縣處于青藏高原東北緣過渡帶，屬寒冷冬干型高山草原氣候區(qū)，隨著開挖進尺的加深，隧道內(nèi)低壓、缺氧現(xiàn)象明顯。

2 隧道通風要求

（1）拉卜楞特長隧道地處高原地區(qū)，海拔為3000 m ～3 700 m，空氣中含氧量應大于20%。

（2 ）每人應供應新鮮空氣3 m3/min，采用內(nèi)燃機械作業(yè)時，供風量不宜小于4.5 m3/（min·kW）。全斷面開挖時風速不應小于0.15 m/s，導洞內(nèi)不應小于0.25 m/s，但均不應大于6m/s。

（3）工作場所空氣中粉塵含量（PC- TWA），白云山、大理石、石灰石粉塵含量總體不超過8 mg/m3，沉淀的 SiO2粉塵不超過5 mg/m3，電焊煙塵不超過4 mg/m3，水泥粉塵（游離 SiO2含量小于10%）不超過4 mg/m3[1 ]。

（4 ）工作場所空氣中有毒氣體含量（PC-TWA），一氧化碳含量不大于15 mg/m3，一氧化氮含量不大于15 mg/m3，二氧化氮含量不大于5 mg/m3，二氧化硫含量不大于5 mg/m3[1 ]。

3 隧道內(nèi)煙塵、有害氣體來源

隧道內(nèi)煙塵、粉塵、有害氣體的來源主要有以下四個方面。

3.1 開挖爆破產(chǎn)生的煙塵

拉卜楞特長隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖開挖每循環(huán)裝藥量從90 kg ～288 kg 不等。爆破過程中釋放巨大的高溫高壓氣體瞬間將炮孔外圈巖石擊成粉碎并產(chǎn)生濃烈的粉塵，同時巨大的爆破震動將隧道內(nèi)的塵土全部振起在空中飄浮。掌子面100 m 范圍內(nèi)能見度幾乎為零。2號巖石乳化炸藥的主要成分硝酸銨，爆炸后產(chǎn)生刺激性有毒氣體，如 CO、SO2、CO2、NO 等氣體，對人體眼、鼻、喉都有刺激性。刺激時間過長可能引起頭暈，惡心，虛脫等癥狀[2 ]。

3.2 噴射混凝土產(chǎn)生的粉塵

噴射混凝土時風壓在0.5～ 0.6 Mpa，在高壓風作用下部分混合物瞬間由混合物狀變成粉塵向四周浮游擴散。如圖2 所示，掌子面至二襯臺車附近全是游離粉塵。由于混凝土噴射時間在3.5 h 左右，噴射時連續(xù)產(chǎn)生大量的粉塵長期在隧道內(nèi)隨氣流漂浮，對操作員的呼吸系統(tǒng)影響較大。長期吸入含一定濃度游離二氧化硅（SiO2）粉塵易引起塵肺病[3]。

3.3 拱架、鋼筋焊接產(chǎn)生的煙塵

在支護焊接過程中焊接部位較多，從掌子面至二襯分布筋均有。焊接時將產(chǎn)生大量焊接煙塵，焊接煙塵中的主要有害物質(zhì)為Fe2O3、SiO2等，焊接煙氣中有毒有害氣體的成份主要為CO、CO2、NOX、CH4等，其中以CO 所占的比例最大[4]。由于焊煙濃度較大，排除困難。??? 3.4 施工機械尾氣排放

拉卜楞特長隧道施工屬于機械化集群作業(yè)。單洞機械配置為一臺阿特拉斯鑿巖臺車（開挖用）、一臺挪曼爾特濕噴臺車（噴射混凝土用）、一臺 VOLVO 挖機、一臺臨工855F裝載機、4輛砼運輸車、6輛運渣自卸汽車（出渣用）。由于掌子面24 h 連續(xù)作業(yè)，眾多的機械集中在掌子面作業(yè)將產(chǎn)生大量的尾氣，如 CO、SO2、NOX? 等氣體[5]，無法有效排除。

4 排煙降塵措施分析

通過對隧道內(nèi)煙塵、粉塵、有毒氣體的來源分析可知，產(chǎn)生粉塵較多的兩個原因，一是開挖爆破產(chǎn)生的煙塵，二是噴射混凝土產(chǎn)生的粉塵。這兩種煙塵均在掌子面產(chǎn)生，不易排出，但其源頭空間相對封閉，容易局部封閉控制。如果將這兩種粉塵封閉在掌子面并消除，隧道里的空氣就會清潔很多。由于煙塵是微小體積的顆粒，重量較輕漂浮在空中，顆粒被水包圍后在重力作用下便會降落。因此針對這兩種粉塵所采取的降塵措施是遠程高壓水炮、細霧降塵。對于焊接煙塵和施工機械尾氣排放，隨隧道內(nèi)氣流浮動不易封閉控制，只能采取有針對性措施來排除。

5 環(huán)保除塵控制措施

5.1 霧炮降塵在隧道施工中的應用

對于隧道成洞段，霧炮降塵是一種行之有效的降塵方式。隧道內(nèi)施工機械眾多，流動頻繁，路面及空中的粉塵被機械設備氣流卷起在空中飄浮。通過路面和空中噴灑水霧，降塵效率較高。在對空中進行噴霧降塵時，還能對二次襯砌進行養(yǎng)護。這樣能達到降塵作用，又能對二次襯砌起到養(yǎng)護作用。5C474685-75F0-4D28-A266-E1397A58D31A

隧道多功能掃地、升降、噴灑作業(yè)臺車是一款適用于公路、鐵路隧道等現(xiàn)場的多功能設備，具有空中噴霧、道路清掃、高空輔助作業(yè)等功能。隨車攜帶的霧炮可液霧降塵，有效分解空氣中的污染顆粒物、塵埃，提升施工環(huán)境的空氣質(zhì)量。利用掃地機進行清掃作業(yè)能有效減少隧道內(nèi)清掃人員數(shù)量，提高了工作效率，降低施工成本。

5.2 開挖爆破后的降塵措施

爆破后掌子面會產(chǎn)生大量的煙塵，有2 號巖石乳化炸藥爆炸產(chǎn)生的濃煙，也有大量的巖石粉塵。由于煙塵濃度較大，且聚集在掌子面，但風袋末端壓力較小，不能將煙塵快速排出。另外，爆破后掌子面60 m 范圍內(nèi)全是粒徑不同的塊石，灑水車無法進入到掌子面前方。

5.2.1?? 聚能管水壓爆破

水壓爆破的目的是為了提高爆破質(zhì)量，減少炸藥單耗，節(jié)約成本。利用水的不可壓縮特征，無損失傳遞炸藥爆破能量，利于圍巖破碎。產(chǎn)生的“水楔”作用進一步破碎圍巖，還可以防止巖爆[6]。另外，水壓爆破起爆還可以起到源頭控制降塵的作用。將直徑?30mm，重量300 g 水袋均勻間隔與藥卷裝在一起，每支炮孔裝入 5支水袋。將周邊孔、周邊輔助孔全部裝入水袋，裝炮孔數(shù)為65孔，共計裝水量為97.5 kg，爆破過程中在傳遞能量的同時還具有一定的降塵作用。

5.2.2? 電動水炮降塵

爆破后對掌子面降塵是消除隧道內(nèi)煙塵的重要方法，限于車輛無法停靠在掌子面附近，只有通過遠程灑水的方式來進行降塵。將煙塵封閉在掌子面并快速消除，一方面可以改善掌子面環(huán)境，保障工作人員的身體健康;另一方面縮短通風、排煙時間，加快隧道工序循環(huán)。

為了增加灑水車的噴射距離，可在灑水車上安裝一種高壓電動水炮。借助于電動水炮將水送至掌子面。該電動水炮有三個優(yōu)點：（1 ）在駕駛室內(nèi)便可遙控控制，無需駕駛員下車調(diào)節(jié);（2）噴射距離較長可達到60 m，噴射高程可達35 m，適合遠距離降塵;（3）水炮的射程和噴射形狀可隨時調(diào)節(jié)，既可以降塵、又可以抑塵。通常將該水炮安裝在駕駛室的前方，視線清晰便于控制調(diào)節(jié)。

電動水炮降塵流程如下，爆破后立即將灑水車停靠在棧橋前方，開啟電動水炮進行噴射降塵。降塵方式是先對掌子面進行左右擺動集中噴射，當掌子面煙塵往外流出時，改變水柱的噴射形狀，對流出的煙塵進行環(huán)形封閉阻止外流。通過不斷調(diào)節(jié)水柱的形狀，直至將掌子面的煙塵全部消除。該過程持續(xù)時間為15 min，消耗水量為6 m3左右，可消除掌子面大部分煙塵。

5.3 噴射混凝土粉塵降塵措施

5.3.1?? 基于濕噴臺車的噴霧降塵工作原理

在隧道初支噴射混凝土過程中將產(chǎn)生大量的粉塵，該粉塵隨噴嘴不斷移動，在掌子面前方空間飄浮，同時向外浮動。對于移動式粉塵降塵，首先水霧要跟隨移動;其次水量不宜過大，過大會影響噴射作業(yè)，細霧狀態(tài)能將噴嘴附近的粉塵消除即可。針對這一特點，本項目設計了一種基于濕噴臺車的噴霧降塵裝置，專用于消除噴射混凝土粉塵。其工作原理如圖1 所示，車載水箱內(nèi)的抑塵液通過增壓泵傳到門架式噴霧裝置，對粉塵進行抑制降稱。

5.3.2?? 除塵工藝流程

在噴射混凝土作業(yè)時開啟車載除塵裝置，門架式噴頭組噴射的細水霧形成一道屏障，如圖2 所示，噴射混凝土時產(chǎn)生的粉塵，隨噴射壓力往外流動，當流動到水霧屏障時遇水會自動降塵。水霧屏障將噴射混凝土產(chǎn)生的粉塵全部抑制在掌子面并當即消除。除塵工藝流程如圖3 所示，該措施可有效降低掌子面粉塵，改善隧道內(nèi)空氣的清潔度，改善濕噴操作員的作業(yè)環(huán)境。? 5.4 焊接煙塵降塵措施

由于隧道內(nèi)初支拱架、二襯配筋鋼材使用量較大，焊點分部較廣。焊接過程中焊條用量大，平均每天使用 8包，產(chǎn)生的焊接煙塵大，且焊接煙塵濃度大不宜排除。焊接煙塵的消除措施主要有兩種：（1 ）源頭控制。目前整體拼裝式拱架已在不斷完善發(fā)展。拼裝式拱架制作在鋼筋加工場完成，在隧道支護過程中只需少量焊點即可完成支護固定，可從源頭上解決焊接煙塵的產(chǎn)生;（2）使用焊接煙塵凈化器。可用于焊接、切割等工序中產(chǎn)生煙塵和粉塵的凈化。可凈化大量懸浮在空氣中對人體有害的細小金屬顆粒。具有凈化效率高、噪聲低、使用靈活、占地面積小等特點[7 ]。

5.5 施工機械尾氣排放環(huán)保措施

拉卜楞特長隧道建設實行機械化集群作業(yè)，全工序機械化覆蓋，洞內(nèi)施工機械車輛眾多，流動頻繁，且隧道內(nèi)含氧量低，尾氣排放量大。隨著新能源機械設備的不斷發(fā)展，以及綠色低碳技術的應用。液電混動、純電動機械設備將成為新的發(fā)展趨勢，為凈化隧道空氣，減少尾氣排放，可考慮引進純電動裝載機、卡車等。目前本項目已擁有液、電混動鑿巖臺車和濕噴臺車。下一步項目將引進純電動裝載機和卡車，進一步改善隧道作業(yè)環(huán)境。

5.6 增加風機組循環(huán)除塵措施

利用通風機通風除塵是一種傳統(tǒng)高效的除塵方式，但隨著開挖進尺的不斷增加，當進尺大于1 500 m 時單向風機產(chǎn)生的風壓到掌子面時風壓較弱，不能有效的排出隧道內(nèi)的煙塵。因此，對通風系統(tǒng)進行合理設計，利用雙向循環(huán)風壓將隧道內(nèi)的煙塵排除[8，9]。

5.6.1?? 隧道風量的計算及確定

（1 ）通風量計算

①按洞內(nèi)最小風速計算風量：

式中：

V—最小風速，取0.25 m/s[1 ];

A—洞內(nèi)開挖面積，取106m2;

計算得：Q1=60*0.25*106=1590 m3/min。

②按洞內(nèi)最多工作人員計算風量：

式中：

q—每人每分鐘所需的新鮮空氣量，取3m3/min[1 ]; m—同時工作人數(shù)，取35人;

k—風量備用系數(shù)，取1.2;5C474685-75F0-4D28-A266-E1397A58D31A

計算得：Q2=3*35*1.2=126 m3/min。

③按稀釋爆破煙塵計算風量：

式中：

t—爆破后的通風時間，取30min;

E—爆破炸藥用量，取288 kg;

be—1 kg 炸藥爆破時有害氣體產(chǎn)生量，取40 L/kg; e'—允許有害氣體的濃度，取0.02;

計算得：Q3=1920 m3/min。

④按稀釋機械設備尾氣計算風量：

洞內(nèi)出渣汽車6 輛，功率為162 kW/臺;裝載機一

臺，功率為168 kW;砼罐車2輛，功率247 kW/臺。

總功率：P=6*162+2*247+168=1634 kW

Q4=V/K，其中 V =????????????????????????????????? （ 4）

式中：

β—內(nèi)燃機產(chǎn)生有害氣體，CO 氣體為0.09×10-3（m3/ min·kW）;

P—內(nèi)燃機功率;

K—允許濃度，取0.008%;

計算得：Q4=1838.25 m3/min

（2 ）通風風量確定

取以上四種計算得到的最大通風量作為設計通風量，由計算可知到達掌子面的最大風量：Q 計=Q3=1 920 m3/min。

采用φ120 cm 的風袋供風，百米漏風率取1.2%，采用壓入式通風，通風距離為 L=2655 m，

供風系統(tǒng)的漏風系數(shù)：

P=1/（1-L/100×P100）= 1.52??????????????????????? （）5

因此要求風機的供風率不小于

Q 供=P×Q計=1.52×1920=2918.4m3/min?????????? （）6

5.6.2? 通風方案設計

通風方案設計如圖4 所示。

由于拉卜楞特長隧道為雙向獨頭掘進，掘進深度為 2755 m，且隧道內(nèi)低壓、缺氧現(xiàn)象明顯。為保障隧道內(nèi)空氣清潔，含氧量充足，通風系統(tǒng)設計為雙向串聯(lián)循環(huán)式系統(tǒng)。洞口及洞內(nèi)通風機向隧道內(nèi)送風，洞內(nèi)對向側風機向洞口抽風，形成循環(huán)氣壓。距離洞門口30 m 處安裝2 臺132 kW 軸流變頻風機，風壓（1698-6 637 Pa）;在隧道內(nèi)K29+510 m 處安裝一臺110 kW 軸流變頻風機，風壓3 312 Pa;在隧道內(nèi)K30+110 m 處安裝一臺75kW 軸流變頻風機，風壓3 098 Pa 。在對向 K30+110 m 處安裝一臺55kW 射流風機。通風機總功率為504 kW，在使用過程中根據(jù)隧道內(nèi)空氣質(zhì)量調(diào)整變頻柜來控制風機轉速及風量。另外，在隧道里面安裝風機時應計算隧道內(nèi)電壓，如果電壓不足，需更增加升壓器。

6 結束語

隧道通風一直是高原特長隧道施工的難點，一方面影響施工人員身體健康，一方面制約隧道施工進度。進尺短時利用壓入式風機組通風排煙，進尺較長時采用循環(huán)風機組排出。其次利用灑水車進行灑水降塵，可有效抑制隧道內(nèi)的浮塵。最后，應結合施工特點，針對局部位置進行降塵。開挖爆破后可利用高壓水炮遠程灑水降塵;減少機械設備尾氣排放，選擇新能源電動機械設備代替燃油機械;采用焊接煙塵凈化器減少焊接產(chǎn)生的煙塵。隧道降塵關乎施工人員的身體健康，應高度重視通風、降塵措施，有效改善隧道內(nèi)空氣清潔度。

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