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9重视环境1

第九部分重视环境

—地下施工作业环境

所谓“重视环境”，有两层含义，一层含义是指内部环境，即施工作业环境，一层是指对外部环境即对周边环境的影响。

重视环境是时代的要求，许多环境技术都是因时代的变迁而得到发展，许多标准都是因环境的要求而制定。

本部分介绍隧道内部环境的问题，即隧道施工作业环境。

良好的隧道施工作业环境是保证隧道工程质量、提高施工效率、维护施工者身心健康、实现工厂化施工的重要条件。

关注作业环境，已成为发展地下工程技术发展的永恒课题。

隧道作业环境主要指：

光（亮度）；气（空气质量）；尘（粉尘）；声（噪声）；电（杂散电流）；水（湿度、涌水）等。

如何保证洞内整个作业环境能控制在规定标准之下，是当前发展和改善施工技术的一个重要出发点。

日本在隧道及地下工程中，提出“使隧道作业环境与工厂的作业环境一致”的要求，一些国家也提出“要大力提高地下工程施工工厂化的水平”就是基于这一点提出的，具有重要的战略意义。

近几年，用矿山法修建的隧道采用喷混凝土、锚杆为主体的施工方法，已成为标准的施工方法，在出碴方式上，无轨运输方式也逐渐增多，因此，地下施工中的作业环境有了很大的变化。

如柴油机排放的气体，特别是NOx已成为不容忽视的因素；喷混凝土的粉尘、汽车排放的烟尘等都使洞内环境条件恶化，从而影响劳动效率的提高和作业人员身心的健康。

在评价地下施工作业环境时，首先应该定量地掌握产生的有害因素，其次是规定相应的容许值、管理值或控制值，对环境进行现场管理。

隧道内产生的有害气体大体上分为自然发生的（如天然瓦斯、缺氧空气）和人为发生的（如爆破后气体、掌子面粉尘等）两大类。

还有一些因素，虽不产生有害物质但会损害洞内舒适、安全的作业环境，如气温、湿度、风压等，也不容忽视。

因此，在评价洞内环境时，除考虑地质、当地条件及作业方法外，确认发生源的有害物质的发生量及其特性也是很重要的。

与过去以CO为对象的施工通风年代相比，现在的隧道施工中，有害气体的对象也有了较大的变化，大型柴油机的NOx发生量比CO发生量大，因此，在采用无轨运输时，通风对象是NOx。

在现代地下施工中，粉尘已成为恶化洞内环境的重要因素，不容忽视。

在隧道内发生粉尘的作业有：

钻孔和爆破作业、机械开挖作业、喷混凝土作业、装碴运碴作业等。

在这些作业中发生的粉尘量，主要是开挖岩石的微小粉尘，喷混凝土中的粉尘以及柴油机排放的烟尘等。

在上述作业中喷混凝土作业产生的粉尘量最多。

在这些粉尘中，对人体有害的是游离硅酸，其粒径小于7.07m，因此在在通风量计算及除尘装置的选择中，都是以此为基础的。

柴油机排放的烟尘应与爆破后粉尘、喷混凝土粉尘一起作为复合粉尘加以处理。

与隧道作业环境有很大关系的基本因素还有温度、湿度及风速。

如果这些条件不合适，就会降低作业效率，使灾害发生率上升，也会危及身心健康。

在隧道内一些影响温度的因素有：

隧道埋深、地热、温泉、各种施工机械的发热、混凝土的硬化热以及硫化矿物和炭质物的氧化热等。

通常在气温为15～20℃、湿度为40%～50％的环境中，作业是最舒适的，但人体对外部气温有相当的调节适应能力，再配合以衣物的调节要达到舒适的温湿环境，其变化范围是很大的，因此，气温最好控制在28℃以下。

一般说，隧道内湿度通常在70%～90％之间变化。

隧道内的风速是由把柴油机排放的气体、粉尘、爆破后气体、天然瓦斯等稀释到安全浓度所需风量决定的。

国际隧协规定的最小风速为0.17m/s，国外一些国家规定为0.2m/s～0.3m/s。

在有可燃性瓦斯时，如果风速不大于0.5m/s，就很难排除停滞的甲烷气体。

为使洞内形成一个能满足作业安全、提高工效的舒适环境，最根本的措施是消除和减少发生源.，许多技术的开发都是与此有关,如少粉尘.低回弹的喷混凝土技术,无粉尘、无回弹的喷混凝土模喷技术、水封爆破技术、集装箱运输及管道运输技术等。

这些技术的应用,对改善洞内环境起到了重要的作用.

在发展少污染或无污染技术的同时,目前采用的基本措施是通风和集尘。

通风是把隧道内有害气体、粉尘、污染的空气排出洞外，或者送入新鲜空气稀释它，所以要在考虑隧道形态、规模、施工方法等条件后，从强制通风方式中选择最合适的通风方法。

集尘是改善隧道作业环境的重要措施，一定要改变“重通风、轻集尘”的观念。

在隧道中集尘可采用多种方法，如洒水、喷雾等，但最有效的方法是采用集尘机，即在粉尘发生源附近设置集尘机，在粉尘未扩散前有效地扑集粉尘。

但是，隧道中的粉尘有的是局部的，有的是在整个隧道内的，因而有效地扑集粉尘、处理粉尘比较困难。

由于这些限制条件，在隧道施工中选择满足下列条件的集尘机。

轻量、小型、对微小粒径（小于7.07μm）的粉尘扑集率高（至少在95％以上）；高湿度下能连续使用；构造简单；检查维修方便；设备费用、维修费用较低等。

对粉尘来说，只用风管通风法来稀释是不能彻底解决问题的，最好的方法是在粉尘未扩散前，把污染空气直接导入集尘机中加以清除。

为了把含有粉尘的空气诱导到集尘机里，可把小型集尘机安装在风管内，采用通风－集尘一体化的系统技术，这是目前隧道施工通风技术发展的重要趋势。

为了改善洞内的作业环境，确保安全和提高作业效率，隧道内施工照明要有确保充足亮度的设备，尤其是为了防止劳动灾害、确保洞内视线，与通风一样是不可缺少的。

除直接进行作业的各工作面和通道的最暗处要有足够的照明外，也要有不妨碍正常通行的照明以及保持轨道维修、车辆调车等作业所需的照明。

在出现有瓦斯危害或缺氧气体的场合，如何预测和防治瓦斯、缺氧气体等的危害，也是极为重要的。

洞内运输道路的好坏，不管是有轨的，还是无轨的，对车辆运行效率、维护洞内的良好环境以及提高生产效率都具有重要的意义。

施工中为了确保安全、卫生的作业环境，必须将因钻孔、爆破、装碴、喷射所发生的粉尘，爆破后产生的有害气体，内燃机车的排烟、废气，围岩中发生的可燃性气体、有害瓦斯、缺氧空气等除去，就必须采取必要的措施。

洞内作业环境恶化的原因主要有：

·钻孔、爆破、装碴及喷射作业产生的粉尘、有害气体；

·内燃机车的废气及排烟；

·有机溶剂产生的有害气体：

·天然发生的可燃性气体、有害瓦斯及缺氧空气；

·高温、高湿等。

作为通风对象的主要项目可分为：

·可燃性气体：

甲烷（CH）等；

·有害气体：

一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NO）：

·吸入性粉尘、排烟：

·缺氧空气；

·高温、高湿。

通风计划应考虑以上项目的事前调查结果，隧道断面、延长等的规模，开挖、支护、衬砌等的施工方法，使用机械、进度等，选定通风方法、计算通风量以及选择通风设备。

作为一个高素质的技术人员，应该对隧道内可能发生的各种有害气体及其性质、来源、发生量、以及国家对这些有害气体的控制标准等，应该有比较明确认识。

因此下面首先介绍一些这方面的常识。

各种有害气体的发生量因炸药及内燃机车排烟的状态、车辆走行状态及其他各种条件而异。

例如，炸药有害气体的发生量如表1所示。

表1炸药及内燃机车的有害气体发生量

炸药种类

有害气体

标准发生量（m3／kg）

2号硝铵炸药

8.10-3

其他硝铵炸药

11.0-3

含水炸药

浆装炸药

2.10-3

乳化炸药

5.10-3

ANFO

30.10-3

据此计算稀释这些有害气体的通风量，并根据通风量，考虑通风方式、机械效率等近而决定通风管直径、通风机容量。

一般地说，因为CO的发生量较多，洞内原则上不要使用柴油和LPG机车。

表2表示有害气体、可燃性瓦斯的容许量。

表中的法规限制值是决定有无危险的，而ACGIH值是作业人员每天作业中，几乎不受影响的值。

因此，在设计通风设备时，最好以ACGIH值为准。

通风差的场合，空气中的氧消耗或者缺氧空气的发生，作业人员会产生缺氧症，因此要采取措施使氧浓度在容许浓度（18%）以上。

特别是在砂砾层中的隧道，当使用压缩空气方法和不能进行通常通风的调查坑道中，要充分注意。

为了防止高温、高湿对健康的影响，要采取通风、空调等适当调节温湿度的措施。

表2洞内有害气体、可燃性瓦斯等一览表

瓦斯

瓦斯特性

预计的影响

法规限制值

ACGIH

限制值

种类

比重

色、臭气等

爆发极限值（容量％）

１.0

无色、无臭

12.5~74

中毒、爆炸

100ppm

25ppm

N02

1.5

赤褐色、青黄色、

硝烟臭

中毒

3ppm

C02

1.5

无色、无臭

缺氧

1.5％

5000ppm

H2S

1.2

无色、腐蛋臭

4.3~45

中毒，爆炸

10ppm

SO2

2.3

无色、硫磺臭

中毒

2ppm

CH4

0.6

无色、无臭

5~15

爆炸

1.5%

开挖、装碴、弃碴、喷混凝土等作业时，会产生大量的粉尘，长时间吸入后有可能形成矽肺病。

在隧道施工中的粉尘浓度，因地质条件、施工方法、使用机械、通风方式等因素而变化，为了改善洞内环境，要长期地测定粉尘浓度，切实地掌握粉尘的实际情况。

日本规定的粉尘容许浓度列于表3。

表3粉尘的容许浓度

1．含游离二氧化硅10％以上的粉尘（按下式计算）

吸入性粉尘M=2.9／0.22Q+1（mg/m3）

总粉尘M=12／0.23Q+1（mg/m）

M：

容许浓度；Q：

粉尘着二氧化硅含有率（％）

2．其余各种粉尘

粉尘种类

容许浓度（mg/m3）

吸入性粉尘

总粉尘

第1种粉尘

滑石、铝、矽藻土、硫化矿、活性炭、

黑铅等

O.5

第2种粉尘

游离二氧化硅不满10％的矿物性粉尘、氧化铁、煤炭、石灰岩、大理石、木粉等

第3种粉尘

其它的无机粉尘和有机粉尘

噪声不仅给人以不舒适，也会恶化生理功能。

长时间在噪声中工作，是造成听觉疾病的原因之一。

听力下降的程度，声音越大下降越大，暴露时间越长下降越大。

同时即使声音大小相同，高频的比低频的有害性要大。

因此，日本为保护听力，制定了如表4的噪声容许标准。

表4听力保护的噪声容许标准

中心频率（Hz）

容许标准（dB）

480min

240min

120min

60min

40min

30min

250

102

108

117

120

500

105

112

117

1000

103

2000

3000

4000

5000

101

105

我国《工业企业噪声卫生标准》（1979年）规定了新建企业的噪声卫生标准为：

若工作时间为8h，噪声不超过85dB；若噪声达到88dB（A），工作时间只能在4h内听力才能得到保护。

《铁路工程设计技术手册·隧道》中规定，噪声不大于90dB。

我国铁路、厂矿、企业及国家的有关劳动卫生标准的规定，隧道内施工作业段的空气质量必须符合下列卫生标准：

（1）粉尘浓度

空气中粉尘浓度的允许值，与空气中游离的二氧化硅含量有关，根据《铁路工程设计技术手册·隧道》（1995年版）及国务院颁布的《关于防止厂矿企业中矽尘危害的决定》中规定，每立方米空气含有10％以上游离二氧化硅（Si02）的粉尘为2mg；含游离二氧化硅在10％以下时，不含有害物质的矿物性和动植物性的粉尘为10mg；含游离二氧化硅在10％以下的水混粉尘为6mg。

（2）洞内空气成份（按体积计）

铁道部颁发的《隧道施工技术规范》及我国矿山安全规程规定：

凡有人工作的地点，氧气（02）的含量不应低于20％，二氧化碳（C02）含量不得大于0.5％。

（3）有害气体允许浓度

（1）一氧化碳（CO）浓度（行业标准）：

空气中一氧化碳浓度不得超过24ppm（30mg／m3）。

施工人员进入开挖工作面时，浓度可允许到80ppm（100mg／m3），但必须在30min内降至30mg／m3。

（2）氮氧化物（换算成N02）浓度：

我国矿山安全规程及《铁路隧道施工技术规范》（合订本）规定（行业标准）：

氮氧化物不得超过0.00025％。

质量浓度不超过5mg／m3。

（4）洞内温度

隧道内气温不宜超过28℃。

（5）洞内风量要求

每人每分钟供给新鲜空气不少于3m3；内燃机械每千瓦供风量不宜小于3m3／min。

（6）洞内风速要求

钻爆法施工，全断面开挖时应不小于0.15m／s，坑道内不小于0.25m／s，均不大于6m／s。

这些标准可以作为隧道施工环境的评价标准。

施工要点一长距离独头坑道施工通风

在隧道施工通风中，我们目前存在的最主要的问题是：

当隧道长度超过一定长度后，例如4km，在公路隧道中就更多地采用了巷道通风方式，即采用平导的辅助通风方式，这在双洞双车道的条件下，还是可以的，但对双车道双向行驶的隧道来说，就是一个极大的浪费，或者是技术上的落伍。

造成这种现象的原因是因为目前的隧道掘进独头通风的长度受到一定的限制，从而不得不采用这种方式。

而挪威在修建长达24.5km的双向行驶的公路隧道中，并没有采用平导的通风方式，这说明，我们必须在技术上提高坑道独头掘进的通风长度。

我国修筑的长达18.4km的秦岭铁路隧道，已建成通车，在修建中一个重要的成果就是解决了独头长达9.0km的施工通风技术。

这里主要介绍秦岭特长隧道的施工通风技术。

秦岭隧道II线平导分进出口工区相向掘进。

进口工区长9506m，从进口起，全部为11％。

上坡，开挖断面28m2；出口工区长8950m，从出口起，纵坡依次为3350m的3‰上坡、200m的8．5‰下坡和5400m的11％下坡。

开挖断面28～31m2。

由于进、出口工区施工条件和机械设备配套模式各不相同，因此，其施工通风方式虽然都以管路压入式为主，但是通风系统布置和通风设备选型配套也有所不同。

1．平导进口工区通风系统

平导进口工区一直采用有轨运输模式。

施工机械设备配置如下：

施工初期采用瑞典H178型三臂台车打眼，国产LE-120D立爪装岩机装碴，8t电瓶车牵引、8m3梭式矿车出碴：

后来改用引进的TH568-10型门架式三臂台车打眼，ITC312H4型挖装机装碴，JMD-24型内燃机车和CLAYTON型18t电瓶车牵引国产14m3梭式矿车出碴。

根据平导进口工区快速掘进、作业单一和采取有轨运输的特点，通风的重点是尽快排除开挖爆破产生的有害气体和粉尘，使开挖工作面的空气质量尽早达到作业人员的工作要求。

据此，在独头掘进9km的施工中采用的通风方案和通风参数如下。

通风设计的主要参数取值为：

开挖工作面所需风量≥450m3／min，风管平均百米漏风率1.2％，风管摩阻系数0.018，工作面爆破通风后30min，工作面环境指标符合国家标准。

通过国内外隧道施工通风的大量调研，并结合平导进口的施工工况，鉴于平导施工只有开挖这道工序，风管的安装维护不受衬砌作业干扰、加上近年来大风量、高风压的轴流风机和高强度低摩阻的软风管技术性能有很大提高，为长管路通风提供了条件，因此确定采用能耗最低、维修管理方便的管路压入式为主的通风方案（图1）。

图1施工通风距离9km的压入式通风方案

通风系统的布置分两个阶段组织实施，第一阶段为0～6km，这时尚无通风斜井，系统配置为洞口外安装1台日本生产的PF-110SW55型轴流通风机（设计风量1000m3／min，全压4900Pa，功率2·55kW），配直径1.3m软风管进行单机单管压入式通风。

新鲜空气自洞外经风机风管进入开挖面，污浊空气沿洞身排出洞外。

第二阶段是距进口4.2km的通风斜井打通后，采用管路巷道混合式通风。

系统布置为在平导距洞口4120m处，安装一台PF-110SW55型风机，使用直径1.3m软风管，进行管路压入式通风，将平导进口进入的新鲜空气压入开挖面；污浊空气自洞身经斜井，由安放在斜井内的另一台PF-110SW55型风机抽排出斜井外（只开一级电机）。

平导进口分两个阶段布置通风系统和配置设备，其通风效果是良好的。

对第一阶段的通风系统，随掘进长度的延伸，先后进行11次现场通风测试。

当掘进长度6200km、风管长度6050km时，测试的结果为风管百米漏风率0．886％，百米静压损失67．64Pa．爆破后30min，工作面作业环境指标符合国家标准。

第二阶段的通风效果，在掘进至9km时进行了一次较全面的测试，结果如下：

作业面风量420m3／min，全程平均百米漏风率1．03％。

爆破通风31min后，工作面CO浓度26.72mg／m3（2.．38ppm），粉尘浓度1.44mg／m3，完全符合国家标准。

2．平导出口工区通风系统

平导出口工区施工初期（0～3.5km）是采取无轨运输模式，即钻孔台车打眼（平均一次开挖长度5m左右，一次爆破用药量420kg），ITC312H4型挖掘装载机装碴，4台VOLVO型20t自卸车运碴；施工中后期（3.5～8.95km）采用有轨运输模式，运碴改用19m3国产大矿车，由3台CEL-2000DCL型内燃机车（每台145kw）牵引。

距洞口1．48km处增设一个高156m、直径约2.5m的通风竖井，以抽出方式辅助通风排烟。

根据以上的平导施工条件和机械配备模式及及总体施工通风设计方案，经多次研究试验，施工通风设计取用的主要参数为：

开挖工作面所需风量525m3／min，考虑工作面不高于30℃的降温要求时，所需风量增至750m3／min，风管摩阻系数0.02，风管百米漏风控制在1.3％以下，开挖面爆破后40min，工作面的劳卫指标达到隧道施工劳卫标准。

据此确定施工通风系统，施工初中期（0～5.47km）采用单机单管压入式通风，即洞口布置一台既有的93-1型风机（铭牌风量2000m3／min，实际供风量1200m3／min，风压5000Pa，功率2×110kw），配直径1.3m塑胶帆布软风管，施工后期（5.47～8.95km），曾对分段接力压入式、压入与吸出混合式及单机单管压力式三套方案进行比较（图2）。

图

图2施工通风方案的比选

在工程实践中，加强了通风管理，尤其在“防漏降阻”上采取了有效措施，如严防风管接头漏风，局部破损部位及时粘补，管路安装做到平、顺、直等，使风管百米漏风率控制在设计的1.3％以下，加上风管模型试验成果提供了依据，最终确定采用单机单管压入式通风方案（方案C）。

该方案的风机、风管配置如下，距洞口1，4km的洞内设置一台国内研制的2DT64-12．5型动叶可调轴流通风机（设计风量1800m3／min，全压5000Pa，功率2×110kw），配直径1．3m软风管（与风机相连的730m采用镀锌铁皮硬管，以承受风机起动时的气锤压力）直至开挖面。

该方案的气流通路如下：

新鲜空气从洞口进入风机，经长管路直接送入工作面；爆破烟尘及洞内污浊气体经竖井排出（竖井上口地表装设一台最新研制的DT54-12.5型动叶可调单级轴流风机向外抽风，其设计风量2400m3／min，全压2080Pa，电机功率110kw）。

这种长管路压入式送风与竖井抽风相结合的通风系统，实际通风效果是良好的。

在平导即将贯通前夕（累计开挖长度8725m，单机独头管道送风管路长度7500m），对出口工区的通风系统与劳卫环境进行了全面测试。

结果表明：

采用一台2DT64-12.5型轴流风机配直径风管1.3m软风管，压入式独头送风7500m后，风管末端的风量仍保持在473m3／min以上，爆破后40min，开挖面的粉尘浓度降至2.1mg／m3，CO含量降至99ppm，NOx含量降至2.5ppm：

爆破后45min，开挖面粉尘在1.8mg／m3以下，CO含量为72ppm，Nox：

2.1ppm，除CO略高外，其余均符合国家卫生标准。

在围岩原始温度为31℃时，工作面环境温度降至23℃，说明良好的通风对降温有显著作用。

从秦岭隧道实现平导长管路独头压入式施工通风的经验，可以归纳出以下几点：

（1）实现平导长管路独头压入式施工通风，不仅取决于设计工作质量（如合理布置通风方式、合理选择风管和风机等），而且还取决于通风设备的配套程度、设备安装质量和通风系统的管理水平；

（2）通过对国内外通风管道及通风机的现状进行调查，选择了大直径、漏风小、风阻低的通风管道及大风量、高风压的强力风机，适应了长管路独头压入式通风的要求；

该隧道的风管采用直径1.3m、一节风管长度达100m、百米风阻为0.251N.S2/m2、百米漏风率3.237%，抗拉强度较大和伸长率较小的软风管。

因为大直径风管是试生产的，还没有国家标准。

表1列的有关大直径风管的一些数据，是通过使用测试获得的，可供参考。

表1大直径风管的测试数据

测试条件与评价指标

江苏阜阳产负压风管

中铁隧道局PVC增强布风管

中铁十五局维纶布风管

中铁一局

维纶布柔性风管

测试条件

风管全长（m）

856.5

310

424

367

管径（m）

1.3

断面（m2）

1.327

接头（个）

评价指标

有效风量率（％）

64.91

89.32

94.15

82.82

百米漏风率（％）

4.05

3.237

2.683

4.68

百米风阻（N·S2／m2）

1.71

0.251

0.435

0.67

百米静压损失（Pa）

593.29

13.64

167.23

171.59

摩阻系数

9.79×10－３

1.425×10－３

1.82×10－３

3.53×10－３

表2风管材料物理性能试验结果

检验项目

中铁十五局

中铁隧道局

桂林橡胶厂

风管材料涂敷厚度（mm）

0.5

0.51

0.5

耐寒性（-25℃）

无折损

无裂痕

无折损

无裂痕

无折损

无裂痕

耐热性（80℃）

无裂纹

无发粘

无裂纹

无发粘

无裂纹

无发粘

径向扯断强度

（N／50mm）

1845

1317

1610

径向伸长率（％）

20.1

5.1

纬向扯断强度（N／50mm）

697

897

／

纬向伸长率（％）

1.．5

12.9

／

注：

试验项目参照MTl64—87和GB5572-85进行。

（3）组织专门的通风工班，建立健全管理制度，加强通风的日常管理，勤检查、常维护，保证风机正常运转。

实践表明，管道式通风的好坏与管理工作水平密切相关。

（4）保证风管接头严密，避免车刮炮崩，以防止漏风或尽量减少漏风。

计算和实践表明，防止漏风是充分发挥机械通风效果的关键。

管道漏风主要是由于风管破损所引起的。

防止漏风的具体做法可采用增加每节风管长度以减少接头数量，重视风管连接质量，保证接头的严密性；及时修补破气和更换风管等。

尽量采用大直径风管以减少沿程阻力，同时风管安装必须做到平、顺、直，以减少通风管道的局部阻力。

（5）对于施工所产生的粉尘应进行综合治理，除采用常规的机械通风、湿式凿岩、放炮喷雾、出碴洒水、冲洗岩帮、个人防护外，还可采取局部净化的处理方法，控制尘源所产生的粉尘扩散等措施，可大大改善工作面的子境质量。

施工要点二集尘机与施工通风技术

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