爆破作业对高海拔隧道CO及粉尘扩散的影响规律探究

邹宗良 胡学兵 袁野 陈建忠

(1.西藏自治区交通工程质量安全监督局，西藏 拉萨 850000；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

随着我国隧道工程快速发展，职业健康逐渐受到重视，施工环境下隧道粉尘的扩散规律及防控措施成为研究热点[1]。国外方面依托大量实际工程，在施工通风方面获得了宝贵的工程经验和丰硕的科研成果。Mariano[2]通过研究表明，粉尘颗粒的惯性是影响粉尘动力学扩散的关键因素之一。Wang[3]通过对煤尘开展实验，得出在边界层里粉尘与气相流速之间存在粉尘流速大于气相流速的关系。Gidhagen[4]以风流和污染物为研究对象，开展通风系统数值模拟研究，得出稳态下风流和污染物的运移规律。国内方面，杜翠凤[5]对煤矿混合式通风条件下的粉尘分布规律开展试验，提出了降尘剂配方。赵军喜[6]和蔚艳庆等人针对高海拔地区气压低且作业效率低等特点，对影响高海拔地区轴流风机的风压与风量等多种因素展开分析，得出通风辅助措施以适应隧道施工。谭聪在两相流理论基础上分析了影响矿井工作面粉尘分布的因素。苑郁林等研究了高海拔隧道施工通风特点及其对施工组织的制约性。谢尊贤[10]研究了高原隧道机械施工时有害气体排放特性，探讨了相应施工作业环境下的卫生标准。苟红松分析了高海拔地区隧道施工通风风量计算及风机选型。

在高海拔地区，存在空气密度小、大气压力低、环境温度低、氧气浓度低等特点，通风环境尤为重要，而目前针对相关高海拔地区隧道有害气体及粉尘运移特性的研究开展较少。本文结合西藏某高海拔隧道实际工程，利用监测仪器现场测定爆破工序产生的CO及粉尘浓度，分析了隧道内CO和粉尘扩散规律，对比了采取控制措施前后CO和粉尘的浓度分布情况。

一、隧道施工有害气体及粉尘产生机理

粉尘在隧道施工过程时刻存在。随着各作业工序循环推进，一些已经散落地面的粉尘容易被气流再次吹起，悬浮于空气中，使整个隧道产生粉尘二次污染。此外，出渣运输过程将渣土倒入卡车中，也会扰动粉尘飞扬。目前，从粒径角度对粉尘的分类如下：

粗尘：直径≥40μm，相当于一般筛分的最小粒径，能够依靠其自身重力沉降。

细尘：40μm＞直径≥10μm，在明亮光线下肉眼看见，在空气中以重力沉降为主，也能依靠自身重力在空气中加速沉降。

微尘：10μm＞直径≥0.25μm，用光学显微镜可以观察，由于自身所受浮力约等于重力，使粉尘匀速沉降。

超微粉尘：直径＜0.25μm，需用电子显微镜才能观察到，由于自身所受浮力大于重力，使得粉尘在空气中做布朗运动。

不同类型的粉尘对人体造成的危害各不相同，粉尘根据其对人体的危害程度分为呼吸性、非呼吸性粉尘和全尘。呼吸性粉尘是指粒径在7μm以下的粉尘，能沉积于肺泡，对人体危害很大，是引起尘肺病的主因。而非呼吸性粉尘的粒径大于7μm，大部分可通过自然沉降而消失掉。

另外，隧道内缺氧会使燃烧不充分，产生有害气体，如CO、NO等，进一步加剧隧道内空气环境的污染，严重威胁工作人员的身体健康，因此除了粉尘以外，对隧道内有害气体的监测也十分重要。

二、高海拔隧道有害气体及粉尘监测方案

以监控西藏某高速公路隧道施工过程中的粉尘为例，址区海拔为4100m～4500m，隧道长度6300m，没有断裂构造，采用复合式衬砌。该隧道为双向四车道高速公路隧道，隧道内最大纵坡为±3%，地区起伏较大，山高坡陡，冲沟发育，冲沟走向以东西为主，地表为剥蚀深切形成的低山丘陵地貌，地面相对切割深度190m，基岩大面积裸露地表。隧道埋深59.59m～69.38m，隧道设计最大开挖宽度18m。

由于工程地处高海拔地区，具有气温低、气压低、氧分压低等特点，若不能有效控制钻爆法施工过程中的污染物，会加剧其对人的危害。此次监测主要针对爆破过程中的CO和粉尘扩散开展。

粉尘监测仪采用粉尘浓度传感器，基于粉尘的散射光强正比于粉尘质量浓度的原理，采用相应仪器如激光器和光电倍增管开展红外激光照射，并转换成电信号，由此计算粉尘的质量浓度。CO监测采用便携式监测仪，测点设置于隧道中线，在接近掌子面处0m～50m处，每隔5m设置一个测点，同时在接近掌子面100m～500m的洞身处，每隔100m设置一个粉尘测点，所有测点的监测时间均为爆破后10min。

三、爆破作业有害气体及粉尘扩散规律分析

CO浓度高低是隧道内空气优劣的关键因素之一，尤其在高海拔地区，当氧气不足时，CO浓度过高会严重威胁隧道内工作人员的健康。爆破后掌子面附近的CO浓度分布如图1所示。

由图1可以看出，爆破后距离掌子面50m范围内的CO浓度都较高，最大接近330mg/m3，《公路隧道施工规范》对CO最大允许浓度为30mg/m3，当CO浓度达292.5mg/m3时，可使人在吸入3小时后产生严重的头痛、眩晕等症状，因此爆破后接近掌子面附近的CO浓度严重超标，工作人员应当佩戴防护设备，同时需要采取相应措施控制CO浓度。

图1 爆破后掌子面附近CO浓度分布

高海拔缺氧的环境也会加剧粉尘对人体的危害，爆破后掌子面附近及洞身部分粉尘浓度分布如图2所示。

图2 隧道粉尘浓度分布图

由图2可以看出，爆破产生的粉尘浓度较高，全尘浓度高达320mg/m3，呼吸性粉尘浓度也高达283mg/m3。从纵向上看，全尘与呼吸性粉尘浓度的变化趋势大致保持一致，并随掌子面间距增大呈现缓慢下降的趋势。在100m～500m的范围内粉尘浓度逐渐降低，并趋于稳定。此外，爆破后呼吸性粉尘所占比重较高，离掌子面0m～50m范围内平均比重为79%，而在100m～500m范围内，比重接近90%，原因是高海拔地区气压较小，随着粉尘在隧道内沿掌子面致回风处呈现出不同粒径的粉尘沉降规律，即大颗粒粉尘在重力与阻力的作用下加速沉降，而小颗粒粉尘在空间中做布朗运动。

根据监测结果可知，该高海拔隧道需采取一定措施降低有害气体和粉尘的浓度。通常采取该类措施需注意两方面，一是减少产生有害气体和粉尘作业的强度和总量；二是降低有害气体和粉尘对人身健康造成的危害。主要措施包括：弥散式供氧、掌子面洒水、水封爆破、加强通风等。基于高海拔隧道施工环境恶劣现状，该隧道采取了水幕降尘和加强通风的方式，降低有害气体和粉尘的浓度。采取措施后CO及粉尘监测数据如图3和图4所示。

图3 采取措施后掌子面附近CO浓度分布

图4 采取措施后掌子面附近粉尘浓度分布

可以看出，采取水幕降尘和加强通风后，爆破后CO浓度大幅降低，粉尘浓度的降幅相对减小，但是呼吸性粉尘浓度的比重降低幅度有限，平均比重约63%。由此可见，掌子面附近CO和粉尘浓度均得到一定程度的控制，但浓度仍然较高，对人员有一定危害性，因此掌子面爆破现场施工人员应当佩戴防尘面具等防护设备，同时可考虑增加掌子面弥散供氧、水封爆破等方式降低CO和粉尘的浓度。

四、结语

本文研究了高海拔隧道爆破时CO和粉尘扩散情况，主要结论有：爆破后距离掌子面50m范围内的CO浓度较高，最大接近330mg/m3，接近掌子面附近的CO浓度严重超标；爆破产生的粉尘浓度最高，全尘浓度高达到320mg/m3，呼吸性粉尘浓度高达到283mg/m3，在隧道纵向全尘与呼吸性粉尘浓度变化趋势相同，距掌子面增大呈现缓慢下降趋势；爆破后呼吸性粉尘所占比重较高，离掌子面0m～50m范围内平均比重为79%，在100m～500m范围内比重接近90%；采取水幕降尘和加强通风后，CO浓度大幅降低，呼吸性粉尘比重降低，但总体上CO和粉尘浓度仍然较高，因此掌子面爆破现场施工人员应当佩戴防尘面具等防护设备，同时应增加掌子面弥散供氧、水封爆破等方式降低CO和粉尘浓度。