隧道施工粉尘产生机理探索

隧道施工粉尘产生机理探索
摘要：文章主要就隧道干喷混凝土施工中粉尘产生的机理进行了探讨，并对粉尘防治提出了几点看法，为粉尘防治工作提供了一些依据。

关键词：干喷、浓度、系统性
一、引言
隧道施工作业面的粉尘产生量是很大的，对劳动者的身体危害是巨大的，在隧道工程数量大增的今天，我们有必要将类似粉尘防治这方面的隧道施工作业安全和劳动保护提高到一个重要的地位，对于促进职业健康和隧道工程质量安全具有重大的意义。

二、粉尘产生的机理
隧道工作面粉尘的主要来源可分为：
l)原始粉尘。

在开采前因地质作用和地质变化等原因而生成的粉尘，存在于岩体的层理、节理和裂隙之中。

2)爆破产尘。

在炸药爆炸的压力作用下，岩石中伴随大量裂隙的出现而产生的粉尘。

3)工艺产尘。

岩体在钻孔、弃碴装运等过程中受摩擦、碰撞、挤、压等作用而产生的粉尘。

另外，在喷射混凝土施工中，高压气流吹出水泥和细沙也产生大量粉尘。

在隧道施工中爆破产尘和工艺产尘是粉尘的主要来源，约占总产尘量的80%—90%，而其他尘源产尘量仅占10%—20%。

爆破产尘不必多说，主要谈谈工艺产尘，其中又以干喷施工为主。

影响干喷施工工艺中产尘的主要因素是以下几个方面：
(l)锚喷过程中形成的气料三相高速射流导致粉尘的产生。

水泥、石子、砂子按配合比拌合成三相物料在喷枪处加水水化成混凝土团粒。

喷射物料中的粉尘从喷浆机进入输送管道，利用压缩空气作为动力，从喷浆口喷出的过程中。

喷射所产生的高速气流以及卷吸作用会破坏在空气运动过程中团粒的粘结，和空气中的粉尘一起形成物料气体双相流。

强大的气流也会对混凝上团
粒产生破坏作用。

喷射过程中所形成的紊流射流的横向掺混作用强烈，在射流边界上的气体与周围气体发生动量交换、把周围气体带到射流中，随同射流一起流动，即所谓的卷吸作用，从而使射流的横断面及流量沿射程方向不断增加，形成圆锥型流场。

由于动量交换，产生的高速气流会破坏团粒的粘结，并和空气中的粉尘一起形成物料气体双相流，从而造成锚喷粉尘污染源的产生。

由于紊流的间歇现象(iniermittency，即在流动中，某一点测得的流速在一段时间是脉动的而在另一段时间中测不到流速脉动)，在接近射流边缘处的间歇系数甚小，而在射流中心部分，射流流动全呈现脉动。

在此流场中水泥、砂子和石子三相物料的粒径和重量不同，由于圆形射流紊动特性，悬浮的速度，输送速度和所受的力也不同，导致颗粒的直射、折射和旋转，产生三相物料的团粒分崩离析，气流含尘量高，质量大的石子携带的动能也大，造成回弹，产生粉尘。

对于该壁面射流，水泥、石子、砂子水化成的混凝土团粒高速到达受喷表面时，与巷道表面或已附着的混凝土发生碰撞，团粒结构破坏，产生粉尘。

(2)锚喷粉尘自身的特点，容易造成粉尘的产生和扩散。

料气双相流冲击喷枪口，空间变大，速度骤然降低，气流对物料的携带能力也随之下降，部分物料沉落;另外，未被湿润的微小物料颗粒，在高压气流的吹动下，被气流吹起，造成回弹并产生粉尘。

粉尘尘粒粒度越小，质量就越小，粉尘表面积就越大，吸附空气的能力也比较强。

这样在粉尘的表面就会形成一层空气膜，使得这种粒径小、质量小的粉尘不易沉降，可以常时间悬浮在洞内空气中。

各种不同粒径的粉尘的悬浮情况，除受粉尘尘粒的密度和粉尘分散度因素影响外，还受到空间和风流方向的影响。

在通常情况下，风速越高，悬浮的尘粒数量就越多，尘粒就越大。

悬浮于空气中的粉尘，如果存在浓度差别，则粉尘往往就会从高浓度区域向低浓度区域扩散移动，具有趋向于浓度均匀化，这种特性称为粉尘的扩散性。

由于粉尘的这些特性，给锚喷粉尘的防治工作造成了一定影响。

对锚喷粉尘的控制应该充分利用粉尘的各种性质，从而实现降尘的目的。

(3)操作工艺导致粉尘的产生。

在锚喷过程中，操作人员对水量大小的控制将直接影响着锚喷粉尘的产尘量。

不同人员，不同地点，不同环境，对于锚喷物料水量的控制都不一样，这样就造成了锚喷过程中产尘的不稳定。

喷枪口在喷射时所做的圆周或上下运动与锚喷自由射流所形成了复合流动一旋动射流。

该射流流动更为复杂。

旋动射流有一切向速度(旋转速度)，使喷嘴内的流体旋转起来，这样从喷嘴射出的流体就具有切向速度分量。

除了无旋动射流中存在的轴向、径向速度分量外，旋转速度(切向速度)使径向、轴向产生压力梯度并影响整个射流。

旋动射流射出后在周围环境流体中的扩展比相应的无旋动普通流体快，其卷吸能力、掺混作用、轴线速度的衰减比普通射流大。

这样就极大的促进了锚喷粉尘的产生。

在实际生产条件下，由于风流、热源、机械设备运转及人员操作等因素的影响，微细粉尘的沉降速度更慢。

微细粉尘难以沉降，给降尘工作带来了不利因。

湿喷混凝土的拌合料在进入隧道内的湿喷机械前已经是具有流动性的物质，物料中已经不含有粉尘，主要的产尘过程在于操作工艺中，当高压风将物料吹出碰到受喷面后，物料与受喷面相撞产生回弹，回弹料中的微小颗粒与大颗粒相分离工程中产生粉尘。

三、粉尘防治是综合性的技术应用
在我们现有的隧道施工技术和要求下，它经常被片面地理解为能将粉尘排出隧道之外就是成功的，其实不然，隧道粉尘主要产生在隧道的最里端，在仅仅使用隧道通风技术排尘过程中，大量的可呼吸性粉尘污染了整个隧道，使所有参与隧道施工和管理的人员皆受到危害。

粉尘防治技术应将降尘、施工面除尘作为重点的技术应用，应用先进的施工技术和设备装备将隧道作业面的产尘量降到最低，并在主要的产尘工作面应用先进的降尘、除尘技术降低粉尘浓度尤其是呼吸性粉尘的浓度，将隧道通风技术主要应用在向隧道内供氧方面，这样将大大降低通风风量和通风费用并改善了洞内的粉尘污染。

隧道粉尘防治的重点应用技术为以下几点：
l)应用湿式凿岩技术，杜绝在隧道内使用无水凿岩;
2)在围岩地质条件允许的情况下，广泛推广水封爆破技术和水压爆破技术，并进一步进行水封爆破的可行性和应用性研究。

3)喷射混凝土采用湿喷法，杜绝在隧道内采用干喷混凝土施工方法。

4)广泛推广应用水雾帘幕降尘技术，采用远程控制和自动控制装置，提高水雾降尘方法的实用性和易操作性。

5)在粉尘产量较大的施工工序作业中，同时开启除尘吸尘装置，降低粉尘的扩散范围。

6)优化隧道的通风方案，防止污染的气流在隧道内循环。

7)加强隧道施工作业人员的劳动防护装备的更新，使用先进的劳动保护技术，并在隧道施工中强制配备劳动保护装备。

四、隧道粉尘防治是一个系统性的施工要求
隧道施工的大型装备在施工中有许多是强制性要求进场的设备，但是对于粉尘防治的设备要求在招标中却少为鲜见，受到忽视，作为一个即将建设的隧道工程，要将粉尘防治的目标作为从建设方、设计方、监理方和施工方等共同的重点控制目标。

隧道的粉尘防治是产生在隧道施工工序中，应将粉尘防治纳入工序管理中，
将粉尘防治技术设计在重点的隧道施工工序流程中，要按照三同时“同时设计、同时施工、同时投入使用”的原则进行控制。

隧道的粉尘防治作为职业健康和劳动保护的重要项目，在现在的隧道施工过程中远远没有得到管理人员和参与人员的重视，加强该方面的职业教育和健康观念的输入是需要大家尽快提高的。

五、结束语
隧道施工中的粉尘产生与隧道的施工技术、采用的施工方案、配备的施工设备密切相关，在隧道粉尘防治的过程中，提高爆破技术、提高通风技术、配备污染较少的内燃机械、加大隧道除尘机械的设计和技术引进等都将提高隧道施工的技术水平。

隧道粉尘防治的成功应用，在改变隧道施工作业环境的同时，也必将改变隧道工程工艺革新较慢的状态，将促使更先进的隧道施工设备和施工工艺进入我们的隧道施工中。

参考文献：
【1】程正旺,王永亮.隧道施工的通风技术和粉尘治理方法[J]. 山西建筑. 2007(26)
【2】张金夫.东秦岭隧道快速施工技术[D]. 西南交通大学2007
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。