高海拔隧道施工供氧技術研究

王 科

(中鐵七局集團第四工程有限公司，湖北 武漢 430074)

高海拔隧道施工過程中不僅含氧量低，而且粉塵和有害氣體增多，施工人員要在這樣的條件下承擔繁重工作，其健康保障和生命安全會受到威脅，施工機械設備在缺氧條件下施工效率也會降低。

針對高海拔隧道施工缺氧問題，學者對高海拔隧道施工供氧方案可行性及其優化做了許多研究。劉應書[1]、葉朝良等[2]以青藏鐵路風火山隧道工程為依托，提出了掌子面彌散式供氧和氧吧車供氧，效果證明掌子面彌散式供氧和氧吧車供氧適用于高原隧道施工供氧。張博等[3]以雀兒山隧道工程為依托，分析海拔高度與氧分壓的關系，對比研究了洞內施工環境監控方案和供氧方案。孫志濤[4]推導出氧含量隨海拔高度變化的一般方程，得到了氧氣的質量含量隨海拔高度的理論方程及解，并對比研究了高海拔地區隧道施工供氧方案。蔚艷慶等[5]通過調查雀兒山、巴朗山等高海拔隧道的制氧供氧方式，并現場測試個體式供氧和彌散式供氧效率，提出采用局部彌散式供氧、個體式供氧和氧吧車相結合的供氧方案。陳四來[6]對雀兒山隧道原供氧方案進行優化，提出隧道施工時掌子面鉆孔工況采用局部彌散式供氧，其余工況采用氧吧車供氧方案。

本文根據大氣壓與海拔高度的關系，采用理論公式計算得到隧道需求供氧量，通過Fluent有限元軟件對比分析掌子面彌散式供氧與通風供氧特點，論證掌子面彌散式供氧方法的可行性，得到了隧道內氧氣質量分數分布規律。

1 高海拔隧道施工供氧量理論分析

空氣中的含氧量一般指體積百分比，可以理解為體積濃度，適合人類生存的氧氣含量為20.96%(標準狀況下)。《缺氧危險作業安全規程》(GB 8958)中“缺氧”指作業場所空氣中的氧氣含量低于19.5%的狀態。高原地區即使氧氣含量達到20.96%，仍然會出現缺氧的癥狀，原因在于氧分壓是影響人體功能的主要因素。大氣壓等于氧分壓與其他所有氣體分壓的總和，隨海拔升高大氣壓降低即為氧分壓降低，氧氣濃度也隨之降低。總而言之，海拔升高和氧氣含量減少具有同等效果。

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，考慮到平原與高原的空氣密度不同，氧氣含量也不相同，通過分析可建立關系式(1)：

(1)

式中：ρ0為0 m海拔處氧氣密度(1.429 kg/m3)；ρZ為Zm海拔處氧氣密度(kg/m3)；ω0為0 m海拔處氧氣含量(20.96%)；ωZ為Zm海拔處氧氣含量(%)。

依據氧含量守恒，假定平原地區氧氣含量與高原地區氧氣含量均為20.96%，通過供氧可以使不同海拔高度時的氧氣含量達到平原地區水平，不同海拔高度升高到平原水平所需要的單位體積供氧量按式(2)計算：

(2)

為使不同海拔高度氧氣含量達到平原地區的氧氣含量，根據以上理論計算出單位體積的供氧量，具體數據見表1。

表1 不同海拔高度所需供氧量

2 高海拔隧道施工供氧方法特點

目前工程應用中的供氧方式主要針對現場人員供氧，防止由缺氧原因對現場人員的生命健康造成損害，從而降低施工效率。供氧方式主要有個體式供氧、氧吧車供氧和彌散式供氧方法，每種方法各有利弊和適用條件。個體式供氧方法的優點是設備簡單，氧氣純度較高，成本低、損耗低；該方式的主要缺點是不能連續供氧，每隔一定時間需要及時充氧，影響連續施工作業。氧吧車供氧方法的優點是施工人員在身體即將出現不適時及時吸氧，同時供施工人員休息，恢復身體機能，保證人員健康和生產安全；該方式的主要缺點是無法實現邊施工邊供氧，且氧吧車需要軌道運輸，靈活性較差。彌散式供氧方法的優點是可以直接提高施工環境氧氣的濃度，實現邊施工邊供氧；主要缺點是成本較高、損耗極大。高海拔隧道施工供氧還可以利用通風供氧，優點是直接使隧道內氧氣濃度提高；該方式的主要缺點是成本較高、損耗大。本文主要對隧道通風與彌散式兩種供氧方式進行對比分析。

3 高海拔隧道施工供氧數值分析

3.1 供氧模擬條件

隧道施工期間，供氧目標是使掌子面后5 m范圍內氧氣質量分數達標準值0.246 7。當海拔高度在3 000 m時，單位體積的供氧量為0.060 3 m3，則按單線鐵路隧道斷面大小，供氧量至少為16.042 m3。采用彌散式供氧時，當總制氧速率為240 L/min氧氣擴散速度為0.024 m/s，彌散式供氧通風速度不宜過高，防止氧氣的濃度被嚴重稀釋，從而達不到供氧目的。對以下兩點進行模擬：

(1)對比通風供氧和掌子面彌散式供氧。假設隧道已施工長度為2 000 m，根據供氧量，分析兩種供氧方法的效果，即隧道內氧氣質量分數分布規律。

(2)對于掌子面彌散式供氧方法，對比在供氧時伴隨通風和未通風兩種情況，分析掌子面附近氧氣質量分數的分布。

3.2 模型建立

隧道的通風距離為2 000 m，管徑2 m，通風管出口至掌子面距離為30 m。當采用掌子面彌散式供氧時，彌散裝置在掌子面后5 m處的隧道上部。

幾何模型通過Gambit建模后生產網格，通過Fluent軟件采用Realizable k-ε湍流模型和組分運輸模型對隧道供氧進行計算：入口邊界條件設為速度入口(Velocity_Inlet)，隧道洞口邊界條件設為自然流出(Outflow)，隧道壁面邊界條件設為墻(Wall)。分析計算模型如圖1所示。

圖1 分析模型

3.3 氧氣質量分數分布規律

3.3.1 兩種供氧方式比較分析

通過多次計算分析，通過增加單位時間內供氧量，使掌子面后5 m范圍內氧氣濃度升到標準值，掌子面后10 m范圍內氧氣質量分數變化曲線如圖2所示。

圖2 氧氣質量分數隨距離變化曲線

從圖2中可以看出，對比掌子面后方10 m范圍內氧氣質量分數，彌散式供氧和通風供氧掌子面附近氧氣質量分數均大于標準值0.246 7，能滿足施工要求。采用掌子面彌散供氧時，氧氣質量分數隨著距掌子面的距離增加而逐漸降低；通風供氧時，氧氣質量分數隨著距掌子面的距離增加也有所降低，但變化范圍很小。

對比研究發現，采用掌子面彌散式供氧方法使掌子面后10 m內氧氣質量分數達到標準值，供氧速率為1.44 m3/min，供氧量約為96.25 m3。采用通風供氧方法使掌子面后10 m內氧氣質量分數達到標準值，供氧速率為9.6 m3/min，供氧量約為641.68 m3。從經濟角度考慮，通風供氧量太大，不夠經濟，是不可行的；而彌散式供氧量也較大，但還是可行的。

3.3.2 掌子面彌散式供氧時通風速度的影響

通過多次計算表明，為了使掌子面后10 m范圍內氧氣質量分數升到標準值，需要增加單位時間內供氧量，在通風速度15 m/s條件下使掌子面后10 m內氧氣質量分數達到標準值，供氧速率為1.44 m3/min，供氧量約為96.25 m3。而在未通風條件下掌子面后10 m內氧氣質量分數達到標準值，供氧速率為0.48 m3/min，供氧量約為32.08 m3。也就是說通風速度越大，彌散式供氧量越大。掌子面后10 m范圍內氧氣質量分數升到標準值時，隧道內氧氣質量分數如圖3所示，掌子面后10 m范圍內氧氣質量分數變化曲線如圖4所示。

圖3 不同彌散供氧條件下氧氣濃度達標時氧氣質量分數云圖

圖4 不同供氧條件下氧氣質量分數達標時隨距離變化曲線

從圖3和圖4可以看出，不通風時，隧道下部的氧氣質量分數大于隧道上部，氧氣從彌散裝置中向下射出，到達隧道下部，沿著隧道底部向兩邊擴散，所以氧氣在隧道下部擴散范圍大。在通風速度為15 m/s時，由于通風的作用，加速空氣的流動，氧氣在隧道內加速擴散，故氧氣質量分數分布比較均勻；在通風速度為15 m/s時比不通風時掌子面氧氣質量分數要大，且相同供氧時間時氧氣在隧道內擴散較遠。

從圖4可以看出，在通風速度為15 m/s時，掌子面后10 m范圍內氧氣濃度隨著距掌子面的距離增加而逐漸降低。在不通風時，氧氣從彌散裝置中射出，向周圍空氣中緩慢擴散，所以在掌子面后10 m范圍內供氧裝置附近氧氣質量分數高，周圍氧氣質量分數較低。掌子面后7 m范圍內氧氣質量分數均可達到標準值。

根據上述分析，隧道通風在一定程度上加速了氧氣在隧道內的流動，使彌散在供氧裝置周圍的氧氣流向掌子面及四周，但通風速度不宜過高，防止氧氣加速擴散到隧道洞身，并隨著隧道通風氣流流向隧道洞口。當掌子面后7 m范圍內氧氣質量分數達到標準值時，采用掌子面彌散式供氧且不通風時供氧量最少，為32.08 m3。因此每循環進尺隧道的供氧量范圍為32.08～96.25 m3。

4 結論

依據大氣壓與海拔高度的關系，采用理論公式計算了隧道需求供氧量，利用Fluent軟件研究了通風供氧與彌散式供氧方法下隧道掌子面附近氧氣質量分數分布規律。得出以下主要研究結論：

(1)采用理論計算方法，分析給出了不同海拔高度時每立方米的隧道供氧量。

(2)掌子面彌散式供氧方法與通風供氧方法相比，彌散式供氧量較小，對提高掌子面附近氧氣質量分數更加有效；通風供氧量大，不經濟，總體是不可行的。

(3)采用掌子面彌散式供氧方法時，每循環進尺隧道的供氧量范圍為32.08～96.25 m3，通風速度越高供氧量越大，氧氣質量分數分布越均勻。