長(zhǎng)大隧道鋪軌作業(yè)碳煙廢氣中毒隱患（事故）機(jī)理分析及預(yù)防措施改進(jìn)

中鐵一局集團(tuán)有限公司 馬武

近年來(lái)，隨著我國(guó)“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的實(shí)施，西部地區(qū)鐵路建設(shè)規(guī)模逐年加大，部分段落隧道占比達(dá)80%-95%，高海拔、長(zhǎng)大隧道越來(lái)越多，給鋪軌作業(yè)帶來(lái)不可忽視的職業(yè)健康和安全隱患（事故），近年來(lái)安全隱患（事故）偶有發(fā)生，相關(guān)施工企業(yè)不可不察。

一、鐵路隧道鋪軌作業(yè)環(huán)境狀態(tài)

隧道通風(fēng)方式可分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)，長(zhǎng)大隧道軌道作業(yè)時(shí)不具備機(jī)械通風(fēng)條件，一般采用自然通風(fēng)。自然條件下，隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量與隧道所在地的氣壓、溫度、濕度、自然風(fēng)速、風(fēng)向等氣象條件相關(guān)。

（一）作業(yè)環(huán)境衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

《鐵路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道內(nèi)作業(yè)時(shí)的空氣衛(wèi)生、粉塵、溫濕度等標(biāo)準(zhǔn)要求如下[1]（表1）。

表1 鐵路運(yùn)營(yíng)隧道作業(yè)環(huán)境指標(biāo)

（二）施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

鋪軌作業(yè)時(shí)內(nèi)燃設(shè)備排放碳煙廢氣和熱量會(huì)在隧道內(nèi)積聚危害作業(yè)人員，主要有害物質(zhì)為氮氧化物、一氧化碳、油煙、粉塵等。鋪軌作業(yè)時(shí)工作面移動(dòng)速度為0-5km/h，隧道內(nèi)的空氣由于鋪軌列車(chē)阻滯作業(yè)范圍內(nèi)空氣流通不暢，導(dǎo)致空氣質(zhì)量隨著時(shí)間延長(zhǎng)而惡化，氧氣含量不斷降低。表2列出了作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表。由數(shù)據(jù)可知隧道內(nèi)環(huán)境惡化十分嚴(yán)重，單線隧道尤其嚴(yán)重，隨著作業(yè)時(shí)間的延長(zhǎng)碳煙廢氣不斷積聚，對(duì)作業(yè)人員職業(yè)健康造成不可估量的危害，如果各種不利因素耦合就會(huì)造成安全事故。

表2 作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)碳煙廢氣有害物質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

二、作業(yè)環(huán)境惡化和安全隱患機(jī)理分析

隨著我國(guó)鐵路隧道建造技術(shù)的發(fā)展，長(zhǎng)隧道、特長(zhǎng)隧道（10km以上）、超過(guò)限制坡道（20‰）占比不斷增加，其中隧道長(zhǎng)度、斷面積（見(jiàn)表3）[1]、設(shè)計(jì)坡道、洞內(nèi)設(shè)施、洞內(nèi)溫濕度、洞外氣象條件、海拔高度等因素直接影響隧道內(nèi)空氣環(huán)境。

（一）隧道內(nèi)自然通風(fēng)

自然通風(fēng)受技術(shù)條件、洞內(nèi)設(shè)施和洞外氣象條件等制約。技術(shù)條件主要是隧道長(zhǎng)度、斷面積、縱坡類(lèi)型、平面線形等；洞內(nèi)設(shè)施主要是指隧道壁光滑程度，局部擴(kuò)大、縮小、轉(zhuǎn)彎、交岔、匯合，洞內(nèi)施工設(shè)備等；洞外氣象條件主要是隧道所在地的氣壓、溫度、濕度、自然風(fēng)速、風(fēng)向等氣象條件。

1.技術(shù)條件

（1）縱坡

高速鐵路線路限制坡道[3]一般地段20‰ ，困難地段30‰ ，高于普速鐵路一般地段6‰ ，困難地段12‰ ，長(zhǎng)隧道、特長(zhǎng)隧道設(shè)計(jì)中大多采用人字坡，坡頂更容易造成碳煙廢氣積聚，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)空氣質(zhì)量超標(biāo)最大值都在坡頂。

（2）長(zhǎng)度、斷面積

在不考慮洞外氣象、溫差等因素和人工通風(fēng)條件下，自然風(fēng)速就成了影響長(zhǎng)大隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量主要因素，而隧道長(zhǎng)度和斷面積又制約著自然風(fēng)速。

2.洞內(nèi)設(shè)施

洞內(nèi)設(shè)施對(duì)自然風(fēng)速影響較大，根據(jù)自然風(fēng)速計(jì)算理論主要表現(xiàn)為沿程阻力和局部阻力。包括隧道結(jié)構(gòu)形式，列車(chē)長(zhǎng)度和表面相對(duì)粗糙程度，環(huán)狀空間隧道壁面相對(duì)粗糙程度，施工粉塵等。

（1）結(jié)構(gòu)形式

指隧道進(jìn)出口形狀、洞身的突變、漸變、轉(zhuǎn)彎、分岔，隧道拱墻材料、碎石道床、普通枕、無(wú)砟道床等，不同的結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)都有不同的沿程阻力和局部阻力系數(shù)，與自然風(fēng)速成反比。

（2）作業(yè)設(shè)備

鋪軌作業(yè)一般分為鋪軌、焊軌、整道等3個(gè)區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，長(zhǎng)度一般為3-5公里，列車(chē)3-5列，內(nèi)燃設(shè)備15臺(tái)套以上，人員200人左右。列車(chē)、設(shè)備、人員對(duì)隧道內(nèi)環(huán)狀空間空氣流動(dòng)造成阻滯和干擾，不利于作業(yè)區(qū)外空氣補(bǔ)充和流動(dòng)。

（3）施工粉塵

主要是隧道水溝電纜槽、道床、四電設(shè)備施工時(shí)造成的石英粉塵，隨著鋪軌作業(yè)二次進(jìn)入空氣中，使隧道內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)一步惡化，在鋪軌作業(yè)前需要進(jìn)行認(rèn)真的清理和沖洗。

（二）施工設(shè)備排放

施工設(shè)備主要指機(jī)車(chē)、軌道車(chē)、焊軌機(jī)、發(fā)電機(jī)組、機(jī)養(yǎng)車(chē)等內(nèi)燃設(shè)備。排放主要是碳煙廢氣和熱量并且會(huì)在隧道內(nèi)積蓄，危害作業(yè)人員。影響排放的主因有線路縱坡、牽引定噸、作業(yè)時(shí)長(zhǎng)、重聯(lián)機(jī)車(chē)數(shù)量、設(shè)備保養(yǎng)狀態(tài)、乘務(wù)員操作水平等。

1.線路縱坡與牽引力

鋪軌作業(yè)時(shí)內(nèi)燃機(jī)車(chē)的運(yùn)行速度為5-15km/h，在列車(chē)牽引質(zhì)量一定、低速運(yùn)行等條件下，線路坡道大小與牽引力成正比。即坡道越大，需要的牽引力越大。

2.機(jī)車(chē)牽引力

（1）通過(guò)牽引力計(jì)算公式P=vF F=P/v（P—功率；F—牽引力；v—速度），當(dāng)速度一定時(shí)，牽引力與功率成正比，牽引力越大需要的功率就越大，功率越大產(chǎn)生的碳煙廢氣就越多，消耗的氧氣就越多。

（2）《列車(chē)牽引力計(jì)算規(guī)程》機(jī)車(chē)對(duì)計(jì)算速度及計(jì)算牽引力的規(guī)定[2]。

內(nèi)燃機(jī)車(chē)通過(guò)長(zhǎng)度1000m以上隧道的最低運(yùn)行速度不得低于最低計(jì)算速度（以DF4為例20km/h）加5km/h；牽引力要按照海拔高度、內(nèi)燃機(jī)車(chē)周?chē)諝鉁囟取⑺淼篱L(zhǎng)度影響進(jìn)行系數(shù)修正， 計(jì) 算 公 式 Fx=F?λh?λp?λs（Fx修正牽引力、F內(nèi)燃機(jī)牽引力、λh周?chē)諝鉁囟刃拚禂?shù)、λp海拔修正系數(shù)、λs隧道修正系數(shù)）。

以DF4四臺(tái)重聯(lián)、海拔1500m為例。

Fx=F×0.930×0.855×(0.85 5+0.85+0.82+0.79)

Fx=0.664×(4×F)

通過(guò)計(jì)算可知，海拔高度、機(jī)車(chē)周邊溫度、隧道長(zhǎng)度、機(jī)車(chē)數(shù)量對(duì)牽引力修正影響達(dá)34%左右。由此可知在計(jì)算牽引力下降，總牽質(zhì)量一定時(shí)就需要更多的機(jī)車(chē)重聯(lián)，低速、惰行、多機(jī)重聯(lián)就會(huì)造成更多的碳煙廢氣排放。

3.內(nèi)燃設(shè)備排放

（1）機(jī)車(chē)沿長(zhǎng)大變坡道推送長(zhǎng)軌車(chē)列向上行進(jìn)并以惰轉(zhuǎn)工況運(yùn)行時(shí)，受熱浮升力的影響，在隧道內(nèi)形成了局部小環(huán)境空氣流場(chǎng)效應(yīng)，致使機(jī)車(chē)柴油機(jī)進(jìn)氣量嚴(yán)重不足、燃燒缺氧，排放的碳煙廢氣大量積聚在人字坡頂附近作業(yè)區(qū)域內(nèi)。

（2）多臺(tái)機(jī)車(chē)重聯(lián)方式推送運(yùn)行作業(yè)時(shí)，受機(jī)車(chē)編組方式排列序次影響，排放的廢氣在補(bǔ)機(jī)位流動(dòng)受阻，特別是在惰轉(zhuǎn)工況運(yùn)行時(shí)，受局部形成的小環(huán)境空氣流場(chǎng)影響，機(jī)車(chē)排放的廢氣集聚在補(bǔ)機(jī)位周?chē)y以擴(kuò)散，嚴(yán)重影響前后重聯(lián)內(nèi)燃機(jī)車(chē)的進(jìn)氣工況，導(dǎo)致燃燒不完全的碳煙廢氣排放量在作業(yè)區(qū)域內(nèi)急劇增加。

（3）內(nèi)燃機(jī)車(chē)油耗[2]

根據(jù)《牽規(guī)》附表P1 DF4（貨）型內(nèi)燃機(jī)車(chē)牽引計(jì)算主要數(shù)據(jù)表，4臺(tái)機(jī)車(chē)重聯(lián)作業(yè)時(shí)每班消耗的柴油數(shù)量達(dá)4.78t，加上長(zhǎng)軌列車(chē)、拖拉設(shè)備、焊軌設(shè)備等內(nèi)燃機(jī)油耗，鋪軌作業(yè)每班次總油耗超過(guò)5t 。

（4）內(nèi)燃機(jī)車(chē)碳煙排放估算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，單線隧道內(nèi)假設(shè)自然風(fēng)速為零，1小時(shí)內(nèi)機(jī)車(chē)周?chē)諝馓紵煆U氣的濃度就能達(dá)到50%以上，由此可見(jiàn)隧道內(nèi)通風(fēng)多么重要。

（三）隧道所在地氣象條件

鋪軌作業(yè)時(shí)長(zhǎng)大隧道機(jī)械通風(fēng)不具備條件，大部分施工單位均采用自然通風(fēng)。近年來(lái)隱患（事故）主要發(fā)生在海拔1500m以上長(zhǎng)大隧道，低海拔地區(qū)少有發(fā)生。發(fā)生隱患（事故）主要原因是隧道洞口自然風(fēng)、洞內(nèi)外溫差和進(jìn)出口高程差的組合壓差小、洞內(nèi)自然風(fēng)速小、空氣流動(dòng)不暢，導(dǎo)致重聯(lián)運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)車(chē)燃燒嚴(yán)重缺氧，排放工況極度惡化，廢氣大量積聚超標(biāo)。

1.自然通風(fēng)

自然通風(fēng)與洞內(nèi)的自然風(fēng)速、風(fēng)向及洞口的氣壓、溫度、濕度、自然風(fēng)速、風(fēng)向等氣象資料及洞內(nèi)外溫度差等多種因素有關(guān)，且時(shí)常會(huì)隨時(shí)間和季節(jié)而變化。施工前最好作實(shí)地觀測(cè)，掌握自然風(fēng)變化規(guī)律，合理安排鋪軌作業(yè)時(shí)間。

2.高海拔低壓缺氧

（1）在高原氣候特征中，主要影響人體健康的是低壓和缺氧，缺氧會(huì)隨著海拔高度的不同而表現(xiàn)出不同的癥狀。在此氣候條件下，人體易產(chǎn)生不適，尤其是在隧道內(nèi)的有害氣體對(duì)人體有危害的情況下，相對(duì)于平原地區(qū)，這種危害作用的影響被放大，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。

（2）由于高海拔地區(qū)空氣中氧含量不足、大氣壓力低，進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)的空氣質(zhì)量較小，氣缸內(nèi)壓力值低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，致使噴油器霧化不良，燃燒工況惡化，排放含有大量碳煙微粒（黑煙）的廢氣。

（四）長(zhǎng)大隧道鋪軌作業(yè)的再認(rèn)知

由于對(duì)長(zhǎng)大隧道線路縱坡、縱坡形式、隧道斷面、機(jī)車(chē)牽引力、有限空間自然風(fēng)速等因素認(rèn)知不到位，有的甚至停留在10-20年以前水平，所以造成風(fēng)險(xiǎn)研判不全面、采取措施不到位、運(yùn)輸方案不合理。

1.作業(yè)人員職業(yè)健康和風(fēng)險(xiǎn)防范意識(shí)不強(qiáng)

碳煙廢氣中CO會(huì)造成中毒、NO2會(huì)造成人體不適并影響職業(yè)健康。作業(yè)人員要正確認(rèn)知有限空間環(huán)境、碳煙廢氣、環(huán)境溫度升高等的危害機(jī)理，作業(yè)過(guò)程需要正確使用和佩戴防護(hù)用品，提高風(fēng)險(xiǎn)防范意識(shí)。

2.鋪軌作業(yè)理念亟待提升

采取技術(shù)措施降低風(fēng)險(xiǎn)和隱患，比如，長(zhǎng)大隧道編制專(zhuān)項(xiàng)針對(duì)性方案，減少列車(chē)牽引質(zhì)量，利用自然風(fēng)速最大時(shí)段作業(yè)，利用所有輔助通道通風(fēng)，減少洞內(nèi)內(nèi)燃設(shè)備使用數(shù)量等。最大限度避免不利因素疊加；采取組織措施減少施工作業(yè)時(shí)間，比如，每班作業(yè)時(shí)間減少為4-6小時(shí)，減少進(jìn)洞作業(yè)人員數(shù)量。加強(qiáng)對(duì)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備日常保養(yǎng)和檢查，確保柴油機(jī)和增壓器質(zhì)量狀況良好、燃燒正常；盡量壓縮自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備隧道內(nèi)有火停留時(shí)間、減少隧道內(nèi)部氧氣消耗和自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備尾氣排放量。

三、預(yù)防措施改進(jìn)

（一）鋪軌作業(yè)前

（1）作業(yè)前對(duì)隧道口的自然風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓等提前3-5天進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向等資料合理安排作業(yè)時(shí)間。

（2）對(duì)擬作業(yè)區(qū)段逐隧進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合施工地段現(xiàn)場(chǎng)坡度情況，核定牽引定噸，優(yōu)化機(jī)型和機(jī)車(chē)數(shù)量，增加牽引能力、減少尾氣排放。

（3）隧道的所有斜井、橫洞、平導(dǎo)等輔助坑道，在鋪軌作業(yè)前不得進(jìn)行封閉，應(yīng)作為隧道通風(fēng)口進(jìn)行使用，對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行全面除塵作業(yè)。

（4）組織作業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)，培訓(xùn)碳煙廢氣毒害的危害和辨識(shí)、安全防范措施、防護(hù)用品的正確使用、事故案例、應(yīng)急處置等。

（5）對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行安全交底，告知作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)方案、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)源辨識(shí)結(jié)果，安全要求及應(yīng)急處理措施等。

（6）制定應(yīng)急預(yù)案并進(jìn)行應(yīng)急演練，提高應(yīng)急處置能力。

（二）鋪軌作業(yè)中

（1）對(duì)長(zhǎng)大縱坡、人字坡、“S”灣隧道，要控制內(nèi)燃設(shè)備數(shù)量，且不宜在隧道內(nèi)進(jìn)行其他施工作業(yè)。

（2）作業(yè)人員正確使用防護(hù)用品。安排專(zhuān)人對(duì)隧道內(nèi)的作業(yè)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有害氣體濃度超標(biāo)時(shí)，立即通知作業(yè)人員采取防護(hù)措施并撤離隧道。

（3）加強(qiáng)通風(fēng)管理，在有通風(fēng)系統(tǒng)隧道內(nèi)作業(yè)時(shí)，應(yīng)合理配置風(fēng)量和控制風(fēng)速，確保有毒、有害氣體濃度、濕度、風(fēng)速符合要求。采用自然風(fēng)通風(fēng)時(shí)，要采取措施對(duì)作業(yè)區(qū)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，保持空氣流通。

（三）醫(yī)療和供氧保障

（1）在高海拔隧道內(nèi)作業(yè)，應(yīng)配套相應(yīng)醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)，并配備生化分析儀、呼吸機(jī)、麻醉機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀等醫(yī)療設(shè)備，保證一旦有人出現(xiàn)病情可在半小時(shí)內(nèi)得到有效治療。

（2）作業(yè)時(shí)洞口應(yīng)設(shè)置固定急救箱，配備急救醫(yī)療器械和應(yīng)急藥品，其種類(lèi)和數(shù)量應(yīng)根據(jù)隧道所處地理位置、附近醫(yī)療機(jī)構(gòu)狀況、風(fēng)險(xiǎn)主要類(lèi)型、作業(yè)人數(shù)等因素進(jìn)行配置。

（3）隧道內(nèi)管理、作業(yè)人員進(jìn)洞作業(yè)時(shí)應(yīng)隨身攜帶便攜式急救包，急救包具有防水和防火等功能。作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配備移動(dòng)式急救箱，急救箱具有防水、防火、反光功能。

（4）作業(yè)人員配備便攜式氧氣袋，便于緊急情況下使用。

四、結(jié)論與建議

軌道作業(yè)時(shí)隨著內(nèi)燃設(shè)備的氧氣消耗、廢氣排放，氧氣含量不斷下降、有毒有害氣體不斷增長(zhǎng)，洞內(nèi)環(huán)境不斷惡化，安全隱患（事故）的成因可歸納為洞內(nèi)自然通風(fēng)、內(nèi)燃設(shè)備排放、隧道所在地氣象條件、洞內(nèi)環(huán)境惡化的認(rèn)知等，鋪軌作業(yè)只要洞內(nèi)自然風(fēng)速不小于1.5-2m/s（或機(jī)械通風(fēng)），施工企業(yè)采用措施得當(dāng)，作業(yè)人員職業(yè)健康防護(hù)到位，一般情況下是不會(huì)發(fā)生碳煙廢氣中毒隱患（事故）的，相關(guān)建議如下。

（1）提前啟用隧道通風(fēng)系統(tǒng)，鋪軌作業(yè)時(shí)開(kāi)啟通風(fēng)，為作業(yè)面提供新鮮空氣，排出碳煙廢氣等有毒有害氣體。

（2）亟待提升和更新長(zhǎng)大隧道鋪軌作業(yè)理念，作業(yè)前做好專(zhuān)項(xiàng)施工方案，采取組織措施、技術(shù)措施、利用新設(shè)備及新工藝，減少內(nèi)燃設(shè)備碳煙廢氣排放，在自然風(fēng)速符合要求的前提下進(jìn)洞作業(yè)。

（3）不斷提升作業(yè)人員職業(yè)健康防護(hù)意識(shí)和應(yīng)急處置能力，防止安全隱患（事故）的發(fā)生。