高海拔隧道施工機(jī)械尾氣排放影響及減排措施研究

王　耀，高菊茹，張　博

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京　100081；2.中鐵西南科學(xué)研究院，四川 成都　611731)

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高海拔隧道施工機(jī)械尾氣排放影響及減排措施研究

王耀1,2，高菊茹2，張博2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081；2.中鐵西南科學(xué)研究院，四川 成都611731)

摘要：海拔在4 000 m以上地區(qū)的雀兒山隧道采用鉆爆法無軌運(yùn)輸施工時，在主洞掌子面附近測試空氣中一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、粉塵等污染物的含量，發(fā)現(xiàn)除CO以外的其他污染物在通風(fēng)作用下均可達(dá)到隧道施工技術(shù)規(guī)范對空氣質(zhì)量的要求。為了分析解決CO含量超標(biāo)的問題，通過對比分析爆破作業(yè)CO生成量、內(nèi)燃機(jī)械的CO排放量和隧道內(nèi)CO含量變化趨勢，得出內(nèi)燃機(jī)械在高海拔地區(qū)工作時CO排放量較大是導(dǎo)致隧道內(nèi)CO超標(biāo)的主要原因，同時提出采用尾氣凈化技術(shù)解決隧道施工通風(fēng)中CO超標(biāo)的難題。

關(guān)鍵詞:高海拔隧道；空氣質(zhì)量；內(nèi)燃機(jī)械；CO；尾氣凈化技術(shù)

0引言

伴隨著我國對青藏高原等高海拔地區(qū)扶持和開發(fā)力度的逐步加深，越來越多的高海拔隧道開始修建。高海拔地區(qū)氣壓低，缺氧導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)械燃油燃燒不充分，從而產(chǎn)生有害氣體。為使高海拔隧道施工時的空氣質(zhì)量滿足隧道施工技術(shù)規(guī)范，應(yīng)重視隧道施工內(nèi)燃機(jī)械對空氣質(zhì)量的影響。

目前，已經(jīng)有許多學(xué)者對高海拔隧道施工機(jī)械的尾氣排放特性和高海拔隧道作業(yè)環(huán)境等問題進(jìn)行了大量研究。張仕杰[1]、馮國勝等[2]依托海拔在3 400 m以上的關(guān)角隧道，測試研究了高海拔隧道施工內(nèi)燃機(jī)械尾氣中CO和煙霧排放特性；張仕杰[3]研究了高原隧道通風(fēng)量計算，提出利用安全稀釋法計算通風(fēng)量更準(zhǔn)確，同時建議鐵路隧道施工規(guī)范應(yīng)增加不同海拔對稀釋隧洞內(nèi)污染氣體的規(guī)定；楊立新[4]通過對國內(nèi)外有害氣體相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)查分析，建議將有害氣體CO的接觸限值分為高原和非高原的情況；張廷彪等[5]提出高海拔隧道CO體積分?jǐn)?shù)限值會出現(xiàn)高于一般海拔隧道的反常情況，對此建議區(qū)別高海拔隧道和一般地區(qū)隧道的空氣衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)；嚴(yán)濤等[6]通過對汽油車CO排放量實測，推導(dǎo)了一種考慮多車型CO海拔高度系數(shù)的計算公式，為高海拔隧道通風(fēng)計算提供了參考；張玉偉等[7]對海拔在4 000 m以上的雞丑山隧道粉塵和CO進(jìn)行監(jiān)測分析，得出爆破和出渣2個工序的CO體積分?jǐn)?shù)較高，出渣時在距隧道洞口400 m位置處CO體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)到401 cm3/m3，建議采取加強(qiáng)通風(fēng)和掌子面彌散式供氧等措施控制CO的體積分?jǐn)?shù)。

在前人對高海拔隧道施工CO排放特性、CO相關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和CO通風(fēng)計算研究的基礎(chǔ)上，通過實際測試CO在各施工工序中的體積分?jǐn)?shù)，對高海拔隧道施工時CO含量超標(biāo)的問題進(jìn)行了研究。與前人研究的不同之處在于，本文重點研究CO體積分?jǐn)?shù)與排放源釋放之間的關(guān)系，并提出減少CO排放的措施，從而控制高海拔隧道中CO的體積分?jǐn)?shù)。

1工程概況

國道317線雀兒山隧道是世界上海拔在4 000 m以上地區(qū)建設(shè)的規(guī)模最大的公路隧道，隧道全長 7 079 m，隧道進(jìn)口海拔 4 378.72 m，出口海拔4 239.50 m。出口平導(dǎo)布設(shè)于主洞左側(cè)約33 m，與主洞大致平行，平導(dǎo)長度7 018 m。

雀兒山隧道分為2個標(biāo)段分別施工。隧道出口端主洞3 530 m(K344+500～K348+030)和平導(dǎo)出口端3 576 m(PK344+500～PK348+076)由中鐵一局施工，隧道主洞縱坡為-2.6%的下坡，隧道平導(dǎo)縱坡為-2.585%的下坡。

1.1氣候條件

隧道整體位于海拔4 200 m以上的高原地區(qū)，屬高原山嶺高寒氣候，具有高海拔、低氣溫、低氣壓的特點。雀兒山隧道出口年平均積雪日數(shù)為161 d，年平均氣溫為-0.3 ℃，年平均氣壓約為0.6 MPa，氣壓僅為平原地區(qū)的60%，氣候條件極為惡劣。

1.2隧道用內(nèi)燃機(jī)械

雀兒山隧道采用鉆爆法無軌運(yùn)輸施工。隧道裝運(yùn)渣作業(yè)時使用柳工ZL50C裝載機(jī)裝渣、紅巖金剛CQ325SMHG36自卸車運(yùn)渣、卡特320DGC挖掘機(jī)清底，此外，還有混凝土罐車等其他內(nèi)燃機(jī)械。這些內(nèi)燃機(jī)械均使用柴油機(jī)作為動力。

2空氣質(zhì)量測試分析

2.1隧道內(nèi)空氣質(zhì)量測試

2014年10月，雀兒山隧道出口端主洞掘進(jìn)深度約為1 700 m。在隧道主洞內(nèi)距掌子面50 m的位置，采用CO檢測儀、CO2檢測儀、NO檢測儀、NO2檢測儀、P-5L2C數(shù)字粉塵儀等儀器多次測試隧道內(nèi)空氣中的CO、CO2、NO、NO2、粉塵等有害物質(zhì)的含量，并對各種有害物質(zhì)在爆破后30～60 min的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，如表1所示。

表1　隧道內(nèi)工作場所空氣中有害物質(zhì)測試結(jié)果

注：標(biāo)準(zhǔn)值為非高原地區(qū)時間加權(quán)平均容許體積分?jǐn)?shù)(8 h)，海拔在3 000 m以上的CO最高容許體積分?jǐn)?shù)為12 cm3/m3。

將《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[8]對工作場所空氣中有害物質(zhì)容許體積分?jǐn)?shù)的規(guī)定作為隧道內(nèi)工作場所空氣中有害物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值。通風(fēng)30 min時，空氣中的有害物質(zhì)對應(yīng)表1中的最大值，其中CO、粉塵和NO含量超標(biāo)；通風(fēng)60 min時，空氣中的有害物質(zhì)對應(yīng)表1中的最小值，這時除CO外的其他物質(zhì)在通風(fēng)作用下均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，而且CO的最小含量仍為標(biāo)準(zhǔn)值的7.7倍，因此CO含量是影響施工通風(fēng)的重要因素。

2.2隧道內(nèi)CO來源分析

2.2.1內(nèi)燃機(jī)械CO排放量估算

高海拔環(huán)境氣壓低，施工機(jī)械的柴油機(jī)尾氣中CO排放量增加。《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》[9]中規(guī)定了內(nèi)燃機(jī)械在高海拔環(huán)境下排放的CO海拔高度系數(shù)，隧道出口施工區(qū)處于海拔約為4 250 m的位置，根據(jù)規(guī)范CO海拔高度系數(shù)取為3.14，也就是說隧道施工位置的柴油機(jī)排放的尾氣中CO是低海拔地區(qū)的3.14倍。

根據(jù)現(xiàn)階段實施的《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法 (中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》[10]，柴油機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO排放限值為2.1 g/(kW·h)。若柴油機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO排放量剛好達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)(2.1 g/(kW·h))，則可以計算柴油發(fā)動機(jī)排放CO的質(zhì)量和體積，結(jié)果如表2所示。

表2　隧道用柴油機(jī)CO排放量計算

注：柴油機(jī)所在環(huán)境的氣壓為標(biāo)準(zhǔn)氣壓的60%，不考慮CO海拔高度系數(shù)。

隧道內(nèi)有1臺裝載機(jī)裝渣和3臺自卸車出渣，測試表明現(xiàn)階段自卸車在隧道內(nèi)的工作時間占自卸車運(yùn)行總時間的85%，自卸車在掌子面附近等待出渣、柴油機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時，氣缸內(nèi)不完全燃燒會增加CO的排放量。因此，可假設(shè)實際工作機(jī)械的數(shù)量等效于1臺裝載機(jī)和2臺自卸車在測試位置附近工作，則隧道內(nèi)柴油機(jī)CO排放量為27.44×10-3m3/min。隧址區(qū)CO海拔高度系數(shù)為3.14，則施工用內(nèi)燃機(jī)械CO排放量為86.16×10-3m3/min。

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》[9]，隧道中CO的排放量

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和雀兒山隧道的施工情況，取qco=0.01 m3/(輛·km),fa=1.2，fd=3.81，fh=3.14，fiv=0.9，l=1 770 m，Nm=24輛，fm=1。經(jīng)計算，CO排放量為1.694×10-3m3/s，即91.48 L/min。

在隧道主洞內(nèi)進(jìn)行出渣作業(yè)時，1臺裝載機(jī)和3臺自卸車排出的CO如表3所示。

表3　出渣時施工用柴油機(jī)CO排放量計算

估算隧道出渣時，內(nèi)燃機(jī)械的CO排放量平均值為88.5 L/min。出渣作業(yè)時間按3 h估算，則每個出渣工序共產(chǎn)生的CO約為15 930 L。

2.2.2爆破作業(yè)CO生成量估算

隧道爆破產(chǎn)生的炮煙主要包括CO、CO2和NOx等有害氣體以及粉塵。根據(jù)《現(xiàn)代隧道施工通風(fēng)技術(shù)》[11]，炸藥CO產(chǎn)生量一般取40 L/kg，按隧道每次爆破使用100 kg炸藥進(jìn)行估算，則每次爆破作業(yè)CO產(chǎn)生量為4 000 L。

2.2.3隧道內(nèi)CO來源對比

對比可知，隧道出渣階段施工機(jī)械的柴油機(jī)產(chǎn)生的CO較少，但是出渣階段產(chǎn)生的CO總量約為炸藥爆破時產(chǎn)生CO的4倍。

爆破所致的CO是瞬間產(chǎn)生的，對隧道作業(yè)區(qū)空氣的影響主要體現(xiàn)在爆破后通風(fēng)的前期。隨著通風(fēng)時間的增加，對爆破產(chǎn)生的影響逐漸降低。測試時隧道內(nèi)其他污染物含量下降速度較慢，隧道內(nèi)的通風(fēng)量較小，沒有達(dá)到施工通風(fēng)的要求。

內(nèi)燃機(jī)械排放的CO在整個出渣作業(yè)過程中會產(chǎn)生持續(xù)影響。出渣期間測試出主洞掌子面的平均通風(fēng)量為579 m3/min，隧道施工用內(nèi)燃機(jī)械CO排放量為88.5 L/min時，CO被通入的新鮮風(fēng)稀釋后在隧道內(nèi)的含量為154 cm3/m3,這個結(jié)果和隧道空氣質(zhì)量測試結(jié)果相互印證，說明隧道用內(nèi)燃機(jī)械產(chǎn)生的CO是施工通風(fēng)中首要考慮的問題。

2.3隧道內(nèi)CO變化趨勢分析

從隧道主洞掌子面附近爆破后30～60 min的測試結(jié)果可以明顯看出,CO的含量已成為制約隧道通風(fēng)的主要因素。從CO來源對比可以看出,爆破和內(nèi)燃機(jī)械都會對隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。

爆破后15～255 min,對隧道內(nèi)空氣中的有害物質(zhì)進(jìn)行多次持續(xù)測試，對CO的測試數(shù)據(jù)按爆破后時間取平均值，繪制出CO隨爆破后時間的變化曲線,如圖1所示。

由圖1可以看出，CO的變化趨勢整體上呈現(xiàn)出明顯的階段性變化。爆破后測試階段風(fēng)機(jī)都處于高檔狀態(tài)，通風(fēng)量不變。對圖1進(jìn)行以下分析。

1)出渣前(15～30 min)：此時CO含量最高，且主要來源于爆破產(chǎn)生的炮煙，隨著氣體擴(kuò)散及通風(fēng)稀釋的作用，CO含量快速降低。

圖1　實測CO變化趨勢

2)出渣時(30～200 min)：出渣前期，爆破產(chǎn)生的大量CO正在隨通風(fēng)稀釋并向洞口移動，同時內(nèi)燃機(jī)械也會產(chǎn)生CO，因此，CO含量降低速度減緩；出渣中后期，工作位置的CO主要來源于內(nèi)燃機(jī)械，CO生成量和通風(fēng)稀釋作用相平衡，CO含量曲線呈現(xiàn)穩(wěn)定波動狀態(tài)。

3)出渣后(200～255 min)：隧道中內(nèi)燃機(jī)械數(shù)量減少，隧道內(nèi)CO含量快速降低。

通過對隧道內(nèi)實測CO變化趨勢的分析，該隧道內(nèi)產(chǎn)生的CO在出渣階段一直處于超標(biāo)狀態(tài)，因施工機(jī)械也會排放大量的CO，所以，測試期間的通風(fēng)條件不能使隧道內(nèi)的CO達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

2.4分析結(jié)論

通過對主洞掌子面附近空氣中CO、CO2、NO、NO2、粉塵等污染物進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)除CO以外的其他污染物在通風(fēng)作用下均可降低到規(guī)范要求的限值。

通過對隧道內(nèi)CO來源對比和CO變化趨勢分析，認(rèn)為隧道內(nèi)CO含量超標(biāo)的主要原因是由于隧道施工用內(nèi)燃機(jī)械尾氣中CO排放量較大，對隧道內(nèi)的環(huán)境造成了污染。另外，通風(fēng)量不足也導(dǎo)致新鮮風(fēng)不足以將隧道內(nèi)產(chǎn)生的CO稀釋到規(guī)范要求的限值。

3隧道內(nèi)CO減排措施

要解決隧道內(nèi)空氣中CO含量超標(biāo)問題，不僅需要提高通風(fēng)量，而且也需要減少CO的排放，從而減少“短板效應(yīng)”的影響，節(jié)約施工通風(fēng)成本。

從隧道內(nèi)空氣質(zhì)量測試數(shù)據(jù)可以看出，CO含量是制約隧道通風(fēng)量的主要因素。若僅通過增加通風(fēng)量使隧道內(nèi)的CO含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值16 cm3/m3，按照污染物稀釋理論，單位時間內(nèi)需要的理論通風(fēng)量是單位時間內(nèi)CO生成量的62 500倍。若采取措施使隧道內(nèi)單位時間的CO生成量減少50%，在不影響其他污染物稀釋的情況下，也可以使單位時間的理論通風(fēng)量降低為原來的50%。

3.1柴油機(jī)尾氣凈化技術(shù)

隨著內(nèi)燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，尾氣凈化技術(shù)迅速發(fā)展，針對不同的凈化需求，開發(fā)出了一系列的尾氣凈化產(chǎn)品，如可凈化碳煙等尾氣孔顆粒物的DPF(Diesel Particle Filter)顆粒過濾器、可減少尾氣中CO和HC(碳?xì)浠衔?的DOC(Diesel Oxidant Catalyst)氧化催化器、可減少尾氣中NOx的SCR(Selective Catalytic Reduction)選擇性催化還原器。

尾氣凈化技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，隨著國家對內(nèi)燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機(jī)普遍采用尾氣凈化技術(shù)減少尾氣中污染物的含量。

3.2內(nèi)燃機(jī)械CO減排措施

尾氣凈化處理的主要污染物為CO，使用DOC尾氣凈化器可以減少柴油機(jī)尾氣中CO和HC的含量，而且DOC尾氣凈化器具有背壓小的特點，安裝后基本不會影響發(fā)動機(jī)的功率。DOC氧化催化劑安裝在發(fā)動機(jī)的排氣管路中，通過氧化反應(yīng)將發(fā)動機(jī)尾氣中的CO和HC轉(zhuǎn)化成無害的水(H2O)和CO2。主要是通過以下氧化反應(yīng)對尾氣進(jìn)行凈化：

HC+O2→CO2+H2O；

CO+O2→CO2。

經(jīng)過調(diào)研，國內(nèi)外凈化器廠家均有適用于隧道內(nèi)裝載機(jī)、自卸車等機(jī)械使用的DOC尾氣凈化裝置。國內(nèi)生產(chǎn)的DOC尾氣凈化器價格在6 000～1萬元/臺，在合適的催化溫度下，CO的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)90%以上。國外生產(chǎn)的DOC尾氣凈化器價格約為1萬元/臺，可以達(dá)到國內(nèi)產(chǎn)品的使用效果，并且具有和發(fā)動機(jī)大修期相同的使用壽命。

隧道用柴油機(jī)CO的排放量計算平均值為88.5 L/min，若90%的CO在催化劑作用下轉(zhuǎn)化為CO2，則使用尾氣凈化裝置后柴油機(jī)CO的排放量僅為8.8 L/min，能極大地減少柴油機(jī)的CO生成量。在相同的通風(fēng)條件下，可以使隧道內(nèi)CO的含量達(dá)到施工技術(shù)規(guī)范要求。

4結(jié)論與建議

1)隧道內(nèi)出渣階段內(nèi)燃機(jī)械累計排放的CO的總量多于爆破階段產(chǎn)生的CO。

2)隧道內(nèi)爆破及柴油機(jī)械產(chǎn)生的CO，是制約隧道施工時通風(fēng)機(jī)配置容量的主要因素。

3)在目前通風(fēng)條件下，隧道施工機(jī)械排放的CO在出渣階段對隧道內(nèi)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。

4)建議在高海拔隧道施工通風(fēng)設(shè)計時，考慮采用DOC尾氣凈化技術(shù)減少CO的排放，從而降低施工通風(fēng)成本。

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Study of Influence of Harmful Exhaust of Tunnel Construction Machinery in High-altitude Areas and Its Countermeasures

WANG Yao1,2,GAO Juru2,ZHANG Bo2

(1.China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;2.China Railway Southwest Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu 611731,Sichuan,China)

Abstract:Chola Mountain-crossing tunnel is located in high-altitude area (higher than 4 000 m);and it is constructed by drilling and blasting method.The harmful gas monitoring results show that the carbon monoxide (CO) content can not meet the requirements of related criteria.Comparison is made among the variation of CO induced by drilling and blasting,that exhausted by diesel engine and that in tunnel;and the results show that CO exhausted by diesel engine is the main source.Finally,related countermeasures are proposed.

Keywords:tunnel in high-altitude area;air quality;diesel engine;carbon monoxide (CO);harmful exhaust purifying

收稿日期：2015-12-22;修回日期:2016-02-22

第一作者簡介：王耀(1991—)，男，河南商丘人，中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)械設(shè)計及理論專業(yè)在讀碩士，研究方向為隧道施工機(jī)械化。E-mail：wyengin@sina.cn。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.010

中圖分類號：U 453.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)06-0717-04