地鐵隧道施工中防塵技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢

鄭學(xué)召,王喜龍，劉會林，郭 軍，張嬿妮

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中鐵十六局集團有限公司，北京 100018)

我國地鐵行業(yè)發(fā)展迅速，2016年城市軌道交通投資3847億元，運營長度 4 152.8 km，客運量160.9億人次，創(chuàng)下歷史新高。截至2016年末，全國共有48座城市的軌道交通建設(shè)項目獲批，規(guī)劃長度達 7 305.3 km，目前我國至少有30座城市已開通城市軌道交通[1]。地鐵在緩解城市交通擁擠問題中起到至關(guān)重要的作用，但是在地鐵隧道施工中會產(chǎn)生大量的粉塵。粉塵的存在伴隨著一系列的安全問題，比如危害地鐵隧道施工人員的身體健康、縮短精密儀器的使用壽命等。防塵技術(shù)的發(fā)展較快，通過對防塵技術(shù)的不斷研究與改進，使得粉塵的防治效果顯著，但是如何通過防塵技術(shù)更加高效地降低地鐵隧道施工的粉塵濃度，從而更好地服務(wù)與促進我國地鐵行業(yè)的發(fā)展，依然是一項非常艱巨的任務(wù)。本文對此進行探討，旨在為我國地鐵隧道施工防塵提供指導(dǎo)。

1 地鐵隧道施工中粉塵污染物的分類及指標(biāo)

粉塵泛指因機械過程(如破碎、篩分、運輸?shù)?和物理化學(xué)過程(如冶煉、燃燒、金屬焊接等)而產(chǎn)生的、粒徑一般在1 mm以下的固體顆粒[2]。GBZ 2.1—2007《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》中規(guī)定了水泥粉塵、矽塵、大理石粉塵、電焊煙塵、硅藻土粉塵(游離含量<10%)等粉塵污染物濃度的職業(yè)接觸限值。工作場所空氣中粉塵容許濃度見表1。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的濃度值不能理解為地鐵隧道施工安全與危險濃度的精確界限，但是對地鐵隧道施工粉塵的控制設(shè)計、保障人體健康、防止大氣污染有重要作用，同時也是評價防塵措施效果的重要依據(jù)。

表1 工作場所空氣中粉塵容許濃度 mg/m3

2 地鐵隧道施工中粉塵來源及危害

2.1 粉塵的來源

地鐵隧道施工中產(chǎn)生的粉塵主要分為原始粉塵和工藝產(chǎn)塵[3]。原始粉塵在隧道施工之前就已經(jīng)產(chǎn)生，存在于巖體的層理、節(jié)理和裂隙之中。工藝產(chǎn)塵就是在地鐵隧道施工鉆孔、裝運出砟、噴錨支護、灌注襯砌、噴射混凝土等工序以及機械車輛工作中產(chǎn)生的粉塵。

2.2 粉塵的危害

在地鐵隧道施工中粉塵的危害經(jīng)常被施工單位和施工作業(yè)人員所忽視，但粉塵的危害不僅存在，而且不可小覷。地鐵隧道施工中產(chǎn)生的粉塵主要有以下4個方面的危害[4-6]：

1)地鐵隧道有限空間內(nèi)的空氣被污染，危害施工人員的身體健康，引起職業(yè)?。?/p>

2)降低隧道有限作業(yè)空間內(nèi)的能見度，增加工傷事故發(fā)生的可能性；

3)縮短機械設(shè)備和精密儀器的使用壽命，影響施工進度；

4)粉塵加大了電磁波的衰減，影響地鐵隧道施工無線通信設(shè)備的使用。

3 地鐵隧道施工防塵技術(shù)

3.1 防塵技術(shù)的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外防塵技術(shù)在不斷研究中得到很大的進步，從防治粉塵的產(chǎn)生、抑制粉塵的飛揚、防止粉塵危害人體健康等角度設(shè)計防塵方式，研發(fā)防塵裝置，使得粉塵的危害大幅度降低。由于對防塵方法、防塵機理等缺乏理論研究，所采取的防塵方法可靠性低、針對性不強。以通風(fēng)排塵為主的防塵技術(shù)在隧道防塵中應(yīng)用了很長一段時間。80年代以后，隨著隧道施工機械化程度的提高，使得采掘工作面出現(xiàn)高濃度粉塵。僅依靠通風(fēng)排塵的方式不僅達不到空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，而且使得作業(yè)環(huán)境惡化，隧道全長被污染，導(dǎo)致粉塵的危害非常嚴重。針對這一問題，諸多學(xué)者依據(jù)不同的防塵機理研究了排塵、降塵、除塵和個體防護(阻塵)措施[7]。

3.2 主要防塵技術(shù)

3.2.1 通風(fēng)排塵技術(shù)

目前在我國地鐵隧道施工中使用較多的是通風(fēng)排塵技術(shù)。通風(fēng)排塵不僅是通風(fēng)、降溫、排煙和提供氧氣的主要措施，也是稀釋并排除有害氣體和降低粉塵濃度的主要措施。3種通風(fēng)方式的比較見表2。單一的壓入式、抽出式通風(fēng)提供風(fēng)量小、排塵效果差，不能滿足地鐵隧道施工中的要求，因此混合式機械通風(fēng)仍是地鐵隧道施工防塵領(lǐng)域不斷深入研究的一個課題。田應(yīng)平[8]提出了長壓長抽式、長抽短壓式、長壓短抽式3種混合式機械通風(fēng)排塵方式，結(jié)合了壓入式和抽出式的優(yōu)點，提高了排塵效率，但存在通風(fēng)系統(tǒng)操作復(fù)雜的問題，增加了地鐵隧道施工的管理難度。針對上述問題，黃壽元等[9]設(shè)計研究了通風(fēng)排塵試驗裝置及PLC監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠?qū)⒌罔F隧道施工通風(fēng)和排塵同步進行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作簡單，實現(xiàn)了計算機遠程監(jiān)控，降低了地鐵隧道施工單位的管理難度。

3.2.2 水霧降塵技術(shù)

常規(guī)的地鐵隧道施工降塵技術(shù)是使用普通噴嘴進行水霧降塵，但是降塵效率低，達不到保護地鐵隧道施工人員身體健康，優(yōu)化作業(yè)環(huán)境的目的。因此為了提高降塵效率，有諸多學(xué)者設(shè)計出各式各樣的噴嘴。主要包括壓力噴嘴、氣動噴嘴、靜電霧化噴嘴等。我國對噴霧技術(shù)研究最早的是煤炭研究總院，其研制的高壓噴霧系統(tǒng)的降塵效率在85%以上，隨后又和山東兗州礦業(yè)集團共同研制了一種高壓外噴霧系統(tǒng)，噴霧降塵效率在90%以上[10]。在此基礎(chǔ)上，陳霂[11]開發(fā)了具有自動檢測巷道粉塵濃度的智能控制噴霧降塵系統(tǒng)。王祥等[12]提出消煙降塵系統(tǒng)。2種系統(tǒng)反應(yīng)速度快，能夠精確控制水量，提高降塵效率的同時也提高了自動化程度。

3.2.3 除塵器除塵技術(shù)

依據(jù)除塵器工作原理，地鐵隧道施工除塵器可分為機械式、濕式、過濾式3大類。

機械式除塵器借助重力、慣性力和離心力使顆粒物與氣體分離，常見的有慣性除塵器、旋風(fēng)除塵器。

慣性除塵器一般凈化密度和粒徑較大的粉塵，工作原理是含塵氣流以一定的進口速度V1沖擊到擋板B1上，大顆粒M具有較大慣性力撞擊到擋板B1上而被分離捕集，小顆粒N則隨著氣流以R1的半徑繞過擋板B1，由于擋板B2的作用，使氣流方向發(fā)生轉(zhuǎn)變(R2為氣流彎轉(zhuǎn)的曲率半徑，V2為氣流出口速度)，小顆粒N借助離心力被分離捕集，如圖1所示。

圖1 慣性除塵器工作機理

旋風(fēng)除塵器使含塵氣流作旋轉(zhuǎn)運動，借助于離心力降塵，塵粒從氣流中分離并被捕集于器壁，再借助重力作用使塵粒落入灰斗，如圖2所示。

圖2 旋風(fēng)除塵器工作原理

楚建華、付中斌等[13-14]針對現(xiàn)有除塵器阻力損失大、對細小粉塵除塵效率低的問題，研究了SEU型慣性除塵器、XGB型慣性除塵器。孫熙等[15]提出了旋風(fēng)濕式纖維柵除塵器，不僅為資源的再次利用提供了有利條件，而且提高了地鐵隧道施工除塵效率。趙新義等[16]研究出了旋風(fēng)-濾袋復(fù)合除塵器，其工藝流程簡單可靠，降低了生產(chǎn)成本，在地鐵隧道施工中更具實用性。

濕式除塵器是使含塵氣體與液體(一般為水)密切接觸，利用水滴和塵粒的慣性碰撞及其他作用來捕集塵?；蛟龃蠓蹓m粒徑的裝置。其除塵效率高，能適用于不同的特殊條件，既起到冷卻、凈化的作用，又起到除塵的作用。胡俊[17]于2008年在CCJ/A型沖激式除塵器基礎(chǔ)上，研究出了一種WS型高效旋流濕式除塵器，其結(jié)構(gòu)簡單，占用空間較小，成本低，處理風(fēng)量大，除塵效率高，對呼吸性粉塵的除塵效果特別理想。楊有亮[18]于2012年對DW型高效濕式除塵器進行研究。此除塵器用水量少，運行穩(wěn)定可靠，占用空間小，除塵效率高，在實際地鐵隧道施工得到應(yīng)用。

袋式除塵器是過濾式除塵器的一種。其具有除塵高效、結(jié)構(gòu)簡單、投資少、運行穩(wěn)定、動力消耗小等優(yōu)點。目前在我國地鐵隧道施工廣泛使用。袋式除塵器工作原理如圖3所示。

圖3 袋式除塵器工作原理

我國于1979年研發(fā)了JMC型機械控制脈沖袋式除塵器。其除塵效率可觀，但出現(xiàn)了適應(yīng)工作環(huán)境單一、零部件容易變形等問題。針對此，我國研制了MC,MC-II型脈沖袋式除塵器。其處理風(fēng)量大，除塵效率高，性能穩(wěn)定，安全可靠，在地鐵隧道施工防塵中廣泛使用。

4 結(jié)語

通過近幾年的研究與應(yīng)用，我國地鐵隧道防塵技術(shù)取得了顯著成就。粉塵綜合防治方法即地鐵隧道排塵、降塵、除塵和個體防護(阻塵)的綜合使用，使得地鐵隧道施工防塵技術(shù)進入了一個新的高度。提出建議如下：

1)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代化的科技，應(yīng)用FLUENT,CFD,MATLAB等新型軟件對地鐵粉塵分布及各種防塵機理進行模擬，對防塵方法、影響除塵效率的因素等進行研究。

2)地鐵隧道施工防塵還需突出解決關(guān)鍵性技術(shù)，降低企業(yè)管理難度，提高地鐵隧道施工防塵自動化、標(biāo)準(zhǔn)化的程度，降低粉塵在地鐵隧道施工中的危害，在實踐中對地鐵防塵技術(shù)不斷研究。