地铁隧道施工中防尘技术的现状与趋势

2018-11-07郑学召王喜龙刘会林张嬿妮

铁道建筑 2018年9期

郑学召,王喜龙，刘会林，郭军，张嬿妮

(1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054；2.中铁十六局集团有限公司，北京 100018)

我国地铁行业发展迅速，2016年城市轨道交通投资3847亿元，运营长度 4 152.8 km，客运量160.9亿人次，创下历史新高。截至2016年末，全国共有48座城市的轨道交通建设项目获批，规划长度达 7 305.3 km，目前我国至少有30座城市已开通城市轨道交通[1]。地铁在缓解城市交通拥挤问题中起到至关重要的作用，但是在地铁隧道施工中会产生大量的粉尘。粉尘的存在伴随着一系列的安全问题，比如危害地铁隧道施工人员的身体健康、缩短精密仪器的使用寿命等。防尘技术的发展较快，通过对防尘技术的不断研究与改进，使得粉尘的防治效果显著，但是如何通过防尘技术更加高效地降低地铁隧道施工的粉尘浓度，从而更好地服务与促进我国地铁行业的发展，依然是一项非常艰巨的任务。本文对此进行探讨，旨在为我国地铁隧道施工防尘提供指导。

1 地铁隧道施工中粉尘污染物的分类及指标

粉尘泛指因机械过程(如破碎、筛分、运输等)和物理化学过程(如冶炼、燃烧、金属焊接等)而产生的、粒径一般在1 mm以下的固体颗粒[2]。GBZ 2.1—2007《工作场所有害因素职业接触限值》中规定了水泥粉尘、矽尘、大理石粉尘、电焊烟尘、硅藻土粉尘(游离含量<10%)等粉尘污染物浓度的职业接触限值。工作场所空气中粉尘容许浓度见表1。本标准规定的浓度值不能理解为地铁隧道施工安全与危险浓度的精确界限，但是对地铁隧道施工粉尘的控制设计、保障人体健康、防止大气污染有重要作用，同时也是评价防尘措施效果的重要依据。

表1 工作场所空气中粉尘容许浓度 mg/m3

2 地铁隧道施工中粉尘来源及危害

2.1 粉尘的来源

地铁隧道施工中产生的粉尘主要分为原始粉尘和工艺产尘[3]。原始粉尘在隧道施工之前就已经产生，存在于岩体的层理、节理和裂隙之中。工艺产尘就是在地铁隧道施工钻孔、装运出砟、喷锚支护、灌注衬砌、喷射混凝土等工序以及机械车辆工作中产生的粉尘。

2.2 粉尘的危害

在地铁隧道施工中粉尘的危害经常被施工单位和施工作业人员所忽视，但粉尘的危害不仅存在，而且不可小觑。地铁隧道施工中产生的粉尘主要有以下4个方面的危害[4-6]：

1)地铁隧道有限空间内的空气被污染，危害施工人员的身体健康，引起职业病；

2)降低隧道有限作业空间内的能见度，增加工伤事故发生的可能性；

3)缩短机械设备和精密仪器的使用寿命，影响施工进度；

4)粉尘加大了电磁波的衰减，影响地铁隧道施工无线通信设备的使用。

3 地铁隧道施工防尘技术

3.1 防尘技术的研究现状

国内外防尘技术在不断研究中得到很大的进步，从防治粉尘的产生、抑制粉尘的飞扬、防止粉尘危害人体健康等角度设计防尘方式，研发防尘装置，使得粉尘的危害大幅度降低。由于对防尘方法、防尘机理等缺乏理论研究，所采取的防尘方法可靠性低、针对性不强。以通风排尘为主的防尘技术在隧道防尘中应用了很长一段时间。80年代以后，随着隧道施工机械化程度的提高，使得采掘工作面出现高浓度粉尘。仅依靠通风排尘的方式不仅达不到空气质量标准，而且使得作业环境恶化，隧道全长被污染，导致粉尘的危害非常严重。针对这一问题，诸多学者依据不同的防尘机理研究了排尘、降尘、除尘和个体防护(阻尘)措施[7]。

3.2 主要防尘技术

3.2.1 通风排尘技术

目前在我国地铁隧道施工中使用较多的是通风排尘技术。通风排尘不仅是通风、降温、排烟和提供氧气的主要措施，也是稀释并排除有害气体和降低粉尘浓度的主要措施。3种通风方式的比较见表2。单一的压入式、抽出式通风提供风量小、排尘效果差，不能满足地铁隧道施工中的要求，因此混合式机械通风仍是地铁隧道施工防尘领域不断深入研究的一个课题。田应平[8]提出了长压长抽式、长抽短压式、长压短抽式3种混合式机械通风排尘方式，结合了压入式和抽出式的优点，提高了排尘效率，但存在通风系统操作复杂的问题，增加了地铁隧道施工的管理难度。针对上述问题，黄寿元等[9]设计研究了通风排尘试验装置及PLC监控系统，此系统能够将地铁隧道施工通风和排尘同步进行，系统稳定可靠、操作简单，实现了计算机远程监控，降低了地铁隧道施工单位的管理难度。

3.2.2 水雾降尘技术

常规的地铁隧道施工降尘技术是使用普通喷嘴进行水雾降尘，但是降尘效率低，达不到保护地铁隧道施工人员身体健康，优化作业环境的目的。因此为了提高降尘效率，有诸多学者设计出各式各样的喷嘴。主要包括压力喷嘴、气动喷嘴、静电雾化喷嘴等。我国对喷雾技术研究最早的是煤炭研究总院，其研制的高压喷雾系统的降尘效率在85%以上，随后又和山东兖州矿业集团共同研制了一种高压外喷雾系统，喷雾降尘效率在90%以上[10]。在此基础上，陈霂[11]开发了具有自动检测巷道粉尘浓度的智能控制喷雾降尘系统。王祥等[12]提出消烟降尘系统。2种系统反应速度快，能够精确控制水量，提高降尘效率的同时也提高了自动化程度。

3.2.3 除尘器除尘技术

依据除尘器工作原理，地铁隧道施工除尘器可分为机械式、湿式、过滤式3大类。

机械式除尘器借助重力、惯性力和离心力使颗粒物与气体分离，常见的有惯性除尘器、旋风除尘器。

惯性除尘器一般净化密度和粒径较大的粉尘，工作原理是含尘气流以一定的进口速度V1冲击到挡板B1上，大颗粒M具有较大惯性力撞击到挡板B1上而被分离捕集，小颗粒N则随着气流以R1的半径绕过挡板B1，由于挡板B2的作用，使气流方向发生转变(R2为气流弯转的曲率半径，V2为气流出口速度)，小颗粒N借助离心力被分离捕集，如图1所示。

图1 惯性除尘器工作机理

旋风除尘器使含尘气流作旋转运动，借助于离心力降尘，尘粒从气流中分离并被捕集于器壁，再借助重力作用使尘粒落入灰斗，如图2所示。

图2 旋风除尘器工作原理

楚建华、付中斌等[13-14]针对现有除尘器阻力损失大、对细小粉尘除尘效率低的问题，研究了SEU型惯性除尘器、XGB型惯性除尘器。孙熙等[15]提出了旋风湿式纤维栅除尘器，不仅为资源的再次利用提供了有利条件，而且提高了地铁隧道施工除尘效率。赵新义等[16]研究出了旋风-滤袋复合除尘器，其工艺流程简单可靠，降低了生产成本，在地铁隧道施工中更具实用性。

湿式除尘器是使含尘气体与液体(一般为水)密切接触，利用水滴和尘粒的惯性碰撞及其他作用来捕集尘粒或增大粉尘粒径的装置。其除尘效率高，能适用于不同的特殊条件，既起到冷却、净化的作用，又起到除尘的作用。胡俊[17]于2008年在CCJ/A型冲激式除尘器基础上，研究出了一种WS型高效旋流湿式除尘器，其结构简单，占用空间较小，成本低，处理风量大，除尘效率高，对呼吸性粉尘的除尘效果特别理想。杨有亮[18]于2012年对DW型高效湿式除尘器进行研究。此除尘器用水量少，运行稳定可靠，占用空间小，除尘效率高，在实际地铁隧道施工得到应用。

袋式除尘器是过滤式除尘器的一种。其具有除尘高效、结构简单、投资少、运行稳定、动力消耗小等优点。目前在我国地铁隧道施工广泛使用。袋式除尘器工作原理如图3所示。