高原长大隧道作业环境改善技术研究

林剑忠

中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司 福建 福州 350013

引言

近年来，随着西部大开发、一带一路的开发进程的加快，出现了越来越多的特长隧道，甚至还有高海拔特长隧道[1]。作业环境主要包括空气中的含氧量、粉尘浓度、有害气体、高温和噪音等，这里只讨论与高原有关的空气中的含氧量、粉尘浓度、CO含量。高原地区空气稀薄，氧分压低，环境相当恶劣，工人对粉尘和有害气体的抵抗能力降低；另外，缺氧会使内燃机械燃油燃烧不充分，产生更多的CO气体，加重隧道内空气的污染，严重威胁施工人员的身体健康，高原地区隧道施工环境问题必须引起足够的重视[2]。通过川藏铁路嘎益隧道进口独头掘进为背景，对高原长大隧道施工环境及改善方案进行研究，保证作业人员身体健康，提高机械运转效率。

1 工程概况

川藏铁路嘎益隧道位于西藏自治区察雅县，为单洞双线隧道，全长10187m，其中进口独头掘进长度3902m，纵坡5‰，洞口海拔4145m，年平均气压59.3kPa，最高气温25℃，最降气温-20℃。

2 作业环境有关的标准

空气中氧气含量不低于19.5%；

粉尘容许浓度：含有10%以上游离SiO2的粉尘不得大于2mg/m3；含有10%以下游离SiO2的矿物性粉尘不得大于4mg/m3；

空气中CO含量：海拔在2000～3000m的地区，最高容许浓度为20mg/m3；海拔大于3000m的地区，最高浓度为15mg/m3。

3 洞内施工环境分析及改善方案

高原隧道具有“气压低、氧分压低、气温低”的特点，造成隧道洞内恶劣的作业环境。长大隧道进一步加剧施工环境的恶化。

3.1 低氧低压对人体的影响

3.1.1 影响分析。高原地区低氧低压对施工人员身体带来的主要问题是缺氧，并出现高原反应，危害作业人员的生命安全，工作效率大幅度降低。人体缺氧主要由二大因素引起，一是空气稀薄，空气中的含氧量不足。医学研究表明，如果空气中含氧量处于19%以下，大部分人群可能会出现缺氧症状。二是气压低，人体血液吸收氧分少。自然气压下降时，人体的动脉氧分压下降，动脉血氧饱和度随之下降，导致人体发生一系列生理反应。

表1 各海拔高度临床缺氧程度

从表1可知，高原对人的身心健康、劳动能力影响非常明显，有可能造成高原肺水肿、脑水肿和慢性高原病。

3.1.2 改善方案。高原空气中氧分压低，通风已经不能满足隧道内作业人员缺氧的问题。通过人工供氧方式，使两个高度的人体肺泡氧分压水平和机体生理效应彼此很接近，则就其对机体的供氧作用而言，可以认为它们是“等效的”[3]。例如，在4000m高度呼吸25%富氧气体时的肺泡氧分压相当于2600m呼吸空气，通过人工供氧方式解决高原缺氧问题是可行的。人工供氧有个人携带供氧和弥散式供氧二种方式。由于该隧道采用全套机械化施工，作业人员较少，作业时采用人工携带供氧，身体不适或轮流休息时在移动氧吧车内弥散式供氧。采用该方案后，高原反应明显减弱，检测施工人员生理指标结果显示，心率和血压受供氧影响较小，但血氧饱和度增长率有明显提高，供氧前平均值为84%，供氧后平均值为89，增长率6%。施工人员定期体验未发现脑水肿、肺水肿等病例。

3.2 低氧低压对内燃机械尾气排放的影响

3.2.1 影响分析。在高原地区，低氧导致内燃机械燃油燃烧不充分，CO等有害气体排放比平原地区高，加重对作业环境的污染。在嘎益隧道施工中测试，采用徐工ZL50GV装载机进行装碴作业，实测燃油消耗量为25L/h，为平原正常状态17.5L/h的1.4倍。柴油机的油耗增加，造成燃油机械尾气排放增加。低压还导致内燃机械排放的尾气膨胀，单位体积内空气占比减少，氧含量减少，燃油燃烧更不充分。

3.2.2 改善方案。高原长大隧道通风困难，单独依靠通风稀释机械尾气十分困难，减排尤为重要。

3.2.2 .1 采用电动施工机械。国内移动电动施工机械目前处于试生产阶段，造价较高。批量生产后，电动施工机械生产成本将下降，有望普及。

3.2.2 .2 选用带增压器的柴油机械设备，提高燃油燃烧率。经计算，在出碴阶段，主要内燃施工机械安装机前增压助燃尾气净化器，隧道内CO含量可以减少约25%左右。

3.2.2 .3 严禁汽油机械进洞。汽油机比柴油机产生更多的CO。

3.2.2 .4 加强通风，提高空气含氧量，使燃料充分燃烧。

3.3 低压对轴流式风机的影响

3.3.1 影响分析。轴流式风机标定的性能参数均指平原地区的参数，在高原环境下将产生变化。

3.3.1 .1 轴流式风机理论全压。

式中：P—理论全压，Pa；

ρ—空气密度，kg/m3；

µ—气流的圆周速度，m/s；

C2µ、C1µ—风机叶道入口和出口气流的绝对速度在圆周速度方向的投影，kg/s。

由式（1）可知，对同一台风机而言，µ、C2µ、C1µ不变，在高原气候条件下，其全压将因空气密度的减小而成比例大幅度下降。在4145m海拔位置处，空气密度为0.77kg/m3，在海平面位置处，空气密度为1.29kg/m3，4145m海拔位置处空气密度是0m海拔位置处的60%，因此，风机理论全压下降到60%。

3.3.1 .2 轴流式扇风机的理论流量。

式中：Q—理论流量，m3/s；

Ca—平均轴向速度，m/s；

D—叶轮外径，m；

d—轮毂直径，m。

由式（2）可知，风机的流量不会因气候条件改变而改变，同一台风机平原和高原的流量是一样的。

3.3.2 改善方案。从分析可知，在高原上，风机的主要影响是风压下降。由式（1）可知，在风机安装的位置，空气密度ρ是不变的，提高风压只有相应增大µ（C2µ一C1µ）这一项，即提高风机的机械性能。

3.3.2 .1 增加风机的级数。经过多级风扇加压，大幅度增加风机工作压力。针对不同工序所需的不同风量风压，启动不同级数，实现风压可调，减少用电量，节省成本。

3.3.2 .2 叶片角度可调。通过调整叶片角度，调节风压，适应各种工况的需求。

3.3.2 .3 提高叶轮的转速。配置大功率电机，提高风机的动力。

3.4 长风筒对通风的影响

3.4.1 影响分析。长距离管路送风，将出现大幅度管路漏风，风压下降。

3.4.1 .1 风筒漏风。

式中：P—总漏风率

p100—每100m平均漏风率；

L—风筒长度，m。

嘎益隧道采用压入式通风，风筒长3900m，百米漏风率与通风效率的关系见图1。

图1 百米漏风率与通风效率的关系

从图1可知，同一风筒长度，风筒百米漏风率与通风效率为凹曲线递减关系，百米漏风率越小，通风效率提高越显著。对于3900m长风筒，在平原地区，当p100为3%时，P为30%；当p100为1%时，P为67%，通风效率提高2.2倍。

漏风主要出现在风筒接头处和破损处。风筒距离风机越近，风筒内的风压越大，风筒内外的静压差越大，则风筒的漏风风速越快，漏风量越大。单纯提高风机的风量抵消风筒的漏风不可取，应减少风筒的漏风率。

在风机风压不变的情况下，高原地区隧道施工风筒漏风率约为平原地区的1.5倍，且在高原地区风筒漏风率随风管长度增加而增大较快。

3.4.1 .2 风筒沿程摩阻力。

式中：λ—管道摩阻系数；

L—风筒长度，m；

γ—空气密度，kg/m3；

V—风筒平均风速，m/s；

D—风筒直径，m；

Q进、Q出—风筒进出口风量，m3/s。

在海拔4145m、风筒长3900m条件下，风筒直径与沿程摩阻力的关系如图2。

图2 风筒直径与沿程摩阻力关系图

从图2可知，风筒沿程摩阻力与风筒直径为凹曲线递减关系，加大风筒直径早期沿程摩阻力有明显递减，加大到2.2m后沿程摩阻力递减趋于缓慢。风筒直径1.4m的沿程摩阻力为31.6kPa，风筒直径2.2m的沿程摩阻力为3.3kPa，减少9.6倍。

3.4.2 改善方案。

3.4.2 .1 选择无缝耐磨抗拉的风筒，加大每节风筒长度，接头采用拉链连接，风筒的百米漏风率可小至1%。

3.4.2 .2 采用大直径风筒。如嘎益隧道采用2.2m直径的风筒，把风压控制到现有市场上风机所能提供的风压范围。

3.4.2 .3 加强通风管理。定期检查风筒的漏风情况，发现破损及时修复，减少风筒漏风率。

3.5 长大隧道对粉尘的影响

3.5.1 影响分析。隧道粉尘主要来源于钻孔、爆破、出碴扬尘、喷浆。随着长大隧道独头掘进长度的增长，现有的通风系统不足以把烟尘降低到标准值，有必要采取降尘措施。检测表明，湿钻比干钻降低80%的粉尘含量，湿喷比干喷降低90%的粉尘含量，正常通风就能控制湿钻和湿喷粉尘在2mg/m3以下。目前在隧道施工中，湿钻、湿喷已经得到普及，较好的降低粉尘的浓度。凿岩台车和湿喷机械手的使用，操作人员得到很好的保护。因此，爆破和出碴扬尘成为产生高浓度粉尘的两道主要工序。

隧道独头掘进的长度越来越长，3900m压入式通风长度，单纯依靠通风排除爆破和出碴产生的粉尘时间长、成本高。爆破时掌子面粉尘浓度稀释到标准值所需的时间超过30min。经现场检测，装车和运输产生的扬尘让洞内粉尘长时间超标，出碴需要2～4h，粉尘高达5.1mg/m3，为标准值2mg/m3的2.6倍。

3.5.2 改善方案。爆破、出碴除尘主要有二个途径，一是通过通风把粉尘运移出洞外，同时在运移过程中粉尘不断扩散、沉降，浓度不断下降。二是降尘。对于长大隧道，采用两者结合的改善方案。

3.5.2 .1 加强通风是降低粉尘浓度的基本措施，通过风流对粉尘进行运移、扩散，粉尘得到稀释和排放。

3.5.2 .2 爆破时掌子面采用机械除尘器降尘。嘎益隧道采用铁建重工SCC1500G高原隧道除尘台车，经现场测试，除尘台车距离掌子面50m，通风回风速度0.25m/s，全断面爆破后18min粉尘降到2mg/m3。

3.5.2 .3 出碴时碴堆用高压水雾喷洒抑制装碴扬尘，道路采用洒水车、抑尘车（雾炮车）洒水喷雾抑制车辆扬尘。

4 结束语

通过高原长大隧道洞内施工环境分析和改善技术的研究，得到如下结论：

建立海拔高度与医学临床缺氧程度的关系，得出高原各海拔高度人体生理的危害程度。身体检测证明，采取个人携氧、氧吧车供氧等改善方案，能有效缓解高原施工人员的生理健康。

海拔对内燃机械的功率和尾气排放影响大。少用或不用内燃机械，推广电动机械。严格限制废气排放，内燃机械应安装增压助燃尾气净化器，使燃油充分燃烧，减少CO排放。

轴流式风机的风量与海拔无关，风压随着海拔上升而直线下降。采用多级风扇加压、叶片角度可调、大功率电机等方案，可提高风机的风压。

加大风筒直径，采用小漏风率风筒并及时修复破损，可明显改善通风效率，减轻风机的压力。

爆破和出碴是高原粉尘的主要因素。爆破采用机械除尘器降尘、装碴采用高压水雾洒水碴堆抑制扬尘、运输道路采用洒水车、抑尘车喷洒抑制扬尘。