1 引言
当前, 中国经济增速虽然放缓, 但仍以中高速增长。中国在基础设施上的投入并没有减少, 公路作为基础设施中重要的一部分, 得到了国家的重点关注, 目前中国的公路总里程居世界第一位。公路的开发在山区地带如果采取盘山公路的做法, 会大大曾加公路的成本, 对也会增加工程时间。随着公路隧道技术的发展, 中国的隧道施工也越来越频繁, 中国也成为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的国家。2006年以来, 公路隧道施工建设步入快车道, 至2014年底, 中国已建成公路隧道12404座, 总里程达到10756.7km, 2010-2013年公路隧道总长度增长率达到46.7%, 远超过公路本身长度的增长率。隧道工程中的隧道开采普遍采用钻爆法, 随着隧道施工量的大幅度增加, 钻爆法施工越来越频繁。钻爆法掘进的进行, 必将产生大量的粉尘。
近年来, 随着粉尘爆炸事故以及尘肺病知识的普及, 隧道施工粉尘控制越来越引起社会的关注, 但是, 绝大部分隧道施工的粉尘控制不符合国家规定的粉尘标准, 尤其是2km以上长隧道粉尘控制难度更大。同时, 隧道内部相当于一个密闭环境, 渣土运输车在运输渣土过程中会产生大量有毒有害气体, 如果不及时排出, 将对长期工作在隧道内的施工工人有巨大的伤害。据每年统计资料可知, 每年几大隧道施工单位中, 因工作原因而确诊为矽肺病和尘肺病的有数百人, 且有每年递增的趋势。如果在公路建设高潮中不引起重视, 不采取有效措施积极进行防护, 几年后矽肺病人肯定会大幅度上升, 必将给企业带来巨大的经济损失和沉重的负担。2009年河南省农民工张海超“开胸验肺”事件引起了社会的巨大反响。就目前医疗技术而言, 尘肺病还没有完全的治疗之策, 只能用药缓解症状。
因此, 要想减轻粉尘对工人的伤害程度, 只能从源头出发, 尽量降低工人所处环境中的粉尘浓度。为降低粉尘对作业环境的危害, 减轻粉尘对隧道施工人员的伤害, 预防和减少职业病发生, 开展公路隧道粉尘控制技术研究, 是一项紧迫而又现实的任务。
2 隧道施工方法简介
公路隧道施工与普通地面施工相比, 施工环境较差、施工条件恶劣、施工技术更为复杂、施工机械要求多, 同时, 隧道施工作业工作面窄, 施工光线差, 劳动条件差, 这就要求有不同的施工方法来满足不同的隧道要求。故隧道施工具有多种施工方法, 主要分为钻爆法、盾构法、TBM法、推进法、沉管法等, 其中钻爆法、盾构法、应用的最为广泛。由于盾构、TBM掘进机长期以来依赖国外进口, 所以中国的TBM技术起步较晚, 再早些年间应用不广泛, 但随着近年中国科学技术的进步, 国产盾构和TBM的自主制造, 加速了TBM技术在隧道施工中的应用。钻爆法由于起步早, 技术成熟, 占据了国内公路隧道施工的半壁江山。尤其是中国科技的发展, 推进了国产设备的智能化和自动化进程, 先后自主研制了液压凿岩台车、挖装机、自动机械化喷射混凝土设备、拱架安装机、移动栈桥、模板台车等一系列装备, 极大提高了工作效率。
3 隧道施工粉尘产生机理及分类
在钻爆法隧道掘进过程中, 几乎每个施工过程都会产生粉尘, 主要产生粉尘的施工过程有钻孔、爆破、渣土运输、喷射混凝土等。隧道内存在的粉尘不仅是新产生的, 也会因为尘化作用而而是已经散落地面的粉尘再次扬起, 悬浮在空气中, 从而造成整个隧道充满粉尘。
粉尘粒径较小, 质量较小, 因此, 极易通过尘化气流将已沉降的粉尘吹起, 而悬浮于空气中, 使整个隧道产生粉尘的二次污染。
3.1 钻孔作业产尘机理
隧道钻孔主要为装填炸药, 掘进工作面, 一般都是在掌子面用凿岩机冲击。钻头冲击岩石并与之剧烈摩擦, 产生强烈的震动, 击碎岩石壁面。强烈的震动也会将大粒径的粉尘震碎产生小粒径粉尘, 从孔中漂浮出来。由于大部分凿岩机钻头采用空气作为动力, 因此, 粒径大的粉尘随着气压的降低和重力作用逐渐沉降下来, 而粒径小的粉尘则在排出钻孔后向隧道内扩散, 随着气流运动, 被人体吸收或者散布在掌子面附近。
3.2 爆破作业产尘机理
将炸药放入钻好的孔内, 炸药在狭小空间内发生剧烈的氧化还原反应, 释放大量的能量, 产生大量的粉尘, 并且这样的粉尘分散度较高, 容易长时间悬浮在空气里。另外, 爆炸的冲击波也会将散落着掌子面附近的粉尘冲击起来, 造成粉尘的二次污染。
3.3 渣土运输过程中的产尘机理
爆破后, 掌子面附近会产生大量的渣土, 对爆破后的渣土需要进行运输、清理才能进行下一步的掘进作业。运输过程中装渣机会将渣土铲入翻斗中, 再将翻斗中的渣土倒入卡车中, 这一过程, 会将渣土中大部分的粉尘扬起, 遇到空气中运动的气流, 部分粉尘将再次转移至隧道空气内。
3.4 隧道粉尘的分类
(1) 粗尘。直径的粉尘, 筛分粉尘的最低标准, 在空气中可依靠重力迅速沉降。
(2) 细尘。直径, 可肉眼可以看到, 所受浮力小于重力, 在空气中加速沉降。
(3) 微尘。直径, 肉眼无法直接观测, 可用普通光学显徽镜观察到, 所受浮力约等于重力, 在静止空气中匀速沉降。
(4) 超微粉尘。直径, 要用超显微镜才能观察到, 可长时间悬浮于空气中, 能随空气分子作布朗运动。
粉尘按对人体生理功能的危害程度以及粒径大小, 又可分为呼吸性粉尘和非呼吸性粉尘以及全尘。呼吸性粉尘是指粒径在7μm以下的, 可以直接通过人体呼吸系统进入肺部, 并且导致肺部生理功能发生病变。粒径大于7μm的粉尘称为非呼吸性粉尘, 绝大部分是可以通过自然沉降而消失掉。无法沉降的部分也可以被呼吸系统阻止在体外, 并不会对身体产生巨大伤害。因此, 在是公路隧道施工过程中, 防治的重点应该是呼吸性粉尘。呼吸性粉尘和非呼吸性粉尘之和就是全尘。
4 粉尘运动的理论研究
任何动态过程必须符合守恒定律。由流体力学基本知识可知, 流体流动必须满足三大守恒定律, 即动量守恒、质量守恒、能量守恒。对于包含多种组分的流体流动, 系统还要满足守恒定律。控制方程是这些守恒等式的综合公式表示。
如图1所示, 在空间指教坐标系中, 某一微小流体的流体密度为, 速度矢量U在x、y、z方向上的速度分量分别为u、v、w, 压力为P, 针对动量守恒、能量守恒、动量守恒做数学分析。
4.1 质量守恒定律
空间隧道内流体为不可压缩流体, 则单位时间内流入所取微元体积内的流量与流出所取微元体积的流量相等, 即质量流量平衡条件就可以表示为体积流量平衡条件。
4.2 动量守恒定律
动量守恒定律即纳微——斯托克方程[5], 根据牛顿第二定律, 可计算微元体在x, y, z方向上的动量变化, 根据牛顿切应力公式和斯托克公式, 可得微元体在x, y, z方向上的动量方程如下:
X方向动量方程:
4.3 能量守恒方程
施工过程中一般视为等温过程, 不考虑能量的传递和转换, 由上述动量守恒定律跟质量守恒定律可知, 未知量u, v, w, p均可解出, 故不需要能量守恒定律。
4.4 粉尘运动的通用方程
由质量守恒定律和动量守恒定律可知, 所求解变量的控制方程可以用统一的形式表示[6]:
此通式中, 不同的流动过程, 因变量不一样。一般文献中会以表格的形式给出, 本式的通用方程参数对照表如表1所示:
摘要：文章首先对隧道内粉尘污染的现状及危害进行了分析, 在此基础上研究了各工序的粉尘产生机理, 最后对粉尘在隧道内的运动方程进行了理论分析研究, 得到了粉尘运动的通用方程。
关键词：隧道,粉尘,机理,分布规律
参考文献
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[2] 陈志强.钻爆法隧道施工粉尘防治的研究[D].济南:山东大学, 2008.
[3] 孙忠强.公路隧道钻爆法施工粉尘运移规律及控制技术研究[D].北京:北京科技大学, 2015.
[4] 庞耀垄.隧道施工爆破后的粉尘防治方法分析[J].交通标准化, 2010, 221 (10) :112-114.
[5] 郑升.前抽后压混合式通风的掘进工作面粉尘分布规律的数值模拟研究[D].太原:太原理工大学, 2014.
[6] 高建良, 张生华.压入式局部通风工作面风流分布数值模拟研究[J].中国安全科学学报, 2004, 14 (01) :96-99+91.