高寒高海拔隧道施工通風(fēng)設(shè)施性能現(xiàn)場測試及優(yōu)化

張 欣， 黃志軍， 周國寧， 張 力， 陳 偉

(1.中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，山西 太原 030024； 2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 3.蘭州交通大學(xué) 甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070； 4.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000； 5.深圳高速工程顧問有限公司，廣東 深圳 518000)

西部高原地區(qū)公路隧道多為典型的高寒高海拔隧道，由于特殊的環(huán)境因素，給隧道的設(shè)計(jì)和施工帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為了使高寒高海拔地區(qū)隧道施工的空氣質(zhì)量滿足規(guī)范要求，保障施工人員的健康，改善施工環(huán)境，對高寒高海拔地區(qū)隧道施工通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行研究很有必要。

經(jīng)調(diào)查，國內(nèi)目前已經(jīng)有很多學(xué)者對高寒高海拔隧道通風(fēng)進(jìn)行了大量研究。王明年等(2017)總結(jié)了隧道通風(fēng)技術(shù)的發(fā)展；茍紅松等(2012)對高海拔隧道施工通風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行了計(jì)算并且對通風(fēng)機(jī)械的選擇進(jìn)行了研究；趙軍喜(2009)對高海拔低氣壓地區(qū)隧道施工通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行了研究；陳衛(wèi)忠、郭小紅等(2008)通過研究分岔式隧道工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，利用理論運(yùn)算與回歸分析給出了隧道中的風(fēng)互相影響和隧道風(fēng)速及隧道間距的關(guān)系式；侯永和、張念中等(2009)研究了特長隧道采用無軌運(yùn)輸?shù)那闆r；危寧、李力等(2006)研究了理想氣體運(yùn)動狀態(tài)以及對通風(fēng)過程進(jìn)行分析，得出了施工過程有害氣體濃度擴(kuò)散公式；楊春麗、劉騎等(2011)研究運(yùn)用軟件對獨(dú)頭巷道工作面涌出瓦斯的時(shí)空分布進(jìn)行模擬分析；高建良、吳研、張生華等(2009)研究通過改變風(fēng)筒出口位置，研究風(fēng)流場與瓦斯?jié)舛葓鍪艿降挠绊憽釱arKi K C，Patankar S V等(2000)通過隧洞火災(zāi)流場的研究，運(yùn)用CFD軟件對火災(zāi)過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)模擬研究；Tabarra M等(1995)運(yùn)用CFD軟件建立隧道模型，進(jìn)行射流模擬。

目前，對于開挖過程通風(fēng)情況的研究，可以適當(dāng)借鑒運(yùn)營通風(fēng)的基本理論與數(shù)值模擬方法。然而對于高海拔隧道通風(fēng)以及通風(fēng)量的計(jì)算，國內(nèi)外學(xué)者還未得出較為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在這一方面還得做進(jìn)一步研究。

本文根據(jù)工程實(shí)際對高寒高海拔地區(qū)施工階段隧道通風(fēng)設(shè)施優(yōu)化進(jìn)行研究，并提出了一些建議。

1 工程概況

米拉山隧道位于西藏自治區(qū)工布江達(dá)縣境內(nèi)，與拉薩市墨竹工卡縣相鄰，隧道南北向橫穿米拉山。隧道按國家一級公路標(biāo)準(zhǔn)修建，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km，采用分離式隧道，隧道凈寬10.25 m，凈高5 m，行車道寬4.5 m，是目前世界上海拔最高的特長公路隧道。米拉山隧道進(jìn)出口設(shè)計(jì)高程均超過4 750 m，左線長5 727 m，最大深埋375 m；右線長5 720 m，最大深埋391 m，隧址區(qū)海拔高，建設(shè)和運(yùn)營難度大。

2 米拉山隧道施工中隧道通風(fēng)問題及現(xiàn)場測試方案

2.1 米拉山隧道環(huán)境狀況難題

(1)高海拔地區(qū)的氧含量很低導(dǎo)致在施工作業(yè)過程中大型施工機(jī)械燃料燃燒不充分，嚴(yán)重降低了機(jī)械效率，導(dǎo)致施工效率嚴(yán)重下降的問題；

(2)米拉山隧道所處海拔高度均在4 700 m以上，氣溫、氧氣含量相對平原下降較多，海拔高導(dǎo)致施工人員作業(yè)過程長期處于缺氧狀態(tài)，工作效率嚴(yán)重下降的問題；

(3)隧道所處海拔較高，且隧道采用鉆爆法施工，鉆爆作業(yè)過程中會產(chǎn)生大量有毒、有害氣體以及噪聲，有害氣體(如CO、NO等)及噪聲影響作業(yè)人員的健康問題。

隧道通風(fēng)的好壞成為隧道施工中的重中之重，由于隧道隧址處所處的環(huán)境狀況很惡劣，隧道通風(fēng)差必然會影響到隧道整體施工的進(jìn)行，進(jìn)而影響施工效率及進(jìn)度。

2.2 量測項(xiàng)目及方案

(1)測試的主要內(nèi)容為隧道不同測點(diǎn)處的含氧量、洞內(nèi)的有害氣體含量以及各測點(diǎn)處風(fēng)速。

(2)測點(diǎn)布置：對隧道進(jìn)行測點(diǎn)布置，隧道洞身段設(shè)置10個(gè)測點(diǎn)，從洞口開始，每隔200 m設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)直至掌子面處，在各測點(diǎn)處完成對風(fēng)速、有害氣體濃度的測量。測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測點(diǎn)布置圖

(3)測試選用的主要儀器有：CD4多參數(shù)氣體測定儀，用于環(huán)境中氧氣含量以及CO含量的測試；便攜式風(fēng)速計(jì)，用于隧道內(nèi)風(fēng)速測試。

2.3 現(xiàn)場通風(fēng)設(shè)備及參數(shù)

風(fēng)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)擬定對風(fēng)機(jī)3個(gè)部位的風(fēng)速進(jìn)行測量：(a) 風(fēng)機(jī)入風(fēng)口；(b) 風(fēng)機(jī)中部某個(gè)管壁處；(c) 風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處。

表1 風(fēng)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

3 通風(fēng)設(shè)備沿程損耗測試及分析

3.1 風(fēng)管進(jìn)口及洞內(nèi)風(fēng)速測試

對米拉山隧道施工期輸風(fēng)設(shè)備風(fēng)壓測試，分別在進(jìn)口端、沿程、出口端測量實(shí)際風(fēng)速(隧道進(jìn)出口以及斜井所采用的風(fēng)機(jī)型號相同)，在風(fēng)機(jī)不同位置處每隔2 min測定一次平均風(fēng)速，累計(jì)測定20 min，測定數(shù)據(jù)如圖2～3所示。

圖2 風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速的測量

從測試結(jié)果看，風(fēng)機(jī)從開機(jī)到穩(wěn)定工作時(shí)，風(fēng)速保持在11.2～14 m/s之間，可以保證給掌子面輸送新鮮空氣的需求。隧道洞內(nèi)空氣流動速度在0.2～1.5 m/s之間，風(fēng)管輸送到掌子面的新鮮空氣可以稀釋洞內(nèi)一定范圍內(nèi)的施工期間污濁的空氣。

圖3 出口端右洞內(nèi)不同測點(diǎn)處風(fēng)速的變化

3.2 洞內(nèi)氧氣、有害氣體測試

針對施工過程中隧道內(nèi)作業(yè)面不同，對氧氣和有害氣體含量進(jìn)行測試，了解洞內(nèi)空氣參數(shù)實(shí)際情況。掌子面處有機(jī)械作業(yè)，產(chǎn)生大量廢氣，致使掌子面施工環(huán)境惡劣，進(jìn)而在不同測點(diǎn)處的氧含量、有害氣體含量隨測點(diǎn)的不同的變化情況如圖4～6所示。

現(xiàn)場測試結(jié)果表明，高海拔地區(qū)由于環(huán)境條件限制，空氣中氧氣含量本來就低于一般水平。從隧道洞口到掌子面，洞內(nèi)氧氣含量有降低的趨勢，而洞內(nèi)一氧化碳含量從掌子面到洞口有降低趨勢。根據(jù)隧道作業(yè)相關(guān)規(guī)范的要求，為了保證現(xiàn)場工作人員的健康，必須評價(jià)工作區(qū)域內(nèi)的氧氣、一氧化碳含量，對不符合相關(guān)要求的區(qū)段采取措施進(jìn)行處理。

圖4 出口端不同測點(diǎn)處氧氣含量的變化

圖5 出渣作業(yè)過程中隧道位置不同測點(diǎn)處有害氣體和氧氣含量

圖6 爆破作業(yè)1 h后不同測點(diǎn)處有害氣體和氧氣含量

3.3 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析

氧氣是人類生命活動的基本必需物質(zhì)之一，人體必須不斷地吸入氧氣，呼出二氧化碳，需要的氧量取決于人的體質(zhì)、精神狀態(tài)和勞動強(qiáng)度，見表2，缺氧對人體的影響見表3，現(xiàn)場實(shí)測工作場地氧含量見表4。

表2 不同勞動強(qiáng)度的耗氧量

表3 人體缺氧癥狀與氧濃度關(guān)系

表4 米拉山隧道現(xiàn)場相關(guān)環(huán)境參數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)

對表4現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出：

(1)隧道位置對初始參數(shù)有影響：米拉山隧道進(jìn)口端和出口端的氣候區(qū)域差異、植被覆蓋條件的差別以及海拔不同，左洞進(jìn)口端的洞口和左洞出口端洞口的氧氣含量相差0.5%，掌子面處氧氣含量相差0.7%，洞口處風(fēng) 速相差0.7 m/s，掌子面處風(fēng)速基本持平；右洞進(jìn)口端的洞口和右洞出口端洞口氧氣含量相差0.5%，風(fēng)速相差0.9%，掌子面處氧氣含量相差0.7%，風(fēng)速基本持平。

(2)施工期洞內(nèi)不同位置空氣條件沒有明顯變化：米拉山隧道隨著測點(diǎn)的不同，氧含量、風(fēng)速隨著測點(diǎn)接近掌子面均有所下降。

(3)高海拔條件對洞內(nèi)空氣質(zhì)量的影響：米拉山隧道由于高寒高海拔氧含量低，出渣及爆破時(shí)燃料的不充分燃燒，掌子面處CO等有害氣體含量明顯超標(biāo)。

4 結(jié)論及優(yōu)化建議

(1)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析表明，一般條件下，在海拔達(dá)4 750 m的地區(qū)，隧道內(nèi)施工場地氧氣含量明顯低于一般地區(qū)4%～6%，必須采取有效措施提高工作面空氣氧含量，建議通過加強(qiáng)通風(fēng)和機(jī)械增氧綜合措施。

(2)施工現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析表明，高寒高海拔地區(qū)隧道內(nèi)工作區(qū)范圍氣體流動速率明顯不足，有害氣體含量容易超限，建議提高通風(fēng)設(shè)備的功率，有足夠的功效儲備。

(3)建議充分利用現(xiàn)代監(jiān)控手段和大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，實(shí)時(shí)監(jiān)控高寒高海拔地區(qū)隧道施工過程中的施工場所環(huán)境參數(shù)，達(dá)到作業(yè)人員健康保護(hù)和提高工效目的。