雀兒山隧道施工制氧供氧方案技術研究

章志高, 董　超

(四川俄崗公路工程建設有限公司， 四川成都 610000)

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雀兒山隧道施工制氧供氧方案技術研究

章志高, 董超

(四川俄崗公路工程建設有限公司， 四川成都 610000)

【摘要】高海拔隧道具有“氣壓低、氧分壓低、氣溫低”的特點，嚴寒缺氧對施工人員、施工機械的工作效率有較大幅度的降低，是高海拔隧道建設面臨的重大難題之一。文中詳細介紹了雀兒山隧道的制氧方案以及采用局部彌散式供氧、個體背負式供氧和氧吧車相結(jié)合的制氧供氧方案，可以有效解決高海拔隧道施工缺氧，為以后高海拔隧道施工制氧供氧方案提供寶貴經(jīng)驗。

【關鍵詞】高海拔隧道；制氧供氧；彌散式；個體背負式；移動氧吧

1工程概況

國道317線(川藏北線)雀兒山隧道起于國道G317線四川省甘孜州德格縣瑪尼干戈鎮(zhèn)，隧道進口高程4 377.01 m，隧道長7 048 m，為目前世界上海拔最高的公路特長隧道。自然環(huán)境中氧氣在大氣中的含量比例為21 %，但海拔每升高100 m，大氣壓就下降約1 kPa，氧分壓亦隨之下降0.16 kPa左右。

隧址區(qū)平均海拔4 000 m以上，高海拔導致了低大氣壓、低氧分壓的形成。當海拔高度4 300～5 000 m時，地表大氣中的含氧量只相當于平原地區(qū)的58 %左右。再加上隧道施工環(huán)境中粉塵多，機械裝載、運輸設備耗氧大，局部通風效果差，洞內(nèi)含氧量更低，施工人員在這樣的條件下承擔繁重勞動，缺氧嚴重，施工人員的健康保障和生命安全受到極大威脅(表1)。

表1　國內(nèi)外對有關缺氧對人體機能的影響研究

2雀兒山隧道施工制氧方案的研究

2.1高海拔地區(qū)制氧技術現(xiàn)狀

目前主要的制氧方法有深冷法、變壓吸附法、化學法、水電解法、薄膜滲透法等(表2)。

表2　各種制氧方法的主要特點

2.2雀兒山隧道制氧方案

(1)結(jié)合雀兒山隧道的地理位置、氣象條件和施工條件以及人體對氧濃度的適應和投資規(guī)模，雀兒山隧道制氧方案選用變壓吸附法。

(2)供氧設備選型的計算。雀兒山隧道借鑒“風火山隧道增氧工程”計算本次工程所需增氧流量。風火山隧道(單洞)：平均海拔高度4 900 m，空氣中氧氣含量相當于平原的52 %，隧道深處氧氣含量不到平原氧含量50 %,通過30 Nm3/h([Nm3/h]是標準立方米每小時的意思，即指標準狀況下的體積流量。一般是現(xiàn)場測量m3/h，并且通過現(xiàn)場測量壓力和溫度，進行溫壓補償計算，轉(zhuǎn)換成[Nm3/h])給一個工作面供氧后，掌子面氧氣含量達到平原的65 %左右，相當于施工環(huán)境降低到了3 600 m海拔高度。

雀兒山隧道(雙洞)：平均高度4 200 m，空氣中氧氣含量相當于平原的58 %，隧道深處氧氣含量不到平原的氧含量的53 %。我們設計的方案是通過隧道掌子面彌散式增氧后，掌子面的氧氣濃度同樣達到平原氧氣濃度的65 %左右，施工海拔高度同樣降低到3 600 m，那么所需制氧設備流量計算式為：

單洞所需氧氣流量=(4200-3600)×30/(4900-3600)=13.8 m3/h

在輸送過程中按20 %的損失量計算，氧吧按每小時10 Nm3/h計，隧道雙洞所需氧氣流量為13.8×2/0.8+10=44.5 Nm3/h所以選擇50Nm3/hKHO變壓吸附制氧設備。

3雀兒山隧道供氧方案研究

3.1高海拔地區(qū)隧道供氧技術現(xiàn)狀

3.1.1全富氧

針對高原環(huán)境以及隧道施工特點，全富氧的供氧方法為隧道施工人員補充氧氣。該供氧方法可以有效解決隧道內(nèi)施工人員的缺氧問題，但缺點是其設備投資和建成后的運行費用非常高。

3.1.2局部富氧

通過在隧道掌子面附近加氧，以建立一個局部的富氧空間。富氧空間建立的途徑有：

(1)氧簾法或氧霧法。即把氧氣通過噴頭或噴管噴入操作面附近，希望氧氣形成氧氣簾或氧氣霧。但根據(jù)氣體擴散規(guī)律，氧氣在空氣中的擴散速度是極其迅速的，加之通風風量所形成氣流在隧道內(nèi)的對流流動，所噴出的氧氣將很快與通風氣流混合而均勻，因而需加大制氧機的能力。此外，采取這樣的方法在隧道施工放炮等過程中輸氧管路設備不易移動，容易炸壞，對施工造成不利影響。

(2)在隧道中距掌子面一定距離處建一封閉門，以降低掌子面處風速，再加入氧氣。這種方法可以把氧氣濃度提高到16 %。但會遇到兩個問題。一是降低風速不能滿足通風安全要求；二是所建的封閉門要隨著隧道掘進經(jīng)常移動，這是非常困難的。

3.1.3隧道吸氧車與個人攜氧相結(jié)合方法

通過隧道吸氧車(氧吧)與個人攜帶呼吸器相結(jié)合的途徑，來解決隧道施工缺氧的問題。為了便于管理、操作，對于特長隧道，在洞口外設置一個制氧供氧系統(tǒng)，包括制氧站、壓氧站、以及隧道吸氧車和便攜式呼吸器等。每個制氧、供氧系統(tǒng)由隧道外制氧機組、壓氧站以及隧道內(nèi)吸氧車等主要部分組成。在這種供氧方式下,隧道內(nèi)作業(yè)人員可輪班在吸氧車內(nèi)吸氧休息,養(yǎng)精蓄銳。一般作業(yè)人員(不便于攜帶便攜式呼吸器者)，如維修等，可在工作一定時間后進吸氧車內(nèi)吸氧，保障生命安全以確保工作順利進行。

這種供氧方法的優(yōu)點有：(1)確保所有施工人員呼吸用氧，并能達到平原地區(qū)的吸氧量水平。(2)氧氣利用率高，耗氧量小。(3)能耗小，系統(tǒng)采用自動控制，氧量夠用時系統(tǒng)自動關閉，不會浪費電能。(4)由于施工人員呼吸的都是濃度達90 %以上的醫(yī)用氧氣，對于身體健康和生命安全有了保證，且能使精力充沛，從而大大提高工作效率。

3.1.4在通風管內(nèi)摻加氧氣

有的無軌運輸隧道，為保證施工人員及內(nèi)燃機對氧氣的需要，除排除炮煙外，其它時段都在通風管內(nèi)加入氧氣。

3.2雀兒山隧道進口供氧方案

雀兒山隧道進口施工供氧分為生活區(qū)供氧、生產(chǎn)區(qū)(隧道洞內(nèi))供氧兩部分。

3.2.1生活區(qū)供氧

在辦公室、職工娛樂室、會議室、接待室等人員集中公共區(qū)域內(nèi)采用室內(nèi)彌散式供氧方法(實現(xiàn)局部富氧)進行供氧，對參建人員的辦公區(qū)、生活區(qū)的室內(nèi)等場所配備吸氧終端、氧氣瓶及氧氣袋，以防止意外情況的發(fā)生，充分保證生命健康。

3.2.2生產(chǎn)區(qū)供氧

在洞口建立吸氧室，室內(nèi)配置25套吸氧終端，隧道內(nèi)作業(yè)人員提前在吸氧室吸氧30 min，休息等待換班上崗，換下來的班組出洞后先在吸氧室吸氧30 min，之后返回駐地休息。

值班室、隧道監(jiān)控室、料庫辦公室、拌合站、加工車間、炸藥庫監(jiān)控室等洞口施工配合區(qū)域，配置40 L氧氣瓶，安裝吸氧終端或配套吸氧器，確保洞口生產(chǎn)配合區(qū)人員供氧到位。

在制氧站灌裝充瓶車間設立儲存室，配置有6.3 L鼻吸式吸氧器50套，2 L背負式吸氧器100套，40 L氧瓶鼻吸式吸氧器30套，氧氣袋100個，配置給現(xiàn)場挖掘機、裝載機、出渣車司機、維修等人員，由制氧站班組管理，及時灌裝以便于施工人員及時領取更換。

3.2.3隧道洞內(nèi)供氧

截止目前隧道施工期間，為確保洞內(nèi)施工人員及施工機械對氧氣的需要，制氧站安裝輸氧管道至軸流風機進風口，除掌子面爆破出渣排除炮煙和粉塵3～4 h期間，其它時段都在通風管內(nèi)加入氧氣。隨同通風輸送至隧道掌子面。

通過隧道內(nèi)吸氧車(氧吧)，為隧道內(nèi)施工人員提供吸氧場所。車上配裝40 L氧氣瓶4個，吸氧器10套，便攜式2 L、3 L氧氣瓶及吸氧器分別5套，以便于洞內(nèi)施工人員，在身體不適時或休息時吸氧恢復。

3.3雀兒山隧道進口段供氧方案優(yōu)化

鑒于近期隨著隧道進尺加大，洞內(nèi)氧含量下降，造成掌子面施工人員出現(xiàn)頭疼、頭暈、眼花、耳鳴、惡心、嘔吐、心慌、氣短、胸悶、面色及口唇發(fā)紫或面部水腫等癥狀。加強洞內(nèi)供氧已是迫在眉睫，通過進場近三年來的現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)分析，對隧道內(nèi)供氧方案優(yōu)化為：

3.3.1隧道專用輸氧管道供氧

專用管路供氧方式布置：制氧和供氧系統(tǒng)與通風管路供氧方式相同，所不同的是其單獨在隧道內(nèi)設置了送氧管路，將高濃度氧氣送到掌子面后方50 m處，在通風風管末端出風口前留出管口及控制閥門，爆破及出渣、通風排煙期間停止供氧。

專用管路供氧具有如下特點：(1)在送風末端的開挖掌子面供氧，改善掌子面區(qū)域內(nèi)施工環(huán)境含氧量。(2)供氧管道獨立供氧，供氧量及壓力固定不變，不受其他因素影響。(3)供氧系統(tǒng)和通風系統(tǒng)是兩套相互獨立的系統(tǒng)，可靠性強，但是增加了材料投入和管理維護費用。(4)供氧管道結(jié)合掌子面開挖(兼立架、噴漿)排架彌散供氧，使專用管道供氧覆蓋隧道內(nèi)主要施工人員密集區(qū)域，做到重點部位重點供氧。

3.3.2隧道內(nèi)專用吸氧車供氧

隧道內(nèi)施工區(qū)域配置專用吸氧車，為隧道內(nèi)施工人員提供吸氧場所，車上配裝40 L氧氣瓶2個，吸氧器8套，便攜式2 L、3 L氧氣瓶及吸氧器分別5套，以便于洞內(nèi)施工人員在身體不適時或休息時吸氧恢復。

3.3.3隧道內(nèi)設置移動式氧吧供氧

隧道內(nèi)距離掌子面200～400 m范圍內(nèi)，借用人行橫通道位置，將橫通道兩端臨時封堵留門，從隧道內(nèi)輸氧管道用高壓橡膠軟管接入，形成富氧空間，以便于洞內(nèi)施工人員施工期間吸氧恢復或休息。

3.3.4隧道內(nèi)個人攜氧

在制氧站灌裝充瓶車間設立儲存室，配置有6.3 L鼻吸式吸氧器50套，2 L背負式吸氧器100套，40 L氧瓶鼻吸式吸氧器30套，氧氣袋100個。爆破及出渣、通風排煙期間停止供氧。期間施工放樣人員、出渣指揮人員、出渣車等機械司機，均采用2 L背負式吸氧器施工，減少氧氣用量浪費。

4結(jié)論

(1)高原制氧采用變壓吸附制氧技術技術相對成熟，技術風險小，且投資比較理想。

(2)掌子面供氧方案：采用局部彌散式供氧方案。掌子面彌散式供氧前，必須采用最大風量通風，用于爆破和噴漿階段后迅速排煙塵，然后采用氧簾在掌子面約10m范圍內(nèi)形成相對密閉空間，在施工人員鉆眼時采用局部彌散式供氧。

(3)在噴漿階段及出渣時，由于洞內(nèi)污染嚴重，工人都需佩戴口罩工作，采用局部彌散式供氧效果不理想并造成氧氣用量浪費，因此均采用2L背負式吸氧器作業(yè)并輔助移動氧吧車。

(4)二襯作業(yè)階段由于局部彌散式供氧不能提供相對密閉的空間因此也采用采用2 L背負式吸氧器作業(yè)并輔助移動氧吧車。

目前雀兒山隧道進口段已按上述優(yōu)化方案實施中，相對于目前掘進深度1 500 m范圍內(nèi)效果比較理想，但隨著掘進深度的延長實施效果還需進一步驗證。

參考文獻

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【中圖分類號】U453.5

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-12-18