水炮泥降尘施工隧道粉尘粒度分布演化的非稳态分析

乔力伟，蒋葛夫，桑琮辉

水炮泥降尘施工隧道粉尘粒度分布演化的非稳态分析

乔力伟1，蒋葛夫1，桑琮辉2

(1. 西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031；2. 四川省泰坤建筑工程有限公司，四川 成都 610000)

分别以氯化钾(KCl)基水炮泥和氯化钠(NaCl)基水炮泥为堵料对隧道炮孔进行封堵后爆破，采用相关仪器对掌子面爆破后施工作业区内粉尘颗粒及浓度值进行现场采集，通过图像处理软件对2段试验中粉尘分散度及外形参数进行分析。研究结果表明：不同基料降尘剂对炮眼封堵爆破后，相同周期通风时间条件下呼吸性粉尘与总粉尘浓度演化趋势基本一致，但粉尘粒度分布出现明显差异，粉尘颗粒长径比参数均在1附近发生窄幅震荡；各粒径粉尘颗粒频率分布基本符合正态分布，呼吸性粉尘粒径分布峰值范围在5~7 μm之间；以氯化钠(NaCl)作为降尘剂基料时小粒径粉尘的降尘效果优于氯化钾(KCl)基降尘剂，掌子面爆破通风60 min后氯化钠(NaCl)基降尘剂条件下呼吸性粉尘与粒径小于2 µm的肺泡区高沉积呼吸性粉尘的平均累计分布较氯化钾(KCl)基降尘剂条件下分别下降38.68%和69.65%；隧道粉尘净化效果进行判断时除考虑呼吸性粉尘与总粉尘浓度下降率外，还要将粉尘粒度的分布变化情况纳入判断依据。

施工隧道；水炮泥；呼吸性粉尘；粉尘浓度；粉尘粒度分布；粉尘长径比参数

隧道掘进中的粉尘污染已严重威胁到施工人员的身心健康，相关数据[1]显示钻爆法施工条件下呼吸性粉尘与总粉尘浓度超标频率均为100%，据2018年6月12日国家卫生健康委员会发布的《2017年我国卫生健康事业发展统计公报》统计数据[2]：职业性呼吸系统疾病22 790例，其中尘肺22 701例，占比99.61 %。尘肺病的致病物为空气动力粒径小于7.07 μm可经呼吸直接进入人体肺泡区的粉尘颗粒物，即呼吸性粉尘[3]。现阶段在隧道钻爆法施工中多采用水炮泥封堵炮孔的方法进行爆破，该方法配合机械通风可以有效降低隧体内粉尘浓度，国内外学者关于隧道传统型水炮泥(水基型)[4−7]及改性水炮泥(化学剂基型)[8−10]的技术特性、雾化程度以及雾粒运动速度等方面研究较多，大部分是基于稳态(未限定试验时间周期)情况下针对粉尘的降尘效果进行评价，不能判断真正的降尘效率，同时，仅采用呼吸性粉尘与总粉尘浓度值的降低幅度作为其降尘效果的唯一评价指标，未对不同粒径级别的粉尘颗粒的细化评价。目前有研究表明[11]作业环境下粉尘浓度值不是导致尘肺病的唯一诱因，其粒度分布，尤其是高沉积粉尘颗粒分布及颗粒外形等参数亦与尘肺病高度相关。综上，通过对水炮泥条件下施工隧道主要施工作业区不同时间周期内粉尘粒度分布特性、浓度及颗粒外形参数进行分析，可以获取相关试验参数，为判断水炮泥条件下隧道粉尘净化效果提供更全面的理论依据，同时为优化除尘系统的设计提供重要数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验隧道概况

以某新建单线铁路隧道为研究背景，隧道洞口至掌子面桩号分别为Dyk194+225和Dyk196+351，开挖长度2 126 m。施工过程采用独头单管压入式供风，通风机为一台穿山甲牌SDF(C)-11.5型2×75 kW对旋极变多速轴流通风机，供风量1 865 m3/min，额定风压4 629 Pa。风管直径1.2 m，百米漏风率1%，出风口下缘距隧道地面高度2.5 m，距离掌子面31 m，通风距离2 115 m，隧体内未串入中继射流风机。施工段位于Ⅱ~Ⅲ级岩层非瓦斯设防区段，采用全断面钻爆法开挖，断面轮廓面积62.2 m2，开挖循环进尺2 m，掌子面开挖炮眼布置方案如图1所示。

图1 掌子面全断面开挖炮眼布置图

爆破采用3种规格乳化炸药卷，直径40 mm为掏槽眼药卷，直径32 mm为掘进眼药卷，周边眼采用 25 mm小直径药卷以减轻爆破时对围岩的扰动。周边眼间距60 cm，抵抗线75 cm，相对距0.8，装药集中度0.25 kg/m，堵塞段长度40 cm，非电起爆。爆破前炮眼使用无机盐水炮泥进行封堵。试验分2阶段进行，第1阶段：采用降尘剂基料为氯化钾(KCl)的水炮泥对炮眼进行封堵，掌子面爆破后通风条件下进行相关粉尘数据采集。第2阶段：采用降尘剂基料为氯化钠(NaCl)的水炮泥对炮眼进行封堵，掌子面爆破后通风条件下进行第2阶段试验数据采集。降尘剂配方：第1，2试验阶段基料分别为氯化钾和氯化钠，表面活性剂、添加剂均为12烷基本磺酸钠(CH3(CH2)4CH(C6H4SO3Na)(CH2)5CH3)和硫酸铜(CuSO4)

1.2 检测点布置与粉尘采样

钻爆法施工隧道内主要人工作业包括掌子面钻孔、仰拱钢筋网铺设、浇筑及隧道壁面衬砌等。通常定义在距走行面1.5 m高度上人员双肩前方半径=0.15~0.2 m的半球形区域为呼吸带[12]。为使现场检测数据更有针对性，根据GBZ/T192.1—2007《工作场所空气质量测定》[13]在隧道内主要施工地点(掌子面、仰拱、衬砌台车)人员呼吸带高度上布设数据监测点，布设方案如图2所示。

各检测点距离作业平台走行面(地面)垂直高度为1.5 m，检测点7和9位于衬砌台车掌子面一侧，检测点8和10位于衬砌台车隧道口一侧。检测点1，3，4和6距隧道壁面1 m，掌子面检测点、仰拱监测点、台车两侧检测点分别距离掌子面1，31，68和77 m。

图2 隧体内检测点布设示意图

1.3 采样方法与试验步骤

对粉尘颗粒采样时采用分时连续周期性采 样[14]，采样时间为通风后15，30和60 min。粉尘浓度值选用CCZ1000直读式矿用粉尘仪进行采集，粉尘颗粒选用FT-M22型高分子低黏透气滤膜进行采集，实验室选用Bresser52-01000高清成像数字显微镜按照相关标准[15]对颗粒相关参数进行观测、计量与统计。

表1 检测设备技术参数

1.4 测试指标选择

粉尘参数中与尘肺病密切相关的指标除粉尘浓度外还包括粉尘粉尘的长径比、比表面积、粒度频率分布和累计分布。对此，试验将对上述指标进行针对性分析。

2 试验结果与讨论

2.1 粉尘粒度及浓度演化特征试验结果

由于篇幅限制，仅将隧道掌子面爆破后2阶段试验中检测周期时间内检测点1上采集到的部分粉尘颗粒在显微镜下的分散状态加以显示，如图3 所示。

2阶段试验中各监测点在掌子面爆破完毕，通风15，30和60 min后粉尘颗粒粒度分布与浓度测定结果如表2所示。

由表2可看出：相同周期通风时间条件下，h和z指标在2阶段试验中变化范围很小，表明呼吸性粉尘与总粉尘浓度演化趋势基本一致。对上表中非稳态条件下各监测点10，25，50，75，90和100指标浮动范围进行统计，如表3所示。

由表3可看出：第2阶段试验中各监测点上粉尘粒度较第1阶段试验呈增大趋势，说明第2阶段试验中小粒径粉尘的降尘效果优于第1阶段试验。

2.2 粉尘粒径频率分布与累计分布

以监测点2，5和7为例，对施工人员长期作业的掌子面施工区、仰拱施工区及衬砌台车施工区加以分析，统计3个监测点上粉尘粒径频率分布，如图4所示。

考虑到图形的简洁性，图中仅对掌子面处监测点2的拟合曲线进行图示标识。由图4可知：第1阶段试验中各粒径粉尘颗粒频率分布基本符合正态分布，粒径在5~7 μm范围内的粉尘颗粒分布最多；第2阶段试验中，随通风时间的延长各粒径粉尘颗粒频率的正态分布形式退化，逐渐趋于连续分布。对于正态分布，各监测点上粉尘粒径频率分布曲线均可通过正态分布公式进行拟合；对于连续分布，各监测点上粉尘粒径频率分布曲线可通过多项式进行拟合，公式中常数的取值方法参见文献[16−17]，本文不再进行讨论。

(a) 1阶段试验通风15 min；(b) 1阶段试验通风30 min；(c) 2阶段试验通风15 min；(d) 2阶段试验通风30 min

表2 非稳态条件下2阶段试验中各监测点粉尘粒度分布与浓度测定结果

注：表中10表示样品粉尘累计粒度分布数达到10%时所对应的粒径，单位μm，其物理意义为小于该粒径的粉尘颗粒占比为10%。25，50，75，90和100的定义与物理意义与10类似；h与z分别表示呼吸性粉尘浓度和总粉尘浓度，单位mg/m3。

表3 非稳态条件下各监测点D10，D25和D50指标浮动范围

(a) 1阶段试验通风15 min；(b) 1阶段试验通风30 min；(c) 1阶段试验通风60 min；(d) 2阶段试验通风15 min；(e) 2阶段试验通风30 min；(f) 2阶段试验通风60 min

相关职业卫生标准[18]定义空气动力学粒径在7.07 µm以下，可以通过呼吸直接进入人体肺泡区的颗粒物为呼吸性粉尘。检测点2，5和7上4种粒径分级0~1，1~2，2~5和5~7 µm的呼吸性粉尘在不同通风时间条件下频率分布平均值如表4 所示。

表4 非稳态条件下检测点2，5和7上呼吸性粉尘的频率分布平均值

非稳态条件下检测点2，5和7上不同粒径粉尘颗粒的累计分布如图5所示。

英国医学研究会(BMRC)提出的相关数据[19]：空气动力粒径<2 µm的粉尘颗粒在人体肺内沉积率高达90%。对非稳态条件下两阶段试验中呼吸性粉尘颗粒和粒径<2 µm的高沉积粉尘颗粒的累计分布平均值进行统计，如表5所示。

以上分析数据表明：第2阶段试验对呼吸性粉尘的降尘效果明显优于第1阶段试验，尤其对于粒径<2 µm的肺泡区高沉积呼吸性粉尘，通风60 min后第2阶段试验粉尘颗粒平均累计分布率较1阶段试验下降了69.65%。

2.3 粉尘颗粒微观外形参数与比表面积分析

试验室数据分析时对粉尘颗粒的二维投影外形参数进行了图像分析，各监测点上粉尘颗粒的平均长径比及比表面积统计结果如图6所示。

(a) 1阶段试验通风15 min；(b) 1阶段试验通风30 min；(c) 1阶段试验通风60 min；(d) 2阶段试验通风15 min；(e) 2阶段试验通风30 min；(f) 2阶段试验通风60 min

表5 非稳态条件下检测点2，5和7上呼吸性粉尘的累计分布平均值

(a) 第1阶段试验；(b) 第2阶段试验

粉尘颗粒外形参数中长径比指颗粒长宽比值，比表面积表征粉体颗粒单位质量的表面积，cm2/g。对非稳态条件下2阶段试验中各检测点粉尘颗粒长径比峰谷值进行统计，如表6所示。

表6 非稳态条件下2阶段试验中各检测点粉尘颗粒长径比峰谷值

2阶段试验中各监测点粉尘颗粒平均长径比均在1附近发生窄幅震荡，说明不同试验段对粉尘颗粒微观外形影响结果相似。由粉尘颗粒平均比表面积统计曲线可以看出：在非稳态条件下，第2阶段试验中粉尘颗粒平均比表面积统计曲线均位于第1阶段试验统计曲线以下，进一步证明了第2阶段试验对小粒径颗粒粉尘的降尘效果更好。

3 结论

1) 对隧道粉尘净化效果进行判断时不能仅考虑呼吸性粉尘与总粉尘浓度下降率，还要将粉尘粒度的变化情况纳入判断依据。不同基料降尘剂对粉尘外形长径比参数影响甚微，粉尘净化效果评价时可以减少对该项指标的考虑。

2) 第1阶段试验中各粒径粉尘颗粒频率分布基本符合正态分布，其中粒径在5~7 μm范围内的粉尘颗粒分布最多；第2阶段试验中，随通风时间的延长各粒径粉尘颗粒频率的正态分布形式退化，逐渐趋于连续分布。

3) 以氯化钠(NaCl)作为降尘剂基料时，小粒径粉尘的降尘效果优于氯化钾(KCl)基降尘剂。

4) 对于呼吸性粉尘，掌子面爆破通风60 min后氯化钠(NaCl)基降尘剂条件下平均累计分布率较氯化钾(KCl)基降尘剂条件下下降了38.74%；对于粒径＜2 µm的肺泡区高沉积呼吸性粉尘，通风60 min后氯化钠(NaCl)基料降尘剂条件下平均累计分布率较氯化钾(KCl)基料降尘剂条件下下降了69.65%。

5) 通过粉尘粒径累计分布可以判断以氯化钠(NaCl)作为降尘剂基料通风30 min后呼吸性粉尘的粒度分布排序为：掌子面作业区>衬砌台车作业区>仰拱作业区。

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Unsteady analysis of dust particle size evolution in construction tunnel based on water stemming

QIAO Liwei1, JIANG Gefu1, SANG Conghui2

(1. School of Transportation and logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Sichuan Taikun Construction Engineering Co., Ltd, Chengdu 610000, China)

KCl-based stemming and NaCl-based stemming were respectively used as the blasthole plugging materials to seal and blast in construction tunnel, dust particle and concentration was collected using related instrument in construction site after working face blasting, meanwhile the dispersity and shape parameter of dust were analyzed by image processing software. The results indicate that the concentration of total dust and respirable dust have evolved in a similar way when the ventilation time was same, however there were significant differences in dust particle size distribution after blasting under different dustfall agents. The draw ratio of dust particle were distributed at around 1 during the experiments. The frequency distribution of dust fitted the normal distribution basically, and the peak of respirable dust range 5 μm to 7 μm. When NaCl is used as the base material of dustfall agent, the effect of small-particle dust remover is better than that of KCl-based dust agent, the average cumulative distribution of respirable dust and dust with particle size less than 2 μm were decreased 38.68% and 69.65%, respectively, compared with that of KCl-based dust agent after blasting and ventilation for 60 min. In addition to concentration of total dust and respirable dust, the distribution and change of dust particle should also be taken into account when judging the purification effect of tunnel dust.

construction tunnel; water stemming; respirable dust; dust concentration; dust dispersity; draw ratio of dust

U25

A

1672 − 7029(2019)09− 2272 − 09

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.09.019

2018−11−27

国家自然科学基金资助项目(61403317，61703351)；国家重点研发计划项目(2017YFB1200702)

蒋葛夫(1954−)，男，四川南充人，教授，博士，从事交通运输安全与环境研究；E−mail：ggxe_swjtu@126.com

(编辑 涂鹏)