高海拔隧道施工機械尾氣排放影響及減排措施研究

王　耀，高菊茹，張　博

(1.中國鐵道科學研究院，北京　100081；2.中鐵西南科學研究院，四川 成都　611731)

?

高海拔隧道施工機械尾氣排放影響及減排措施研究

王耀1,2，高菊茹2，張博2

(1.中國鐵道科學研究院，北京100081；2.中鐵西南科學研究院，四川 成都611731)

摘要：海拔在4 000 m以上地區的雀兒山隧道采用鉆爆法無軌運輸施工時，在主洞掌子面附近測試空氣中一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、粉塵等污染物的含量，發現除CO以外的其他污染物在通風作用下均可達到隧道施工技術規范對空氣質量的要求。為了分析解決CO含量超標的問題，通過對比分析爆破作業CO生成量、內燃機械的CO排放量和隧道內CO含量變化趨勢，得出內燃機械在高海拔地區工作時CO排放量較大是導致隧道內CO超標的主要原因，同時提出采用尾氣凈化技術解決隧道施工通風中CO超標的難題。

關鍵詞:高海拔隧道；空氣質量；內燃機械；CO；尾氣凈化技術

0引言

伴隨著我國對青藏高原等高海拔地區扶持和開發力度的逐步加深，越來越多的高海拔隧道開始修建。高海拔地區氣壓低，缺氧導致內燃機械燃油燃燒不充分，從而產生有害氣體。為使高海拔隧道施工時的空氣質量滿足隧道施工技術規范，應重視隧道施工內燃機械對空氣質量的影響。

目前，已經有許多學者對高海拔隧道施工機械的尾氣排放特性和高海拔隧道作業環境等問題進行了大量研究。張仕杰[1]、馮國勝等[2]依托海拔在3 400 m以上的關角隧道，測試研究了高海拔隧道施工內燃機械尾氣中CO和煙霧排放特性；張仕杰[3]研究了高原隧道通風量計算，提出利用安全稀釋法計算通風量更準確，同時建議鐵路隧道施工規范應增加不同海拔對稀釋隧洞內污染氣體的規定；楊立新[4]通過對國內外有害氣體相關標準的調查分析，建議將有害氣體CO的接觸限值分為高原和非高原的情況；張廷彪等[5]提出高海拔隧道CO體積分數限值會出現高于一般海拔隧道的反常情況，對此建議區別高海拔隧道和一般地區隧道的空氣衛生標準；嚴濤等[6]通過對汽油車CO排放量實測，推導了一種考慮多車型CO海拔高度系數的計算公式，為高海拔隧道通風計算提供了參考；張玉偉等[7]對海拔在4 000 m以上的雞丑山隧道粉塵和CO進行監測分析，得出爆破和出渣2個工序的CO體積分數較高，出渣時在距隧道洞口400 m位置處CO體積分數最高達到401 cm3/m3，建議采取加強通風和掌子面彌散式供氧等措施控制CO的體積分數。

在前人對高海拔隧道施工CO排放特性、CO相關衛生標準和CO通風計算研究的基礎上，通過實際測試CO在各施工工序中的體積分數，對高海拔隧道施工時CO含量超標的問題進行了研究。與前人研究的不同之處在于，本文重點研究CO體積分數與排放源釋放之間的關系，并提出減少CO排放的措施，從而控制高海拔隧道中CO的體積分數。

1工程概況

國道317線雀兒山隧道是世界上海拔在4 000 m以上地區建設的規模最大的公路隧道，隧道全長 7 079 m，隧道進口海拔 4 378.72 m，出口海拔4 239.50 m。出口平導布設于主洞左側約33 m，與主洞大致平行，平導長度7 018 m。

雀兒山隧道分為2個標段分別施工。隧道出口端主洞3 530 m(K344+500～K348+030)和平導出口端3 576 m(PK344+500～PK348+076)由中鐵一局施工，隧道主洞縱坡為-2.6%的下坡，隧道平導縱坡為-2.585%的下坡。

1.1氣候條件

隧道整體位于海拔4 200 m以上的高原地區，屬高原山嶺高寒氣候，具有高海拔、低氣溫、低氣壓的特點。雀兒山隧道出口年平均積雪日數為161 d，年平均氣溫為-0.3 ℃，年平均氣壓約為0.6 MPa，氣壓僅為平原地區的60%，氣候條件極為惡劣。

1.2隧道用內燃機械

雀兒山隧道采用鉆爆法無軌運輸施工。隧道裝運渣作業時使用柳工ZL50C裝載機裝渣、紅巖金剛CQ325SMHG36自卸車運渣、卡特320DGC挖掘機清底，此外，還有混凝土罐車等其他內燃機械。這些內燃機械均使用柴油機作為動力。

2空氣質量測試分析

2.1隧道內空氣質量測試

2014年10月，雀兒山隧道出口端主洞掘進深度約為1 700 m。在隧道主洞內距掌子面50 m的位置，采用CO檢測儀、CO2檢測儀、NO檢測儀、NO2檢測儀、P-5L2C數字粉塵儀等儀器多次測試隧道內空氣中的CO、CO2、NO、NO2、粉塵等有害物質的含量，并對各種有害物質在爆破后30～60 min的測試數據進行統計，如表1所示。

表1　隧道內工作場所空氣中有害物質測試結果

注：標準值為非高原地區時間加權平均容許體積分數(8 h)，海拔在3 000 m以上的CO最高容許體積分數為12 cm3/m3。

將《公路隧道施工技術規范》[8]對工作場所空氣中有害物質容許體積分數的規定作為隧道內工作場所空氣中有害物質的標準值。通風30 min時，空氣中的有害物質對應表1中的最大值，其中CO、粉塵和NO含量超標；通風60 min時，空氣中的有害物質對應表1中的最小值，這時除CO外的其他物質在通風作用下均達到標準要求，而且CO的最小含量仍為標準值的7.7倍，因此CO含量是影響施工通風的重要因素。

2.2隧道內CO來源分析

2.2.1內燃機械CO排放量估算

高海拔環境氣壓低，施工機械的柴油機尾氣中CO排放量增加。《公路隧道通風設計細則》[9]中規定了內燃機械在高海拔環境下排放的CO海拔高度系數，隧道出口施工區處于海拔約為4 250 m的位置，根據規范CO海拔高度系數取為3.14，也就是說隧道施工位置的柴油機排放的尾氣中CO是低海拔地區的3.14倍。

根據現階段實施的《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法 (中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》[10]，柴油機在標準狀態下CO排放限值為2.1 g/(kW·h)。若柴油機在標準狀態下CO排放量剛好達到國家標準(2.1 g/(kW·h))，則可以計算柴油發動機排放CO的質量和體積，結果如表2所示。

表2　隧道用柴油機CO排放量計算

注：柴油機所在環境的氣壓為標準氣壓的60%，不考慮CO海拔高度系數。

隧道內有1臺裝載機裝渣和3臺自卸車出渣，測試表明現階段自卸車在隧道內的工作時間占自卸車運行總時間的85%，自卸車在掌子面附近等待出渣、柴油機怠速運轉時，氣缸內不完全燃燒會增加CO的排放量。因此，可假設實際工作機械的數量等效于1臺裝載機和2臺自卸車在測試位置附近工作，則隧道內柴油機CO排放量為27.44×10-3m3/min。隧址區CO海拔高度系數為3.14，則施工用內燃機械CO排放量為86.16×10-3m3/min。

根據《公路隧道通風設計細則》[9]，隧道中CO的排放量

依據標準規定和雀兒山隧道的施工情況，取qco=0.01 m3/(輛·km),fa=1.2，fd=3.81，fh=3.14，fiv=0.9，l=1 770 m，Nm=24輛，fm=1。經計算，CO排放量為1.694×10-3m3/s，即91.48 L/min。

在隧道主洞內進行出渣作業時，1臺裝載機和3臺自卸車排出的CO如表3所示。

表3　出渣時施工用柴油機CO排放量計算

估算隧道出渣時，內燃機械的CO排放量平均值為88.5 L/min。出渣作業時間按3 h估算，則每個出渣工序共產生的CO約為15 930 L。

2.2.2爆破作業CO生成量估算

隧道爆破產生的炮煙主要包括CO、CO2和NOx等有害氣體以及粉塵。根據《現代隧道施工通風技術》[11]，炸藥CO產生量一般取40 L/kg，按隧道每次爆破使用100 kg炸藥進行估算，則每次爆破作業CO產生量為4 000 L。

2.2.3隧道內CO來源對比

對比可知，隧道出渣階段施工機械的柴油機產生的CO較少，但是出渣階段產生的CO總量約為炸藥爆破時產生CO的4倍。

爆破所致的CO是瞬間產生的，對隧道作業區空氣的影響主要體現在爆破后通風的前期。隨著通風時間的增加，對爆破產生的影響逐漸降低。測試時隧道內其他污染物含量下降速度較慢，隧道內的通風量較小，沒有達到施工通風的要求。

內燃機械排放的CO在整個出渣作業過程中會產生持續影響。出渣期間測試出主洞掌子面的平均通風量為579 m3/min，隧道施工用內燃機械CO排放量為88.5 L/min時，CO被通入的新鮮風稀釋后在隧道內的含量為154 cm3/m3,這個結果和隧道空氣質量測試結果相互印證，說明隧道用內燃機械產生的CO是施工通風中首要考慮的問題。

2.3隧道內CO變化趨勢分析

從隧道主洞掌子面附近爆破后30～60 min的測試結果可以明顯看出,CO的含量已成為制約隧道通風的主要因素。從CO來源對比可以看出,爆破和內燃機械都會對隧道內的空氣質量產生明顯影響。

爆破后15～255 min,對隧道內空氣中的有害物質進行多次持續測試，對CO的測試數據按爆破后時間取平均值，繪制出CO隨爆破后時間的變化曲線,如圖1所示。

由圖1可以看出，CO的變化趨勢整體上呈現出明顯的階段性變化。爆破后測試階段風機都處于高檔狀態，通風量不變。對圖1進行以下分析。

1)出渣前(15～30 min)：此時CO含量最高，且主要來源于爆破產生的炮煙，隨著氣體擴散及通風稀釋的作用，CO含量快速降低。

圖1　實測CO變化趨勢

2)出渣時(30～200 min)：出渣前期，爆破產生的大量CO正在隨通風稀釋并向洞口移動，同時內燃機械也會產生CO，因此，CO含量降低速度減緩；出渣中后期，工作位置的CO主要來源于內燃機械，CO生成量和通風稀釋作用相平衡，CO含量曲線呈現穩定波動狀態。

3)出渣后(200～255 min)：隧道中內燃機械數量減少，隧道內CO含量快速降低。

通過對隧道內實測CO變化趨勢的分析，該隧道內產生的CO在出渣階段一直處于超標狀態，因施工機械也會排放大量的CO，所以，測試期間的通風條件不能使隧道內的CO達到標準狀態。

2.4分析結論

通過對主洞掌子面附近空氣中CO、CO2、NO、NO2、粉塵等污染物進行測試，發現除CO以外的其他污染物在通風作用下均可降低到規范要求的限值。

通過對隧道內CO來源對比和CO變化趨勢分析，認為隧道內CO含量超標的主要原因是由于隧道施工用內燃機械尾氣中CO排放量較大，對隧道內的環境造成了污染。另外，通風量不足也導致新鮮風不足以將隧道內產生的CO稀釋到規范要求的限值。

3隧道內CO減排措施

要解決隧道內空氣中CO含量超標問題，不僅需要提高通風量，而且也需要減少CO的排放，從而減少“短板效應”的影響，節約施工通風成本。

從隧道內空氣質量測試數據可以看出，CO含量是制約隧道通風量的主要因素。若僅通過增加通風量使隧道內的CO含量達到標準值16 cm3/m3，按照污染物稀釋理論，單位時間內需要的理論通風量是單位時間內CO生成量的62 500倍。若采取措施使隧道內單位時間的CO生成量減少50%，在不影響其他污染物稀釋的情況下，也可以使單位時間的理論通風量降低為原來的50%。

3.1柴油機尾氣凈化技術

隨著內燃機排放標準的逐步提高，尾氣凈化技術迅速發展，針對不同的凈化需求，開發出了一系列的尾氣凈化產品，如可凈化碳煙等尾氣孔顆粒物的DPF(Diesel Particle Filter)顆粒過濾器、可減少尾氣中CO和HC(碳氫化合物)的DOC(Diesel Oxidant Catalyst)氧化催化器、可減少尾氣中NOx的SCR(Selective Catalytic Reduction)選擇性催化還原器。

尾氣凈化技術應用比較廣泛，隨著國家對內燃機排放標準的逐步提高，國Ⅴ排放標準的發動機普遍采用尾氣凈化技術減少尾氣中污染物的含量。

3.2內燃機械CO減排措施

尾氣凈化處理的主要污染物為CO，使用DOC尾氣凈化器可以減少柴油機尾氣中CO和HC的含量，而且DOC尾氣凈化器具有背壓小的特點，安裝后基本不會影響發動機的功率。DOC氧化催化劑安裝在發動機的排氣管路中，通過氧化反應將發動機尾氣中的CO和HC轉化成無害的水(H2O)和CO2。主要是通過以下氧化反應對尾氣進行凈化：

HC+O2→CO2+H2O；

CO+O2→CO2。

經過調研，國內外凈化器廠家均有適用于隧道內裝載機、自卸車等機械使用的DOC尾氣凈化裝置。國內生產的DOC尾氣凈化器價格在6 000～1萬元/臺，在合適的催化溫度下，CO的轉化效率可達90%以上。國外生產的DOC尾氣凈化器價格約為1萬元/臺，可以達到國內產品的使用效果，并且具有和發動機大修期相同的使用壽命。

隧道用柴油機CO的排放量計算平均值為88.5 L/min，若90%的CO在催化劑作用下轉化為CO2，則使用尾氣凈化裝置后柴油機CO的排放量僅為8.8 L/min，能極大地減少柴油機的CO生成量。在相同的通風條件下，可以使隧道內CO的含量達到施工技術規范要求。

4結論與建議

1)隧道內出渣階段內燃機械累計排放的CO的總量多于爆破階段產生的CO。

2)隧道內爆破及柴油機械產生的CO，是制約隧道施工時通風機配置容量的主要因素。

3)在目前通風條件下，隧道施工機械排放的CO在出渣階段對隧道內環境造成了嚴重污染。

4)建議在高海拔隧道施工通風設計時，考慮采用DOC尾氣凈化技術減少CO的排放，從而降低施工通風成本。

參考文獻(References)：

[1]張仕杰.高海拔隧道施工工程機械尾氣排放試驗研究[J].鐵道標準設計,2010(增刊2):124-127.(ZHANG Shijie.Tests on mechanical automobile emission in construction of high-altitude tunnels [J].Railway Standard Design,2010(S2):124-127.(in Chinese))

[2]馮國勝,賈素梅,賴滌泉.高原隧道工程機械尾氣排放現場測試研究[J].工程機械,2010,41(11):26-29.(FENG Guosheng,JIA Sumei,LAI Diquan.Field test and research for emissions of construction machinery in high plateau tunnels [J].Construction Machinery and Equipment,2010,41(11):26-29.(in Chinese))

[3]張仕杰.高原隧道施工通風量的計算[J].暖通空調,2015,45(7):37-39.(ZHANG Shijie.Calculation of ventilation rate during construction period of plateau tunnel [J].Heating Ventilating &Air Conditioning,2015,45(7):37-39.(in Chinese))

[4]楊立新.關于鐵路隧道施工作業環境衛生標準的建議[J].隧道建設,2009,29(5):485-490.(YANG Lixin.Suggestions on health standards of working environment in railway tunnels under construction [J].Tunnel Construction,2009,29(5):485-490.(in Chinese))

[5]張廷彪,張祉道.高海拔公路隧道運營通風衛生標準初探[J].現代隧道技術,2014,51(3):23-34.(ZHANG Tingbiao,ZHANG Zhidao.Exploration of hygienic standards for operation ventilation of a highway tunnel in high-altitude area [J].Modern Tunnelling Technology,2014,51(3):23-34.(in Chinese))

[6]嚴濤,王明年,郭春,等.公路隧道考慮多車型的CO海拔高度系數研究[J].現代隧道技術,2015,52(3):8-13,54.(YAN Tao,WANG Mingnian,GUO Chun,et al.On altitude coefficient considering CO from various kinds of vehicles in highway tunnels [J].Modern Tunnelling Technology,2015,52(3):8-13,54.(in Chinese))

[7]張玉偉,趙飛舟,李又云.高海拔寒區隧道施工粉塵及有害氣體監測與控制技術[J].隧道建設,2014,34(增刊):297-301.(ZHANG Yuwei,ZHAO Feizhou,LI Youyun.Monitoring and control technologies for construction dust and harmful gases of tunnel in high altitude and cold areas [J].Tunnel Construction,2014,34(S):297-301.(in Chinese))

[8]公路隧道施工技術規范：JTG F60—2009 [S].北京：人民交通出版社，2009.(Technical specification for construction of highway tunnel：JTG F60—2009[S].Beijing:China Communications Press,2009.(in Chinese))

[9]公路隧道通風設計細則：JTG/T D70/2-02—2014[S].北京：人民交通出版社，2014.(Guidelines for design of ventilation of highway tunnel：JTG/T D70/2-02—2014 [S].Beijing:China Communications Press,2009.(in Chinese))

[10]車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與 汽車排氣污染物排放限值及測量方法 (中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)：GB 17691—2005 [S].北京：中國環境科學出版社，2005.(Limits and measurement methods for exhaust pollutants from compression ignition and gas fuelled positive ignition engines of vehicles(Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ)：GB 17691—2005 [S].Beijing：China Environmental Science Press，2005.(in Chinese))

[11]楊立新.現代隧道施工通風技術[M].人民交通出版社,2012.(YANG Lixin.Modern tunneling ventilation technology [M].Beijing:China Communications Press,2012.(in Chinese))

Study of Influence of Harmful Exhaust of Tunnel Construction Machinery in High-altitude Areas and Its Countermeasures

WANG Yao1,2,GAO Juru2,ZHANG Bo2

(1.China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;2.China Railway Southwest Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu 611731,Sichuan,China)

Abstract:Chola Mountain-crossing tunnel is located in high-altitude area (higher than 4 000 m);and it is constructed by drilling and blasting method.The harmful gas monitoring results show that the carbon monoxide (CO) content can not meet the requirements of related criteria.Comparison is made among the variation of CO induced by drilling and blasting,that exhausted by diesel engine and that in tunnel;and the results show that CO exhausted by diesel engine is the main source.Finally,related countermeasures are proposed.

Keywords:tunnel in high-altitude area;air quality;diesel engine;carbon monoxide (CO);harmful exhaust purifying

收稿日期：2015-12-22;修回日期:2016-02-22

第一作者簡介：王耀(1991—)，男，河南商丘人，中國鐵道科學研究院機械設計及理論專業在讀碩士，研究方向為隧道施工機械化。E-mail：wyengin@sina.cn。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.010

中圖分類號：U 453.8

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)06-0717-04