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，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的58 %左右。再加上隧道施工環境中粉塵多，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高海拔地區制氧技術現狀

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。一般是現場測量m3/h，并且通過現場測量壓力和溫度，進行溫壓補償計算，轉換成[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高海拔地區隧道供氧技術現狀

3.1.1全富氧

針對高原環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。但根據氣體擴散規律，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合方法

通過隧道吸氧車(氧吧)與個人攜帶呼吸器相結合的途徑，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，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、供氧系統由隧道外制氧機組、壓氧站以及隧道內吸氧車等主要部分組成。在這種供氧方式下,隧道內作業人員可輪班在吸氧車內吸氧休息,養精蓄銳。一般作業人員(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。

這種供氧方法的優點有：(1)確保所有施工人員呼吸用氧，并能達到平原地區的吸氧量水平。(2)氧氣利用率高，耗氧量小。(3)能耗小，系統采用自動控制，氧量夠用時系統自動關閉，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在通風管內摻加氧氣

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

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供氧、生產區(隧道洞內)供氧兩部分。

3.2.1生活區供氧

在辦公室、職工娛樂室、會議室、接待室等人員集中公共區域內采用室內彌散式供氧方法(實現局部富氧)進行供氧，對參建人員的辦公區、生活區的室內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生，充分保證生命健康。

3.2.2生產區供氧

在洞口建立吸氧室，室內配置25套吸氧終端，隧道內作業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、隧道監控室、料庫辦公室、拌合站、加工車間、炸藥庫監控室等洞口施工配合區域，配置40 L氧氣瓶，安裝吸氧終端或配套吸氧器，確保洞口生產配合區人員供氧到位。

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隧道洞內供氧

截止目前隧道施工期間，為確保洞內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加入氧氣。隨同通風輸送至隧道掌子面。

通過隧道內吸氧車(氧吧)，為隧道內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化

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

3.3.1隧道專用輸氧管道供氧

專用管路供氧方式布置：制氧和供氧系統與通風管路供氧方式相同，所不同的是其單獨在隧道內設置了送氧管路，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，改善掌子面區域內施工環境含氧量。(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)供氧系統和通風系統是兩套相互獨立的系統，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主要施工人員密集區域，做到重點部位重點供氧。

3.3.2隧道內專用吸氧車供氧

隧道內施工區域配置專用吸氧車，為隧道內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，以便于洞內施工人員在身體不適時或休息時吸氧恢復。

3.3.3隧道內設置移動式氧吧供氧

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

3.3.4隧道內個人攜氧

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背負式吸氧器作業并輔助移動氧吧車。

(4)二襯作業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背負式吸氧器作業并輔助移動氧吧車。

目前雀兒山隧道進口段已按上述優化方案實施中，相對于目前掘進深度1 500 m范圍內效果比較理想，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

[1]蔚艷慶，鄭金龍，韋遠飛，等. 高海拔隧道施工制氧供氧方案研究[J]. 公路隧道,2013(2): 18-22.

[2]劉應書， 崔紅社, 劉文海, 等. 高海拔地區隧道施工供氧技術研究[J]. 礦冶, 2005, 14(1): 5-7.

[3]張德華, 王夢恕. 世界第一高隧——青海鐵路風火山隧道施工新技術[J]. 工程地質學報,2003, 11(2).

【中圖分類號】U453.5

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-12-18