（环境工程专业论文）长大隧道施工期空气环境质量分析及其控制措施研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第n 页 a b s tr a c t t h e21s tc e n t u r yi st h ed e v e l o p m e n to fu n d e r g r o u n ds p a c ei nt h ec e n t u r y , t h e c e n t u r yo fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t , a n dc o n s t r u c t i o no ft h et u n n e l i sa n i m p o r t a n tp a r to fu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni se s s e n t i a l a tt h es a m et i m ef o ra n yc i v i le n g i n e e r i n g ，s a f e t yi sa l w a y st h ef i r s to n e ，g o o d c o n s t r u c t i o ne n v i r o n m e n ti st oe n s u r et h a tt h e n e c e s s a r yc o n d i t i o m f o r c o n s t r u c t i o ns a f e t y t h ep a p e r sw i l lb eb u i l tu pi nt h er a i lt u n n e lt os t u d y , i n v e s t i g a t e t u n n e l c o n s t r u c t i o ns i t ei nt h ea i r q u a l i t y o ft h ee n v i r o n m e n t ， c o n d i t i o n sa n dc i r c u m s t a n c e st oa l l o wt h em a j o ra i rp o l l u t a n t so n s i t es a m p l i n g ， m o n i t o r i n ga n da n a l y s i s l o n gt u n n e lv e n t i l a t i o np r o b l e mi st h ec o n s t r u c t i o no f t h et u n n e lh a sa l w a y sb e e nap r o b l e mo fc o n c e r nt ot h ep e o p l e ，t h ep a p e rw i l la l s o c h o o s ef r o mat u n n e lv e n t i l a t i o np e r s p e c t i v eo fh o wt oi m p r o v ea i rt u n n e l c o n s t r u c t i o ne n v i m n m e n t a lc o n d i t i o n s c o m t r u c t i o no fu n d e r g r o u n dc a v c l t i sv e r yc o m p l e x ，o p e r a t i n gs i d e ，d r i l l 堍， b l a s t i n g ，a n dw i t hj a v a , t r a n s p o r t ，s p r a ya n c h o rs u p p o r t i n gs e c o n d a r yl i n i n g p a r a l l e lp r o c e s s e ss u c ha sm u l t i - c h a n n e lo p e r a t i o n s ，t h ec o n s t r u c t i o no fh a r m f u l s u b s t a n c e sn o to n l ya f t e rt h eg a se x p l o s i o n ，a n ds l a gw i mm e c h a n i z e d e q u i p m e n t ，v e h i c l e s ，a n do t h e re m i s s i o n sf r o mg a s ，g a s ，c o n c r e t eo p e r a t i o n s ，s u c h a st h ed u s t t oc r e a t ea9 0 0 dw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，t h ep r o t e c t i o no ft h eh e a l t h a n ds a f e t yo fs t a f fa n dm a i n t a i nt h en o r m a lo p e r a t i o no fm e c h a n i c a le q u i p m e n tt o e n s u r et h ep r o g r e s so ft h ep r o j e c t sm u s tb ec a r r i e do u ti n s i d et h ec o n s t r u c t i o ns i t e g o o dv e n t i l a t i o n ，c h a n g et h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h ea i ri n s i d et h et u n n e l , r e d u c i n gh a r m f u lg a sc o m p o s i t i o nc o n c e n t r a t i o n t h i sp a p e rw i l lb em a i n l y c o n s t r u c t i o no f t h et u n n e lo f t h eh a r m f u lg a sc o m p o s i t i o na n di t sw a y s v e n t i l a t i o nt e c h n o l o g yi sc o n s t r a i n i n gg r o w t ha n dt h ec o n s t r u c t i o no ft h e t u n n e lt u n n e lc a r lb ec o m p l e t e ds u c c e s s f u l l yo p e r a t i n go n eo ft h ek e yf a c t o r s ，a n d r a p i dc o n s t r u c t i o no ft h et u n n e li ti st h em a i nf a c t o r c o n s t r u c t i o no ft h et u n n e l 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 v e n t i l a t i o ni sa d e q u a t es u p p l yo ff r e s ha i ri n s i d e ，d i l u t e de m i s s i o no fh a r m f u l g a s e s ，r e d u c ed u s tc o n c e n t r a t i o n , i no r d e rt oe n s u r et h eh e a l t ho fw o r k e r sa n d c o n s t r u c t i o ns a f e t y , a n di m p r o v eo p e r a t i o n a le f f i c i e n c y t u n n e lv e n t i l a t i o nc a nb c d i v i d e di n t ow i n dt u n n e lv e n t i l a t i o np i p ev e n t i l a t i o n t h i sp a p e rw i l lb el i n k e dt o s p e c i f i ce x a m p l e so ft u n n e lc o n s t r u c t i o n ，h o w t o c h o o s et h ev e n t i l a t i o n r e a s o n a b l ea p p r o a c ht h a tw ec a np l a yt h eb e s te n v i r o n m e n t a le f f e c t s k e yw o r d s ：t u n n e lc o n s t r u c t i o n ；h a r m f u lg a s e s ；v e n t i l a t i o nt e c h n o l o g y ；a i r q u a l i t y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密r l ，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名： 指导老师签名：薹岛 臼期：吱伊活矿勿 日期n 吾。6 ，口 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个 人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 本论文的创新点如下： ( 1 )本文以在建的长大铁路隧道为研究对象，现场调查隧道施工中 的空气环境质量，并在此基础上本文提出了一些可行的治理大 气污染的措施，主要在粉尘和废气两个方面进行了研究，并结 合实际的工程实例进行的检验，结果表明文中提出的治理措施 是可行的。 ( 2 )本文从隧道通风方式选择的角度来分析如何改善隧道施工空 气环境状况，并重点从隧道的通风技术分析，来讨论大气环境 的保护措施。重点在理论方面研究了混合式通风方式，并结合 具体的工程实例来检验，通过工程实例来检验混合式通风方式 的公式的合理性，得出的结果可以看出在实际工程中使用混和 式通风的效果可以在通风指标的各方面达到要求，是长大隧道 施工通风方式的理想选择。 学位论文作善签名：老逊 日期：跏湃石月声日 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 2 1 世纪是地下空间大开发的世纪，更是可持续发展的世纪，而隧道建 设又是地下工程的重要部分，环境保护至关重要；同时对于任何土木工程建 设来说，安全永远都是第一位的，良好的施工环境是保证施工安全的必要条 件。因此，在隧道施工阶段深入考虑隧道施工给环境带来的不利影响，加强 施工管理及根据具体的工程情况采取相应的补救措施是相当重要的。本文主 要对长大隧道施工空气环境质量进行分析，并重点从通风技术的角度分析改 善隧道施工内部的空气质量问题【l 】。 隧道工程和其它开挖建设工程一样，施工过程中尘土飞扬，“溶 入空 气：各种施工机械燃油产生的尾气也进入大气中，这样既破坏施工环境，又 影响空气质量。同时隧道却又是一个相对密闭的空间，隧道内有害气体浓度 过高，将对施工人员的安全产生影响，且这些有害气体最终进入空气或土壤 中，势必对环境造成危害，因此隧道施工中空气环境质量的改善，不仅是保 证人们正常工作的前提，而且也可以降低隧道施工对环境造成的影响i l l 】。 随着当前铁路线路等级不断提高，长大隧道的数量也越来越多，长大隧 道施工通风技术是确保施工进度和施工人员身体健康的重要技术之一。一个 好的施工环境，不仅可以为作业人员提供健康的工作场所，而且还可减少事 故的发生及提高工作效率。长期以来，施工单位对通风工作重视不够，环境 质量意识淡薄，缺乏专门的通风技术和管理人员，以往的通风方案不仅用电 量大，更主要的是洞内的烟尘较大，空气质量较差，严重影响了作业人员的 身体健康，通风效果很不理想，工效较低，形成开挖、运输与通风的矛盾， 甚至严重影响施工进度。尽管许多工程为取得好的通风效果而组织了通风技 术服务。但是，由于诸多原因，事与愿违，好的通风系统却得不到好的通风 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 效果。可见施工通风效果的好坏，不仅影响到掘进速度，最主要的是它直接 关系到工人身体健康。因此，选择合理的施工通风方式就显得尤为重要。 目前，由于我国的施工环保制度不够健全，以及施工管理层认识不足和 重视程度不够，认为隧道通风只是架台风机，挂趟风管，合上电源，向隧道 内通风，这样就万事大吉了，就解决了通风问题。其实不然，这样做往往导 致两种结果，一是工作面放炮后，在规定的通风时间内，空气质量根本无法 达到安全卫生标准的要求，甚至有害气体浓度还严重超标，致使施工作业人 员在很长时间内不能进入工作面进行出碴作业，从而延长了作业时间，影响 了隧道快速施工。有的隧道，承包商为了追求高额的利润，为了抢进度，保 工期，强迫施工作业人员长时间在超过卫生标准的作业环境里工作，这样严 重危害了作业人员的身心健康，导致作业人员工作效率低下，出力不出功， 这也对隧道快速施工造成间接影响。二是通风方案的不合理，往往造成电能 的浪费。在电能不足的情况下，施工单位往往是首先选择削弱通风电能消耗， 这样使洞内新鲜风量严重不足，污风循环严重，甚至发生晕倒人的现象，严 重地制约了隧道的快速施工。 1 2 相关概念分析 1 2 1 隧道施工空气环境质量分析 地下洞室群施工十分复杂，作业面多，钻孔、爆破、装渣、运输、喷锚 支护、二次衬砌等多道工序平行作业，施工中产生的有害物质不仅有爆破后 的气体，还有装渣机和汽车等机械化设备排放的气体、烟气，混凝土作业中 产生的粉尘等。为创造良好的作业环境，保障施工人员的健康和安全，维持 机械设备的正常运行，保证工程的进度，必须对洞内施工地点进行良好的通 风，降低有害气体成分的浓度【7 1 。为了加强通风、改善环境质量，保证人们 的正常工作，我国制定了隧道施工环境标准。见下表 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 项目标准项目标准 粉尘 2 m g m 3 s 0 2 1 5m g m 3 氧2 0 ( 按体积计)h 2 s l om g m 3 瓦斯或c 0 2 0 5 氮r 3 0m g m 3 c o 、3 0m g m 3 气温 2 8 n o x5 m g m 3 1 2 2 隧道通风技术分析 保护大气环境，确保隧道内空气质量的对策有很多。无论是在隧道施工 开挖时，还是在井巷工程的巷道掘进中，为了稀释和排出岩体涌出的有害气 体、爆破产生的炮烟和粉尘，保持良好的空气条件，必须对开挖工作面进行 通风，即向工作面送入新鲜风流，稀释和排出污浊空气。但是，如何才能充 分利用现有条件，使通风效果达到最佳、成本降到最低呢? 这就需要对通风 方式进行合理的选择。一般隧道施工通风方式主要有排风式( 或抽出式) 、送 风式( 或压入式) 、送排混合通风方式、利用辅助坑道通风等4 种方式嗍。 1 2 3 隧道施工中大气环境保护措施 隧道施工是一个复杂的过程，其大气环境污染也具有多种影响。在施工 前、施工中就要考虑到各种情况，综合进行环境治理。隧道工程施工大气环 境保护应遵循以下原则： 一、本着“用、护、改、治、防 的总体方法。 二、施工规划、施工方案设计以大气环境保护为前提。 三、加强施工期的监督和管理，实施“绿色 施工，环境保护同施工 过程同步进行。 隧道内施工环境好坏将直接影响施工进度、施工安全以及施工人员的身 体健康，所以必须搞好隧道内的施工环境，下面是一些主要的在隧道施工期 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 间保护大气环境的措施： ( 1 ) 加强工作面的通风，降低有害气体浓度。 ( 2 ) 掌子面放炮后由专人喷洒水雾进行除尘，以减少空气中的悬浮颗粒。 ( 3 ) 采取有效措施，降低洞内温度。 ( 4 ) 采用有轨运输，降低废气排放。 ( 5 ) 提高油料燃烧率，减少尾气有害成分的含量。 ( 6 ) 采用湿喷混凝土技术进行初期支护，减少了空气中空气悬浮物。 1 3 国内外研究进展 1 3 1 国外研究进展， 早在2 0 世纪4 0 年代美国矿务局就对隧道施工中地下坑道中的废气污 染进行了测试研究。a s h s h 等( 1 9 4 2 ) 曾著文阐述过低功率矿用机车排出的 废气危害性，并指出：废气中的最毒组分是氮的氧化物，此后还相继发表过 一些关于高功率柴油机的废气排放及其对隧道大气污染情况的研究报告。 b e r g e rl b ，等( 1 9 4 6 ) 在喀斯特铁路隧道开展了柴油机的排气成分、洞内大气 条件和隧道空气污染状况的研究工作。洞内空气采样分析结果表明：一氧化 碳的最高浓度为0 5 3 ( 以体积计) ，二氧化碳0 0 1 4 ，氮氧化物( 以n 0 2 计) 达2 1 p p m 。 美国工业卫生协会( a c gi h ) 在2 0 世纪5 0 年代初率先提出了隧道施工有 害气体的允许浓度，继之又在1 9 5 8 年年会上讨论制定出有害气体的极限允 许浓度。此后，日本产业卫生协会( 1 9 6 1 ) 、前西德工业卫生协会( 1 9 6 1 ) 也提出 了本国有害气体的极限允许浓度。这些有害气体浓度的提出，为隧道大气环 境质量评价提供了重要的标准。 在改善隧道施工空气环境质量方面，国外也提出了许多很好的建议。例 如在建设伏拉德斯隧道时，采用散货车厢( 标准轨) 运出弃碴。这样不仅减少 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 了大量的运输作业( 一列火车足以运出隧道爆破时开挖进尺11 7 5 m 的弃碴) ， 而且大大降低了废气对隧道的污染，并减少通风系统的功率，进而减少了用 于运输和通风上的能量。并根据实际情况，采取具体措施，减少尾气排放量， 提高油料燃烧率，减少尾气有害成分的含量。采用大功率送风机或排风机， 通过管道将新鲜空气带入洞内，将洞内污浊空气排出。加强对开挖面的通风， 降低有害气体浓度。 综上所述，国外已在隧道施工空气污染方面，就主要有害物质及浓度分 布范围、洞内空气的污染影响因素、有害物的允许浓度标准、有害气体对人 体健康的影响和改善洞内空气环境质量的措施等问题进行了较深入的研究。 1 3 2 国内研究进展 经过几十年的发展，我国隧道施工技术已经达到了发达国家的水平。然 而我国的隧道施工空气环境的现状却不容乐观。对于隧道施工内部的空气环 境状况分析我国学者也做了许多相关的研究。 通风技术是制约长大隧道能否修建和隧道建成后能否成功运营的关键 。_ 一 因素之一，同时它也是隧道快速施工的主要影响因素。在长大隧道施工中。 如果没有良好的通风效果，不要说快速施工，就是施工人员的生命安全也根 本得不到保证，特别是瓦斯隧道更是如此。施工通风的目的是供给洞内足够 的新鲜空气，稀释、排出各种有害气体，降低粉尘浓度，以保证作业人员的 身体健康和施工安全、提高作业效率。隧道通风方式可分为巷道通风和风管 式通风。而风管式通风又可分为压入式、抽出式和混合式通风【6 】。 目前我国学者在这些传统的通风方式的基础上，又提出了许多新的通风 技术，并且在许多长大隧道的施工中已经得到了应用，并取到了很好的效果。 例如在赣龙线猫头岭隧道出口工区施工通风中，我国学者提出并采用了双软 管混合式通风的方式，使得洞内作业环境极大改善，从而提高了施工进度。 双软管混合式通风方式的成功运用，改变了以往由于独头长度大而盲目串联 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 风机的做法，此经验可以在类似隧道施工中推广应用。还有在京九线五指山 隧道施工通风中采用的射流通风技术，也取得了良好的通风效果，并且射流 通风在隧道施工通风中的应用在国内外文献资料中都少有报道，可见我国在 隧道施工通风技术上也走在了世界的前列【l 0 1 。 尽管国内外隧道施工空气环境质量及通风方式的选择的研究已具有相 当的规模和水平，但是，当前形势的发展又迫切要求对隧道施工造成的空气 环境污染进行更全面、深入的研究。这是因为：一方面，隧道施工的空气环 境质量较差，有些区间段甚至较严重：另一方面，随着道路建设高潮的到来， 长大隧道将愈建愈多，这也是道路建设，尤其是铁路建设的发展趋势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章隧道施工期空气环境质量 2 1 隧道施工中产生大气污染的主要途径 隧道施工会产生大量的粉尘及有害气体。其中施工粉尘主要来自两个方 面：一是运输材料过程中由于道路凹凸不平或装运过满等原因造成抛洒及车 辆身后真空吸力造成的道路扬尘；二是施工工地装卸、堆放材料及施工过程 中由于地面干燥松散由吹风引起的风扬灰尘，大大增加了大气的浮尘含量。 同时施工期间各种车辆和施工机械在行驶和作业过程中要排放大量尾气，而 尾气中含有如p b 、h c 、n o x 、c o 、t h c 等大量有害成份，严重影响大气环 境【2 】。其他产生大气污染的途径还有： ( 1 ) 水泥、砂石、混凝土等建筑材料。如运输、装卸、仓库储存方式不 当，可能造成泄漏，产生扬尘和大气污染。 ( 2 ) 灰土拌和、混凝土拌和加工会产生扬尘和粉尘。 ( 3 ) 施工所需散体建筑材料数量较大，施工将增加车流量，加之建筑砂 石、土、水泥等泄漏会增加路面起尘量。 ( 4 ) 施工期燃油机械和车辆会产生废气中的主要污染物为悬浮物微粒、 二氧化碳、一氧化碳及氮氧化物等。 ( 5 ) 在气候干燥的季节施工，土石方施工现场，二次扬尘是污染大气的 主要因素。机械化施工路段，燃油施工机械排放的尾气，如c o 、s o = 、n o x 等会增加该路段的大气污染负荷。 2 2 隧道施工中常见的有害气体 隧道作业是在狭小密闭的空间进行，新鲜空气稀少，施工爆破、钻孔以 及喷射混凝土过程中又产生大量粉尘，遇含煤地层，施工中还可能有瓦斯、 二氧化硫等有害气体溢出，环境空气质量差，如不采取有效措施防尘、防有 害气体，将严重影响施工人员的健康甚至危及生命【1 5 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 隧道施工中，常见的有害气体成分主要包括一氧化碳、氮氧化物、二氧 化硫，这些有害气体对人体的危害很大，粉尘主要包括由爆破和运输汽车产 生的微小颗粒悬浮在空气中。施工产生的这些有害气体主要来源有以下几个 方面： ( 1 ) 爆破产生的炮烟。炮烟的主要成份为c o 、s 0 2 、c 0 2 等【1 4 j 。 ( 2 ) 柴油机产生的废气。柴油机产生的有害物质有：c o 、n o x 、c 0 2 、 s 0 2 、醛类和黑烟等，但主要是n o x 、c o 和黑烟。 ( 3 ) 围岩中的有害气体。在某些地层中，会释放一些有害气体，如甲烷 ( c i - h ) 、乙烯( c 2 h 6 ) 、硫化氢( h 2 s ) 等，其中甲烷气体易燃、易爆。铁路隧道 设计规范规定，开挖面装药爆破前甲烷含量应小于1 ，超过2 时人员必 须撤离到安全地点。 ( 4 ) 其它污染。作业人员的呼吸会造成缺氧和二氧化碳的积聚。喷锚支 护可形成大量的水泥污染。铺设聚氯乙烯防水板时，焊烟中含有多种有毒物 质，如c o 、c 0 2 、n o x 、氯化物和苯系物等【13 1 。 隧道施工中由于打眼、放炮、装卸渣、车辆运输、混凝土拌和、喷射混 凝土等作业，均产生大量的无机粉尘，这些粉尘和前面提到的有害气体不仅 危害作业人员的健康和安全，而且在洞内缺氧的条件下，内燃设备工作效益 显著下降，故障增多，从而又更多地排放各种有毒气体，形成恶性循环，长 此以往必将严重影响施工人员的身体健康和工程进度和质量。为此，国家针 对目前施工中存在的问题，颁布了相应的劳动卫生标准，对施工中产生的主 要有害气体的浓度都做了相应的规定【5 】：粉尘浓度：含游离二氧化硅大于1 0 者，不得超过2 m g m 3 ；含游离二氧化硅1 0 以下时，不得超过1 0 r n g m 3 ： 一氧化碳( c o ) 浓度：空气中一氧化碳( c o ) 浓度不得超过0 0 0 2 4 ( 按体积计 算，2 4 p p m ) ，按重量计算不得超过3 0 m g m 3 。施工人员进入开挖面后3 0 r a i n ， 浓度应降至3 0 m g m 3 以下：氮氧化物( 换算成n 0 2 ) 浓度：氮氧化合物不得超 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 过0 0 0 0 2 5 ，质量浓度不超过5 m g m 3 ；洞内空气成分( 按体积算) ：凡有人 工作的地点氧气( 0 9 的含量不低于2 0 ，二氧化碳( c 0 2 ) 的含量不得大于 0 5 ：洞内温度：宣控制在1 5 c - - - - 2 0 c ，掘进工作面的温度不宜超过2 8 。c 。 洞内风量要求：每人每分钟供应新鲜空气不应少于4 m 3 ，柴油设备千瓦分钟 需要新鲜空气不小于3 m 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 第3 章隧道施工通风 无论是在隧道施工开挖时，还是在井巷工程的巷道掘进中，为了稀释和 排出岩体涌出的有害气体、爆破产生的炮烟和粉尘，保持良好的空气条件， 必须对开挖工作面进行通风，即向工作面送入新鲜风流，稀释和排出污浊空 气。然而我国的施工通风的现状不容乐观，随着掘进速度的加快，长度的增 加，施工通风问题已经成为隧道快速施工的“瓶颈”，如何解决好通风问题， 是摆在我们面前的一个迫切需要解决的问题【2 5 1 。 3 1对卫生标准及通风区段的理解 目前，世界各国对地下工作面有害气体的允许浓度尚无统一的标准。我 国铁路隧道设计规范( 简称“隧规”) 第1 3 0 1 6 条规定工作面的c 0 允许浓 妫3 0 m g m 3 ，但当施工人员进入工作面检查时，浓度可为1 0 0 m 咖3 ，并未 对柴油机进洞后的允许浓度作出单独的规定。日本、美国、英国等国规定柴 油机进洞时的允许浓度为6 2 5 m g m 3 ：我国的冶金矿山安全规程也规定柴油 机进洞时的允许浓度为6 2 5 m g m 3 ；日本专家在大瑶山隧道( 采用无轨运输) 咨询时曾建议采用1 2 5 m 咖3 【2 7 】? 在通风量的计算中，由于爆破时所产生的废气浓度随时间的增加而减 小，所以一般采用进入浓度1 0 0 m g m 3 ，并在进入后废气浓度降至3 0 m g m 3 。 但在采用无轨运输后，这种情况发生了变化。由于无轨运输时废气浓度的特 点是开始逐渐上升，经过一段时间后相对稳定在最大值数小时，出渣结束后 废气浓度逐渐减小，所以不能再采用1 0 0 m g m 3 。据了解，目前由于技术状况 和管理水平的原因，无论机械化程度如何，大多数的工作面达不到国家规定 的劳动环境卫生标准。因此，对于长大隧道，特别是采用无轨运输的长大隧 道的劳动卫生标准，是否应适应放宽是值得有关部门研究的【矧。一个不合实 际的卫生标准不利于劳动卫生保护事业的发展。按照我国的国情采用c o 允许 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 浓度为6 2 5 m g m 3 应该是比较合适的。 在隧道施工中，施工机械、工作人员集中在从隧道开挖掌子面到衬砌工 作这一主要施工地段内，其它地段只是经过或偶而停留。针对这一实际情况， 考虑到全隧道实行同一标准的难度，应对隧道内的不同地段实施不同的卫生 标准。对隧道内主要施工地段采用c 0 允许浓度，对于其它地段采用c 0 进入浓 度。从而在保证满足劳动环境卫生标准的前提下，减少了需风量【3 3 】。由于风 机功率与风量的三次方成正比，因此具有较好的社会效益和经济效益。 3 2 风量计算 隧道施工通风系统的供风能力应满足洞内各项作业所需要的最大风量。 风量计算的目的是为正确选择通风方式及通风设备提供依据。掘进工作面的 需风量可参照下列方法计算，并取其最大者作为供风标准1 3 5 】。 3 2 1 按排除炮烟计算风量 a 压入式通风风量计算 ，、 2 2 5 g = 1 式中，q 为工作面风量，m 3 m i n ：t 为通风时间，m i n ；g 为同时爆破的炸药量， k g ：a 为掘进巷道的横断面面积，m 2 ；l 为巷道全长或临界长度，m ；甲为淋 水系数；b 为炸药爆炸时有害气体生成量，煤层中爆破取1 0 0 ，岩层中爆破取 4 0 ；p 为风管漏风系数【3 6 1 。 b 排出式通风风量计算 通风的风量计算有以下2 种方法： ，、 2 1 3 q = _ q = 芋瓜 ( 2 ) ( 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 式中，q 为工作面风量，m 3 m i n ：乇为炮烟抛掷长度，m 。 其中，o = 1 5 + i g 以上方法只适用于爆破后立即开始通风的情况，否则，由于炮烟不断向 外蔓延，增加了炮烟区的容积，上述计算的风量将偏小，会延长通风排烟时 间。 c 混合式通风风量计算 在混合式通风中由于采用的是压入与排出的组合，故其风量应分别计 算。压入式通风风量可用以下2 种方法计算： q = 芋厮， ( 4 ) q ：旦而 ( 5 ) 式中q 为工作面风量，m 3 m i n ：l 为吸风口到工作面的距离，m 。 排出式通风风量按下式计算： q = q + a v ( 6 ) 式中，q 为排出式风机从工作面净吸风量，m s m i n ；a 为开挖断面面积，m 2 ； 为隧道的允许最低风速，m m i n 。 3 2 2 按隧道内同时作业最多人数计算风量 根据铁路隧道设计规范t b l 0 0 0 3 - - 2 0 0 1 卫生标准规定，每人每分钟供给 风量不得小于3 m 3 r a i n ，高寒、高海拔地区不应小于4 m 3 r a i n ，则工作面需 风量可用下式计算： q = 3 n 或q - 4 n ( 7 ) 式中，q 为工作面风量，m 3 m i r an 为隧道内同时作业的最多人数3 6 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 3 2 3 按最低允许风速计算风量 根据规定，风速在全断面开挖时不小于o 1 5 m s ，坑道内不小于0 2 5 m s ， 但均不应大于6 m s 。 q = a v ( 8 ) 式中，a 为开挖断面面积，m 2 ；v 为隧道的允许最低风速，m r a i n 。 3 2 。4 按稀释和排除内燃机废气计算风量 使用内燃设备时，隧道的通风量应足够将设备产生的废气全面稀释和排 出，使隧道内各作业地点空气中有毒、有害气体的浓度降至允许浓度以下。 裔 式中，q 为设备的通风要求量，m 3 m i n ；e 为第i 项污染物排放浓度，p p m 或，或m g m 3 ；【巧】为第i 项污染物允许浓度，p p m 或，或m g m 3 ；g 为 柴油机废气排放率，m 3 r a i n 。 q ：m v n r 1 1 0 0 0 k 式中，v 为柴油机汽缸每次排气量，l ；m 为汽缸数；k 为柴油机每工作循 环转数，四冲程取2 ，二冲程取1 ；n 为柴油机转速，r m i n ：r l 为充气系数， 通常取o 7 5 o 9 。 柴油机转速n 应取该污染物排放率最大时的转速。废气中各污染物的浓 度是在实验中测出的，因而一般可将柴油机出厂时标的风量要求作为计算风 量的参考。实际上此项风量的计算，由于我国目前尚缺乏隧道内使用柴油机 的成熟经验和数据，基本上均采用按柴油机功率计算风量。其计算公式为： q = 七q w 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 式中：q 为柴油机每分钟，千瓦所要求的供风量, m 3 m i n 1 【w ；形为计算 的柴油机总功率，。k w ：k 为同时工作系数。 隧规规定q = 3 m 3 r a i n k w ，这个数据是根据我国冶金矿山的经验数 据得来魄。然而，我们冶金矿山规定的卫生标准为6 2 5 m g m 3 ，与隧规 所规定的不相同。按隧规的卫生标准进行推算，q 应取q = 6 2 5m 3 r a i n k w 。 因此，两者是有矛盾的。另外，q = 3 m 3 m i n ，k w 是针对有净化装置的柴油机 来讲的，对于废气排放量超标的柴油机需增大q 值。 由于全隧道和作业区段内的柴油机功率及卫生标准不同，所以应分别计 算，取最大值作为柴油机废气污染的需风量3 引。 3 3 通风方式的分类与选择 通风方式按照通风的动力划分，可分为自然通风和机械通风 4 0 l 。 3 3 1 自然通风 在气压、温度和自然风力等各种自然因素的作用下，使空气获得能量， 并沿井巷流动的现象，称为自然通风。而借助于自然因素产生的使空气流动 的能量，称为自然风压【3 l 】。 自然通风方式因受自然条件和施工方法的影响和限制很大，所以在隧道 施工中很少应用，主要应用于矿山开采的井巷工程和部分短隧道的运营通风 中。选择此方式通风必须掌握气候条件和自然风压的变化规律，防止风流反 向。此方式一旦得以应用对于节能是非常有利的。另外，有些极短的隧道开 挖完全依靠空气扩散来换气通风，此方式也可归入自然通风，但换气时间较 长，对作业人员健康不利，一般不宜采用。 3 3 2 机械通风 机械通风包括多种方式，一般根据隧道的长短、是否存在辅助坑道和自 然地质条件来选择不同的通风方式。一般隧道施工通风方式主要有送风式( 或 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 压入式) 、排风式( 或抽出式) 、送排混合通风方式、利用辅助坑道通风等4 种 方式。在铁路隧道施工中由于经济方面的原因，较少采用辅助坑道通风这种 方式。 3 3 2 1压入式通风 该种方式是将风机置于有新鲜空气的地方( 一般离开洞口一定距离) ， 通过管道直接将新鲜空气压送到工作面附近，从而将污染物排出洞外。此方 式的优点是工作面能在较短的时间内得到足够的新鲜空气，有利于下一工作 循环的尽早展开，从而提高工作效率，得到较高的经济效益。其缺点是：污 染物从全洞断面排出，对已完洞身将造成污染，并对后续的其他作业如锚杆 打设、喷浆、防水层的施作、二次砼衬砌等有很大的影响。 图3 1压入式通风示意图 风管出风口距开挖工作面的距离根据理论分析和实践证明可以用下式 确定： ，p = ( 4 5 ) s ( 9 ) 式中，p 为风管出风口距开挖工作面距离，m ：s 为隧道净断面面积。 此通风方式采用的是柔性风管，成本比较低，但其缺点是污风流经整条 隧道后排出洞外。一般无轨运输施工的隧道多采用此通风方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 3 2 2抽出式通风 该方式是将吸风口置于工作面附近，通过风机将废尘废气等有害物质吸 出并排到洞外，而洞外新鲜空气则顺坑道进入洞内。这种方式的优点在于能 及时排走污染物，不会污染已建洞身；缺点是必须经过较长时间工作面才能 得到较多的新鲜空气，作业人员不能及早进入工作面，从而影响到下一工作 循环的快速展开。 图3 - 2 抽出式通风示意图 风管吸风口距开挖工作面的距离由下式确定： 巳1 5 西 式中，c 为风管吸风口距开挖工作面距离，m ：s 为隧道净断面面积。 此通风方式将工作面的污风直接经风管抽出洞外，保证了整条隧道的空 气清洁，对保护人体健康有利，较适用于有轨运输施工的隧道。但其缺点是 采用刚性风管，并且在瓦斯隧道中需要配备防爆风机，成本比较高。 3 3 2 3送排混合通风方式 它是由压入式和抽出式联合工作，兼有二者的优点，即有一路为压入式 通风，主要作用是送入新鲜空气；另一路为排风方式，主要作用是吸出污染 物，从而达到快速降尘的目的。它的缺点是必须在洞内同时铺设两路风管， 在洞内狭小的空间内将会干扰施工运输、砼衬砌等其他作业的开展，同时， 风管管路的续接、维护工作量大大增加。因此，一般只在隧道很长、对通风 要求高以及希望加快施工进度等情况下才考虑使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 混合式通风具体的布置方式又分为长压短抽方式和长抽短压方式，而后 者又分为前压后抽式和前抽后压式。 ( 1 ) 长压短抽方式：如图3 - 3 所示，以压入式通风为主，靠近工作面一段 用抽出式通风，抽出式通风要配备除尘装置。一般用在开挖工作面粉尘特别 多的工点，主要使用柔性风管，成本较低，但除尘器要经常随风管移动，并 且增大了通风阻力，除尘效果差时，未除掉的微尘和污风会使全隧道受到污 染。在隧道施工中很少应用此通风方式【4 2 1 。 图3 - 3长压短抽式通风示意图 ( 2 ) 前压后抽方式：如图3 - 4 所示，以抽出式通风为主，靠近工作面设 一段压入式通风。此通风方式可使整条隧道不受烟尘污染，但主要使用刚性 风管，成本较高。此通风方式也较适用于有轨运输施工的隧道。 风机刚蝴 图3 4前压后抽式通风示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 ( 3 ) 前抽后压方式：如图3 5 所示，以抽出式通风为主，抽出风管口靠 近工作面，巷道中设一段压入式风管，其出风口在抽出风口后面。其优缺点 与前压后抽式相同，只是此通风方式一般在井巷工程中应用。 在混合式通风中，压入式风机的风量要比抽出式小，有时可用引射器代 替；压入式风管出风口距工作面的距离按( 9 ) 式计算；为避免污风循环，压 入式风机进风口与抽出式风管吸风口( 或压出式风机吸风口) 的重合距离应 l o m ，并且尽量使排出的污风处于下风向f 4 4 1 。 图3 - 5前抽后压式通风示意图 各种通风方式的风管口距工作面距离都较近，放炮时经常炸破风管，装 拆和维护风管很麻烦，目前还没有很好的解决办法。以上的通风方式可根据 投入的资金和设备不同、通风所要达到的要求和地质条件( 是否存在易燃、 易爆、有毒、有害气体等) 的不同来进行合理选择。 3 3 2 4巷道式通风 巷道式通风主要是针对在长大隧道施工中开设有各种辅助坑道的情况， 如平行导坑( 简称平导) 、斜井、竖井和钻孔等。如果没有辅助坑道，施工通 风只能选择前面所介绍的几种管道式通风；如果设有辅助坑道，则施工通风 就要针对不同的辅助坑道并根据施工方法和设备条件等选择不同的通风方 式。充分利用辅助坑道进行施工通风，将会大大缩短独头通风的距离，降低 施工成本。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 4 机械通风设备。 隧道通风方案的关键在于通风系统的设计是否合理、风机与通风管的能 力能否互相匹配。如果片面追求高效率、大风量的风机，而风管的直径小， 阻风系数高，漏风严重，则决不会取得好的通风效果；另一方面，若风管直 径较大，而风机风量小，风压太低，也难以保证通风能取得良好效果。 3 4 1 风机 我国在过去的隧道施工通风中多采用矿山上使用的j b t ( 或b k j ) 系列风 机，但由于铁路隧道的施工条件与矿山巷道的施工条件有明显的差别，开挖 断面大，掘进速度快，炸药用量大，运输量大等特点使得矿山巷道掘进通风 中的局扇的风量、风压都远不能满足隧道施工通风的要求。因此，国内许多 工程陆续引进了日本的m f a 、p f 系列风机。其特点是风量大、风压高、噪音 低，适用于长距离、大风量风管送风。 3 4 2 风管 风管主要有软风管和硬风管两种。从技术和经济角度上讲，软风管要优 于硬风管。由于我国以前生产的软风管结构陈旧、接头气密性差、阻力大等 问题长期未能解决，所以在施工通风中以硬风管为主【3 9 1 。 对风管的要求有：风阻系数低，漏风率低，合适的直径。通常风管可分 为维尼龙胶布风管、镀锌薄钢板风管、玻璃钢风管等。由于玻璃钢风管、铝 合金板风管造价昂贵，运输和存放困难，加工、接长不便等，因此较少采用， 除在排风式( 或吸出式) 通风情况下必须采用刚性风管外，一般送风式( 或压 入式) 通风全部采用维尼龙胶布风管，它具有运输存放容易和方便、接长简 单( 用拉链即可连接) ，其他施工作业时可方便地挪移等优点。 风管直径应通过计算确定，风管应与风机配套，同一管路的直径宜尽量 一致，对长大隧道宜尽量选用大口径风管。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 3 5推荐的通风模式。 3 5 1 一般的单线( 双线) 隧道施工通风模式 单线( 双线) 隧道施工有轨运输方式下宜选用以排为主的混合式通风模 式，该通风模式可大大减短污染空气对己开挖隧道的重复污染距离，给施工 人员提供良好的工作环境，有助于安全及施工人员的健康，同时充分利用压 入风流的有效射程覆盖开挖面，起到快速通风换气的目的，有利于快速施工： 无轨运输方式不宜选用送风通风模式，该通风模式可将内燃设备产生的废气 沿隧道带走，从而保证各个工作面的环境要求。 3 5 2 有平行导坑隧道施工通风模式 宜选用射流巷道式通风模式，即在隧道施工通风中引入射流通风技术， 用射流风机诱导的风量稀释运输车辆所产生的内燃废气，而风管提供的风量 主要用于稀释开挖面的炮烟及装碴设备所产生的内燃废气，其施工方法简 单、经济。对于有平行导坑的施工隧道推荐采用该模式。 3 6 隧道施工通风中的有害气体浓度变化分析 地下洞室群施工十分复杂，作业面多，钻孔、爆破、装渣、运输、喷锚 支护、二次衬砌等多道工序平行作业，施工中产生的有害物质不仅有爆破后 的气体，还有装渣机和汽车等机械化设备排放的气体、烟气，混凝土作业中 产生的粉尘等。为创造良好的作业环境，保障施工人员的健康和安全，维持 机械设备的正常运行，保证工程的进度，必须对洞内施工地点进行良好的通 风