高寒高海拔隧道施工通风设施性能现场测试及优化

张 欣， 黄志军， 周国宁， 张 力， 陈 伟

(1.中铁十二局集团第一工程有限公司，山西 太原 030024； 2.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070； 3.兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州 730070； 4.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000； 5.深圳高速工程顾问有限公司，广东 深圳 518000)

西部高原地区公路隧道多为典型的高寒高海拔隧道，由于特殊的环境因素，给隧道的设计和施工带来了巨大的挑战。为了使高寒高海拔地区隧道施工的空气质量满足规范要求，保障施工人员的健康，改善施工环境，对高寒高海拔地区隧道施工通风技术进行研究很有必要。

经调查，国内目前已经有很多学者对高寒高海拔隧道通风进行了大量研究。王明年等(2017)总结了隧道通风技术的发展；苟红松等(2012)对高海拔隧道施工通风风量进行了计算并且对通风机械的选择进行了研究；赵军喜(2009)对高海拔低气压地区隧道施工通风技术进行了研究；陈卫忠、郭小红等(2008)通过研究分岔式隧道工程结构的复杂性，利用理论运算与回归分析给出了隧道中的风互相影响和隧道风速及隧道间距的关系式；侯永和、张念中等(2009)研究了特长隧道采用无轨运输的情况；危宁、李力等(2006)研究了理想气体运动状态以及对通风过程进行分析，得出了施工过程有害气体浓度扩散公式；杨春丽、刘骑等(2011)研究运用软件对独头巷道工作面涌出瓦斯的时空分布进行模拟分析；高建良、吴研、张生华等(2009)研究通过改变风筒出口位置，研究风流场与瓦斯浓度场受到的影响。国外KarKi K C，Patankar S V等(2000)通过隧洞火灾流场的研究，运用CFD软件对火灾过程进行了实时模拟研究；Tabarra M等(1995)运用CFD软件建立隧道模型，进行射流模拟。

目前，对于开挖过程通风情况的研究，可以适当借鉴运营通风的基本理论与数值模拟方法。然而对于高海拔隧道通风以及通风量的计算，国内外学者还未得出较为统一的标准，在这一方面还得做进一步研究。

本文根据工程实际对高寒高海拔地区施工阶段隧道通风设施优化进行研究，并提出了一些建议。

1 工程概况

米拉山隧道位于西藏自治区工布江达县境内，与拉萨市墨竹工卡县相邻，隧道南北向横穿米拉山。隧道按国家一级公路标准修建，设计时速80 km，采用分离式隧道，隧道净宽10.25 m，净高5 m，行车道宽4.5 m，是目前世界上海拔最高的特长公路隧道。米拉山隧道进出口设计高程均超过4 750 m，左线长5 727 m，最大深埋375 m；右线长5 720 m，最大深埋391 m，隧址区海拔高，建设和运营难度大。

2 米拉山隧道施工中隧道通风问题及现场测试方案

2.1 米拉山隧道环境状况难题

(1)高海拔地区的氧含量很低导致在施工作业过程中大型施工机械燃料燃烧不充分，严重降低了机械效率，导致施工效率严重下降的问题；

(2)米拉山隧道所处海拔高度均在4 700 m以上，气温、氧气含量相对平原下降较多，海拔高导致施工人员作业过程长期处于缺氧状态，工作效率严重下降的问题；

(3)隧道所处海拔较高，且隧道采用钻爆法施工，钻爆作业过程中会产生大量有毒、有害气体以及噪声，有害气体(如CO、NO等)及噪声影响作业人员的健康问题。

隧道通风的好坏成为隧道施工中的重中之重，由于隧道隧址处所处的环境状况很恶劣，隧道通风差必然会影响到隧道整体施工的进行，进而影响施工效率及进度。

2.2 量测项目及方案

(1)测试的主要内容为隧道不同测点处的含氧量、洞内的有害气体含量以及各测点处风速。

(2)测点布置：对隧道进行测点布置，隧道洞身段设置10个测点，从洞口开始，每隔200 m设置一个测点直至掌子面处，在各测点处完成对风速、有害气体浓度的测量。测点布置如图1所示。

图1 测点布置图

(3)测试选用的主要仪器有：CD4多参数气体测定仪，用于环境中氧气含量以及CO含量的测试；便携式风速计，用于隧道内风速测试。

2.3 现场通风设备及参数

风机相关技术参数如表1所示。试验拟定对风机3个部位的风速进行测量：(a) 风机入风口；(b) 风机中部某个管壁处；(c) 风机出风口处。

表1 风机相关技术参数

3 通风设备沿程损耗测试及分析

3.1 风管进口及洞内风速测试

对米拉山隧道施工期输风设备风压测试，分别在进口端、沿程、出口端测量实际风速(隧道进出口以及斜井所采用的风机型号相同)，在风机不同位置处每隔2 min测定一次平均风速，累计测定20 min，测定数据如图2～3所示。

图2 风管进风口处风速的测量

从测试结果看，风机从开机到稳定工作时，风速保持在11.2～14 m/s之间，可以保证给掌子面输送新鲜空气的需求。隧道洞内空气流动速度在0.2～1.5 m/s之间，风管输送到掌子面的新鲜空气可以稀释洞内一定范围内的施工期间污浊的空气。

图3 出口端右洞内不同测点处风速的变化

3.2 洞内氧气、有害气体测试

针对施工过程中隧道内作业面不同，对氧气和有害气体含量进行测试，了解洞内空气参数实际情况。掌子面处有机械作业，产生大量废气，致使掌子面施工环境恶劣，进而在不同测点处的氧含量、有害气体含量随测点的不同的变化情况如图4～6所示。

现场测试结果表明，高海拔地区由于环境条件限制，空气中氧气含量本来就低于一般水平。从隧道洞口到掌子面，洞内氧气含量有降低的趋势，而洞内一氧化碳含量从掌子面到洞口有降低趋势。根据隧道作业相关规范的要求，为了保证现场工作人员的健康，必须评价工作区域内的氧气、一氧化碳含量，对不符合相关要求的区段采取措施进行处理。

图4 出口端不同测点处氧气含量的变化

图5 出渣作业过程中隧道位置不同测点处有害气体和氧气含量

图6 爆破作业1 h后不同测点处有害气体和氧气含量

3.3 现场测试数据分析

氧气是人类生命活动的基本必需物质之一，人体必须不断地吸入氧气，呼出二氧化碳，需要的氧量取决于人的体质、精神状态和劳动强度，见表2，缺氧对人体的影响见表3，现场实测工作场地氧含量见表4。

表2 不同劳动强度的耗氧量

表3 人体缺氧症状与氧浓度关系

表4 米拉山隧道现场相关环境参数实测数据

对表4现场测试数据进行分析，得出：

(1)隧道位置对初始参数有影响：米拉山隧道进口端和出口端的气候区域差异、植被覆盖条件的差别以及海拔不同，左洞进口端的洞口和左洞出口端洞口的氧气含量相差0.5%，掌子面处氧气含量相差0.7%，洞口处风 速相差0.7 m/s，掌子面处风速基本持平；右洞进口端的洞口和右洞出口端洞口氧气含量相差0.5%，风速相差0.9%，掌子面处氧气含量相差0.7%，风速基本持平。

(2)施工期洞内不同位置空气条件没有明显变化：米拉山隧道随着测点的不同，氧含量、风速随着测点接近掌子面均有所下降。

(3)高海拔条件对洞内空气质量的影响：米拉山隧道由于高寒高海拔氧含量低，出渣及爆破时燃料的不充分燃烧，掌子面处CO等有害气体含量明显超标。

4 结论及优化建议

(1)现场实测数据分析表明，一般条件下，在海拔达4 750 m的地区，隧道内施工场地氧气含量明显低于一般地区4%～6%，必须采取有效措施提高工作面空气氧含量，建议通过加强通风和机械增氧综合措施。

(2)施工现场测试数据分析表明，高寒高海拔地区隧道内工作区范围气体流动速率明显不足，有害气体含量容易超限，建议提高通风设备的功率，有足够的功效储备。

(3)建议充分利用现代监控手段和大数据分析结果，实时监控高寒高海拔地区隧道施工过程中的施工场所环境参数，达到作业人员健康保护和提高工效目的。