隧道内机械化清筛作业通风除尘方案设计

时间：2024-07-28

宫实俊，高春雷，何国华

(1．中国神华轨道机械化维护分公司，天津300457;2．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

隧道内机械化清筛作业通风除尘方案设计

宫实俊1，高春雷2，何国华2

(1．中国神华轨道机械化维护分公司，天津300457;2．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

应用大型养路机械对铁路隧道内有砟道床清筛作业时，粉尘大，发动机废气浓度高，能见度低，严重影响作业质量与效率，危害作业人员的健康及安全。本文针对以上问题，对一隧道进行通风除尘方案设计，采用湿式除尘方案，对除尘风机的安装位置和风量进行了理论计算分析，并建立了隧道通风仿真计算模型，确定了隧道通风风机的较优位置。

铁路隧道有砟轨道机械化施工通风除尘

1 概述

对于隧道内有砟轨道的清筛施工，目前国内以人工作业为主。人工清筛，由于施工人数多，环境差，清筛进度慢，质量差，安全保障困难。此外，通常需延长作业时间，影响运输秩序。在进行隧道内清筛机研发的同时，还需考虑在隧道内机械化施工的大量粉尘以及发动机排放的废气无法及时扩散的问题。由于施工环境粉尘大，发动机废气浓度高，能见度低，严重影响施工质量、效率，危害施工人员的健康及安全［1］。因此对采用机械化施工的隧道进行通风除尘设计十分重要。本文以一隧道为例，进行通风除尘方案设计。

一隧道长度834 m，截面尺寸如图1所示，截面积28.5 m2。

图1 隧道截面(单位:cm)

在隧道内清筛作业之前，要提前洒水降尘。清筛作业时要进行起拨道、清筛、污土转运、新砟补充、线路捣固、通风等工作，需要使用清筛机、捣固车、物料运输车、轨道车、平车、洒水车、通风车等车辆。

2 湿式除尘方案

2.1 除尘机理

除尘是利用一定的外力作用使粉尘从空气中分离出来的一个物理过程。使粉尘从空气中分离的作用力主要有:

1)重力。气流中的尘粒可以依靠重力自然沉降，从气流中分离出来。但是，尘粒的沉降速度一般较小。这个机理只能用于粗大的尘粒。

2)离心力。当含尘气流作圆周运动时，由于离心力的作用，尘粒和气流会产生相对运动，使尘粒从气流中分离出来。这是旋风除尘器的主要机理。

3)惯性碰撞。含尘气流在运动过程中，遇到物体的阻挡(如挡板、纤维、水滴等)时，气流要改变方向进行绕流，细小的尘粒会随气流一起流动。粗大的尘粒由于具有较大的惯性，它将脱离流线，维持自身的惯性运动，尘粒将和物体发生碰撞。这种现象称为惯性碰撞。惯性碰撞是过滤式除尘器、湿式除尘器和惯性除尘器的主要除尘机理。

4)接触阻留。细小的尘粒随气流一起绕流时，如果流线紧靠物体(纤维或液滴)表面，有些尘粒与物体发生接触而被阻留，这种机制称为接触阻留。当尘粒尺寸大于纤维网眼而被阻留时，这种现象称为筛滤作用。过滤式除尘器主要依靠筛滤作用进行除尘。

5)扩散。小于1 μm的微小粒子在气体分子撞击下，像气体分子一样作布朗运动(悬浮微粒不停地做无规则运动的现象)。如果尘粒在布朗运动过程中和物体表面接触，就会从气流中分离，这种机理称为扩散。对于直径dc≤0.3 μm的尘粒，这是一个主要的分离机理。湿式除尘器和袋式除尘器的分级效率曲线表明，当dc=0.3 μm左右时，除尘器效率最低。因为在dc＞0.3 μm时，扩散的作用还不显著，而惯性的作用是随粒径的减小而减小，当dc≤0.3 μm时，惯性不起作用，这时主要依靠扩散作用，布朗运动随粒径的减小而增强。

6)静电力。悬浮在气流中的尘粒，若带有一定量的电荷，可以通过静电力使它从气流中分离出来。由于自然状态下，尘粒的荷电量很小，因此，要得到较高的除尘效率，必须设置专门的高压电场，使尘粒充分荷电。

7)凝聚。凝聚作用不是一种直接的除尘机理。通过超声波、蒸汽凝结、加湿等凝聚作用，可以使细小尘粒凝聚增大，再用一般的除尘方法分离出来［2］。

在工程上常用的除尘器通常不是简单地依靠某一种除尘机理，而是几种除尘机理的综合作用。

2.2 湿式除尘风机

根据粉尘来源，清筛机作业时由扒掘、筛分、输送等工序产生粉尘，主要集中在清筛机作业过程中。为此，可参照煤矿掘进作业，选用矿用湿式除尘风机在扒掘清筛过程中立刻除尘净化空气。湿式除尘风机直接利用由叶轮高速旋转所产生的旋转气流强化含尘空气中的粉尘与水雾雾粒的冲突，提高对细微粉尘的捕获率，使其得到充分混合并形成含尘液滴，由旋转气流产生的离心力将含尘液滴抛到内筒壁上，经通孔进入夹层空腔，落入积水盒后被排出，从而实现捕获气载粉尘、净化空气的目的。湿式除尘机理涉及各种机理中的一种或几种，主要是惯性碰撞、扩散效应、黏附、扩散漂移和热漂移、凝聚等作用［3］。其除尘功能完全利用空气动力特性实现，不需要复杂的过滤装置，彻底解决了现有产品在现场使用中因滤网堵塞所造成的一系列问题。除尘风机具有除尘效率高、除尘系统阻力小、无需经常维修等优点，能满足现场的需要。

湿式除尘机选型主要参数为处理风量。处理风量与清筛机作业断面、作业速度有关，需要的最大处理风量Q需按照下式计算

式中:VV为养路机械作业速度，km/h;A为隧道横断面净面积，m2。

湿式除尘需配备循环水系统，需要水泵及储水箱等。水泵流量按照下式计算

式中:Q水为水泵流量，L/min;r为液气比，取0.1 L/m3;Q风为处理风量，m3/min。

按每个天窗施工时间计算，则储水箱容积V水为

式中:t为施工时间，h。

2.3 湿式除尘风机安装位置

由于湿式除尘风机主要适用于粉尘比较集中的产尘作业点含尘空气就地净化，因此风机应安装在清筛机的附近。清筛机行驶方向后端为松散道床线路，无法正常走行轨道车，而清筛机行驶方向前端需与物料运输车相连输送污土［4］，因此，将湿式除尘风机安放在清筛机行驶方向前端，与物料运输车相连的平车上。为达到最佳的除尘效果，将除尘风机与前进方向形成一个夹角摆放。

3 隧道通风方案

对于运营隧道的通风，一般选用射流风机。射流风机是一种特殊的轴流风机，主要用于公路、铁路及地铁隧道的纵向通风系统中，提供全部的推力。也可用于半横向通风系统或横向通风系统中的敏感部位，如隧道的进出口，起诱导气流或排烟等作用。射流风机是一种开放进出口的特殊轴流风机，在这种工作条件下风机被设计为具有最高效率(高于运行于具有一定静压的工作点)。射流风机对空气的作用力，即通常所说的推力，与风机支承受到的力等大、反向。风机一般悬挂在隧道顶部或两侧，不占用交通面积，不需另外修建风道，土建造价低。风机容易安装，运行、维护简单，是一种很经济的通风方式［5］。射流风机运行时，将隧道内的一部分空气从风机的一端吸入，经叶轮加速后，由风机的另一端高速射出。这部分带有较高动能的高速气流将能量传送给隧道内的其它气体，从而推动隧道内的空气顺风机喷射气流方向流动。当流动速度衰减到一定程度时，下一组风机继续工作。这样，就实现了从隧道的一端吸入新鲜空气，从另一端排出污浊空气的目的。

隧道的机械通风方式分为全横向通风、半横向通风及纵向通风。目前隧道通常采用单向双洞的形式，为了充分利用交通风，长大隧道普遍采用纵向通风的方式［6-7］。隧道纵向通风设计计算主要分为3个步骤:①根据隧道通行车辆组成，计算CO、烟雾等污染物散发量，进而根据隧道通风卫生标准，分别确定隧道稀释CO、烟雾和异味需风量，同时要考虑作业人员呼吸新鲜风量需求及洞内允许最小风速，综合考虑以上因素，取最大值作为隧道所需通风量;②根据隧道所需通风量计算通风阻抗力、交通通风力、自然风阻力，确定射流风机总的升压力;③由隧道所需总的升压力和单台射流风机升压力确定射流风机型号、台数及布置方式。

3.1 施工工作面通风量计算

根据我国多年来隧道施工经验，洞内供风量的计算应从以下三个方面考虑，分别计算出各种情况下的的通风量，取其最大值作为工作面所需风量。

1)按洞内同时工作的最多人数计算

式中:L1为洞内通风量，m3/min;q为每人每分钟呼吸所需空气量，通常取3 m3/(min·人);m为洞内同时工作的施工人员数量;k为风量备用系数，一般取1.15。

隧道施工总人数按100人计算，含管理及防护等80名配合人员。则L1=3×100×1.15=345 m3/min。

2)按稀释内燃设备废气计算所需风量

式中:q内为内燃机每1 kW功率所需要的风量，通常取3 m3/(min·kW);N为洞内同时工作的内燃机功率，kW。

隧道清筛作业时车辆编组如下(按车辆行驶方向从后往前):1台清筛机、2台物料运输车、1台平车(用于安装湿式除尘风机)。隧道入口处放置1台轨道车及1台平车，用于安装通风装置。则L2=3×(224+ 2×70+3×60)=1 632 m3/min。

3)按洞内允许最小风速计算

根据施工通风时洞内允许最小风速计算通风量，按下式计算

式中:vmin为最小允许风速，取0.25 m/s。

取以上允许风量最大值，得出通风设计量，即风量L=1 632 m3/min，则隧道风速V1=L/(60A)=1 632/ (60×28.5)=0.954 m/s。

3.2 隧道内的阻力计算

隧道中的摩擦阻力损失主要组成［8］如下。

1)隧道进出口的阻力。隧道进出口的阻力通常取隧道内空气动压的1.5倍，即Pen，ex=1.5ρV21/2。其中，ρ为气体密度，取1.22 kg/m3。则Pen，ex=0.833 Pa。

2)车辆对空气的阻力Pdrag=Avρ(V1－Vv)2/ (2A)。其中，Av为养路机械等效阻抗面积，取15 m2; Vv为养路机械作业速度，取500 m/h(0.14 m/s)。则Pdrag=0.213 Pa。

3)隧道内表面的沿程阻力PL=ρV21fL/(2Dh)。其中，f为摩擦阻力系数，f=0.02～0.04，一般取0.025; L为隧道的长度，取834 m;Dh为隧道截面的当量直径，Dh=4×截面积/断面周长=4×28.5/19=6 m。则PL=1.929 Pa。

隧道中总的阻力损失PT=Pen，ex+Pdrag+PL= 2.975 Pa，则隧道中射流风机所需克服的总推力TT= PTA=85 N。

3.3 射流风机选型

根据风量(1 632 m3/min)及所需总推力(85 N)，并考虑到风机布置和通风效率，选择2台风量为846 m3/min的射流风机，总风量为1 692 m3/min。

3.4 系统仿真

3.4.1 仿真模型建立

两台风机距隧道入口10 m，风机布置如图2所示，风机出口风速32.6 m/s，清筛机车队距隧道入口60 m。

图2 风机布置(单位:cm)

采用有限元分析前处理软件Gambit建立仿真模型，并沿纵向1 m划分1个单元格。

3.4.2 仿真数据分析

采用仿真软件FLUENT 6.3建立湍流k－ξ黏性模型加以分析，仿真计算迭代308步后收敛。

1)隧道中的风速分布

图3为隧道高度1.0，3.0，5.5 m的轴线风速分布。可见:隧道内的风速在风机出口处最高，之后风速逐渐降低，在距风机出口约20 m降到3.2 m/s左右，之后稳定在3.2 m/s;在作业车队所处平面内，风被遮挡，周围风速加快，风速约6 m/s。

图3 隧道截面不同高度的轴线风速分布

2)隧道风向

图4为清筛机处隧道截面速度矢量图。可见，风向均沿车辆行驶方向，气流未因作业车队的遮挡而形成涡流，该风机布置不会将作业时产生的粉尘卷起。

3)隧道风压分布

隧道的静压、动压分布分别见图5、图6。可见，风机前后存在一个静压和动压的压力跳跃。在风机前方，动压迅速降低，静压逐渐增大，整个过程为动能向势能的转化。空气静压在距风机约30 m处达到最大之后逐渐降低，可见风机的影响距离约为30 m。

图4 清筛机处隧道截面速度矢量图(单位:m/s)

图5 隧道高度1，3，5.5 m截面处的风机静压

图6 隧道轴线风机动压

3.4.3 仿真结果

1)在隧道口，预置的通风风机安装在平车两侧，不会卷起作业车队清筛过程中产生的粉尘。

2)通风风机影响距离约为30 m，应将其布置在清筛区域30 m内。

3.5 射流风机安装位置

通过对单线隧道的仿真计算可知，清筛作业时，需要在清筛机后面30 m内固定一平车，放置射流风机。由于清筛机、捣固车等养路机械的遮挡，将影响隧道的通风效果。另外，由于隧道高度的限制，如将射流风机架高安装，将与除尘风机产生重合区域，会造成除尘效果减弱，因此，降低射流风机安装位置，将其安装于平车两侧，将有利于隧道通风及避免影响除尘风机除尘［9-10］。射流风机布置立面图见图7，截面图参见图2。

图7 射流风机布置立面图

4 结语

在铁路隧道内清筛养护作业时强制采取机械通风除尘措施，在一定程度上能去除施工环境粉尘、稀释发动机废气浓度，从而提高作业时的能见度及工作效率，更好地保障施工人员的健康及安全。本文对一铁路隧道进行清筛养护作业时的通风方案进行了理论计算和方案设计，并建立了隧道通风模型予以仿真分析。由理论计算和仿真分析结果可知，将隧道口预置的通风风机安装在平车两侧不会卷起作业车队清筛过程中产生的粉尘，隧道通风风机的安装位置应布置在清筛区域30 m内。

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(责任审编李付军)

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