高原長大隧道作業環境改善技術研究

林劍忠

中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司 福建 福州 350013

引言

近年來，隨著西部大開發、一帶一路的開發進程的加快，出現了越來越多的特長隧道，甚至還有高海拔特長隧道[1]。作業環境主要包括空氣中的含氧量、粉塵濃度、有害氣體、高溫和噪音等，這里只討論與高原有關的空氣中的含氧量、粉塵濃度、CO含量。高原地區空氣稀薄，氧分壓低，環境相當惡劣，工人對粉塵和有害氣體的抵抗能力降低；另外，缺氧會使內燃機械燃油燃燒不充分，產生更多的CO氣體，加重隧道內空氣的污染，嚴重威脅施工人員的身體健康，高原地區隧道施工環境問題必須引起足夠的重視[2]。通過川藏鐵路嘎益隧道進口獨頭掘進為背景，對高原長大隧道施工環境及改善方案進行研究，保證作業人員身體健康，提高機械運轉效率。

1 工程概況

川藏鐵路嘎益隧道位于西藏自治區察雅縣，為單洞雙線隧道，全長10187m，其中進口獨頭掘進長度3902m，縱坡5‰，洞口海拔4145m，年平均氣壓59.3kPa，最高氣溫25℃，最降氣溫-20℃。

2 作業環境有關的標準

空氣中氧氣含量不低于19.5%；

粉塵容許濃度：含有10%以上游離SiO2的粉塵不得大于2mg/m3；含有10%以下游離SiO2的礦物性粉塵不得大于4mg/m3；

空氣中CO含量：海拔在2000～3000m的地區，最高容許濃度為20mg/m3；海拔大于3000m的地區，最高濃度為15mg/m3。

3 洞內施工環境分析及改善方案

高原隧道具有“氣壓低、氧分壓低、氣溫低”的特點，造成隧道洞內惡劣的作業環境。長大隧道進一步加劇施工環境的惡化。

3.1 低氧低壓對人體的影響

3.1.1 影響分析。高原地區低氧低壓對施工人員身體帶來的主要問題是缺氧，并出現高原反應，危害作業人員的生命安全，工作效率大幅度降低。人體缺氧主要由二大因素引起，一是空氣稀薄，空氣中的含氧量不足。醫學研究表明，如果空氣中含氧量處于19%以下，大部分人群可能會出現缺氧癥狀。二是氣壓低，人體血液吸收氧分少。自然氣壓下降時，人體的動脈氧分壓下降，動脈血氧飽和度隨之下降，導致人體發生一系列生理反應。

表1 各海拔高度臨床缺氧程度

從表1可知，高原對人的身心健康、勞動能力影響非常明顯，有可能造成高原肺水腫、腦水腫和慢性高原病。

3.1.2 改善方案。高原空氣中氧分壓低，通風已經不能滿足隧道內作業人員缺氧的問題。通過人工供氧方式，使兩個高度的人體肺泡氧分壓水平和機體生理效應彼此很接近，則就其對機體的供氧作用而言，可以認為它們是“等效的”[3]。例如，在4000m高度呼吸25%富氧氣體時的肺泡氧分壓相當于2600m呼吸空氣，通過人工供氧方式解決高原缺氧問題是可行的。人工供氧有個人攜帶供氧和彌散式供氧二種方式。由于該隧道采用全套機械化施工，作業人員較少，作業時采用人工攜帶供氧，身體不適或輪流休息時在移動氧吧車內彌散式供氧。采用該方案后，高原反應明顯減弱，檢測施工人員生理指標結果顯示，心率和血壓受供氧影響較小，但血氧飽和度增長率有明顯提高，供氧前平均值為84%，供氧后平均值為89，增長率6%。施工人員定期體驗未發現腦水腫、肺水腫等病例。

3.2 低氧低壓對內燃機械尾氣排放的影響

3.2.1 影響分析。在高原地區，低氧導致內燃機械燃油燃燒不充分，CO等有害氣體排放比平原地區高，加重對作業環境的污染。在嘎益隧道施工中測試，采用徐工ZL50GV裝載機進行裝碴作業，實測燃油消耗量為25L/h，為平原正常狀態17.5L/h的1.4倍。柴油機的油耗增加，造成燃油機械尾氣排放增加。低壓還導致內燃機械排放的尾氣膨脹，單位體積內空氣占比減少，氧含量減少，燃油燃燒更不充分。

3.2.2 改善方案。高原長大隧道通風困難，單獨依靠通風稀釋機械尾氣十分困難，減排尤為重要。

3.2.2 .1 采用電動施工機械。國內移動電動施工機械目前處于試生產階段，造價較高。批量生產后，電動施工機械生產成本將下降，有望普及。

3.2.2 .2 選用帶增壓器的柴油機械設備，提高燃油燃燒率。經計算，在出碴階段，主要內燃施工機械安裝機前增壓助燃尾氣凈化器，隧道內CO含量可以減少約25%左右。

3.2.2 .3 嚴禁汽油機械進洞。汽油機比柴油機產生更多的CO。

3.2.2 .4 加強通風，提高空氣含氧量，使燃料充分燃燒。

3.3 低壓對軸流式風機的影響

3.3.1 影響分析。軸流式風機標定的性能參數均指平原地區的參數，在高原環境下將產生變化。

3.3.1 .1 軸流式風機理論全壓。

式中：P—理論全壓，Pa；

ρ—空氣密度，kg/m3；

μ—氣流的圓周速度，m/s；

C2μ、C1μ—風機葉道入口和出口氣流的絕對速度在圓周速度方向的投影，kg/s。

由式（1）可知，對同一臺風機而言，μ、C2μ、C1μ不變，在高原氣候條件下，其全壓將因空氣密度的減小而成比例大幅度下降。在4145m海拔位置處，空氣密度為0.77kg/m3，在海平面位置處，空氣密度為1.29kg/m3，4145m海拔位置處空氣密度是0m海拔位置處的60%，因此，風機理論全壓下降到60%。

3.3.1 .2 軸流式扇風機的理論流量。

式中：Q—理論流量，m3/s；

Ca—平均軸向速度，m/s；

D—葉輪外徑，m；

d—輪轂直徑，m。

由式（2）可知，風機的流量不會因氣候條件改變而改變，同一臺風機平原和高原的流量是一樣的。

3.3.2 改善方案。從分析可知，在高原上，風機的主要影響是風壓下降。由式（1）可知，在風機安裝的位置，空氣密度ρ是不變的，提高風壓只有相應增大μ（C2μ一C1μ）這一項，即提高風機的機械性能。

3.3.2 .1 增加風機的級數。經過多級風扇加壓，大幅度增加風機工作壓力。針對不同工序所需的不同風量風壓，啟動不同級數，實現風壓可調，減少用電量，節省成本。

3.3.2 .2 葉片角度可調。通過調整葉片角度，調節風壓，適應各種工況的需求。

3.3.2 .3 提高葉輪的轉速。配置大功率電機，提高風機的動力。

3.4 長風筒對通風的影響

3.4.1 影響分析。長距離管路送風，將出現大幅度管路漏風，風壓下降。

3.4.1 .1 風筒漏風。

式中：P—總漏風率

p100—每100m平均漏風率；

L—風筒長度，m。

嘎益隧道采用壓入式通風，風筒長3900m，百米漏風率與通風效率的關系見圖1。

圖1 百米漏風率與通風效率的關系

從圖1可知，同一風筒長度，風筒百米漏風率與通風效率為凹曲線遞減關系，百米漏風率越小，通風效率提高越顯著。對于3900m長風筒，在平原地區，當p100為3%時，P為30%；當p100為1%時，P為67%，通風效率提高2.2倍。

漏風主要出現在風筒接頭處和破損處。風筒距離風機越近，風筒內的風壓越大，風筒內外的靜壓差越大，則風筒的漏風風速越快，漏風量越大。單純提高風機的風量抵消風筒的漏風不可取，應減少風筒的漏風率。

在風機風壓不變的情況下，高原地區隧道施工風筒漏風率約為平原地區的1.5倍，且在高原地區風筒漏風率隨風管長度增加而增大較快。

3.4.1 .2 風筒沿程摩阻力。

式中：λ—管道摩阻系數；

L—風筒長度，m；

γ—空氣密度，kg/m3；

V—風筒平均風速，m/s；

D—風筒直徑，m；

Q進、Q出—風筒進出口風量，m3/s。

在海拔4145m、風筒長3900m條件下，風筒直徑與沿程摩阻力的關系如圖2。

圖2 風筒直徑與沿程摩阻力關系圖

從圖2可知，風筒沿程摩阻力與風筒直徑為凹曲線遞減關系，加大風筒直徑早期沿程摩阻力有明顯遞減，加大到2.2m后沿程摩阻力遞減趨于緩慢。風筒直徑1.4m的沿程摩阻力為31.6kPa，風筒直徑2.2m的沿程摩阻力為3.3kPa，減少9.6倍。

3.4.2 改善方案。

3.4.2 .1 選擇無縫耐磨抗拉的風筒，加大每節風筒長度，接頭采用拉鏈連接，風筒的百米漏風率可小至1%。

3.4.2 .2 采用大直徑風筒。如嘎益隧道采用2.2m直徑的風筒，把風壓控制到現有市場上風機所能提供的風壓范圍。

3.4.2 .3 加強通風管理。定期檢查風筒的漏風情況，發現破損及時修復，減少風筒漏風率。

3.5 長大隧道對粉塵的影響

3.5.1 影響分析。隧道粉塵主要來源于鉆孔、爆破、出碴揚塵、噴漿。隨著長大隧道獨頭掘進長度的增長，現有的通風系統不足以把煙塵降低到標準值，有必要采取降塵措施。檢測表明，濕鉆比干鉆降低80%的粉塵含量，濕噴比干噴降低90%的粉塵含量，正常通風就能控制濕鉆和濕噴粉塵在2mg/m3以下。目前在隧道施工中，濕鉆、濕噴已經得到普及，較好的降低粉塵的濃度。鑿巖臺車和濕噴機械手的使用，操作人員得到很好的保護。因此，爆破和出碴揚塵成為產生高濃度粉塵的兩道主要工序。

隧道獨頭掘進的長度越來越長，3900m壓入式通風長度，單純依靠通風排除爆破和出碴產生的粉塵時間長、成本高。爆破時掌子面粉塵濃度稀釋到標準值所需的時間超過30min。經現場檢測，裝車和運輸產生的揚塵讓洞內粉塵長時間超標，出碴需要2～4h，粉塵高達5.1mg/m3，為標準值2mg/m3的2.6倍。

3.5.2 改善方案。爆破、出碴除塵主要有二個途徑，一是通過通風把粉塵運移出洞外，同時在運移過程中粉塵不斷擴散、沉降，濃度不斷下降。二是降塵。對于長大隧道，采用兩者結合的改善方案。

3.5.2 .1 加強通風是降低粉塵濃度的基本措施，通過風流對粉塵進行運移、擴散，粉塵得到稀釋和排放。

3.5.2 .2 爆破時掌子面采用機械除塵器降塵。嘎益隧道采用鐵建重工SCC1500G高原隧道除塵臺車，經現場測試，除塵臺車距離掌子面50m，通風回風速度0.25m/s，全斷面爆破后18min粉塵降到2mg/m3。

3.5.2 .3 出碴時碴堆用高壓水霧噴灑抑制裝碴揚塵，道路采用灑水車、抑塵車（霧炮車）灑水噴霧抑制車輛揚塵。

4 結束語

通過高原長大隧道洞內施工環境分析和改善技術的研究，得到如下結論：

建立海拔高度與醫學臨床缺氧程度的關系，得出高原各海拔高度人體生理的危害程度。身體檢測證明，采取個人攜氧、氧吧車供氧等改善方案，能有效緩解高原施工人員的生理健康。

海拔對內燃機械的功率和尾氣排放影響大。少用或不用內燃機械，推廣電動機械。嚴格限制廢氣排放，內燃機械應安裝增壓助燃尾氣凈化器，使燃油充分燃燒，減少CO排放。

軸流式風機的風量與海拔無關，風壓隨著海拔上升而直線下降。采用多級風扇加壓、葉片角度可調、大功率電機等方案，可提高風機的風壓。

加大風筒直徑，采用小漏風率風筒并及時修復破損，可明顯改善通風效率，減輕風機的壓力。

爆破和出碴是高原粉塵的主要因素。爆破采用機械除塵器降塵、裝碴采用高壓水霧灑水碴堆抑制揚塵、運輸道路采用灑水車、抑塵車噴灑抑制揚塵。