高海拔隧道施工供氧技術(shù)研究

王 科

(中鐵七局集團(tuán)第四工程有限公司，湖北 武漢 430074)

高海拔隧道施工過程中不僅含氧量低，而且粉塵和有害氣體增多，施工人員要在這樣的條件下承擔(dān)繁重工作，其健康保障和生命安全會受到威脅，施工機(jī)械設(shè)備在缺氧條件下施工效率也會降低。

針對高海拔隧道施工缺氧問題，學(xué)者對高海拔隧道施工供氧方案可行性及其優(yōu)化做了許多研究。劉應(yīng)書[1]、葉朝良等[2]以青藏鐵路風(fēng)火山隧道工程為依托，提出了掌子面彌散式供氧和氧吧車供氧，效果證明掌子面彌散式供氧和氧吧車供氧適用于高原隧道施工供氧。張博等[3]以雀兒山隧道工程為依托，分析海拔高度與氧分壓的關(guān)系，對比研究了洞內(nèi)施工環(huán)境監(jiān)控方案和供氧方案。孫志濤[4]推導(dǎo)出氧含量隨海拔高度變化的一般方程，得到了氧氣的質(zhì)量含量隨海拔高度的理論方程及解，并對比研究了高海拔地區(qū)隧道施工供氧方案。蔚艷慶等[5]通過調(diào)查雀兒山、巴朗山等高海拔隧道的制氧供氧方式，并現(xiàn)場測試個(gè)體式供氧和彌散式供氧效率，提出采用局部彌散式供氧、個(gè)體式供氧和氧吧車相結(jié)合的供氧方案。陳四來[6]對雀兒山隧道原供氧方案進(jìn)行優(yōu)化，提出隧道施工時(shí)掌子面鉆孔工況采用局部彌散式供氧，其余工況采用氧吧車供氧方案。

本文根據(jù)大氣壓與海拔高度的關(guān)系，采用理論公式計(jì)算得到隧道需求供氧量，通過Fluent有限元軟件對比分析掌子面彌散式供氧與通風(fēng)供氧特點(diǎn)，論證掌子面彌散式供氧方法的可行性，得到了隧道內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布規(guī)律。

1 高海拔隧道施工供氧量理論分析

空氣中的含氧量一般指體積百分比，可以理解為體積濃度，適合人類生存的氧氣含量為20.96%(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)?！度毖跷ｋU(xiǎn)作業(yè)安全規(guī)程》(GB 8958)中“缺氧”指作業(yè)場所空氣中的氧氣含量低于19.5%的狀態(tài)。高原地區(qū)即使氧氣含量達(dá)到20.96%，仍然會出現(xiàn)缺氧的癥狀，原因在于氧分壓是影響人體功能的主要因素。大氣壓等于氧分壓與其他所有氣體分壓的總和，隨海拔升高大氣壓降低即為氧分壓降低，氧氣濃度也隨之降低。總而言之，海拔升高和氧氣含量減少具有同等效果。

假定所需氧氣質(zhì)量與氧氣體積濃度為定值且其他條件相同，考慮到平原與高原的空氣密度不同，氧氣含量也不相同，通過分析可建立關(guān)系式(1)：

(1)

式中：ρ0為0 m海拔處氧氣密度(1.429 kg/m3)；ρZ為Zm海拔處氧氣密度(kg/m3)；ω0為0 m海拔處氧氣含量(20.96%)；ωZ為Zm海拔處氧氣含量(%)。

依據(jù)氧含量守恒，假定平原地區(qū)氧氣含量與高原地區(qū)氧氣含量均為20.96%，通過供氧可以使不同海拔高度時(shí)的氧氣含量達(dá)到平原地區(qū)水平，不同海拔高度升高到平原水平所需要的單位體積供氧量按式(2)計(jì)算：

(2)

為使不同海拔高度氧氣含量達(dá)到平原地區(qū)的氧氣含量，根據(jù)以上理論計(jì)算出單位體積的供氧量，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同海拔高度所需供氧量

2 高海拔隧道施工供氧方法特點(diǎn)

目前工程應(yīng)用中的供氧方式主要針對現(xiàn)場人員供氧，防止由缺氧原因?qū)ΜF(xiàn)場人員的生命健康造成損害，從而降低施工效率。供氧方式主要有個(gè)體式供氧、氧吧車供氧和彌散式供氧方法，每種方法各有利弊和適用條件。個(gè)體式供氧方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，氧氣純度較高，成本低、損耗低；該方式的主要缺點(diǎn)是不能連續(xù)供氧，每隔一定時(shí)間需要及時(shí)充氧，影響連續(xù)施工作業(yè)。氧吧車供氧方法的優(yōu)點(diǎn)是施工人員在身體即將出現(xiàn)不適時(shí)及時(shí)吸氧，同時(shí)供施工人員休息，恢復(fù)身體機(jī)能，保證人員健康和生產(chǎn)安全；該方式的主要缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)邊施工邊供氧，且氧吧車需要軌道運(yùn)輸，靈活性較差。彌散式供氧方法的優(yōu)點(diǎn)是可以直接提高施工環(huán)境氧氣的濃度，實(shí)現(xiàn)邊施工邊供氧；主要缺點(diǎn)是成本較高、損耗極大。高海拔隧道施工供氧還可以利用通風(fēng)供氧，優(yōu)點(diǎn)是直接使隧道內(nèi)氧氣濃度提高；該方式的主要缺點(diǎn)是成本較高、損耗大。本文主要對隧道通風(fēng)與彌散式兩種供氧方式進(jìn)行對比分析。

3 高海拔隧道施工供氧數(shù)值分析

3.1 供氧模擬條件

隧道施工期間，供氧目標(biāo)是使掌子面后5 m范圍內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)標(biāo)準(zhǔn)值0.246 7。當(dāng)海拔高度在3 000 m時(shí)，單位體積的供氧量為0.060 3 m3，則按單線鐵路隧道斷面大小，供氧量至少為16.042 m3。采用彌散式供氧時(shí)，當(dāng)總制氧速率為240 L/min氧氣擴(kuò)散速度為0.024 m/s，彌散式供氧通風(fēng)速度不宜過高，防止氧氣的濃度被嚴(yán)重稀釋，從而達(dá)不到供氧目的。對以下兩點(diǎn)進(jìn)行模擬：

(1)對比通風(fēng)供氧和掌子面彌散式供氧。假設(shè)隧道已施工長度為2 000 m，根據(jù)供氧量，分析兩種供氧方法的效果，即隧道內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布規(guī)律。

(2)對于掌子面彌散式供氧方法，對比在供氧時(shí)伴隨通風(fēng)和未通風(fēng)兩種情況，分析掌子面附近氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布。

3.2 模型建立

隧道的通風(fēng)距離為2 000 m，管徑2 m，通風(fēng)管出口至掌子面距離為30 m。當(dāng)采用掌子面彌散式供氧時(shí)，彌散裝置在掌子面后5 m處的隧道上部。

幾何模型通過Gambit建模后生產(chǎn)網(wǎng)格，通過Fluent軟件采用Realizable k-ε湍流模型和組分運(yùn)輸模型對隧道供氧進(jìn)行計(jì)算：入口邊界條件設(shè)為速度入口(Velocity_Inlet)，隧道洞口邊界條件設(shè)為自然流出(Outflow)，隧道壁面邊界條件設(shè)為墻(Wall)。分析計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 分析模型

3.3 氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布規(guī)律

3.3.1 兩種供氧方式比較分析

通過多次計(jì)算分析，通過增加單位時(shí)間內(nèi)供氧量，使掌子面后5 m范圍內(nèi)氧氣濃度升到標(biāo)準(zhǔn)值，掌子面后10 m范圍內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線如圖2所示。

圖2 氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨距離變化曲線

從圖2中可以看出，對比掌子面后方10 m范圍內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，彌散式供氧和通風(fēng)供氧掌子面附近氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于標(biāo)準(zhǔn)值0.246 7，能滿足施工要求。采用掌子面彌散供氧時(shí)，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著距掌子面的距離增加而逐漸降低；通風(fēng)供氧時(shí)，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著距掌子面的距離增加也有所降低，但變化范圍很小。

對比研究發(fā)現(xiàn)，采用掌子面彌散式供氧方法使掌子面后10 m內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，供氧速率為1.44 m3/min，供氧量約為96.25 m3。采用通風(fēng)供氧方法使掌子面后10 m內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，供氧速率為9.6 m3/min，供氧量約為641.68 m3。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，通風(fēng)供氧量太大，不夠經(jīng)濟(jì)，是不可行的；而彌散式供氧量也較大，但還是可行的。

3.3.2 掌子面彌散式供氧時(shí)通風(fēng)速度的影響

通過多次計(jì)算表明，為了使掌子面后10 m范圍內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)升到標(biāo)準(zhǔn)值，需要增加單位時(shí)間內(nèi)供氧量，在通風(fēng)速度15 m/s條件下使掌子面后10 m內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，供氧速率為1.44 m3/min，供氧量約為96.25 m3。而在未通風(fēng)條件下掌子面后10 m內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，供氧速率為0.48 m3/min，供氧量約為32.08 m3。也就是說通風(fēng)速度越大，彌散式供氧量越大。掌子面后10 m范圍內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)升到標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，隧道內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖3所示，掌子面后10 m范圍內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線如圖4所示。

圖3 不同彌散供氧條件下氧氣濃度達(dá)標(biāo)時(shí)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖4 不同供氧條件下氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)標(biāo)時(shí)隨距離變化曲線

從圖3和圖4可以看出，不通風(fēng)時(shí)，隧道下部的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于隧道上部，氧氣從彌散裝置中向下射出，到達(dá)隧道下部，沿著隧道底部向兩邊擴(kuò)散，所以氧氣在隧道下部擴(kuò)散范圍大。在通風(fēng)速度為15 m/s時(shí)，由于通風(fēng)的作用，加速空氣的流動，氧氣在隧道內(nèi)加速擴(kuò)散，故氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布比較均勻；在通風(fēng)速度為15 m/s時(shí)比不通風(fēng)時(shí)掌子面氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)要大，且相同供氧時(shí)間時(shí)氧氣在隧道內(nèi)擴(kuò)散較遠(yuǎn)。

從圖4可以看出，在通風(fēng)速度為15 m/s時(shí)，掌子面后10 m范圍內(nèi)氧氣濃度隨著距掌子面的距離增加而逐漸降低。在不通風(fēng)時(shí)，氧氣從彌散裝置中射出，向周圍空氣中緩慢擴(kuò)散，所以在掌子面后10 m范圍內(nèi)供氧裝置附近氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，周圍氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。掌子面后7 m范圍內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)均可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)上述分析，隧道通風(fēng)在一定程度上加速了氧氣在隧道內(nèi)的流動，使彌散在供氧裝置周圍的氧氣流向掌子面及四周，但通風(fēng)速度不宜過高，防止氧氣加速擴(kuò)散到隧道洞身，并隨著隧道通風(fēng)氣流流向隧道洞口。當(dāng)掌子面后7 m范圍內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，采用掌子面彌散式供氧且不通風(fēng)時(shí)供氧量最少，為32.08 m3。因此每循環(huán)進(jìn)尺隧道的供氧量范圍為32.08～96.25 m3。

4 結(jié)論

依據(jù)大氣壓與海拔高度的關(guān)系，采用理論公式計(jì)算了隧道需求供氧量，利用Fluent軟件研究了通風(fēng)供氧與彌散式供氧方法下隧道掌子面附近氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布規(guī)律。得出以下主要研究結(jié)論：

(1)采用理論計(jì)算方法，分析給出了不同海拔高度時(shí)每立方米的隧道供氧量。

(2)掌子面彌散式供氧方法與通風(fēng)供氧方法相比，彌散式供氧量較小，對提高掌子面附近氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)更加有效；通風(fēng)供氧量大，不經(jīng)濟(jì)，總體是不可行的。

(3)采用掌子面彌散式供氧方法時(shí)，每循環(huán)進(jìn)尺隧道的供氧量范圍為32.08～96.25 m3，通風(fēng)速度越高供氧量越大，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布越均勻。