长大隧道施工中干式除尘机理及应用

我国已成为隧道座数和隧道总里程最多的国家，已建铁路和公路隧道座数已达9000余座，总里程超过11000km，并分别以每年300km和150km的速度在增加。因其灵活、快速和高效等特点，无轨运输钻爆法已成为山岭隧道施工的主要方法。然而，无轨运输钻爆法隧道施工中会产生大量的游离二氧化硅粉尘，尤以钻孔、爆破、喷混凝土和出碴4个工序的粉尘浓度更高。长期吸入粉尘易引起以肺组织弥漫性纤维性病变为主的全身性疾病———尘肺病。2007年对我国不同地区的5个国有重点煤炭集团共47对矿井的职业病调查发现，综采工作面粉尘浓度平均为66.8mg/m3，超标高达11.1倍，在职职工平均尘肺病检出率为6.6%，离退休人员尘肺病平均检出率为13.7%，比例之高触目惊心。目前还未有全国性的类似调查，甚至未有全铁路系统的类似调查结果，有记录的资料还是1996年中国中铁总公司系统内的调查结果。统计显示，1990~1996年7年间的矽肺病（隧道工患的一种主要尘肺病）累计死亡491人，平均每年死亡70人，明显高于当时因工死亡人数。
　　就目前的医学水平来讲，尘肺病还是一种只可预防而不能治愈的“不治之症”，尘肺病人平均减少寿命10~15年，给矽肺病人和家庭造成极大的痛苦，给企业造成巨大的经济损失。因此，为了保障隧道施工人员的身体健康，减少矽肺病的发生，开展隧道施工粉尘研究、提高除尘技术已成为刻不容缓的首要工作。本文在调研隧道施工除尘技术的国内外现状的基础上，分析干式除尘机的除尘机理，并将干式除尘技术应用于贵广高速铁路的油竹山隧道施工除尘中，探讨了干式除尘机的除尘工艺和除尘效果。
　　1 隧道粉尘除尘技术研究现状
　　鉴于国际上对职业健康问题的关注，减少甚至消除疾病隐患，应严格控制职业健康的安全风险。英国标准化协会（BSI）于1996年颁布了《职业卫生安全管理体系指南》和国家标准BS8800；1999年，该协会与爱尔兰、南非等国家标准局联合制定了《OHSAS职业健康安全评价系列》。我国于1995年开始开展职业健康安全研究，并相继颁布了《GB/T24001-1996环境管理体系规范和使用指南》、《GB/T19001-2000质量管理体系要求》和《GB/T28001职业健康安全管理体系规范》，用于指导企业管理。在土木建筑方面，国内有关部门对隧道施工作业环境的卫生标准作了明确的规定，隧道内的粉尘容许浓度为：每m3空气中含有10%以上的游离二氧化硅的粉尘不得大于2mg；每m3空气中含有10%以下的游离二氧化硅的粉尘不得大于4mg。
　　在隧道开挖、弃碴装车运输、喷射混凝土等施工环节中产生的、在空气中能较长时间悬浮的固体微粒统称为粉尘。粉尘对人体的危害程度与粉尘的物理化学特性密切相关。首先，二氧化硅的游离性较结合型危害大，同一种粉尘在空气中的浓度越高危害越大；其次，粉尘的大小也影响对人体的危害程度。对人体的健康危害最大的粉尘是指粒径在7μm以下、可以进入人体呼吸系统和肺部的呼吸性粉尘。
　　按粉尘防治机理的不同，大致可将防治措施分为减、降、排、除和阻5类。（1）减尘：即在掌子面喷洒水、湿钻、湿喷及水封爆破；（2）降尘：即在运输设备装载点和转载点喷雾或洒水、喷雾水幕净化空气、喷雾泡沫降尘及在水中配加湿润剂；(3)排尘：采用风机通风、选取最佳风速和设置隔尘帘幕、机械密封罩、回风巷风门等；（4）除尘：包括过滤式除尘器、干式捕尘器和湿式除尘器等；（5）阻尘：即佩戴防尘帽、防尘口罩等。在实际工作中，隧道施工粉尘的防治手段以隧道通风排尘为主。然而，仅仅依靠隧道通风进行粉尘治理还远远不够，主要问题是粉尘在排出过程中会污染整个隧道，危害所有进洞工作的作业人员，同时用电费用高昂。施工中可根据具体情况综合采用多种手段，例如采用除尘和通风结合就是一种不错的方法，在产尘点采用除尘机将粉尘收集，减少洞内的粉尘量，再通过通风提高洞内空气质量。目前除尘主要有湿式和干式除尘两类。湿式除尘虽然体积小、简单易行、设备费用少，但多数湿式除尘机处理风量小、雾化程度不好、除尘效率不高，同时湿式除尘还会影响视线、产生噪音、排放污水等，干扰施工。由于滤料的发展、清灰技术的进步以及运行控制的逐步现代化，干式除尘机得到了越来越广泛的应用。
　　2 干式除尘机的除尘机理与适用环境
　　干式除尘机由上、中、下三部分组成，上部分为净气箱，中部分为过滤箱，下部分为集灰仓，如图1所示。其工作原理是：利用净气箱使净气箱联结的过滤箱中的滤袋内产生负压，滤袋外含有粉尘的空气在压差的作用下进入滤袋，而粉尘被“阻留”在滤袋表面，被过滤后的空气进入隧道；袋表面的粉尘增多后，通过自动振打机振打滤袋，粉尘块掉入灰仓，从而达到除尘的目的。使用除尘机除尘时，将吸尘负压软管口靠近产尘点，除尘机放在小卡车上移动，用完退出洞外，并将灰仓内的积灰铲出。


　　除尘机中滤料是用来过滤的介质，起到对尘粒的捕集作用。气流中的尘粒在穿过滤料过程中，会发生多种机理作用，包括惯性碰撞、重力沉降、布朗扩散、直接截留及静电吸引等，最终将粉尘截留捕获在滤料上。按滤料厚度不同，又可分为表面过滤和内部过滤，如滤料填充层具有一定的厚度，粉尘将被捕获于填充层内部，即为内部过滤；表面过滤则将粉尘截留在滤料表面，如图2所示。
　　机织滤料主要起表面过滤作用，非机织滤料则兼具表面过滤和内部过滤的双重作用。过滤作业时，在上述惯性碰撞、布朗扩散等机理作用下，粉尘将在滤料上聚积，从而形成粉尘初层，此时由于粉尘初层与滤料两者的共同作用，除尘效率最高。
　　随着滤料的发展，干式除尘机适用范围越来越广，对使用环境要求低，目前可以在温度5℃~50℃、相对湿度90°以上的环境中运行，完全适用于隧道爆破后掌子面附近的集中除尘。


　　3 干式除尘机在隧道施工中的应用
　　油竹山隧道进口端位于贵州省贵定县昌明镇，出口端位于都匀市甘塘镇，最大埋深约720m，全长9896m，是新建贵广铁路穿越黔南山区的重大控制性工程；设计为双线隧道，净空断面积为92m2。出口端主洞施工5296m，施工时在出口端主洞左侧30m设置长约2250m的平行导洞，每隔400～500m在平导与主洞设1个横通道。当主洞掘进长度超过2500m，平导已完成施工，仅作通风和排水通道，人员、机械等均集中在主洞。
　　3.1有害气体分析
　　利用计算流体力学计算软件（FLUENT）对油竹山隧道出口端通风进行模拟分析。计算时，将主洞作为通风的进风巷道，平导作为出风巷道，以保证主洞空气新鲜，如图3所示。主洞内5#横通道前设置1台135kW×2轴流风机，风管直径为1.5m，5#横通道内设置一台75kW射流风机，1#~4#横通道全部封堵。假定风筒进口风速分布均匀，模型的边界条件如下：（1）初始条件，工作面65m区域内CO初始浓度为1551ppm；（2）入口边界，风速v=15m/s；（3）出口边界，采用一致流边界条件。模型计算参数如表1所示。






　　不同通风时间的CO浓度如图4所示。由图4可见，CO峰值区随时间不断向出风洞口推进，在通风20min后CO基本进入平导，隧道主洞内CO浓度降低到允许范围内，满足洞内施工要求。
　　3.2粉尘测试
　　油竹山隧道正洞开挖面积99.27m2，进尺约2.5m，爆破用药量为250kg，爆破后共产生粉尘约13kg。当主洞掘进超过3500m时，采用微电脑激光粉尘仪（LD-3C）对隧道主洞口、平导洞口、二次衬砌台车两侧、横通道处及掌子面附近等位置的粉尘含量进行了测试。测试位置分布如图5所示，图6为隧道各测试位置粉尘测试结果。测试数据表明，爆破75min后主洞5#横通道至掌子面段（图5中位置1~9）粉尘含量在20mg/m3左右，粉尘浓度大大超出隧道施工环境标准要求的4mg/m3，必须采取改进施工通风等措施降低粉尘含量。




　　3.3干式除尘机的应用及经济效益分析
　　隧道内粉尘主要源于开挖爆破和喷混凝土施工。针对粉尘产生比较集中的特点，在产生粉尘的掌子面附近设置干式除尘机，对粉尘进行集中过滤，以达到减少空气中粉尘含量的目的。根据现场观测，隧道爆破粉尘主要分布在掌子面前方约30m的范围内，为取得最佳集中除尘效果，防止粉尘扩散，应在爆破后5min内开启除尘机，并将除尘机放在距掌子面30m左右的位置。
　　图7为干式除尘机和射流通风联合除尘示意图，风机配置如图3所示。开挖爆破后先开启除尘机约5min，净化掌子面附近空气；然后开启风机将新鲜风送到掌子面，将污风排出洞外。
　　为检验设置除尘机后的通风效果，进行了掌子面附近粉尘浓度现场测试，图8为工作状态的干式除尘机，图9为测试数据。由测试数据可见，掌子面附近作业产生的粉尘初始浓度为75mg/m3左右，除尘机开启后粉尘浓度逐渐下降，开启2min后浓度值降低至3mg/m3，低于隧道施工环境控制标准的允许浓度（4mg/m3），大大提高了隧道内空气质量。






　　应用结果表明，对于一次爆破开挖面积100m2及以下的隧道，配置一台除尘机即可有效控制爆破产生的粉尘浓度。此外，隧道通风风量除需满足洞内作业所需的新鲜空气外，还需将施工所产生的有害气体和粉尘稀释并排除洞外。在未使用除尘机前，通风20min即可将有害气体排除主洞；但粉尘浓度至爆破75min后，仍大大超出隧道施工环境标准；而使用除尘机可以在短时间内降低粉尘浓度，使其满足施工要求。因此，除尘机的使用可以减少送风系统向隧道内输入的空气量，降低通风能耗，减少施工成本与造价。
　　4 结语
　　通过本项研究，得出了如下主要结论：
（1）隧道施工中将产生大量的粉尘。目前隧道粉尘治理效果不佳，隧道内粉尘浓度普遍远远高于容许浓度，致使隧道内工作人员患上尘肺病比率很高，给患者和家庭造成极大的痛苦，给企业造成巨大的经济损失。
（2）目前隧道施工粉尘的防治手段主要通过通风排尘，然而仅仅依靠隧道通风进行粉尘治理还远远不够，主要问题是粉尘在排出洞外的过程中会污染整个隧道，危害所有进洞施工的作业人员，同时用电费用高昂。采用联合除尘机和通风机除尘是今后的发展方向。
（3）现场应用表明，爆破后在掌子面前方30m附近配置一台干式除尘机，开启2min便能将粉尘浓度降至容许浓度以下。
（4）除尘机的使用可以减少风机送风量，降低施工通风能耗和成本。