高海拔隧道施工通風供氧應用與探討

顧圣乾

（中鐵二十四局集團西南建設有限公司,四川 成都 610000）

0 引言

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

1 工程概況

某高原隧道進口為單洞雙線隧道，全長3 902 m，設計速度200 km/h。位于藏東高海拔地區，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是平原地區的62%左右，氧氣稀薄。

2 常見通風方式及特點

隧道通風方式分為風管式通風、巷道式通風、風墻式通風。風流經管道輸送，分為壓入式、抽出式和混合式三種方式。

（1）風管式通風的優點是設備簡單、布置靈活、易于拆裝，故為一般隧道施工采用。

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

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

3 施工通風供氧

3.1 通風供氧總體方案

（1）針對該工作面的工程特點及經濟性，并適合洞外制氧的輸入，施工通風方式采用風管式壓入式通風。根據該作業面超長獨頭掘進的特點，選用適合高原的大風量大功率軸流通風機和高原制氧供氧系統以及不易破損、漏風率低的風筒。

（2）采用環境一體化智能監測管控系統，通風供氧智能聯控。

3.2 總體通風供氧標準

隧道施工作業環境需符合國家有關規定，并滿足下列衛生及安全標準的規定[1]：

（1）通風管口距離掌子面不小于15 m。

（2）空氣中氧氣含量，按體積計不得小于20%；高原地區應符合有關規定。

（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符合下列規定：①一氧化碳：海拔大于3 000 m 的地區，一氧化碳最高容許濃度為15 mg/m3；②二氧化碳按體積計不得大于0.5%；③氮氧化物換算成二氧化氮濃度應在5 mg/m3以下。

（5）隧道內氣溫不應高于28 ℃。

（6）瓦斯隧道通風按瓦斯絕對涌出量計算風量時，低瓦斯工區應將洞內各處的瓦斯濃度稀釋到0.5%以下。

3.3 設計通風標準

隧道施工通風系統應提供滿足通風要求及相關規范要求的各相應工況的需風量，并使洞內作業衛生條件滿足相關規范要求。隧道中可能含有瓦斯等有害氣體，應加強施工通風，同時施工中應加強隧道內有害氣體檢測，特別應加強易引起瓦斯等有害氣體聚集處的檢測，以保證施工安全。設計通風要求見表1某高原進口通風要求表。

表1 某高原進口通風要求表

3.4 施工通風區段劃分、通風長度、通風方式

某高原隧道進口采用單頭掘進的方式施工，獨頭通風最大長度3 932 m，采用壓入式通風，隧道主通風機設于隧道洞口30 m 外，通風管口距離開挖面應小于15 m。通風示意圖見圖1 高海拔隧道進口通風示意圖。

圖1 某高海拔隧道進口通風示意圖

隧道可能存在局部瓦斯等有害氣體聚集，風機應采用防爆型，風筒采用PVC 阻燃伸縮鋼圈螺旋通風筒。施工中加強瓦斯等有害氣體檢測、監測，加強施工通風[4]。

（1）一般采用人工方式對瓦斯進行檢測，除此之外還應建立瓦斯自動監測報警系統進行瓦斯監測。

（2）通風最低風速不應小于0.25 m/s，瓦斯濃度不得超過0.5%。

（3）通風機應設兩路電源，并應裝設風電閉鎖裝置。

（4）必須配備一套同等性能的備用通風機，并保持良好的使用狀態，且能在10 min 內啟動。

3.5 通風計算

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

（2）風量計算。該隧道采用鉆爆法全斷面、微臺階開挖，無軌運輸。壓入式管道通風計算，以掘進長度及初支斷面綜合分析，通風長度為3 932 m。

①按洞內同時工作的最多人數計算風量：高原氧氣稀薄，通風無法滿足供氧要求，施工供氧采用洞外帶壓制氧供氧，通過通風管路輸送至隧道內，因此，最多人數計算風量Q1，不在通風里考慮。

②按排除炮煙計：

一次爆破最大用藥量G=235 kg。

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

爆破后計劃排煙時間t=30 min。

每100 m 平均漏風率p100=1%。

風筒漏風系數：

稀釋炮煙達到允許濃度所需隧道長度：

計算得：

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

③按允許最低風速計算風量得：

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

④按稀釋和排除內燃機廢氣計算風量：空氣中氧氣稀薄，采用無軌運輸，燃油設備燃油燃燒不充分，廢氣排放量較大，供風量應足夠將內燃設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，可按下式計算：

式中，k——規定單位的需風量，3.0 m3/min；Ni——各臺柴油機械設備的功率；Ti—各臺柴油機械設備的利用率，挖掘機、裝載機、運輸車取0.65；鑿巖臺車、噴漿機械手取0.1。

根據隧道施工實際情況，施工時因爆破出渣、臺車襯砌施工和防水板鋪設配置的內燃設備最多，排放的廢氣也最多，需要通風量最大。

施工時因爆破出渣、臺車襯砌施工和防水板鋪設配置的燃油設備在施工至貫通斷面里程時配置的燃油設備見表2。

表2 燃油設備配置表

控制設計通風量按下式計算：

以上四項計算結果取最大值QMax=Max（0，1 843，1 845，1 961)＝1 961 m3/min 作為控制設計通風量。

⑤高原地區通風設計考慮海拔高度對通風阻力、風量、風壓的影響，需風量計算如下：

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

⑥計算供風量：考慮漏風因素，則風機供風量應不小于下式：

（3）通風風壓計算。

①動壓按關系下式計算：

該作業面風筒無彎道、無變截面，只有風筒末端存在動壓。

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=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——風筒面積（m2），A=4.5 m2；v——末端管口風速（m/s）。

②靜壓關系計算：

式中，λ——管道摩阻系數，0.016；v1——管道內平均風速（m/s）；d——風筒直徑，2.4 m；L1——通風距離，3 932 m；Q需——風量計算最大值，55 m3/s；Q供——風機應提供最小風量，81.5 m3/s。

其他局部阻力：

系統靜壓：

③系統風壓：

根據隧道通風要求及參數計算結果及設計給出的通風要求，風機需滿足最小供風量4 891 m3/min，風機最小全壓值3 468 Pa，通風采用高海拔實用的SDF系列通風機。

通風風筒采用PVC 阻燃伸縮鋼圈螺旋通風筒，該風筒具有較強的抗拉強度和較小的伸長率，使用方便，重量輕，易安裝，破損較少，徑向不變形。同時具有阻燃和防靜電特點，滿足瓦斯隧道施工的要求。采用鋼筋箍固定風筒于隧道側邊墻上方，確保風筒下方的洞內作業機械的通行空間。

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械，高原地區空氣中的含氧量較低，燃油機械燃燒效率低下，燃油消耗量增大，同時因燃油燃燒得不充分，也進一步造成隧道內污染物的增加。據統計，海拔每升高1 000 m，標定機械功率減少約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，引發高原反應，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，將制成的氧氣通過與通風系統連接把氧氣送入隧道內。

3.7 高海拔隧道供氧計算

標準狀況下的氧氣濃度為20.96%，高海拔施工需創造標準狀況下的環境。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。根據相關數據得表3 海拔高度與氧分壓和氧含量對照表[3]。

表3 海拔高度與氧分壓和氧含量對照表

假定所需氧氣質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，以氧氣含量為基準值，通過分析建立關系式：

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%。根據式（14）可計算不同海拔處氧氣密度。表4 為海拔高度與氧氣密度對照表。

表4 海拔高度與氧氣密度對照表

依據含氧量守恒，假定平原地區含氧量與高原地區氧濃度均為20.96%，通過供氧可使高原地區的含氧量達到平原地區的水平，不同海拔高度升高到平原地區的單位體積供氧量按下式計算：

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）可計算不同海拔高度含氧量達到平原地區供氧量，見表5 海拔高度與供氧量對照表。

表5 海拔高度與供氧量對照表

4 通風供氧管理

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

（1）為了保證通風供氧機能夠正常啟動和運轉，必須為通風供氧機提供二路電源，配備發電機等備用電源。

（2）加強日常通風供氧檢測，按不同作業要求，保證足夠的風量、風壓和氧氣濃度、氧氣分壓。

（3）洞口風機需要安設在距離洞口30 m 以外的上風向，避免發生污風循環。

（4）因為所選擇的風筒直徑較大，應避免過往車輛和機械刮破風筒而影響施工。

（5）通風機和供氧站設專人值守，每臺通風機及供氧機設置專用銘牌，主要記錄通風機和供氧機各項性能參數。通風機和供氧機可變頻，專人可以按現場要求操作風機到達相應擋位，減少電耗，同時如實填寫各種記錄。

（6）風機和供氧機盡量減少停機次數，發揮風機和供氧機連續運轉性能，以保證通風和供氧機的連續性。

5 結論

高原缺氧加上長隧道本身存在的通風問題給人員的身心健康帶來巨大的挑戰和不可預估的后遺癥，并在較大程度上影響了機械設備運轉效率，造成功率的降低。高海拔隧道通風和供氧的結合是改善隧道作業環境，創造與平原地區相近的施工環境。選擇合適的配套通風和制氧供氧系統可有效保障施工人員的健康，提高工作效率，減少動力資源損耗。希望該文研究給類似工程提供一些寶貴經驗，供大家討論、交流。