吴雄,张雨薇,裴俊豪,王志强,万永皓
（1.贵州大学土木工程学院,贵州 贵阳,550025;2.三江学院土木工程学院,江苏 南京,210012）
近年来,在隧道施工和矿山开挖过程中产生大量粉尘[1],高质量浓度粉尘是隧道现场工作者诱发尘肺病的罪魁祸首.根据2021年7月中华人民共和国国家卫生健康委员会发布的《2020年我国卫生健康事业发展统计公报》中的统计数据,2020年全国各类职业病新病例共计17 064例,其中职业性尘肺病14 367例,占据我国各类职业病的84.19%[2].在硬质岩层中采用悬臂掘进机开挖小断面、狭长的地铁隧道时,隧道工作面的施工是粉尘产生的主要来源,粉尘质量浓度高达2 500～3 000 mg/m3,不仅影响施工进度,还极大地威胁着隧道现场施工人员的身心健康.因此,对隧道防尘、抑尘和抑尘等措施和方法的研究一直是关注的重点[3-5].
目前,用于隧道施工抑尘的措施主要有喷雾抑尘、通风抑尘、泡沫抑尘以及表面活性剂抑尘等[6].宋斌等[7]采用附壁风筒结合除尘机的方法有效控制爆破产生的粉尘质量浓度;Peng等[8]研制了一种巷道全断面水幕抑尘装置;胡耀洲等[9]研究负离子在扩散荷电和综合荷电两种效应下的分级除尘效率和综合除尘效率;还有部分研究者则是在地下掘进设备原有的喷雾抑尘装置基础上,针对供水压力、喷雾压力和喷嘴口径等因素对单个喷嘴的雾化性能的影响规律展开了一系列研究,Han等[10]探讨了不同供水压力对内混空气雾化喷嘴的雾化特性和除尘效率的影响规律.在雾化喷嘴的选型的过程中,研究者往往通过喷嘴的雾化角、射程和流量等宏观参数以及雾滴速度、粒径和质量浓度等微观参数来实现雾化效果的定量对比[11-12].
诸多研究人员通过数值模拟、模型试验和现场应用等方式对巷道的防尘和抑尘进行了大量的研究,但是在隧道施工的通风类型不同和现场施工环境复杂等情况下,不能对隧道开挖现场的粉尘抑制展开充分的研究,导致对现有喷雾系统的喷雾压力、喷嘴类型及喷嘴直径的选择不恰当,因此不能达到很好的抑尘效果.为有效降低地铁隧道掘进过程中产生的粉尘质量浓度,本文根据贵阳地铁3号线花果园东站至花果园西站区间地铁隧道实际施工情况,提出一种掘进机端头U形抑尘装置,采用数值模拟与现场应用相结合的方法,系统综合分析了不同供水压力下的雾化喷嘴的抑尘性能,选取出抑尘效率最优的一种雾化喷嘴并确定其最佳雾化参数.通过对U形抑尘装置进行现场应用,验证装置的抑尘性能,从而改善隧道现场施工工作环境,进一步为隧道施工掘进粉尘的抑制提供借鉴.
1.1 喷雾抑尘机制
加压的水流在通过雾化喷嘴之后,将在一定的空间范围内形成由大量的微小液滴组成的雾滴场.雾滴场各项物理参数（液滴质量浓度和尺寸分布等）对抑尘性能有显著影响[13-14].雾化抑尘过程主要有惯性碰撞、拦截捕捉、凝聚和重力沉降等环节.其中,当粉尘在气流作用下运移至液滴附近时,将在惯性作用下与液滴发生碰撞,尘粒克服液滴的表面张力与液滴凝聚后,在重力作用下直接沉降.当尘粒与液滴的距离小于其半径时,尘粒将吸附在液滴上被拦截捕捉.此外,做布朗运动的微小尘粒也会被液滴直接捕获,称作扩散捕获.较大颗粒的尘粒将在重力作用下直接发生沉降[15].
1.2 气流-液滴的数学模型
本研究采用Realizableκ-ε湍流模型和TAB破碎模型对喷雾过程进行数值模拟.喷雾的作用是气液两相流耦合的过程.将喷雾液滴视作离散相,因为喷雾是瞬时作用的,不考虑雾滴的蒸发;将气流场视作连续相,并且认为气体是不可压缩的湍流状态.气体和液体两相耦合过程中不进行能量交换.
1.2.1 湍流模型 本研究中采用Realizableκ-ε湍流模型对喷雾场的演化过程进行数值模拟[16].在湍流动能k方程的基础上,引入湍流耗散ε方程[17].
在式（1）和（2）中:ρ表示气体密度;t表示时间;Gk表示引起湍流动能产生的平均速度梯度;Gb表示由浮力等因素引起的湍流动能的产生;k表示层流速度梯度产生的湍流动能;YM表示可压缩湍流中瞬态扩散引起的波动流量;C1ε、C2ε和C3ε表示经验常数;σk和σε分别表示湍流动能和耗散对应的普朗特数;Sk和Sε表示定义的湍流动能.
1.2.2 雾滴场的TAB模型 液滴破碎是指液体水在空气动力学作用下振荡、变形而破碎的过程.目前,用于模拟喷雾场的模型主要有波浪诱导破碎模型（WAVE）和泰勒类比分解模型（TAB）两种.其中,WAVE模型对韦伯数大于100的流动具有良好的适用性;而TAB模型对低韦伯数的射流雾化和标准态空气具有良好的适用性,其通过考虑与阻尼弹簧质量系统的类比来描述液滴动力学,具有简单和准确的优势,在模拟液滴破碎过程中有广泛应用[18].因此,本研究采用TAB模型模拟雾化过程.模型中认为作用在水滴表面的力由气动力Fα、表面张力Fσ和黏性力Fμ组成.
TAB破碎模型中液滴的受力方程为[19]
2.1 地铁隧道掘进粉尘沿程变化规律
抑尘效率在一定程度上受粉尘场粒径分布的影响.因此采集施工粉尘样本并进行粒径分布分析.在压风口出口距离掌子面15 m和风速为7.5 m/s的通风条件下,掘进机施工正常并且粉尘扩散稳定后,使用粉尘采样仪分别采集距离掌子面5 m、20 m、35 m和50 m位置处的掘进粉尘,采样时间为15 min.采用粒度分析仪分析不同断面样本粒径分布,测量流程如图2所示.
图2 粒径采样分析Fig.2 Particle size sampling analysis
将距隧道工作面5 m、20 m、35 m和50 m处的采样粉尘命名为S5、S20、S35和S50,粉尘粒度测量结果如图3所示.
图3 粉尘粒度分析结果Fig.3 Results of particle size analysis
由图3可知,不同断面的粉尘粒径分布具有较大差异,随着距离工作面距离的增大,粉尘粒径分布逐渐减小.距工作面5 m处粒径分布范围在0～121.8μm,距掌子面20 m处粒径分布范围在0～101.1μm,当距掌子面35 m处,粉尘粒径分布范围缩小较大,粒径范围在0～43.7μm,距掌子面50 m处粒径范围在0～2.9μm.出现上述情况的主要原因是粉尘在隧道沿程扩散过程中因重力作用,大粒径粉尘沉降明显,小颗粒的粉尘沉降的相对较慢.为使得抑尘装置在产尘源头达到良好的抑尘效果,对雾化喷嘴所形成的雾滴场要求较高,应选择合适的喷嘴安装在抑尘装置上,在粉尘源头有效控尘.
2.2 喷嘴的选择与喷雾试验
对市场中的各种喷嘴进行调查,经过初步筛选后,选择A1为直径1.6 mm的广角型实心锥形喷嘴;A2为直径1.2 mm的标准型实心锥形喷嘴;A3为直径1.8 mm的标准型实心锥形喷嘴;A4为直径1.6 mm的精细型实心锥形喷嘴等4种喷嘴并对其雾化角、射程和流量进行测试.
图4 测试示意Fig.4 Test schematic diagram
在隧道模型中垂直向下布置喷嘴;调整鼓风机,使隧道模型风速为1.5 m/s,与地铁隧道掌子面风速一致;连接外部水源后启动增压泵,依次设定水压为2、4、6、8 MPa,记录流量计中的流量.采用Photron高速相机拍摄不同喷嘴在不同喷雾压力下形成的喷雾场.通过图像处理对雾化角度相关数据进行分析,然后水平放置喷嘴测量射程.将各个喷嘴的宏观雾化特性整理如表1所示.
表1 喷嘴雾化特性参数Tab.1 Atomization characteristic parameters of nozzle
由表1可知,在2～8 MPa范围内,随着供水压力的增大,喷嘴的雾化角整体减小,喷雾射程逐渐增大,流量也增大.在供水压力为2、4、6和8 MPa时,A1型喷嘴的雾化角范围为78.71°～88.72°,在8 MPa时的射程达到4.32 m,流量适中,抑尘性能较好;A2型喷嘴的雾化角范围为67.39°～80.95°,喷雾影响范围较A1型喷嘴和A4型喷嘴效果差,且在2 MPa的时候有效射程仅为1.69 m,因为喷嘴出水口至掌子面的距离为1.5 m,射程较短容易受到风流的影响,抑尘性能差;A3型喷嘴的射程相较于其他3种类型喷嘴最大,但是雾化角最小,喷雾影响范围小,抑尘性能不佳;A4型喷嘴的雾化角范围为76.30°～87.60°,比A1型喷嘴的雾化角相差略小,且在供水压力为2、4、6和8 MPa时,有效射程最大仅为3.92 m,也比A1型喷嘴短,流量与A1型喷嘴相近.经过对4种类型喷嘴的雾化特性进行比选并按照抑尘性能优异排序:A1型喷嘴>A4型喷嘴>A2型喷嘴>A3型喷嘴,所以最终确定A1型喷嘴为比选出的最佳喷嘴,并用A1型喷嘴进行后续研究.
2.3 U形雾化抑尘装置
针对悬臂掘进机在隧道内施工时产生的大量粉尘集中在隧道工作面附近,导致掘进机驾驶员看不清隧道掌子面的具体位置,需要等粉尘质量浓度降低到安全施工要求的范围内才能继续施工,悬臂掘进机开挖掘进的速度严重影响施工进度.本文提出一种悬臂掘进机前置U形抑尘装置,抑尘装置形成的喷雾环,将隧道工作面粉尘源处的粉尘抑制,防止粉尘向后方扩散.
U形雾化抑尘装置的示意图如图5,该装置主要包括蓄水箱、增压泵、输水管、U形分流管、喷雾杆和雾化喷嘴.U形雾化抑尘装置安装在悬臂掘进机截割部,设置有环状分流管,U形分流管设置有多个出水口和一个进水口.U形分流管的多个出水口与喷雾杆相连接,U形分流管的进水口通过输水软管与增压泵相连通,增压泵设置在悬臂掘进机的机盖上.
图5 U形雾化抑尘系统Fig.5 U-shaped atomization and dust suppression system
3.1 物理模型的建立
使用SolidWorks软件建立简化后的三维物理模型.该物理模型包括:隧道（长×宽×高为50.0 m×5.8 m×5.8 m）、悬臂掘进机、单筒压风系统和喷雾系统,如图6所示.
图6 物理模型Fig.6 Physical model diagram
3.2 网格划分和网格独立性测试
网格的质量影响着数值模拟结果的精度,网格数量的增加,数值模拟计算结果的精度提高,在考虑计算效率的同时,应尽可能的提高网格质量[20-21].对于非稳态数值模拟,为了验证网格数量的独立性,保证数值模拟计算结果的准确性,需要对网格进行独立性测试.采用Solidworks建立三维模型后导入ANSYS-ICEM软件,采用非结构化的四面体划分网格并优化网格参数后得到301万个四面体网格,网格划分见图7.
图7 网格划分示意Fig.7 Schematic diagram of grid division
网格的质量统计见图8.
图8 网格质量统计Fig.8 Statistical diagram of grid quality
由图8可知,在划分的975 024个网格中,有974 626个网格的网格质量大于0.4,达到总网格数量的99.96%.由网格质量统计图可知最大网格质量和最小网格质量分别为0.999 064、0.136 368,并且平均网格质量为0.838 621,网格质量达到数值模拟计算精度要求.
3.3 数值模拟参数设置
设置压风筒出口和隧道出口的边界条件分别为速度入口和压力出口,同时设置设置喷嘴的喷雾压力.根据掘进过程中产生粉尘的现场情况,主要模拟参数设置见表2.
表2 数值模拟参数设置Tab.2 Parameter Settings of numerical simulation
3.4 降尘装置性能研究
3.4.1 喷雾压力对液滴速度的影响 喷雾压力的大小直接影响液滴速度.在特定的通风条件下,粉尘的扩散速度基本保持不变,液滴的相对速度是影响抑尘效率的关键因素[22].实验研究表明,液滴抑尘的最佳雾滴速度为20～30 m/s[23].对不同喷雾压力下的液滴速度模拟结果见图9.
图9 不同压力作用下液滴速度分布云图Fig.9 Cloud diagram of droplet velocity distribution under different pressures
由图9可知,随着喷雾压力的增加,液滴速度逐渐增加.当喷雾压力为2 MPa时,代表液滴速度的云图颜色以蓝色为主,表示液滴速度在10 m/s左右;当喷雾压力在4 MPa范围时,液滴云图以绿色和蓝色为主,表明在该范围内,随着喷雾压力的增加,液滴速度的变化幅度减小.当喷雾压力在4～6 MPa范围内时,颜色变化显着,表明在该范围内随着喷雾压力的增加,液滴速度变化很大.当喷雾压力为6 MPa和8 MPa时,液滴云图颜色以红色为主,表明大多数液滴的速度25 m/s左右.
3.4.2 喷嘴数量对雾滴场包裹性的影响 为在粉尘源头达到较好的抑尘效果,确保U形雾化抑尘装置所形成的雾滴场能紧密包裹住悬臂掘进机截割头凿岩过程中产生的粉尘颗粒,在抑尘装置的U形管上分别设置了7个、9个和11个喷嘴,分析在不同供水压力下产生的高浓度雾滴群（质量浓度>40 g/m3）对核心产区包裹范围以判断雾滴场的包裹性,以此比选出包裹性更好的一种喷嘴设置.选取距离掌子面10 cm位置截面作为目标监测面,图中黑圈为核心产尘区.
由图10可知,随着喷雾压力的增大,U形抑尘装置在核心产尘区周围形成的雾滴场包裹范围逐渐减小.当雾化喷嘴数量为7个和9个时,随着喷雾压力的增大,核心产尘区的下部分明显裸露在雾滴场外,在此种情况下,核心产尘区中的粉尘会从截割头的下部分逃逸,抑尘效果不理想.当雾化喷嘴数量为11,喷雾压力为6 Mpa和8 Mpa的情况下,U形抑尘装置所形成的高浓度雾滴场能将核心产尘区紧密包裹.特别是当喷雾压力为6 Mpa,喷嘴数量为11个时,U形抑尘装置所形成的高浓度雾滴群对核心产尘区的包裹效果最好.
图1 雾滴捕捉尘粒原理Fig.1 Schematic diagram of droplet capturing dust particles
图10 雾滴场包裹范围效果Fig.10 Effect of fog drop field covering range
3.4.3 雾滴粒径分布 雾滴场中的粒径分布对抑尘效果有很大影响,抑尘喷雾的雾滴场最佳液滴尺寸范围为30～100μm[24].为了解雾滴场液滴尺寸的变化趋势,图11给出了喷雾数量为11,喷雾压力分别为2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa时条件下雾滴场中的液滴粒径分布.
图11 雾滴粒径Fig.11 Droplet size
从喷雾场的微观统计可以看出,随着喷雾压力的增加,抑尘装置的液滴浓度逐渐增加,液滴速度逐渐增加,液滴直径逐渐减小.
液滴的总体尺寸只能反映整体雾化质量,在实际情况下,形成的液滴呈现出不均匀的分布,为进一步了解目标监测面上的液滴分布情况,图12给出了喷雾压力分别为2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa的条件下的雾滴场监测取样面上液滴尺寸分布统计结果.
图12 不同喷雾压力下液滴粒径分布Fig.12 Droplet size distribution under different spray pressures
由图12可以看出,随着喷雾压力的增加,优质液滴尺寸占比先增大后降低.当喷雾压力为2 MPa时,液滴尺寸主要分布在150～440μm范围内,雾滴粒径变化幅度较大,不能实现有效抑尘.当喷雾压力为4 MPa时,最大雾滴粒径由440μm减小到180μm,但雾滴粒径仍较大,无法实现有效抑尘.考虑到抑尘的最佳液滴尺寸范围为30～100μm.当喷雾压力为6 MPa时,30～100μm的优质液滴占比均大于89%;当喷雾压力为8 MPa时,30～100μm的优质液滴占比下降到79%左右.因此,喷雾压力设定为6 MPa时,优质液滴尺寸占比最大.
为验证U形喷雾抑尘装置的抑尘效果,在贵阳地铁三号线区间地铁隧道掘进过程中,采用FCC-25型粉尘采样仪测量各个测点的总尘质量浓度和呼吸性粉尘质量浓度,测点为掘进机司机位置、距离工作面10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、40 m和50 m 8个断面位置（如图13所示）,每个断面分别测量隧道中心线隧道、左侧人行中心线和隧道右侧人行中心线的浓度并求平均值.测点高度为1.5 m呼吸带高度,供水压力调为6 Mpa.现场应用见图14,抑尘效率见图15.
图13 测点布置Fig.13Layout of measuring points
图14 现场应用Fig.14Field application
图15 抑尘效率Fig.15 Dust suppression efficiency
经过现场测量数据的结果可知,未使用抑尘措施前,隧道内的掘进粉尘质量浓度较高,且在所有测点中掘进机司机位置处的粉尘质量浓度最大,最大总尘质量浓度达到629.58 mg/m3,最大呼吸性粉尘达到225.16 mg/m3.开启抑尘装置后,抑尘装置形成的喷雾场将产生的粉尘紧紧包围,充分吸附粉尘后使得粉尘沉降,在尘源处有效抑尘,防止大量粉尘沿隧道向后方扩散,总尘质量浓度和呼吸性粉尘的质量浓度大幅下降.在掘进机司机处的总尘抑尘效率达到81.55%,呼吸性粉尘的抑尘效率达到80.24%,其他监测位置的抑尘效率也都在71.21%以上,抑尘效果明显.
本文提出一种用于悬臂掘进粉尘源头的U型喷雾抑尘装置,并确定孔径为1.6 mm的精细型实心锥形喷嘴为适用于该抑尘装置的最优喷嘴.
根据CFD数值模拟结果,随着该装置设置的喷嘴数量增多,形成的雾滴场包裹范围逐渐增大.当喷嘴数量为11个,喷雾压力6 MPa时,U形喷雾抑尘装置所形成雾滴场中的高浓度液滴对核心产尘区的包裹性最好,30～100μm优质抑尘液滴的尺寸占比也最大.
现场应用表明:该款喷雾装置形成的喷雾场可将粉尘包围严实,在尘源处有效抑尘.在掘进机司机位置处的总尘抑尘效率可达81.55%,呼吸性粉尘的抑尘效率可达80.24%,其后40 m纵向范围内的抑尘效率仍可达71.21%以上.
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