高海拔隧道施工通风供氧应用与探讨

顾圣乾

（中铁二十四局集团西南建设有限公司,四川 成都 610000）

0 引言

在高海拔长大隧道施工中，隧道内受开挖粉尘、动力燃料燃烧不充分和洞内本身具有的有害物质等影响对施工环境造成较大危害，加之海拔高，氧气含量较低，易引发高原反应等疾病，对施工人员的身心健康造成影响。通过采取合适的通风及供氧方式，改善并创造出低海拔施工环境尤为重要。

1 工程概况

某高原隧道进口为单洞双线隧道，全长3 902 m，设计速度200 km/h。位于藏东高海拔地区，海拔高度在4 053～4 703 m。轨面高程4 150 m 左右。地表植被大部分为灌木、草地，交通条件较差。空气中氧气含量大约是平原地区的62%左右，氧气稀薄。

2 常见通风方式及特点

隧道通风方式分为风管式通风、巷道式通风、风墙式通风。风流经管道输送，分为压入式、抽出式和混合式三种方式。

（1）风管式通风的优点是设备简单、布置灵活、易于拆装，故为一般隧道施工采用。

（2）巷道式通风适用于有平行导坑的长隧道，将新鲜空气由正洞压入或抽入，将污浊空气从平行导坑抽出，形成循环风流。

（3）风墙式通风是在隧道内制作一条2～3 m2的风道，通过压入、抽出或混合三种方式进行通风，该法适用于较长的大断面隧道。

3 施工通风供氧

3.1 通风供氧总体方案

（1）针对该工作面的工程特点及经济性，并适合洞外制氧的输入，施工通风方式采用风管式压入式通风。根据该作业面超长独头掘进的特点，选用适合高原的大风量大功率轴流通风机和高原制氧供氧系统以及不易破损、漏风率低的风筒。

（2）采用环境一体化智能监测管控系统，通风供氧智能联控。

3.2 总体通风供氧标准

隧道施工作业环境需符合国家有关规定，并满足下列卫生及安全标准的规定[1]：

（1）通风管口距离掌子面不小于15 m。

（2）空气中氧气含量，按体积计不得小于20%；高原地区应符合有关规定。

（3）每立方米空气中粉尘容许浓度：含有10%以上游离二氧化硅的粉尘不大于2 mg；含有10%以下游离二氧化硅的矿物性粉尘不得大于4 mg。

（4）空气中常见有害气体浓度应符合下列规定：①一氧化碳：海拔大于3 000 m 的地区，一氧化碳最高容许浓度为15 mg/m³；②二氧化碳按体积计不得大于0.5%；③氮氧化物换算成二氧化氮浓度应在5 mg/m³以下。

（5）隧道内气温不应高于28 ℃。

（6）瓦斯隧道通风按瓦斯绝对涌出量计算风量时，低瓦斯工区应将洞内各处的瓦斯浓度稀释到0.5%以下。

3.3 设计通风标准

隧道施工通风系统应提供满足通风要求及相关规范要求的各相应工况的需风量，并使洞内作业卫生条件满足相关规范要求。隧道中可能含有瓦斯等有害气体，应加强施工通风，同时施工中应加强隧道内有害气体检测，特别应加强易引起瓦斯等有害气体聚集处的检测，以保证施工安全。设计通风要求见表1某高原进口通风要求表。

表1 某高原进口通风要求表

3.4 施工通风区段划分、通风长度、通风方式

某高原隧道进口采用单头掘进的方式施工，独头通风最大长度3 932 m，采用压入式通风，隧道主通风机设于隧道洞口30 m 外，通风管口距离开挖面应小于15 m。通风示意图见图1 高海拔隧道进口通风示意图。

图1 某高海拔隧道进口通风示意图

隧道可能存在局部瓦斯等有害气体聚集，风机应采用防爆型，风筒采用PVC 阻燃伸缩钢圈螺旋通风筒。施工中加强瓦斯等有害气体检测、监测，加强施工通风[4]。

（1）一般采用人工方式对瓦斯进行检测，除此之外还应建立瓦斯自动监测报警系统进行瓦斯监测。

（2）通风最低风速不应小于0.25 m/s，瓦斯浓度不得超过0.5%。

（3）通风机应设两路电源，并应装设风电闭锁装置。

（4）必须配备一套同等性能的备用通风机，并保持良好的使用状态，且能在10 min 内启动。

3.5 通风计算

（1）最大通风长度、断面和海拔作业面最长通风长度为3 932 m，洞口海拔为4 145 m，正洞最大通风断面123 m²。

（2）风量计算。该隧道采用钻爆法全断面、微台阶开挖，无轨运输。压入式管道通风计算，以掘进长度及初支断面综合分析，通风长度为3 932 m。

①按洞内同时工作的最多人数计算风量：高原氧气稀薄，通风无法满足供氧要求，施工供氧采用洞外带压制氧供氧，通过通风管路输送至隧道内，因此，最多人数计算风量Q1，不在通风里考虑。

②按排除炮烟计：

一次爆破最大用药量G=235 kg。

G=3×123×0.637=235 kg（按Ⅲ级围岩计算，开挖断面123 m2，每循环3 m，炸药用量0.637 kg/m3）。

爆破后计划排烟时间t=30 min。

每100 m 平均漏风率p100=1%。

风筒漏风系数：

稀释炮烟达到允许浓度所需隧道长度：

计算得：

式中，φ——淋水使炮烟浓度降低系数，采用除尘器取0.3；b——炸药爆炸时有害气体生成量，岩层中爆破取b=40 m3；K——紊流扩散系数，取0.6；

③按允许最低风速计算风量得：

式中，V——工作面最小风速，瓦斯隧道为0.25 m/s；A——隧道通风断面积，取123 m2。

④按稀释和排除内燃机废气计算风量：空气中氧气稀薄，采用无轨运输，燃油设备燃油燃烧不充分，废气排放量较大，供风量应足够将内燃设备所排放的废气全面稀释和排出，使有害气体降至允许浓度以下，可按下式计算：

式中，k——规定单位的需风量，3.0 m3/min；Ni——各台柴油机械设备的功率；Ti—各台柴油机械设备的利用率，挖掘机、装载机、运输车取0.65；凿岩台车、喷浆机械手取0.1。

根据隧道施工实际情况，施工时因爆破出渣、台车衬砌施工和防水板铺设配置的内燃设备最多，排放的废气也最多，需要通风量最大。

施工时因爆破出渣、台车衬砌施工和防水板铺设配置的燃油设备在施工至贯通断面里程时配置的燃油设备见表2。

表2 燃油设备配置表

控制设计通风量按下式计算：

以上四项计算结果取最大值QMax=Max（0，1 843，1 845，1 961)＝1 961 m3/min 作为控制设计通风量。

⑤高原地区通风设计考虑海拔高度对通风阻力、风量、风压的影响，需风量计算如下：

式中，P高——高原地区大气压力（mmHg），按海拔4 145 m，取值451 mmHg。

⑥计算供风量：考虑漏风因素，则风机供风量应不小于下式：

（3）通风风压计算。

①动压按关系下式计算：

该作业面风筒无弯道、无变截面，只有风筒末端存在动压。

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动=γ×v2/2=0.78×12.22/2=58 Pa

式中，γ0——海拔高度为0 处空气密度，γ0=1.293 kg/m3；Z——海拔高度（m），Z=4 145 m；A——风筒面积（m2），A=4.5 m2；v——末端管口风速（m/s）。

②静压关系计算：

式中，λ——管道摩阻系数，0.016；v1——管道内平均风速（m/s）；d——风筒直径，2.4 m；L1——通风距离，3 932 m；Q需——风量计算最大值，55 m3/s；Q供——风机应提供最小风量，81.5 m3/s。

其他局部阻力：

系统静压：

③系统风压：

根据隧道通风要求及参数计算结果及设计给出的通风要求，风机需满足最小供风量4 891 m3/min，风机最小全压值3 468 Pa，通风采用高海拔实用的SDF系列通风机。

通风风筒采用PVC 阻燃伸缩钢圈螺旋通风筒，该风筒具有较强的抗拉强度和较小的伸长率，使用方便，重量轻，易安装，破损较少，径向不变形。同时具有阻燃和防静电特点，满足瓦斯隧道施工的要求。采用钢筋箍固定风筒于隧道侧边墙上方，确保风筒下方的洞内作业机械的通行空间。

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机械，高原地区空气中的含氧量较低，燃油机械燃烧效率低下，燃油消耗量增大，同时因燃油燃烧得不充分，也进一步造成隧道内污染物的增加。据统计，海拔每升高1 000 m，标定机械功率减少约8%。此外，因空气稀薄，氧气浓度和氧气分压较低，施工人员易缺氧，引发高原反应，影响施工效率[2]。

该隧道采用洞外高原PSA（变压吸附法)制氧系统，将制成的氧气通过与通风系统连接把氧气送入隧道内。

3.7 高海拔隧道供氧计算

标准状况下的氧气浓度为20.96%，高海拔施工需创造标准状况下的环境。高海拔“缺氧”是指空气中的氧气含量低于19.5%的状况。“缺氧”还与氧分压有关。根据相关数据得表3 海拔高度与氧分压和氧含量对照表[3]。

表3 海拔高度与氧分压和氧含量对照表

假定所需氧气质量与氧气体积浓度为定值且其他条件相同，考虑到平原与高原空气密度不同，氧气含量也不相同，以氧气含量为基准值，通过分析建立关系式：

式中，ρ0——0 海拔处氧气密度，取1.429 kg/m3；ωz——z海拔处氧气浓度（%）；ρz——z海拔处氧气浓度（kg/m3）；ω0——0 海拔处氧气浓度，20.96%；v——单位体积，1 m3。

已知0 海拔处氧气密度为1.429 kg/m3，0 海拔处氧气密度为20.96%。根据式（14）可计算不同海拔处氧气密度。表4 为海拔高度与氧气密度对照表。

表4 海拔高度与氧气密度对照表

依据含氧量守恒，假定平原地区含氧量与高原地区氧浓度均为20.96%，通过供氧可使高原地区的含氧量达到平原地区的水平，不同海拔高度升高到平原地区的单位体积供氧量按下式计算：

式中，V供——供氧量（m3）；ρ0——0 海拔处氧气密度（kg/m3）；ρz——z海拔处氧气浓度（kg/m3）；ω0——0 海拔处氧气浓度；v——单位体积，1 m3。

按式（15）可计算不同海拔高度含氧量达到平原地区供氧量，见表5 海拔高度与供氧量对照表。

表5 海拔高度与供氧量对照表

4 通风供氧管理

隧道施工通风纳入施工工序管理，成立专门的通风班组。通风班组人员要做到以下几点：

（1）为了保证通风供氧机能够正常启动和运转，必须为通风供氧机提供二路电源，配备发电机等备用电源。

（2）加强日常通风供氧检测，按不同作业要求，保证足够的风量、风压和氧气浓度、氧气分压。

（3）洞口风机需要安设在距离洞口30 m 以外的上风向，避免发生污风循环。

（4）因为所选择的风筒直径较大，应避免过往车辆和机械刮破风筒而影响施工。

（5）通风机和供氧站设专人值守，每台通风机及供氧机设置专用铭牌，主要记录通风机和供氧机各项性能参数。通风机和供氧机可变频，专人可以按现场要求操作风机到达相应挡位，减少电耗，同时如实填写各种记录。

（6）风机和供氧机尽量减少停机次数，发挥风机和供氧机连续运转性能，以保证通风和供氧机的连续性。

5 结论

高原缺氧加上长隧道本身存在的通风问题给人员的身心健康带来巨大的挑战和不可预估的后遗症，并在较大程度上影响了机械设备运转效率，造成功率的降低。高海拔隧道通风和供氧的结合是改善隧道作业环境，创造与平原地区相近的施工环境。选择合适的配套通风和制氧供氧系统可有效保障施工人员的健康，提高工作效率，减少动力资源损耗。希望该文研究给类似工程提供一些宝贵经验，供大家讨论、交流。