高原長大隧道作業(yè)環(huán)境改善技術(shù)研究

林劍忠

中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司 福建 福州 350013

引言

近年來，隨著西部大開發(fā)、一帶一路的開發(fā)進(jìn)程的加快，出現(xiàn)了越來越多的特長隧道，甚至還有高海拔特長隧道[1]。作業(yè)環(huán)境主要包括空氣中的含氧量、粉塵濃度、有害氣體、高溫和噪音等，這里只討論與高原有關(guān)的空氣中的含氧量、粉塵濃度、CO含量。高原地區(qū)空氣稀薄，氧分壓低，環(huán)境相當(dāng)惡劣，工人對(duì)粉塵和有害氣體的抵抗能力降低；另外，缺氧會(huì)使內(nèi)燃機(jī)械燃油燃燒不充分，產(chǎn)生更多的CO氣體，加重隧道內(nèi)空氣的污染，嚴(yán)重威脅施工人員的身體健康，高原地區(qū)隧道施工環(huán)境問題必須引起足夠的重視[2]。通過川藏鐵路嘎益隧道進(jìn)口獨(dú)頭掘進(jìn)為背景，對(duì)高原長大隧道施工環(huán)境及改善方案進(jìn)行研究，保證作業(yè)人員身體健康，提高機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

1 工程概況

川藏鐵路嘎益隧道位于西藏自治區(qū)察雅縣，為單洞雙線隧道，全長10187m，其中進(jìn)口獨(dú)頭掘進(jìn)長度3902m，縱坡5‰，洞口海拔4145m，年平均氣壓59.3kPa，最高氣溫25℃，最降氣溫-20℃。

2 作業(yè)環(huán)境有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)

空氣中氧氣含量不低于19.5%；

粉塵容許濃度：含有10%以上游離SiO2的粉塵不得大于2mg/m3；含有10%以下游離SiO2的礦物性粉塵不得大于4mg/m3；

空氣中CO含量：海拔在2000～3000m的地區(qū)，最高容許濃度為20mg/m3；海拔大于3000m的地區(qū)，最高濃度為15mg/m3。

3 洞內(nèi)施工環(huán)境分析及改善方案

高原隧道具有“氣壓低、氧分壓低、氣溫低”的特點(diǎn)，造成隧道洞內(nèi)惡劣的作業(yè)環(huán)境。長大隧道進(jìn)一步加劇施工環(huán)境的惡化。

3.1 低氧低壓對(duì)人體的影響

3.1.1 影響分析。高原地區(qū)低氧低壓對(duì)施工人員身體帶來的主要問題是缺氧，并出現(xiàn)高原反應(yīng)，危害作業(yè)人員的生命安全，工作效率大幅度降低。人體缺氧主要由二大因素引起，一是空氣稀薄，空氣中的含氧量不足。醫(yī)學(xué)研究表明，如果空氣中含氧量處于19%以下，大部分人群可能會(huì)出現(xiàn)缺氧癥狀。二是氣壓低，人體血液吸收氧分少。自然氣壓下降時(shí)，人體的動(dòng)脈氧分壓下降，動(dòng)脈血氧飽和度隨之下降，導(dǎo)致人體發(fā)生一系列生理反應(yīng)。

表1 各海拔高度臨床缺氧程度

從表1可知，高原對(duì)人的身心健康、勞動(dòng)能力影響非常明顯，有可能造成高原肺水腫、腦水腫和慢性高原病。

3.1.2 改善方案。高原空氣中氧分壓低，通風(fēng)已經(jīng)不能滿足隧道內(nèi)作業(yè)人員缺氧的問題。通過人工供氧方式，使兩個(gè)高度的人體肺泡氧分壓水平和機(jī)體生理效應(yīng)彼此很接近，則就其對(duì)機(jī)體的供氧作用而言，可以認(rèn)為它們是“等效的”[3]。例如，在4000m高度呼吸25%富氧氣體時(shí)的肺泡氧分壓相當(dāng)于2600m呼吸空氣，通過人工供氧方式解決高原缺氧問題是可行的。人工供氧有個(gè)人攜帶供氧和彌散式供氧二種方式。由于該隧道采用全套機(jī)械化施工，作業(yè)人員較少，作業(yè)時(shí)采用人工攜帶供氧，身體不適或輪流休息時(shí)在移動(dòng)氧吧車內(nèi)彌散式供氧。采用該方案后，高原反應(yīng)明顯減弱，檢測(cè)施工人員生理指標(biāo)結(jié)果顯示，心率和血壓受供氧影響較小，但血氧飽和度增長率有明顯提高，供氧前平均值為84%，供氧后平均值為89，增長率6%。施工人員定期體驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)腦水腫、肺水腫等病例。

3.2 低氧低壓對(duì)內(nèi)燃機(jī)械尾氣排放的影響

3.2.1 影響分析。在高原地區(qū)，低氧導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)械燃油燃燒不充分，CO等有害氣體排放比平原地區(qū)高，加重對(duì)作業(yè)環(huán)境的污染。在嘎益隧道施工中測(cè)試，采用徐工ZL50GV裝載機(jī)進(jìn)行裝碴作業(yè)，實(shí)測(cè)燃油消耗量為25L/h，為平原正常狀態(tài)17.5L/h的1.4倍。柴油機(jī)的油耗增加，造成燃油機(jī)械尾氣排放增加。低壓還導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)械排放的尾氣膨脹，單位體積內(nèi)空氣占比減少，氧含量減少，燃油燃燒更不充分。

3.2.2 改善方案。高原長大隧道通風(fēng)困難，單獨(dú)依靠通風(fēng)稀釋機(jī)械尾氣十分困難，減排尤為重要。

3.2.2 .1 采用電動(dòng)施工機(jī)械。國內(nèi)移動(dòng)電動(dòng)施工機(jī)械目前處于試生產(chǎn)階段，造價(jià)較高。批量生產(chǎn)后，電動(dòng)施工機(jī)械生產(chǎn)成本將下降，有望普及。

3.2.2 .2 選用帶增壓器的柴油機(jī)械設(shè)備，提高燃油燃燒率。經(jīng)計(jì)算，在出碴階段，主要內(nèi)燃施工機(jī)械安裝機(jī)前增壓助燃尾氣凈化器，隧道內(nèi)CO含量可以減少約25%左右。

3.2.2 .3 嚴(yán)禁汽油機(jī)械進(jìn)洞。汽油機(jī)比柴油機(jī)產(chǎn)生更多的CO。

3.2.2 .4 加強(qiáng)通風(fēng)，提高空氣含氧量，使燃料充分燃燒。

3.3 低壓對(duì)軸流式風(fēng)機(jī)的影響

3.3.1 影響分析。軸流式風(fēng)機(jī)標(biāo)定的性能參數(shù)均指平原地區(qū)的參數(shù)，在高原環(huán)境下將產(chǎn)生變化。

3.3.1 .1 軸流式風(fēng)機(jī)理論全壓。

式中：P—理論全壓，Pa；

ρ—空氣密度，kg/m3；

μ—?dú)饬鞯膱A周速度，m/s；

C2μ、C1μ—風(fēng)機(jī)葉道入口和出口氣流的絕對(duì)速度在圓周速度方向的投影，kg/s。

由式（1）可知，對(duì)同一臺(tái)風(fēng)機(jī)而言，μ、C2μ、C1μ不變，在高原氣候條件下，其全壓將因空氣密度的減小而成比例大幅度下降。在4145m海拔位置處，空氣密度為0.77kg/m3，在海平面位置處，空氣密度為1.29kg/m3，4145m海拔位置處空氣密度是0m海拔位置處的60%，因此，風(fēng)機(jī)理論全壓下降到60%。

3.3.1 .2 軸流式扇風(fēng)機(jī)的理論流量。

式中：Q—理論流量，m3/s；

Ca—平均軸向速度，m/s；

D—葉輪外徑，m；

d—輪轂直徑，m。

由式（2）可知，風(fēng)機(jī)的流量不會(huì)因氣候條件改變而改變，同一臺(tái)風(fēng)機(jī)平原和高原的流量是一樣的。

3.3.2 改善方案。從分析可知，在高原上，風(fēng)機(jī)的主要影響是風(fēng)壓下降。由式（1）可知，在風(fēng)機(jī)安裝的位置，空氣密度ρ是不變的，提高風(fēng)壓只有相應(yīng)增大μ（C2μ一C1μ）這一項(xiàng)，即提高風(fēng)機(jī)的機(jī)械性能。

3.3.2 .1 增加風(fēng)機(jī)的級(jí)數(shù)。經(jīng)過多級(jí)風(fēng)扇加壓，大幅度增加風(fēng)機(jī)工作壓力。針對(duì)不同工序所需的不同風(fēng)量風(fēng)壓，啟動(dòng)不同級(jí)數(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓可調(diào)，減少用電量，節(jié)省成本。

3.3.2 .2 葉片角度可調(diào)。通過調(diào)整葉片角度，調(diào)節(jié)風(fēng)壓，適應(yīng)各種工況的需求。

3.3.2 .3 提高葉輪的轉(zhuǎn)速。配置大功率電機(jī)，提高風(fēng)機(jī)的動(dòng)力。

3.4 長風(fēng)筒對(duì)通風(fēng)的影響

3.4.1 影響分析。長距離管路送風(fēng)，將出現(xiàn)大幅度管路漏風(fēng)，風(fēng)壓下降。

3.4.1 .1 風(fēng)筒漏風(fēng)。

式中：P—總漏風(fēng)率

p100—每100m平均漏風(fēng)率；

L—風(fēng)筒長度，m。

嘎益隧道采用壓入式通風(fēng)，風(fēng)筒長3900m，百米漏風(fēng)率與通風(fēng)效率的關(guān)系見圖1。

圖1 百米漏風(fēng)率與通風(fēng)效率的關(guān)系

從圖1可知，同一風(fēng)筒長度，風(fēng)筒百米漏風(fēng)率與通風(fēng)效率為凹曲線遞減關(guān)系，百米漏風(fēng)率越小，通風(fēng)效率提高越顯著。對(duì)于3900m長風(fēng)筒，在平原地區(qū)，當(dāng)p100為3%時(shí)，P為30%；當(dāng)p100為1%時(shí)，P為67%，通風(fēng)效率提高2.2倍。

漏風(fēng)主要出現(xiàn)在風(fēng)筒接頭處和破損處。風(fēng)筒距離風(fēng)機(jī)越近，風(fēng)筒內(nèi)的風(fēng)壓越大，風(fēng)筒內(nèi)外的靜壓差越大，則風(fēng)筒的漏風(fēng)風(fēng)速越快，漏風(fēng)量越大。單純提高風(fēng)機(jī)的風(fēng)量抵消風(fēng)筒的漏風(fēng)不可取，應(yīng)減少風(fēng)筒的漏風(fēng)率。

在風(fēng)機(jī)風(fēng)壓不變的情況下，高原地區(qū)隧道施工風(fēng)筒漏風(fēng)率約為平原地區(qū)的1.5倍，且在高原地區(qū)風(fēng)筒漏風(fēng)率隨風(fēng)管長度增加而增大較快。

3.4.1 .2 風(fēng)筒沿程摩阻力。

式中：λ—管道摩阻系數(shù)；

L—風(fēng)筒長度，m；

γ—空氣密度，kg/m3；

V—風(fēng)筒平均風(fēng)速，m/s；

D—風(fēng)筒直徑，m；

Q進(jìn)、Q出—風(fēng)筒進(jìn)出口風(fēng)量，m3/s。

在海拔4145m、風(fēng)筒長3900m條件下，風(fēng)筒直徑與沿程摩阻力的關(guān)系如圖2。

圖2 風(fēng)筒直徑與沿程摩阻力關(guān)系圖

從圖2可知，風(fēng)筒沿程摩阻力與風(fēng)筒直徑為凹曲線遞減關(guān)系，加大風(fēng)筒直徑早期沿程摩阻力有明顯遞減，加大到2.2m后沿程摩阻力遞減趨于緩慢。風(fēng)筒直徑1.4m的沿程摩阻力為31.6kPa，風(fēng)筒直徑2.2m的沿程摩阻力為3.3kPa，減少9.6倍。

3.4.2 改善方案。

3.4.2 .1 選擇無縫耐磨抗拉的風(fēng)筒，加大每節(jié)風(fēng)筒長度，接頭采用拉鏈連接，風(fēng)筒的百米漏風(fēng)率可小至1%。

3.4.2 .2 采用大直徑風(fēng)筒。如嘎益隧道采用2.2m直徑的風(fēng)筒，把風(fēng)壓控制到現(xiàn)有市場(chǎng)上風(fēng)機(jī)所能提供的風(fēng)壓范圍。

3.4.2 .3 加強(qiáng)通風(fēng)管理。定期檢查風(fēng)筒的漏風(fēng)情況，發(fā)現(xiàn)破損及時(shí)修復(fù)，減少風(fēng)筒漏風(fēng)率。

3.5 長大隧道對(duì)粉塵的影響

3.5.1 影響分析。隧道粉塵主要來源于鉆孔、爆破、出碴揚(yáng)塵、噴漿。隨著長大隧道獨(dú)頭掘進(jìn)長度的增長，現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)不足以把煙塵降低到標(biāo)準(zhǔn)值，有必要采取降塵措施。檢測(cè)表明，濕鉆比干鉆降低80%的粉塵含量，濕噴比干噴降低90%的粉塵含量，正常通風(fēng)就能控制濕鉆和濕噴粉塵在2mg/m3以下。目前在隧道施工中，濕鉆、濕噴已經(jīng)得到普及，較好的降低粉塵的濃度。鑿巖臺(tái)車和濕噴機(jī)械手的使用，操作人員得到很好的保護(hù)。因此，爆破和出碴揚(yáng)塵成為產(chǎn)生高濃度粉塵的兩道主要工序。

隧道獨(dú)頭掘進(jìn)的長度越來越長，3900m壓入式通風(fēng)長度，單純依靠通風(fēng)排除爆破和出碴產(chǎn)生的粉塵時(shí)間長、成本高。爆破時(shí)掌子面粉塵濃度稀釋到標(biāo)準(zhǔn)值所需的時(shí)間超過30min。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，裝車和運(yùn)輸產(chǎn)生的揚(yáng)塵讓洞內(nèi)粉塵長時(shí)間超標(biāo)，出碴需要2～4h，粉塵高達(dá)5.1mg/m3，為標(biāo)準(zhǔn)值2mg/m3的2.6倍。

3.5.2 改善方案。爆破、出碴除塵主要有二個(gè)途徑，一是通過通風(fēng)把粉塵運(yùn)移出洞外，同時(shí)在運(yùn)移過程中粉塵不斷擴(kuò)散、沉降，濃度不斷下降。二是降塵。對(duì)于長大隧道，采用兩者結(jié)合的改善方案。

3.5.2 .1 加強(qiáng)通風(fēng)是降低粉塵濃度的基本措施，通過風(fēng)流對(duì)粉塵進(jìn)行運(yùn)移、擴(kuò)散，粉塵得到稀釋和排放。

3.5.2 .2 爆破時(shí)掌子面采用機(jī)械除塵器降塵。嘎益隧道采用鐵建重工SCC1500G高原隧道除塵臺(tái)車，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，除塵臺(tái)車距離掌子面50m，通風(fēng)回風(fēng)速度0.25m/s，全斷面爆破后18min粉塵降到2mg/m3。

3.5.2 .3 出碴時(shí)碴堆用高壓水霧噴灑抑制裝碴揚(yáng)塵，道路采用灑水車、抑塵車（霧炮車）灑水噴霧抑制車輛揚(yáng)塵。

4 結(jié)束語

通過高原長大隧道洞內(nèi)施工環(huán)境分析和改善技術(shù)的研究，得到如下結(jié)論：

建立海拔高度與醫(yī)學(xué)臨床缺氧程度的關(guān)系，得出高原各海拔高度人體生理的危害程度。身體檢測(cè)證明，采取個(gè)人攜氧、氧吧車供氧等改善方案，能有效緩解高原施工人員的生理健康。

海拔對(duì)內(nèi)燃機(jī)械的功率和尾氣排放影響大。少用或不用內(nèi)燃機(jī)械，推廣電動(dòng)機(jī)械。嚴(yán)格限制廢氣排放，內(nèi)燃機(jī)械應(yīng)安裝增壓助燃尾氣凈化器，使燃油充分燃燒，減少CO排放。

軸流式風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與海拔無關(guān)，風(fēng)壓隨著海拔上升而直線下降。采用多級(jí)風(fēng)扇加壓、葉片角度可調(diào)、大功率電機(jī)等方案，可提高風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓。

加大風(fēng)筒直徑，采用小漏風(fēng)率風(fēng)筒并及時(shí)修復(fù)破損，可明顯改善通風(fēng)效率，減輕風(fēng)機(jī)的壓力。

爆破和出碴是高原粉塵的主要因素。爆破采用機(jī)械除塵器降塵、裝碴采用高壓水霧灑水碴堆抑制揚(yáng)塵、運(yùn)輸?shù)缆凡捎脼⑺嚒⒁謮m車噴灑抑制揚(yáng)塵。