地铁开挖初期支护阶段导洞内粉尘颗粒物特性研究*

2021-04-06吴玉鹏周翠红王建宏冯利华王彦莹

环境污染与防治 2021年3期

吴玉鹏周翠红王建宏# 冯利华王彦莹

(1.北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124；2.北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617；3.中铁一局集团第二工程有限公司，河北唐山 063000)

随着我国经济建设的推进，大力发展城市轨道交通对缓解城市交通压力有着重要意义[1]。与此同时，地铁施工中产生的粉尘严重影响了施工人员健康[2]，而其中PM2.5、PM10由于可被吸入肺泡，对人体危害更加严重[3-5]。长期暴露在高浓度颗粒物下会引起心血管疾病和肺损伤等[6-7]。有研究表明，施工扬尘已经成为城市大气颗粒物的主要来源[8-9]。隧道施工颗粒物主要来源于焊接、锚喷等工艺，不同施工技术下的粉尘污染也不相同[10]。暗挖法因其操作环境相对封闭，产生的颗粒物不易排出，会导致地下施工环境恶劣[11]。国内外对地铁施工环境颗粒物的研究多是针对颗粒物释放源。赵文彬等[12]21通过对锚喷机受力分析的研究，运用相关流体力学知识提出锚喷产尘的4种方式；CHEN等[13]对比了现存的3种锚喷机(干喷、湿喷、混合喷)的运行方式，阐述了锚喷机的产尘机理。此外，通风系统是隧道施工的一个重要组成部分[14]，隧道施工通风通常采用压入式、抽出式或混合式[15]。DIEGO等[16]模拟了在一个密闭的环境下进行通风时空间压力的变化。在颗粒物接触水平方面，现在的研究主要集中在地铁投入运行后乘客的暴露水平。KAM等[17]对比了洛杉矶地面和地下地铁系统乘客的暴露水平；PARK等[18]采用人工神经网络预测了首尔大都会PM10含量。

综上所述，当今对地铁施工过程中产生的颗粒物研究很少，本研究针对工期长、工种多、施工人员工作时间长的初期支护(以下简称初支)阶段进行研究，对导洞内产生的污染物种类进行检测，再将其中成分超标的污染物进行单独研究，最后建立车站模型，使用数值计算软件Fluent进行模拟以揭示区域粉尘难以扩散的原因。此研究能为地铁车站隧道施工污染物治理提供有益参考。

1 仪器与方法

1.1 实验仪器

实验所用仪器主要包括：AKFC-92A矿用粉尘采样器；FC-1A粉尘采样器；GXH-3011A便携式红外CO分析器；ZC-Q便携大气采样器；8530桌上型粉尘测定仪。

1.2 实验方法

实验地点选择北京某个在建的地铁暗挖车站，将地铁按施工内容不同分4个区域：上料区域位于负2层锚喷主机处；喷射区域位于负3层站台层锚喷机喷枪旁；焊接区域位于负2层；公共区域也位于负2层，此处施工人员较多，作业内容多样(土方开挖、装运出渣、钢筋固定等)。对地铁常见的空气污染物进行检测，检测项目有总粉尘、呼吸性粉尘、汞、二氧化氮、二氧化硫、镍、二氧化锡、一氧化碳、砷、溶剂汽油、铅烟、镉、铬、锑、铜烟、锰，共采集126个样品，然后根据一系列职业卫生标准和工作场所空气有毒物质测定标准，对样品中的粉尘和有毒物质进行测定。

经检测发现，总粉尘和呼吸性粉尘浓度过高，需对粉尘进行进一步研究。实验布点如图1所示，在车站主体150 m范围内进行布点，共布置55个点位，分别在每个点位距地面1.4 m处测定PM2.5和PM10。

图1 测量点位布置Fig.1 Measurement point layout

2 结果与分析

2.1 不同区域污染物分析

基于样品分析结果，根据式(1)计算污染物时间加权平均容许浓度(PC-TWA，以质量浓度计)。1个工作日的工作时间按8 h计，若不足8 h仍以8 h计。

CTWA=(C1T1+C2T2+…+CnTn)/8

(1)

式中：CTWA为PC-TWA，mg/m3；C1～Cn为监测到的某一污染物不同质量浓度，mg/m3；n为不同浓度总计个数；T1～Tn为C1～Cn下相应的持续接触时间，h。

污染物PC-TWA分布见表1。不同区域内的粉尘浓度有较大差异，其中上料区域总粉尘(水泥粉尘)PC-TWA为97.05 mg/m3。公共区域和焊接区域铅烟和铜烟浓度总体高于上料区域和喷射区域，这是因为铅烟和铜烟主要由焊接产生，公共区域在焊接区域的下风向位置，因此焊接区域产生的铅烟和铜烟会随着气流扩散到公共区域，使得这两个区域的铅烟和铜烟浓度较高。上料区域和喷射区域总粉尘(水泥粉尘)和呼吸性粉尘(水泥粉尘)的浓度均超过标准限值，其他污染物均未超标，其中二氧化氮、一氧化碳、溶剂汽油、锰的浓度波动较大。

表1 不同区域各污染物PC-TWATable 1 PC-TWA of pollutants in different regions mg/m3

将二氧化氮、一氧化碳、溶剂汽油、锰浓度进行相关性分析，结果发现，锰与二氧化氮相关性只有0.21，与一氧化碳的相关性为-0.22；而一氧化碳与二氧化氮的相关性为0.79，相关性较强，这两种气体主要由焊接作业产生且都属于气态污染物，在导洞内扩散规律相似。

2.2 工况对PM2.5和PM10的影响

为探究地铁开挖初支阶段不同工况产生的PM10和PM2.5浓度，取施工面附近点位所测的连续5 d的PM10和PM2.5进行分析。

如图2所示，不同工况产生的颗粒物浓度区别很大，喷射混凝土、格栅架设、土方开挖时PM10分别为25.70～31.30、7.46～11.40、2.29～2.60 mg/m3，PM2.5分别为17.20～25.90、7.00～10.10、1.93～2.19 mg/m3。喷射混凝土时颗粒物浓度范围波动很大，主要是因为在喷射混凝土过程中，粉尘颗粒的产生及运动过程相当复杂，同时与喷射物料中粉尘的性质和喷射工艺有很大关系[12]23；格栅架设时产生的颗粒物浓度波动主要跟焊接时长有关；土方开挖时产生的颗粒物浓度波动范围较小。我国暂未制定职业场所颗粒物接触限值，但是颗粒物浓度远远超过《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)中二类环境空气功能区PM10、PM2.5的24 h平均限值(0.150、0.075 mg/m3)。

图2 不同工况下PM10和PM2.5质量浓度Fig.2 PM10 and PM2.5 concentration under different working conditions

统计不同工况下PM2.5/PM10(质量比)，结果见图3。3种工况PM2.5/PM10均在0.5以上，说明在施工过程中产生的PM10中，PM2.5占主导，可见PM2.5的防治是以后主要研究方向。后文的数值模拟也着重围绕PM2.5展开。格栅架设的PM2.5/PM10最高，基本在0.9以上，土方开挖其次，喷射混凝土最低但波动最大。颗粒物粒径越小，沉降速度越慢，在空气中悬浮时间越长，因此施工时需要靠辅助通风或者除尘设备来降低隧道内粉尘含量。

图3 不同工况下PM2.5/PM10Fig.3 PM2.5/PM10 under different working conditions

注：图中A、B均表示等值线密集处；箭头指示颗粒物主要流动方向。图4 颗粒物平均质量浓度分布云图Fig.4 Average particulate matter concentration distribution contour map

2.3 污染物总体分布

由于在实际施工过程中污染物来源复杂，有时会出现混凝土喷射效果不好需要补喷、局部焊接的情况。分别取PM2.5和PM10平均值绘制等值线云图，结果见图4。A点处的等值线比B点处更密集，这是因为A点附近有2号竖井，竖井与外界大气连通使得附近污染物容易扩散，因此颗粒物浓度衰减很快。由图4还可以看出，颗粒物主要沿箭头方向流动，是因为该车站施工区域内有3个竖井，竖井之间形成循环气流影响颗粒物的浓度分布。施工现场的通风采用的是压入式通风，该通风方式只能驱散小范围内的颗粒物且效果不佳。竖井间形成的自然气流可以作为地下通风的动力，这种自然气流也会对粉尘有一定的去除作用，由于其只依靠自然风而不需要能耗，可能会是未来地铁施工通风的发展方向[19]。

3 数值模拟

3.1 计算模型

利用Fluent对隧道内的粉尘扩散分布进行模拟。地铁施工过程中粉尘的扩散属于气固两项流，采用离散相模型(DPM)描述颗粒物的运动。直接对流体相求解N-S方程，离散相通过计算流场中粒子运动得到。采用标准模型模拟三维湍流，创建离散相喷射源求解耦合流动。RNGk—ε模型是基于N-S方程重整化群分析理论提出的，具有广泛的通用性，尤其适用于旋流的模拟，因此选择RNGk—ε模型模拟隧道内部粉尘流动情况。

3.2 几何模型与网格划分

对车站进行建模并对粉尘流动情况进行Fluent模拟，因实际施工过程中工况较为复杂，往往伴随着多个工况同时施工，为了提高模拟精度，此次模拟仅针对锚喷作业进行时粉尘的释放和扩散规律。图5为车站1号竖井和2号竖井之间的隧道模型，为了使计算数据在网格间精准传递，布置六面体网格，该模型右侧为进风口，左侧为出风口，中间半弧形圆柱为尘源(即施工面)。

图5 车站隧道模型Fig.5 Station tunnel model

3.3 数值模拟结果分析

绘制距隧道地面1.4 m水平面PM2.5分布，结果见图6。PM2.5主要集中在施工面附近，随着施工的进行隧道内PM2.5浓度不断上升，再随着进风口的风流逐渐扩散到施工隧道其他区域，图中标记部分虽然距离施工面有一定距离但却出现了较高PM2.5浓度，且在该区域附近PM2.5出现了明显的浓度断层。图7展示了施工面附近速度流线和PM2.5分布，PM2.5主要集中在距离施工面较近的前两个弧形拱洞区域内。这是因为顶部的弧形结构导致了气流漩涡的存在，使PM2.5在此处聚集而难以扩散，这也能解释图6标记区域的现象。因此，目前的隧道结构不利于PM2.5的扩散，在实际施工中应充分考虑这一因素。

图6 距隧道地面1.4 m水平面的PM2.5分布Fig.6 Distribution of PM2.5 concentration in the horizontal plane 1.4 m from the tunnel ground

图7 施工面附近速度流线和PM2.5分布云图Fig.7 Velocity streamline diagram and dust concentration cloud diagram near the construction surface

取污染源同侧距离墙壁2 m且高1.4 m处，绘制监测和模拟的PM2.5浓度图，结果见图8。监测与模拟的PM2.5浓度变化规律基本相同，验证了模型的可行性。0～15 m处，PM2.5浓度下降速率较快；15～35 m处，PM2.5浓度有上下波动；35 m之外，PM2.5又开始平稳降低。因此在15～35 m区域内应当增加额外的辅助通风或者除尘设备。