离散泡沫-空气幕协同系统在隧道施工粉尘抑制中的研究与应用

《Powder Technology》：Research and application of discrete foam-air curtain synergic system for dust suppression in tunnel construction

本文针对长距离隧道爆破粉尘控制难题，创新提出离散泡沫-空气幕协同抑尘系统。通过优化泡沫配方（5% AOS+4% SDS+1% STPP+2% Cocamide DEA+0.6% SL）提升稳定性（寿命>28.8s）和润湿性（接触角7.81°），结合空气幕（3-17m/s）抑制湍流扩散，现场实验显示抑尘效率达73.38%，较单一泡沫系统提升22.69%，为大断面隧道粉尘治理提供新方案。

　　

研究亮点

离散泡沫溶液配方

离散泡沫生成机制为：泡沫溶液在发生装置前端网面形成液膜，气流注入使液膜拉伸-收缩-闭合形成离散气泡（图1a）。针对隧道爆破粉尘特性，优选表面活性剂基础配方并添加增效剂，通过表面张力（σ）、接触角（θ）和泡沫寿命（t）等参数评估性能。最终确定最优复合配方：5% α-烯烃磺酸盐（AOS）、4%十二烷基硫酸钠（SDS）、1%三聚磷酸钠（STPP）、2%椰油酸二乙醇酰胺（Cocamide DEA）及0.6%木质素磺酸钠（SL），该配方展现卓越泡沫性能（寿命>28.8s）、抗空气腐蚀性（粉尘损失率0.37%）和润湿性（接触角7.81°）。

施工隧道气流模式

隧道爆破产生大量粉尘需即时通风推送至出口。现场实测显示工作面0-200m区域气流速度呈指数衰减（图6），距工作面50m处风速降至0.5-1.5m/s。基于泡沫单体受力模型确定空气幕速度范围为3-17m/s，安装距离为泡沫发生器下风侧0.46m。

抑尘平台搭建

在铁路施工隧道建立门架式抑尘实验平台（图15），框架高2.7m×宽2.5m，对称布置10台泡沫发生器（间距20cm）。空气幕系统位于泡沫阵列下风侧0.46m处，提供垂直向下气流以稳定泡沫射流。通过调节电压（3.5V最优）实现泡沫覆盖距离4.6m，分布均匀系数>0.99。

泡沫射流凝聚性

通过图像分析量化泡沫射流扩散程度，定义无量纲扩散系数κ=扰动面积/基准面积。垂直向下喷嘴配置的扩散系数（0.19-0.46）显著低于30°定向阵列，表明空气幕有效抑制湍流引起的泡沫分散。

讨论

本研究突破传统通风技术局限，通过泡沫-空气幕协同作用实现大断面隧道局部粉尘高效控制。系统优化后的离散泡沫具备双重功能：捕获悬浮细颗粒物加速沉降，同时形成物理屏障阻隔粉尘扩散。该策略为超长隧道施工粉尘治理提供新范式。

结论

针对超长隧道通风效率衰减问题，泡沫-空气幕协同系统实现局部粉尘高效控制，主要结论包括：

1. 1.
   复合泡沫配方兼具颗粒物捕获与润湿功能；
2. 2.
   空气幕（3-17m/s）有效维持泡沫射流完整性；
3. 3.
   协同系统抑尘效率达73.38%，性能为常规通风的1.11-2.10倍。