高原特长隧道环保除尘控制措施的探索及应用

宋卫忠 尹吉才

摘要：隧道建设属于地下工程，建设空间狭窄，施工作业集中。由于出风口单一，隧道内开挖爆破烟尘、喷射混凝土粉尘、施工机械排放尾气、支护焊接烟尘全靠通风机产生的风压向外排出。随着开挖进尺的加深，洞口通风机产生的风压达到掌子面时压力较弱，通风排烟作用较差，隧道内空气清洁度较差。随着近年来国家对职业健康标准的不断提高以及绿色低碳建造技术的大力推广，施工企业应该积极转型升级，应用新能源，降低碳排放，进一步加强职业健康保障措施，清洁隧道环境。关键词：公路隧道;通风降尘;绿色低碳

中图分类号：U453.83                                        文献标志码：A

1 工程概况

S38线王格尔塘至夏河高速公路 WXSG-6标段起点桩号 K26+136，终点桩号 K33+800，路线全长7.664 km，本合同段共设置桥梁421.75 m/2座，夏河2 号长隧道1 620.5 m/1座，拉卜楞特长隧道5511m/1座，路基111 m。按双线四车道高速公路标准，整体式路基宽度25.5 m，分离式路基宽度12.75 m，设计速度80km/h 。其中拉卜楞特长隧道进、出口共开设四个工作面，独头掘进深度为 2755m，无斜井、竖井。隧址所在地夏河县处于青藏高原东北缘过渡带，属寒冷冬干型高山草原气候区，随着开挖进尺的加深，隧道内低压、缺氧现象明显。

2 隧道通风要求

（1）拉卜楞特长隧道地处高原地区，海拔为3000 m ～3 700 m，空气中含氧量应大于20%。

（2 ）每人应供应新鲜空气3 m3/min，采用内燃机械作业时，供风量不宜小于4.5 m3/（min·kW）。全断面开挖时风速不应小于0.15 m/s，导洞内不应小于0.25 m/s，但均不应大于6m/s。

（3）工作场所空气中粉尘含量（PC- TWA），白云山、大理石、石灰石粉尘含量总体不超过8 mg/m3，沉淀的 SiO2粉尘不超过5 mg/m3，电焊烟尘不超过4 mg/m3，水泥粉尘（游离 SiO2含量小于10%）不超过4 mg/m3[1 ]。

（4 ）工作场所空气中有毒气体含量（PC-TWA），一氧化碳含量不大于15 mg/m3，一氧化氮含量不大于15 mg/m3，二氧化氮含量不大于5 mg/m3，二氧化硫含量不大于5 mg/m3[1 ]。

3 隧道内烟尘、有害气体来源

隧道内烟尘、粉尘、有害气体的来源主要有以下四个方面。

3.1 开挖爆破产生的烟尘

拉卜楞特长隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩开挖每循环装药量从90 kg ～288 kg 不等。爆破过程中释放巨大的高温高压气体瞬间将炮孔外圈岩石击成粉碎并产生浓烈的粉尘，同时巨大的爆破震动将隧道内的尘土全部振起在空中飘浮。掌子面100 m 范围内能见度几乎为零。2号岩石乳化炸药的主要成分硝酸铵，爆炸后产生刺激性有毒气体，如 CO、SO2、CO2、NO 等气体，对人体眼、鼻、喉都有刺激性。刺激时间过长可能引起头晕，恶心，虚脱等症状[2 ]。

3.2 喷射混凝土产生的粉尘

喷射混凝土时风压在0.5～ 0.6 Mpa，在高压风作用下部分混合物瞬间由混合物状变成粉尘向四周浮游扩散。如图2 所示，掌子面至二衬台车附近全是游离粉尘。由于混凝土喷射时间在3.5 h 左右，喷射时连续产生大量的粉尘长期在隧道内随气流漂浮，对操作员的呼吸系统影响较大。长期吸入含一定浓度游离二氧化硅（SiO2）粉尘易引起尘肺病[3]。

3.3 拱架、钢筋焊接产生的烟尘

在支护焊接过程中焊接部位较多，从掌子面至二衬分布筋均有。焊接时将产生大量焊接烟尘，焊接烟尘中的主要有害物质为Fe2O3、SiO2等，焊接烟气中有毒有害气体的成份主要为CO、CO2、NOX、CH4等，其中以CO 所占的比例最大[4]。由于焊烟浓度较大，排除困难。    3.4 施工机械尾气排放

拉卜楞特长隧道施工属于机械化集群作业。单洞机械配置为一台阿特拉斯凿岩台车（开挖用）、一台挪曼尔特湿喷台车（喷射混凝土用）、一台 VOLVO 挖机、一台临工855F装载机、4辆砼运输车、6辆运渣自卸汽车（出渣用）。由于掌子面24 h 连续作业，众多的机械集中在掌子面作业将产生大量的尾气，如 CO、SO2、NOX  等气体[5]，无法有效排除。

4 排烟降尘措施分析

通过对隧道内烟尘、粉尘、有毒气体的来源分析可知，产生粉尘较多的两个原因，一是开挖爆破产生的烟尘，二是喷射混凝土产生的粉尘。这两种烟尘均在掌子面产生，不易排出，但其源头空间相对封闭，容易局部封闭控制。如果将这两种粉尘封闭在掌子面并消除，隧道里的空气就会清洁很多。由于烟尘是微小体积的颗粒，重量较轻漂浮在空中，颗粒被水包围后在重力作用下便会降落。因此针对这两种粉尘所采取的降尘措施是远程高压水炮、细雾降尘。对于焊接烟尘和施工机械尾气排放，随隧道内气流浮动不易封闭控制，只能采取有针对性措施来排除。

5 环保除尘控制措施

5.1 霧炮降尘在隧道施工中的应用

对于隧道成洞段，雾炮降尘是一种行之有效的降尘方式。隧道内施工机械众多，流动频繁，路面及空中的粉尘被机械设备气流卷起在空中飘浮。通过路面和空中喷洒水雾，降尘效率较高。在对空中进行喷雾降尘时，还能对二次衬砌进行养护。这样能达到降尘作用，又能对二次衬砌起到养护作用。5C474685-75F0-4D28-A266-E1397A58D31A

隧道多功能扫地、升降、喷洒作业台车是一款适用于公路、铁路隧道等现场的多功能设备，具有空中喷雾、道路清扫、高空辅助作业等功能。随车携带的雾炮可液雾降尘，有效分解空气中的污染颗粒物、尘埃，提升施工环境的空气质量。利用扫地机进行清扫作业能有效减少隧道内清扫人员数量，提高了工作效率，降低施工成本。

5.2 开挖爆破后的降尘措施

爆破后掌子面会产生大量的烟尘，有2 号岩石乳化炸药爆炸产生的浓烟，也有大量的岩石粉尘。由于烟尘浓度较大，且聚集在掌子面，但风袋末端压力较小，不能将烟尘快速排出。另外，爆破后掌子面60 m 范围内全是粒径不同的块石，洒水车无法进入到掌子面前方。

5.2.1   聚能管水压爆破

水压爆破的目的是为了提高爆破质量，减少炸药单耗，节约成本。利用水的不可压缩特征，无损失传递炸药爆破能量，利于围岩破碎。产生的“水楔”作用进一步破碎围岩，还可以防止岩爆[6]。另外，水压爆破起爆还可以起到源头控制降尘的作用。将直径?30mm，重量300 g 水袋均匀间隔与药卷装在一起，每支炮孔装入 5支水袋。将周边孔、周边辅助孔全部装入水袋，装炮孔数为65孔，共计装水量为97.5 kg，爆破过程中在传递能量的同时还具有一定的降尘作用。

5.2.2  电动水炮降尘

爆破后对掌子面降尘是消除隧道内烟尘的重要方法，限于车辆无法停靠在掌子面附近，只有通过远程洒水的方式来进行降尘。将烟尘封闭在掌子面并快速消除，一方面可以改善掌子面环境，保障工作人员的身体健康;另一方面縮短通风、排烟时间，加快隧道工序循环。

为了增加洒水车的喷射距离，可在洒水车上安装一种高压电动水炮。借助于电动水炮将水送至掌子面。该电动水炮有三个优点：（1 ）在驾驶室内便可遥控控制，无需驾驶员下车调节;（2）喷射距离较长可达到60 m，喷射高程可达35 m，适合远距离降尘;（3）水炮的射程和喷射形状可随时调节，既可以降尘、又可以抑尘。通常将该水炮安装在驾驶室的前方，视线清晰便于控制调节。

电动水炮降尘流程如下，爆破后立即将洒水车停靠在栈桥前方，开启电动水炮进行喷射降尘。降尘方式是先对掌子面进行左右摆动集中喷射，当掌子面烟尘往外流出时，改变水柱的喷射形状，对流出的烟尘进行环形封闭阻止外流。通过不断调节水柱的形状，直至将掌子面的烟尘全部消除。该过程持续时间为15 min，消耗水量为6 m3左右，可消除掌子面大部分烟尘。

5.3 喷射混凝土粉尘降尘措施

5.3.1   基于湿喷台车的喷雾降尘工作原理

在隧道初支喷射混凝土过程中将产生大量的粉尘，该粉尘随喷嘴不断移动，在掌子面前方空间飘浮，同时向外浮动。对于移动式粉尘降尘，首先水雾要跟随移动;其次水量不宜过大，过大会影响喷射作业，细雾状态能将喷嘴附近的粉尘消除即可。针对这一特点，本项目设计了一种基于湿喷台车的喷雾降尘装置，专用于消除喷射混凝土粉尘。其工作原理如图1 所示，车载水箱内的抑尘液通过增压泵传到门架式喷雾装置，对粉尘进行抑制降称。

5.3.2   除尘工艺流程

在喷射混凝土作业时开启车载除尘装置，门架式喷头组喷射的细水雾形成一道屏障，如图2 所示，喷射混凝土时产生的粉尘，随喷射压力往外流动，当流动到水雾屏障时遇水会自动降尘。水雾屏障将喷射混凝土产生的粉尘全部抑制在掌子面并当即消除。除尘工艺流程如图3 所示，该措施可有效降低掌子面粉尘，改善隧道内空气的清洁度，改善湿喷操作员的作业环境。  5.4 焊接烟尘降尘措施

由于隧道内初支拱架、二衬配筋钢材使用量较大，焊点分部较广。焊接过程中焊条用量大，平均每天使用 8包，产生的焊接烟尘大，且焊接烟尘浓度大不宜排除。焊接烟尘的消除措施主要有两种：（1 ）源头控制。目前整体拼装式拱架已在不断完善发展。拼装式拱架制作在钢筋加工场完成，在隧道支护过程中只需少量焊点即可完成支护固定，可从源头上解决焊接烟尘的产生;（2）使用焊接烟尘净化器。可用于焊接、切割等工序中产生烟尘和粉尘的净化。可净化大量悬浮在空气中对人体有害的细小金属颗粒。具有净化效率高、噪声低、使用灵活、占地面积小等特点[7 ]。

5.5 施工机械尾气排放环保措施

拉卜楞特长隧道建设实行机械化集群作业，全工序机械化覆盖，洞内施工机械车辆众多，流动频繁，且隧道内含氧量低，尾气排放量大。随着新能源机械设备的不断发展，以及绿色低碳技术的应用。液电混动、纯电动机械设备将成为新的发展趋势，为净化隧道空气，减少尾气排放，可考虑引进纯电动装载机、卡车等。目前本项目已拥有液、电混动凿岩台车和湿喷台车。下一步项目将引进纯电动装载机和卡车，进一步改善隧道作业环境。

5.6 增加风机组循环除尘措施

利用通风机通风除尘是一种传统高效的除尘方式，但随着开挖进尺的不断增加，当进尺大于1 500 m 时单向风机产生的风压到掌子面时风压较弱，不能有效的排出隧道内的烟尘。因此，对通风系统进行合理设计，利用双向循环风压将隧道内的烟尘排除[8，9]。

5.6.1   隧道风量的计算及确定

（1 ）通风量计算

①按洞内最小风速计算风量：

式中：

V—最小风速，取0.25 m/s[1 ];

A—洞内开挖面积，取106m2;

计算得：Q1=60*0.25*106=1590 m3/min。

②按洞内最多工作人员计算风量：

式中：

q—每人每分钟所需的新鲜空气量，取3m3/min[1 ]; m—同时工作人数，取35人;

k—风量备用系数，取1.2;5C474685-75F0-4D28-A266-E1397A58D31A

计算得：Q2=3*35*1.2=126 m3/min。

③按稀释爆破烟尘计算风量：

式中：

t—爆破后的通风时间，取30min;

E—爆破炸药用量，取288 kg;

be—1 kg 炸药爆破时有害气体产生量，取40 L/kg; e'—允许有害气体的浓度，取0.02;

计算得：Q3=1920 m3/min。

④按稀释机械设备尾气计算风量：

洞内出渣汽车6 辆，功率为162 kW/台;装载机一

台，功率为168 kW;砼罐车2辆，功率247 kW/台。

总功率：P=6*162+2*247+168=1634 kW

Q4=V/K，其中 V =                                  （ 4）

式中：

β—内燃机产生有害气体，CO 气体为0.09×10-3（m3/ min·kW）;

P—内燃机功率;

K—允许浓度，取0.008%;

计算得：Q4=1838.25 m3/min

（2 ）通风风量确定

取以上四种计算得到的最大通风量作为设计通风量，由计算可知到达掌子面的最大风量：Q 计=Q3=1 920 m3/min。

采用φ120 cm 的风袋供风，百米漏风率取1.2%，采用压入式通风，通风距离为 L=2655 m，

供风系统的漏风系数：

P=1/（1-L/100×P100）= 1.52                        （）5

因此要求风机的供风率不小于

Q 供=P×Q计=1.52×1920=2918.4m3/min           （）6

5.6.2  通风方案设计

通风方案设计如图4 所示。

由于拉卜楞特长隧道为双向独头掘进，掘进深度为 2755 m，且隧道内低压、缺氧现象明显。为保障隧道内空气清洁，含氧量充足，通风系统设计为双向串联循环式系统。洞口及洞内通风机向隧道内送风，洞内对向侧风机向洞口抽风，形成循环气压。距离洞门口30 m 处安装2 台132 kW 轴流变频风机，风压（1698-6 637 Pa）;在隧道内K29+510 m 处安裝一台110 kW 轴流变频风机，风压3 312 Pa;在隧道内K30+110 m 处安装一台75kW 轴流变频风机，风压3 098 Pa 。在对向 K30+110 m 处安装一台55kW 射流风机。通风机总功率为504 kW，在使用过程中根据隧道内空气质量调整变频柜来控制风机转速及风量。另外，在隧道里面安装风机时应计算隧道内电压，如果电压不足，需更增加升压器。

6 结束语

隧道通风一直是高原特长隧道施工的难点，一方面影响施工人员身体健康，一方面制约隧道施工进度。进尺短时利用压入式风机组通风排烟，进尺较长时采用循环风机组排出。其次利用洒水车进行洒水降尘，可有效抑制隧道内的浮尘。最后，应结合施工特点，针对局部位置进行降尘。开挖爆破后可利用高压水炮远程洒水降尘;减少机械设备尾气排放，选择新能源电动机械设备代替燃油机械;采用焊接烟尘净化器减少焊接产生的烟尘。隧道降尘关乎施工人员的身体健康，应高度重视通风、降尘措施，有效改善隧道内空气清洁度。

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