地下洞室施工期空氣質量控制措施研究與應用

古 小 夢， 錢 凱 旋， 古 藝， 龔 澤 鵬

(1.華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041；2.中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314000)

1 概 述

拉哇水電站場內交通隧道多為長和特長隧道，且坡比較大，最大坡比達10.68%，導致通風線路較長，粉塵、爆破煙霧等不能及時排除，通風降塵管理難度大，嚴重影響了施工人員的健康和工程進度[1]。

目前，常規(guī)的施工通風方式是用軸流風機壓入為主，來達到輸送新鮮空氣及降低污染物濃度的目的。正常情況下，采用傳統(tǒng)的方式既可以滿足施工要求，且費用不會太高，但對于隧道群，盡管用傳統(tǒng)的方式能降低費用，卻用時較長，使施工進度得不到保障。

在高海拔地區(qū)，通風要根據(jù)施工現(xiàn)場情況，通過氣體狀態(tài)方程求得空氣重率和海拔的關系來確定高原區(qū)修正系數(shù)，確定單一隧道施工通風的需求量，進而獲取隧道群施工的通風需求量，以便為施工通風設備選型提供依據(jù)。同時，輔以合理的施工措施，最大限度改善洞內空氣質量，有效保證洞內施工人員的健康，保證隧道施工的進度和質量。

2 場內交通布置

場內交通規(guī)劃結合永久交通要求，以有利施工、方便管理、節(jié)約投資、安全可靠為原則，左、右岸共布置11條主干道路(均為隧道)。左岸①、③道路在大壩下游相交，①道路通向壩頂、必英溝料場和⑦道路，通過不同高程支洞①-1、①-2、①-3道路連接大壩不同高程岸坡，形成左岸高低線回路。右岸②、④道路在下游金沙江大橋右岸附近相交，④道路基本沿江上行連接上游圍堰堰頂，②道路通向壩頂，中間分支線⑧道路，在上游圍堰堰頂附近與④道路連接，形成右岸高低線回路。電站場內交通隧道合計23條，總長約24 km。電站施工總布置見圖1。

圖1 電站施工總布置圖

3 空氣質量控制措施

在洞室開挖過程中，不可避免地會產(chǎn)生一些有害物質，并散發(fā)到隧道空氣中，造成污染，使空氣質量不達標，對隧道施工人員的身心健康造成損害，也對工程進度造成一定影響，因此，施工通風是隧道施工過程中必不可少的重要措施。在水電站隧道施工中，主要采用壓入式通風方式，其通風設備采用軸流風機為主，輔以射流風機加強隧道內空氣流通。隨著洞室開挖距離增長，采用單純的通風措施，將空氣質量指標降低到一定范圍內所需的時間也逐漸增長，且對空氣質量控制效果不佳，進而影響工程進度，因此，需再輔以合理的施工措施，在短時間內快速提升空氣質量。

3.1 隧道施工通風主要參數(shù)

隧道施工通風應能提供洞內各項作業(yè)所需要的最小風量，須按以下參數(shù)控制：

(1)每人應供給新鮮空氣3 m3/min，高原區(qū)按4 m3/min計算；

(2)采用內燃機作業(yè)時，供風量不宜小于4.5 m3/min·kW；

(3)全斷面開挖時風速不應小于0.15 m/s，但不應大于6 m/s；

(4)通風管每100 m平均漏風率不得大于2%。

根據(jù)施工總體方案，隧道群各個施工面的風機出口最小供風量見表1。

表1 隧道群各個施工面的風機出口最小供風量

3.2 施工通風設備的選型與布置

在施工過程中，要選擇合理的施工通風設備，需要較為精確的通風計算結果。目前，對于隧道壓入式通風，使用較多的風機是多級變速軸流通風機[2]，這樣可以根據(jù)隧道內實際情況去控制通風的風量和風壓，以達到施工過程中的節(jié)能目標。在布置風機時，送風式的進風管口應在洞外離洞口距離至少30 m。同時，為了保證各作業(yè)面通風不受干擾，風機布置宜采用獨立通風的布置方式。工程施工選擇的多級變速軸流通風機參數(shù)見表2。

3.3 隧道施工工藝優(yōu)化及粉塵控制

隧道內的粉塵主要是由初期支護過程中的噴射混凝土與開挖過程中的爆破兩個工序產(chǎn)生，根據(jù)公路隧道施工技術規(guī)范規(guī)定：矽塵濃度應小于2 mg/m3(含有10%以上游離SiO2的粉塵)，水泥粉塵濃度應小于6 mg/m3(游離SiO2含量小于10%)[3]，所以，隧道施工粉塵主要通過減少矽塵和水泥粉塵來控制。

表2 工程施工選擇的多級變速軸流通風機參數(shù)表

3.3.1 工藝優(yōu)化一：通過濕法作業(yè)控制粉塵的產(chǎn)生

由于粉塵顆粒與水結合后，能凝結成含水的較重顆粒，使粉塵顆粒轉變?yōu)椴灰准婏w的較大顆粒來有效地控制粉塵的產(chǎn)生，從而粉塵的二次擴散也因此被阻斷，這是一項能直接減少粉塵產(chǎn)生的重要除塵技術。濕法作業(yè)在實際施工中有以下幾個具體措施：

(1)鉆機鉆孔和鑿巖作業(yè)時進行帶水作業(yè)，減少鉆孔產(chǎn)生的粉塵；

(2)爆破時使用水封而不是泥封；

(3)出渣前對堆渣直接灑水以減少堆渣轉運產(chǎn)生的粉塵；

(4)出渣時在運渣行駛路線上提前灑水減少道路揚塵；

(5)噴混凝土施工時采用濕噴法減少水泥粉塵的產(chǎn)生。

3.3.2 工藝優(yōu)化二：縮短隧道單頭開挖長度降低通風難度

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，及時開挖具備條件并和特長隧道或長隧道相交的永久或臨時支線道路隧道，使隧道形成多個開挖施工作業(yè)面，減小隧道單頭掘進長度，降低隧道內通風難度[4]。在實際施工過程中，提前開挖與隧道相交的支線道路，使隧道開挖能多斷面同時施工，可有效降低隧道的通風難度。

3.3.3 控制措施一：通過施工通風促進洞室內粉塵稀釋、排出

通風除塵是通過通風設備往洞室內部不間斷輸送洞室外的新鮮空氣，以稀釋洞室內粉塵濃度，促進洞室內空氣攜帶著粉塵向洞室外流動，稀釋通風和置換通風同時進行，以達到降塵除塵的目的。在實際施工過程中，將通風措施納入施工方案嚴格執(zhí)行，通風設備采用多級變速軸流通風機與其配套軟風管，并輔以射流風機。施工時由多級變速軸流通風機將洞室外新鮮空氣輸送至施工作業(yè)面加快粉塵稀釋，同時射流風機加速洞室內空氣向洞室外流動，促進粉塵加速排出。

3.3.4 控制措施二：通過灑水和水幕降低飛揚的粉塵

和濕法作業(yè)原理一樣，由于粉塵顆粒能與水結合形成較重、較大、不易飛揚的顆粒直接降落至洞內，使洞室內隨空氣運動的粉塵與水結合，從而降低洞室內飛揚的粉塵濃度，達到降塵效果。在施工過程中，從隧道施工面到隧洞出口，每間隔250 m距離沿洞身輪廓布置一根均勻鉆有1.5 mm小孔的水管，孔口垂直于洞身輪廓，并持續(xù)向水管內泵送輸水，通過水壓作用使水從孔口徑直噴出形成水幕和空氣中的粉塵結合形成較重顆粒降落，經(jīng)過洞室內均勻彌補的多道水幕，降低空中飛揚的粉塵。對于累積粉塵在空氣流動過程中產(chǎn)生粉塵飛揚的情況(如道路通行)，可以采用灑水的方式進行降塵。

3.3.5 控制措施三：通過干式除塵機防止粉塵擴散

隨著洞身開挖長度的增加，通風設備送風到達爆破作業(yè)面的時間會越來越長，稀釋粉塵的效果會越來越差，因此，就近處理是解決粉塵的最好方式。為此，引進了SCI3型移動干式除塵機。干式除塵機是利用凈氣箱使與其聯(lián)結的濾袋產(chǎn)生負壓，在濾袋和濾袋外空氣的壓差作用下將粉塵吸入濾袋，使用被過濾后的空氣循環(huán)進入隧道。實際操作是在距離開挖爆破作業(yè)面400 m的位置，將干式除塵機安裝在平板車上，待爆破后開始啟動，然后緩慢向作業(yè)面移動，粉塵在向洞外擴散時被干式除塵機吸收集中，這樣，大幅縮短了炮煙向洞外擴散的距離，這種除塵方式在單頭開挖長度大的隧道中效果更明顯。在噴混凝土作業(yè)時將干式除塵機布置在作業(yè)面附近，同樣可以起到明顯的除塵作用。

4 實例應用

為更直觀、準確地評價施工中空氣質量控制措施的應用效果，首先在②道路隧道工作面進行測試，測試地點在距洞口150 m、300 m處，定時分別對僅采用通風機與采用綜合控制措施的空氣污染物(CO、NxOy、粉塵)濃度及風速進行監(jiān)測[5]。150 m處僅采用風機效果監(jiān)測、150 m處采用綜合措施效果監(jiān)測、300 m處僅采用風機效果監(jiān)測、300 m處采用綜合措施效果監(jiān)測分別見表3～6。

表3 150 m處僅采用風機效果監(jiān)測

表4 150 m處采用綜合措施效果監(jiān)測

表6 300 m處采用綜合措施效果監(jiān)測

由上述測試結果可知，在150 m處時，采用通風機與采用綜合措施空氣控制質量效果基本一致；在300 m處時，采用綜合控制措施的效果明顯好于只采用風機措施，說明在開挖到一定距離時，采用本文提出的空氣質量控制措施是合理的。

隨著工程的逐步展開和施工的隧道開挖面的增加，難以準確測試單一工作面開挖時的空氣質量。為確定該控制措施在多工作面開挖時應用的合理性，在工程洞室開挖高峰期選取同時開挖工作面最多的階段，對各工作面的風速、空氣污染物濃度進行了測試。各工作面空氣污染物監(jiān)測結果見表7。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，隧道通風狀態(tài)、空氣污染物濃度均滿足規(guī)范要求。

表7 各工作面空氣污染物監(jiān)測結果

5 結 語

針對水電站地下洞室施工期空氣質量控制難題，根據(jù)施工進度，在施工初期及施工高峰期，合理地進行優(yōu)化，縮短隧道單頭開挖長度，動態(tài)調整通風措施，配合濕法作業(yè)、水幕和噴霧，有效降低了洞室內空氣污染物濃度,保證了洞室施工期間空氣的質量。

通過施工期間的通風監(jiān)測顯示，隧道內空氣質量符合規(guī)范要求,說明該措施可以解決長、特長洞室施工期空氣質量控制難題。工程施工期隧道開挖單個作業(yè)面正常情況下Ⅲ級圍巖洞段月開挖平均進尺可達140 m/m，最高達202.8 m/m，同時通過監(jiān)測，洞內空氣質量滿足施工要求，工作面能見度大，從而保障了施工進度及洞內施工人員的健康。

本文所研究的通風降塵技術,在實際工程應用中取得了良好的成效，可為其他類似工程參考。