隧道施工中无轨施工方案中的工程机械有害气体排放的防治措施

隧道施工中无轨施工方案中的工程机械有害气体排放的防治措施

摘要：在隧道无轨施工过程中发现，工程机械的使用会产生多种有害气体。这些有害气体可能损害施工人员身体健康，引发安全事故，给工程施工带来极大不便。因此本文结合国内外经验技术，综述了在隧道无轨施工中工程机械所排放的有害气体及其危害，并从使用燃料、机械设备、隧道设计以及排气处理四个方面，探讨了防治措施。

关键字：隧道施工；无轨施工；工程机械；环境保护

Abstract: In the procession of tunnel construction without a rail, the use of construction machinery will produce a variety of harmful gases. These harmful gases may damage the health of construction workers lead to accidents, caused great inconvenience to the construction. This article combined with the experience and technology at home and abroad, construction machinery the trackless construction of the tunnel emission of harmful gases and their hazards, and from the four aspects of the use of fuel, machinery and equipment, tunnel design, and exhaust gas treatment, of prevention and control measures.

Keywords: tunnel construction; the trackless construction; construction machinery; Environmental Protection

前言

伴随着国民经济的迅猛发展，加强道路隧道施工管理，对缓解日趋拥堵的交通状况，提高人民生活水平具有现实意义。目前，在隧道施工中，通常采用无轨施工方案。这是由于无轨方案较有轨方案来说具有低成本、强机动性、广泛通用性等优点。但是，在无轨方案中所使用的工程机械会产生碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）以及氮氧化物（NOx）等有害气体[1]，这会影响环境空气质量，危害施工人员健康，甚至可能引发工程事故，不利于工程施工地开展进行。因此，研究隧道无轨施工中工程机械所排放有害气体的防治措施是十分必要的。

隧道无轨施工中工程机械排放的有害气体及其危害

在无轨隧道施工方案中，一般使用如钻爆设备、装碴设备、运渣设备等大功率内燃工程机械，这些机械设备在使用过程中通常会产生如碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）以及氮氧化物（NOx）等有害气体。

HC的危害

由于隧道无轨施工工程机械使用过程中，其发动机燃料可能与氧气接触

不充分，发生不完全燃烧化学反应而产生了HC。HC的主要危害如下所述：

对暴露的生物器官具有刺激作用，损伤生物呼吸系统，具有致癌、致畸和致突变等危害；

在光照条件下，可能与NOx发生光化学反应，而生成光化学烟雾，造成二次污染；

CO的危害

在无轨施工方案中，工程机械多采用汽柴油作为发动机供给燃料，然而有时在空气供给量不足条件下，燃料燃烧不完全，就会产生CO。CO的主要危害如下所述：

能与生物体内血红蛋白结合，造成生物中枢神经损伤[2]；

具有强毒性，甚至引发生物死亡；

据可靠资料显示，在大气中CO浓度达10 mg·m-3时，人体会出现贫血、慢性中毒等现象；达30 mg·m-3时，人体在4~6h内表征出急性中毒现象；达120 mg·m-3时，人体会在1h内表征出急性中毒现象；超过10000 mg·m-3时，就会使人失去知觉，导致死亡。

SO2的危害

无轨施工中的工程机械在使用时，可能会排放SO2。SO2具有强氧化性，生物吸入会致使呼吸道粘膜被腐蚀，甚至导致生物死亡。另外，SO2也可进入生物血液循环系统，破坏生物体酶活性，是生物体器官发生病变。长期在高浓度SO2环境下作业，可诱发致癌因子，癌症患病率显著升高。

NOx的主要危害

在高温条件下，工程机械发动机燃料室燃烧时会产生NO、NO2、N2O、N2O3等氮氧化物（统称为NOx），其中NO为主产物，其主要危害如下所示：

低浓度NOx会刺激人体呼吸系统，诱发肺气肿和支气管哮喘等疾病；

NOx可以HC反应，生成光化学烟雾，危害生态系统；

高浓度的NOx会引发酸雨，危害农作物，腐蚀建筑物，影响国民经济发展；

无轨隧道施工时防治工程机械产生有害气体的措施

使用燃料

选择高品质燃料

在隧道施工过程中发现，采用低硫、低芳香烃的柴油，使用如二苯甲醚（DME）新型燃料，可有效降低工程机械排放的有害气体浓度[3]。

当燃料中硫含量低于0.05%时，机械设备所排放的SOx显著减少。通常柴油燃烧的项目使用CN（十六烷值）表示。高CN值的柴油，具有短滞燃期、强着火性等特点。若采用高CN值柴油，可有效降低CO和NOx的排放量，一般增加10单位的CN，NOx就会随之降低0.54 gkW-1h-1。

使用高效柴油添加剂

隧道施工时在工程机械燃料中加入如硝酸烷基酯与丙酮过氧化物等高效柴油添加剂，可改善原燃料性能，减少有害气体排放量，图1为工程机械使用高效柴油添加剂前后CO与NOx浓度的对比：

图1 工程机械使用高效柴油添加剂前后有害气体排放浓度对比

通过分析发现：

加入高效柴油添加剂后可增强燃料的冷流动性能；

每增加0.1%体积的高效柴油添加剂，可提高1~6单位的CN值，增强了燃料的着火性；

通常高效柴油添加剂含有极性化合物，可在工程机械发动机喷油嘴表面可形成保护层，防止含碳污垢的形成，从而减少CO与HC的产生；

一般高效柴油添加剂含有钡、铁、钙等多种物质，这些物质可降低反应室温度，提高机械滤烟器效率，从而降低机械有害气体排放量；

机械设备

使用高效动力工程机械设备

涡轮增压柴油机能够提高气缸进气量，让柴油与空气完全燃烧，降低CO与HC的产生量[4]。增压中冷技术不仅能够降低反应室温度，而且大幅提高了气缸进气量，从而减少了NOx的产量。使用将涡轮增压和增压中冷技术相结合的高效动力工程机械设备，不仅节约燃料，而且显著降低了工程机械有害气体的排放量。

使用电控燃油喷射设备、直喷式燃烧室和多孔喷油器，可以加强燃料雾化效果，使燃料充分燃烧，继而降低了工程机械有害气体排放量。

正确使用工程机械设备并注重其日常维护保养

一方面在施工过程中，减少机械设备的启动次数，保持油门适当开度与水温，让机械设备保持中低负荷状态，禁止超长与超负荷工作现象发生，能够降低耗油量，有效降低工程机械有害气体排放量。因为，假如柴油机超负荷工作，喷油就会过迟，喷油器物化效果就会受影响，空气滤清器也会因此受到堵塞，这样就会导致燃料燃烧不充分，大量有害气体随之产生。

另一方面加强对机械设备的日常维护，包括对排放控制器、配备废气分析仪和各种气体检测仪的保养与故障诊断，可减少设备损耗，保障机械设备的高效运行，使燃料充分燃烧，避免润滑油堆积，配缸间隙变大，活塞磨损严重等故障的发生，从而降低工程机械有害气体的排放。

隧道设计

设置大型独立机房

在施工过程中，可在隧道内设置大型独立机房，将工程机械在隧道内排放的有害气体引至机房内，后可通过各种净化装置将有害气体进行转化，达无害或低害物质排出。该措施已在欧美及日本广泛使用。

合理安排各有害气体处理室，综合整治工程机械所排放的有害气体

在实际施工中，应综合考虑工程机械所排放的有害气体为混合气体，加强有害气体综合防止处理措施。通常在隧道通风口应考虑CO常温催化氧化和NOx/HC催化吸附净化集成室，在隧道排风口，应注重排风机气体检测设备的设置。

排气处理

使用催化剂

复合氧化物催化剂可能够净化在隧道中工程机械所排放的CO、HC以及NOx，如CuO基复合氧化物催化剂主要是处理CO，但因其在常温条件下活性不强，处理效率低下，因此限制了实际施工中的应用。另外贵金属催化剂也可以处理以上三种有害气体，但因其成本过高，使用过程中容易失活，且易与隧道中的H2O和CO2反应，限制了大规模处理措施应用。因此研发强稳定性、低成本和抗H2O和CO2的贵金属或复合氧化物催化剂，称为处理防治措施的技术关键。

使用吸附剂

活性炭和分子筛等多空材料可以作为吸附剂，吸附工程机械在隧道施工中所排放的HC和NOx等有害气体。但因有害气体的风量与浓度会对分子筛上不可逆吸附速与容量造成影响，在目前的实际施工过程中尚未广泛使用。寻找在大风量和低浓度的有害气体条件下，依然具有高效吸附能力，同时可抗H2O和CO2的可循环使用的吸附材料，成为处理措施的技术关键。

采用水洗

将有害气体中的刺激性HC，高沸点的SO2以及少量的NOx溶解于水中，可显著降低排气温度，继而降低了工程机械在隧道施工中有所产生的有害气体排放量。

结论

工程机械所排放的有害气体，会对隧道施工带来诸多不便，如若处理不当可能引发安全事故。所以在施工过程中，应注意机械燃料的选择，注重机械的正确使用与维护，综合、合理设置隧道，多元化对排气进行处理。这样才能及时、安全、有效地防治处理无轨隧道施工中工程机械所排放的有害气体，保障施工人员的生命安全，圆满完成隧道建设任务。

参考文献

王崇绪,王琼. 降低隧道内施工机械有害气体排放的措施[J]. 西部探矿工程, 2003,(03) .

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王忠勋. 明月山特长隧道施工综合通风技术的实践[J]. 铁道建筑技术, 2008,(S1) .

朱京国,赖涤泉. 我国隧道施工通风技术的现状和发展方向[J]. 铁道劳动安全卫生与环保, 1998,(02) .