0 引言

　　随着我国工程建设的快速发展，长大隧道数量及规模不断增加。目前，随着环保意识不断增强，以人为本理念不断深入，改善隧道施工作业环境、确保作业安全成为施工面临的重要课题。施工过程中隧道内产生的有害气体和粉尘(一般为空气灰尘、泥砂粉尘、煤粉尘、焊接烟尘、爆破气体、设备尾气等)不仅直接影响施工效率，还因空气混浊阻碍通视，干扰相互作业，严重制约施工进度，对施工人员身心健康造成危害。

　　近年来，研究者从不同方面对隧道除尘技术进行分析，如张崇栋^[1]对铁路隧道除尘标准和技术进行研究;王祥等^[2]基于水雾除尘机理，验证综合除尘系统装置在长大隧道施工中具有良好效果;宫实俊等^[3]针对铁路隧道内道砟清筛作业工况，基于湿式除尘机理采取相应除尘方案，并进行仿真系统模拟试验;陈小峰等^[4]对城市地下隧道施工现场粉尘进行采样和分析，评价综合除尘措施应用效果;魏军政^[5]对隧洞施工通风中自然风的影响及对策进行研究;宋雨等^[6]基于离散相模型，研究大断面硬岩隧道掘进压风量与抽风量适宜比值;陶利等^[7]以某越江隧道大修施工为工程背景，基于流体动力学原理，采用数值模拟软件研究不同除尘工艺应用效果;徐海^[8]采用数值模拟技术，研究盾构掘进长隧道风管布置位置对粉尘浓度的影响规律;徐世强等^[9]基于粉尘颗粒荷电理论，通过室内模拟试验和现场试验验证负离子除尘的适用性。

　　现有隧道施工通风、排烟主要采用抽风、压风或二者结合的方式，通过机械通风稀释和挤压排出洞内烟雾、悬浮粉尘及有害气体，并补充新鲜空气，保障洞内作业环境安全。但存在通风、排烟效率低，时间长，成本高等问题，且废气、粉尘在排出洞外的过程中弥漫整个隧道，效果不佳，影响作业环境及作业人员身体健康，限制长大隧道施工水平的提升^[10,11,12]。

　　1 隧道施工通风、排烟环境现状

　　1.1 相关规范要求

　　Q/CR 9653—2017《客货共线铁路隧道工程施工技术规程》中通风与除尘对洞内粉尘的要求为:“粉尘允许浓度，每立方空气中含有10%以上的游离二氧化硅的粉尘不得大于2mg,10%以下的游离二氧化硅的矿物性粉尘不得大于4mg，游离二氧化硅粉尘总量不大于6mg”。

　　GBZ 188—2014《职业健康监护技术规范》中明确作业环境粉尘监控要求，尘肺是职业病防控重点，对有害气体的要求为:“有害气体最高允许浓度:(1)一氧化碳的最高允许浓度为30mg/m³，在特殊情况下，施工人员必须进入工作面时，浓度可为100mg/m³，但工作时间不得大于30min;(2)二氧化碳按体积计不得大于0.5%;(3)氮氧化物(换算成NO₂)为5mg/m³以下”。

　　TB 10101—2018《新建铁路工程测量规范》中对洞内导线设计平均边长的要求为:“一般不小于300m，特殊情况下最短边长应不低于250m，相邻边长的比不宜小于1∶3”。

　　在长大隧道施工过程中，降低粉尘浓度、净化作业环境一直是困扰施工的难题，隧道施工作业面粉尘普遍超标。随着隧道掘进深度的增加，该问题日益严重，直接影响施工进度、质量和安全。

　　1.2 现状调查

　　自2019年6月，对隧道内不同工点部位分时段进行25次现场检测，粉尘浓度及分布如表1,2所示。

　　  

　　表1 不同工点粉尘浓度 

　　 

　　 

　　mg·m^-3

　　

　　表1 不同工点粉尘浓度

　　平导、斜井及横洞一氧化碳含量在15次检测中超标7次，检测作业面在出渣期间受爆破、设备尾气排放的影响，二氧化碳含量按体积计均>0.5%，且洞内空气刺鼻，分析调查结果可得以下结论。

　　1)由统计数据可知各作业面均存在粉尘超标现象，最大超标范围为规范允许值的3倍，检测工点平均粉尘量约为11.35mg，远超出规范要求。

　　  

　　表2 隧道施工现场粉尘分布 

　　 

　　 

　　

　　表2 隧道施工现场粉尘分布

　　2)洞内一氧化碳、二氧化碳浓度时有超标，绝大部分洞内空气混浊、刺鼻，不满足规范及职业健康要求，危害作业人员身体健康。

　　3)现场对岩山隧道、保山隧道、西安岭隧道、凤凰隧道等长大隧道进行随机抽查，正常作业情况下，通视度调查数据为30～140m。隧道掘进>500m后，通视度不佳，爆破后、出渣及喷浆作业期间尤为严重，影响运输及施工测量等工序，部分已贯通隧道因洞内空气不佳，且受天气影响，不能正常测量。

　　4)隧道粉尘主要分布于掌子面至二次衬砌段区间。

　　2 隧道自主除尘系统

　　2.1 系统设置

　　为解决以上问题，在喷雾排烟除尘研究的基础上，研发隧道自主除尘系统(见图1)，主要通过系统外围扑尘、设置隔尘雾幕、废气吸入处理及过滤净化洞内空气。运用隔尘雾幕隔离治理区与作业区，启动隔尘雾幕的同时启动前置扑尘雾炮，对粉尘进行机外消减。利用风机箱将废气抽入过滤箱，进行深度净化，通过滤网进入滤筒，再次除尘、净化，经检测后排出。该系统组成部分设置如下。

　　

　　图1 隧道自主除尘系统平面示意  

　　 

　　1)运载车为8t以上普通轮式货车(带挡板)，用于装置运载系统设施及器件，根据需要行驶至作业面。

　　2)前置扑尘雾炮由设置在车尾挡板架底部的雾炮喷头组成，根据隧道断面尺寸设置4～8个喷头，仰角45°～60°，角度可调，喷雾距离>20m，用于消减隧道掌子面方向废气中的粉尘。

　　3)沿车尾挡板架向外设置1圈带孔钢管，利用高压风、水混合物喷射成隔尘雾幕，即由40镀锌钢管接入高压风(车载小型空压机提供)及高压水(车载小型增压泵提供)，每隔20cm钻1排2排雾孔(径向向外)，形成帘状，用于避免隧道掌子面方向未经处理的废气向洞外扩散。

　　4)在风机箱喇叭口形导风口处设置吸尘罩。隔网为高强度细丝网，网孔间距1.5cm，主要阻挡异物吸入风机箱。

　　5)风机箱为大风量、低风压离心机箱，瓦斯及高风险隧道配置防爆型，根据作业面废气体积采用不同机型。

　　6)过滤箱为净化系统核心部件，主要提供高密度除尘剂雾粒，与未完全处理的废气充分接触、反应，利用雾粒物理及化学特性达到除尘及净化目的。外壳为2mm厚铝合金板，内置螺旋式喷头，由若干个喷头组成(不同角度)雾粒处理器，将除尘剂雾化，并利用水雾静电进行综合处理。底部设置导流凹槽，通过导流孔排出泥水，收集于废料仓内(见图2)。

　　

　　图2 过滤箱示意   

　　 

　　7)滤网采用覆膜滤料制成，覆膜为膨胀微孔聚四氟乙烯，滤料采用高强度人工纤维，具有防水性。间隔2层设置，每次作业后清洗。

　　8)除尘剂为阴离子脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠与两性离子椰油酰胺基丙基甜菜碱及樟脑复配剂(液剂)，以增加扑尘效果，清新空气。

　　2.2 风机功率及风量确定

　　1)按洞内爆破产生的有害气体稀释至允许浓度计算风量:

　　

　　 

　　式中:Q₁为爆破排烟所需风量(m³/min);t为通风排烟时间(min);A_m为一次爆破最大炸药用量(kg);S为开挖断面面积(m²);L₀为隧道通风长度(m)。

　　2)按内燃机械设备废气稀释需要计算风量(依据机械标准化配置，考虑掌子面内燃机械设备同时工作):

　　

　　 

　　式中:Q₂为稀释和排除内燃机产生的废气所需风量(m³/min);∑N为隧道施工设备总功率(kW);k为设备工作系数，一般取0.7;q为设备每千瓦需风量，取3m³/min。

　　3)按隔尘雾幕至掌子面空间范围废气被有效吸入处理计算风量:

　　

　　 

　　式中:Q₃为废气吸入处理所需风量(m³/min);V为隧道内最小废气处理体积，即隧道开挖面至除尘系统设备作业处的体积;B为系统设置要求最迟处理完成时间，暂定20min;C为目标处理效率(90%);D为考虑循环吸入处理因素。

　　主要通过Q₃确定风机箱型号最低要求，取Q₁,Q₂较大值确定风机箱作业时间，满足系统设置处理时间要求。

　　3 使用步骤

　　1)将运载车开至隧道内，到达指定区域，一般距掌子面20～35m。检查作业环境，确保作业区域安全后准备净化作业。

　　2)打开隔尘雾幕，隔离治理区与作业区。同时启动前置扑尘雾炮，对粉尘进行机外消减，水压控制为0.30～0.63MPa。

　　3)隔尘雾幕及雾炮开启1min后，将风机箱开至最高挡位，将废气抽入过滤箱，利用除尘剂雾粒与废气充分接触，进行深度净化。通过滤网再次除尘，经检测后排出。

　　4)依据检测结果，当粉尘浓度高于设定值时，红色声光警示系统开启，吸入风机挡位自动开至最大;当粉尘浓度低于设定值但高于规范要求值时，黄色声光警示系统开启，吸入风机挡位自动开至中挡;当粉尘浓度低于规范要求值时，绿色声光警示系统开启，吸入风机挡位自动开至低挡，净化作业过程中用户可手动调整挡位，并设定作业时间。

　　5)作业结束后按相反次序关闭各设备功能，移除作业车。

　　4 实际应用

　　大瑞铁路保山隧道是控制工期的重难点工程，位于保山—霍家寨—蒲缥区间，隧道进口里程D1K136+600.000，出口里程D1K152+697.000，全长16097m。隧道最大埋深1 010m。除进口段及洞身D1K152+017.450—D1K152+692.700段分别位于R=2 800,5 000m的左偏曲线上外，其余均位于直线上。隧道内线路纵坡为人字坡，其中进口上坡段长3.1km，洞身及出口下坡段长12.997km。辅助坑道设置为“两平一斜一横”，均采用无轨运输方式。进口平导长2 742m，斜井长1 890m，横洞长1 920m，出口平导长6 393m。隧道设4个工区，各工区平行作业。

　　隧道进口工区、出口工区第1横通道、斜井工区正洞与进口工区正洞、横洞工区平导与出口工区平导贯通前均采用压入式通风，贯通后均采用巷道式通风。现场对正常通风、喷洒高压水、喷高压水雾、自主除尘等进行使用情况及使用效果对比验证，如表3,4所示。

　　  

　　表3 现场使用情况 

　　 

　　 

　　

　　表3 现场使用情况

　　  

　　表4 现场使用效果 

　　 

　　 

　　

　　表4 现场使用效果

　　由表3,4可知，相比现有隧道通风、排烟方法及体系，隧道自主除尘系统提供主动、高效的洞内空气净化方法，具有以下优势。

　　1)提高隧道粉尘处理效率，净化洞内空气，解决整个洞内(巷道)空气污染问题，不同于抽排、压排局部处理，满足洞内空气质量有关要求。

　　2)采用可移动、主动空气净化处理系统，不受隧道通风断面及长度限制，为隧道洞外供风变洞内供风提供保障。

　　3)缩短通风、排烟及工序循环时间，减少对其他工序的干扰，加快施工速度。

　　4)缩减通风、排烟工序成本。

　　5)改善作业环境，提升通视效果，有利于保证作业人员身体健康及施工安全。

　　5 结语

　　现有隧道施工采用抽风、压风或二者结合的方式通风、排烟，效果不佳，影响作业环境，危及作业人员身体健康，限制长大隧道施工水平的提升。采用可移动、主动吸入处理、深度除尘、净化洞内空气的处理系统，在短时间内改善作业环境，为安全快速施工提供保障。该除尘系统效率高、净化率高、成本低、安全、易操作，避免因烟雾等长时间污染作业面及通道危害作业人员身体健康，体现人文施工理念，主要解决以下问题:(1)主动、快速消减洞内粉尘;(2)消除有毒、有害气体，净化洞内空气;(3)在净化洞内空气的基础上改善作业环境，为隧道安全、高效、节能、绿色施工提供环境保障，不断提升长大隧道施工水平。