高海拔隧道施工通風(fēng)供氧應(yīng)用與探討

顧圣乾

（中鐵二十四局集團(tuán)西南建設(shè)有限公司,四川 成都 610000）

0 引言

在高海拔長大隧道施工中，隧道內(nèi)受開挖粉塵、動(dòng)力燃料燃燒不充分和洞內(nèi)本身具有的有害物質(zhì)等影響對(duì)施工環(huán)境造成較大危害，加之海拔高，氧氣含量較低，易引發(fā)高原反應(yīng)等疾病，對(duì)施工人員的身心健康造成影響。通過采取合適的通風(fēng)及供氧方式，改善并創(chuàng)造出低海拔施工環(huán)境尤為重要。

1 工程概況

某高原隧道進(jìn)口為單洞雙線隧道，全長3 902 m，設(shè)計(jì)速度200 km/h。位于藏東高海拔地區(qū)，海拔高度在4 053～4 703 m。軌面高程4 150 m 左右。地表植被大部分為灌木、草地，交通條件較差?？諝庵醒鯕夂看蠹s是平原地區(qū)的62%左右，氧氣稀薄。

2 常見通風(fēng)方式及特點(diǎn)

隧道通風(fēng)方式分為風(fēng)管式通風(fēng)、巷道式通風(fēng)、風(fēng)墻式通風(fēng)。風(fēng)流經(jīng)管道輸送，分為壓入式、抽出式和混合式三種方式。

（1）風(fēng)管式通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、布置靈活、易于拆裝，故為一般隧道施工采用。

（2）巷道式通風(fēng)適用于有平行導(dǎo)坑的長隧道，將新鮮空氣由正洞壓入或抽入，將污濁空氣從平行導(dǎo)坑抽出，形成循環(huán)風(fēng)流。

（3）風(fēng)墻式通風(fēng)是在隧道內(nèi)制作一條2～3 m2的風(fēng)道，通過壓入、抽出或混合三種方式進(jìn)行通風(fēng)，該法適用于較長的大斷面隧道。

3 施工通風(fēng)供氧

3.1 通風(fēng)供氧總體方案

（1）針對(duì)該工作面的工程特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性，并適合洞外制氧的輸入，施工通風(fēng)方式采用風(fēng)管式壓入式通風(fēng)。根據(jù)該作業(yè)面超長獨(dú)頭掘進(jìn)的特點(diǎn)，選用適合高原的大風(fēng)量大功率軸流通風(fēng)機(jī)和高原制氧供氧系統(tǒng)以及不易破損、漏風(fēng)率低的風(fēng)筒。

（2）采用環(huán)境一體化智能監(jiān)測管控系統(tǒng)，通風(fēng)供氧智能聯(lián)控。

3.2 總體通風(fēng)供氧標(biāo)準(zhǔn)

隧道施工作業(yè)環(huán)境需符合國家有關(guān)規(guī)定，并滿足下列衛(wèi)生及安全標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[1]：

（1）通風(fēng)管口距離掌子面不小于15 m。

（2）空氣中氧氣含量，按體積計(jì)不得小于20%；高原地區(qū)應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。

（3）每立方米空氣中粉塵容許濃度：含有10%以上游離二氧化硅的粉塵不大于2 mg；含有10%以下游離二氧化硅的礦物性粉塵不得大于4 mg。

（4）空氣中常見有害氣體濃度應(yīng)符合下列規(guī)定：①一氧化碳：海拔大于3 000 m 的地區(qū)，一氧化碳最高容許濃度為15 mg/m3；②二氧化碳按體積計(jì)不得大于0.5%；③氮氧化物換算成二氧化氮濃度應(yīng)在5 mg/m3以下。

（5）隧道內(nèi)氣溫不應(yīng)高于28 ℃。

（6）瓦斯隧道通風(fēng)按瓦斯絕對(duì)涌出量計(jì)算風(fēng)量時(shí)，低瓦斯工區(qū)應(yīng)將洞內(nèi)各處的瓦斯?jié)舛认♂尩?.5%以下。

3.3 設(shè)計(jì)通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)提供滿足通風(fēng)要求及相關(guān)規(guī)范要求的各相應(yīng)工況的需風(fēng)量，并使洞內(nèi)作業(yè)衛(wèi)生條件滿足相關(guān)規(guī)范要求。隧道中可能含有瓦斯等有害氣體，應(yīng)加強(qiáng)施工通風(fēng)，同時(shí)施工中應(yīng)加強(qiáng)隧道內(nèi)有害氣體檢測，特別應(yīng)加強(qiáng)易引起瓦斯等有害氣體聚集處的檢測，以保證施工安全。設(shè)計(jì)通風(fēng)要求見表1某高原進(jìn)口通風(fēng)要求表。

表1 某高原進(jìn)口通風(fēng)要求表

3.4 施工通風(fēng)區(qū)段劃分、通風(fēng)長度、通風(fēng)方式

某高原隧道進(jìn)口采用單頭掘進(jìn)的方式施工，獨(dú)頭通風(fēng)最大長度3 932 m，采用壓入式通風(fēng)，隧道主通風(fēng)機(jī)設(shè)于隧道洞口30 m 外，通風(fēng)管口距離開挖面應(yīng)小于15 m。通風(fēng)示意圖見圖1 高海拔隧道進(jìn)口通風(fēng)示意圖。

圖1 某高海拔隧道進(jìn)口通風(fēng)示意圖

隧道可能存在局部瓦斯等有害氣體聚集，風(fēng)機(jī)應(yīng)采用防爆型，風(fēng)筒采用PVC 阻燃伸縮鋼圈螺旋通風(fēng)筒。施工中加強(qiáng)瓦斯等有害氣體檢測、監(jiān)測，加強(qiáng)施工通風(fēng)[4]。

（1）一般采用人工方式對(duì)瓦斯進(jìn)行檢測，除此之外還應(yīng)建立瓦斯自動(dòng)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯監(jiān)測。

（2）通風(fēng)最低風(fēng)速不應(yīng)小于0.25 m/s，瓦斯?jié)舛炔坏贸^0.5%。

（3）通風(fēng)機(jī)應(yīng)設(shè)兩路電源，并應(yīng)裝設(shè)風(fēng)電閉鎖裝置。

（4）必須配備一套同等性能的備用通風(fēng)機(jī)，并保持良好的使用狀態(tài)，且能在10 min 內(nèi)啟動(dòng)。

3.5 通風(fēng)計(jì)算

（1）最大通風(fēng)長度、斷面和海拔作業(yè)面最長通風(fēng)長度為3 932 m，洞口海拔為4 145 m，正洞最大通風(fēng)斷面123 m2。

（2）風(fēng)量計(jì)算。該隧道采用鉆爆法全斷面、微臺(tái)階開挖，無軌運(yùn)輸。壓入式管道通風(fēng)計(jì)算，以掘進(jìn)長度及初支斷面綜合分析，通風(fēng)長度為3 932 m。

①按洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算風(fēng)量：高原氧氣稀薄，通風(fēng)無法滿足供氧要求，施工供氧采用洞外帶壓制氧供氧，通過通風(fēng)管路輸送至隧道內(nèi)，因此，最多人數(shù)計(jì)算風(fēng)量Q1，不在通風(fēng)里考慮。

②按排除炮煙計(jì)：

一次爆破最大用藥量G=235 kg。

G=3×123×0.637=235 kg（按Ⅲ級(jí)圍巖計(jì)算，開挖斷面123 m2，每循環(huán)3 m，炸藥用量0.637 kg/m3）。

爆破后計(jì)劃排煙時(shí)間t=30 min。

每100 m 平均漏風(fēng)率p100=1%。

風(fēng)筒漏風(fēng)系數(shù)：

稀釋炮煙達(dá)到允許濃度所需隧道長度：

計(jì)算得：

式中，φ——淋水使炮煙濃度降低系數(shù)，采用除塵器取0.3；b——炸藥爆炸時(shí)有害氣體生成量，巖層中爆破取b=40 m3；K——紊流擴(kuò)散系數(shù)，取0.6；

③按允許最低風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量得：

式中，V——工作面最小風(fēng)速，瓦斯隧道為0.25 m/s；A——隧道通風(fēng)斷面積，取123 m2。

④按稀釋和排除內(nèi)燃機(jī)廢氣計(jì)算風(fēng)量：空氣中氧氣稀薄，采用無軌運(yùn)輸，燃油設(shè)備燃油燃燒不充分，廢氣排放量較大，供風(fēng)量應(yīng)足夠?qū)?nèi)燃設(shè)備所排放的廢氣全面稀釋和排出，使有害氣體降至允許濃度以下，可按下式計(jì)算：

式中，k——規(guī)定單位的需風(fēng)量，3.0 m3/min；Ni——各臺(tái)柴油機(jī)械設(shè)備的功率；Ti—各臺(tái)柴油機(jī)械設(shè)備的利用率，挖掘機(jī)、裝載機(jī)、運(yùn)輸車取0.65；鑿巖臺(tái)車、噴漿機(jī)械手取0.1。

根據(jù)隧道施工實(shí)際情況，施工時(shí)因爆破出渣、臺(tái)車襯砌施工和防水板鋪設(shè)配置的內(nèi)燃設(shè)備最多，排放的廢氣也最多，需要通風(fēng)量最大。

施工時(shí)因爆破出渣、臺(tái)車襯砌施工和防水板鋪設(shè)配置的燃油設(shè)備在施工至貫通斷面里程時(shí)配置的燃油設(shè)備見表2。

表2 燃油設(shè)備配置表

控制設(shè)計(jì)通風(fēng)量按下式計(jì)算：

以上四項(xiàng)計(jì)算結(jié)果取最大值QMax=Max（0，1 843，1 845，1 961)＝1 961 m3/min 作為控制設(shè)計(jì)通風(fēng)量。

⑤高原地區(qū)通風(fēng)設(shè)計(jì)考慮海拔高度對(duì)通風(fēng)阻力、風(fēng)量、風(fēng)壓的影響，需風(fēng)量計(jì)算如下：

式中，P高——高原地區(qū)大氣壓力（mmHg），按海拔4 145 m，取值451 mmHg。

⑥計(jì)算供風(fēng)量：考慮漏風(fēng)因素，則風(fēng)機(jī)供風(fēng)量應(yīng)不小于下式：

（3）通風(fēng)風(fēng)壓計(jì)算。

①動(dòng)壓按關(guān)系下式計(jì)算：

該作業(yè)面風(fēng)筒無彎道、無變截面，只有風(fēng)筒末端存在動(dòng)壓。

γ=γ0×（1?Z/44 300）5.256

=1.293×（1?4 145/44 300）5.256=0.78 kg/m3

v=Q需/A=55/4.5=12.2 m/s

h動(dòng)=γ×v2/2=0.78×12.22/2=58 Pa

式中，γ0——海拔高度為0 處空氣密度，γ0=1.293 kg/m3；Z——海拔高度（m），Z=4 145 m；A——風(fēng)筒面積（m2），A=4.5 m2；v——末端管口風(fēng)速（m/s）。

②靜壓關(guān)系計(jì)算：

式中，λ——管道摩阻系數(shù)，0.016；v1——管道內(nèi)平均風(fēng)速（m/s）；d——風(fēng)筒直徑，2.4 m；L1——通風(fēng)距離，3 932 m；Q需——風(fēng)量計(jì)算最大值，55 m3/s；Q供——風(fēng)機(jī)應(yīng)提供最小風(fēng)量，81.5 m3/s。

其他局部阻力：

系統(tǒng)靜壓：

③系統(tǒng)風(fēng)壓：

根據(jù)隧道通風(fēng)要求及參數(shù)計(jì)算結(jié)果及設(shè)計(jì)給出的通風(fēng)要求，風(fēng)機(jī)需滿足最小供風(fēng)量4 891 m3/min，風(fēng)機(jī)最小全壓值3 468 Pa，通風(fēng)采用高海拔實(shí)用的SDF系列通風(fēng)機(jī)。

通風(fēng)風(fēng)筒采用PVC 阻燃伸縮鋼圈螺旋通風(fēng)筒，該風(fēng)筒具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度和較小的伸長率，使用方便，重量輕，易安裝，破損較少，徑向不變形。同時(shí)具有阻燃和防靜電特點(diǎn)，滿足瓦斯隧道施工的要求。采用鋼筋箍固定風(fēng)筒于隧道側(cè)邊墻上方，確保風(fēng)筒下方的洞內(nèi)作業(yè)機(jī)械的通行空間。

3.6 高原隧道供氧需要及方式

目前高原隧道施工大多施工使用燃油機(jī)械，高原地區(qū)空氣中的含氧量較低，燃油機(jī)械燃燒效率低下，燃油消耗量增大，同時(shí)因燃油燃燒得不充分，也進(jìn)一步造成隧道內(nèi)污染物的增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海拔每升高1 000 m，標(biāo)定機(jī)械功率減少約8%。此外，因空氣稀薄，氧氣濃度和氧氣分壓較低，施工人員易缺氧，引發(fā)高原反應(yīng)，影響施工效率[2]。

該隧道采用洞外高原PSA（變壓吸附法)制氧系統(tǒng)，將制成的氧氣通過與通風(fēng)系統(tǒng)連接把氧氣送入隧道內(nèi)。

3.7 高海拔隧道供氧計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氧氣濃度為20.96%，高海拔施工需創(chuàng)造標(biāo)準(zhǔn)狀況下的環(huán)境。高海拔“缺氧”是指空氣中的氧氣含量低于19.5%的狀況?！叭毖酢边€與氧分壓有關(guān)。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)得表3 海拔高度與氧分壓和氧含量對(duì)照表[3]。

表3 海拔高度與氧分壓和氧含量對(duì)照表

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，考慮到平原與高原空氣密度不同，氧氣含量也不相同，以氧氣含量為基準(zhǔn)值，通過分析建立關(guān)系式：

式中，ρ0——0 海拔處氧氣密度，取1.429 kg/m3；ωz——z海拔處氧氣濃度（%）；ρz——z海拔處氧氣濃度（kg/m3）；ω0——0 海拔處氧氣濃度，20.96%；v——單位體積，1 m3。

已知0 海拔處氧氣密度為1.429 kg/m3，0 海拔處氧氣密度為20.96%。根據(jù)式（14）可計(jì)算不同海拔處氧氣密度。表4 為海拔高度與氧氣密度對(duì)照表。

表4 海拔高度與氧氣密度對(duì)照表

依據(jù)含氧量守恒，假定平原地區(qū)含氧量與高原地區(qū)氧濃度均為20.96%，通過供氧可使高原地區(qū)的含氧量達(dá)到平原地區(qū)的水平，不同海拔高度升高到平原地區(qū)的單位體積供氧量按下式計(jì)算：

式中，V供——供氧量（m3）；ρ0——0 海拔處氧氣密度（kg/m3）；ρz——z海拔處氧氣濃度（kg/m3）；ω0——0 海拔處氧氣濃度；v——單位體積，1 m3。

按式（15）可計(jì)算不同海拔高度含氧量達(dá)到平原地區(qū)供氧量，見表5 海拔高度與供氧量對(duì)照表。

表5 海拔高度與供氧量對(duì)照表

4 通風(fēng)供氧管理

隧道施工通風(fēng)納入施工工序管理，成立專門的通風(fēng)班組。通風(fēng)班組人員要做到以下幾點(diǎn)：

（1）為了保證通風(fēng)供氧機(jī)能夠正常啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)，必須為通風(fēng)供氧機(jī)提供二路電源，配備發(fā)電機(jī)等備用電源。

（2）加強(qiáng)日常通風(fēng)供氧檢測，按不同作業(yè)要求，保證足夠的風(fēng)量、風(fēng)壓和氧氣濃度、氧氣分壓。

（3）洞口風(fēng)機(jī)需要安設(shè)在距離洞口30 m 以外的上風(fēng)向，避免發(fā)生污風(fēng)循環(huán)。

（4）因?yàn)樗x擇的風(fēng)筒直徑較大，應(yīng)避免過往車輛和機(jī)械刮破風(fēng)筒而影響施工。

（5）通風(fēng)機(jī)和供氧站設(shè)專人值守，每臺(tái)通風(fēng)機(jī)及供氧機(jī)設(shè)置專用銘牌，主要記錄通風(fēng)機(jī)和供氧機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)。通風(fēng)機(jī)和供氧機(jī)可變頻，專人可以按現(xiàn)場要求操作風(fēng)機(jī)到達(dá)相應(yīng)擋位，減少電耗，同時(shí)如實(shí)填寫各種記錄。

（6）風(fēng)機(jī)和供氧機(jī)盡量減少停機(jī)次數(shù)，發(fā)揮風(fēng)機(jī)和供氧機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)性能，以保證通風(fēng)和供氧機(jī)的連續(xù)性。

5 結(jié)論

高原缺氧加上長隧道本身存在的通風(fēng)問題給人員的身心健康帶來巨大的挑戰(zhàn)和不可預(yù)估的后遺癥，并在較大程度上影響了機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率，造成功率的降低。高海拔隧道通風(fēng)和供氧的結(jié)合是改善隧道作業(yè)環(huán)境，創(chuàng)造與平原地區(qū)相近的施工環(huán)境。選擇合適的配套通風(fēng)和制氧供氧系統(tǒng)可有效保障施工人員的健康，提高工作效率，減少動(dòng)力資源損耗。希望該文研究給類似工程提供一些寶貴經(jīng)驗(yàn)，供大家討論、交流。