摘要：针对高海拔地区低压、缺氧特征，分析了高海拔地区隧道施工通风与低海拔地区常规隧道的异同及具体特点，并依托临沧至清水河高速公路马家寨隧道双洞平行掘进约2.5km的实际案例，从施工通风方案设计、通风技术、供氧技术、设备选型及设备与方案的平衡匹配等方面进行了全方位研究，提出了高海拔地区隧道施工通风、供氧新技术。
关键词：隧道；高海拔；施工通风；供氧
随着我国基础建设的飞速发展，在高海拔的云贵青藏等地的长大隧道建设日益增多。但国内公、铁路、水电等行业的施工规范中，对高海拔地区的通风、供氧参数均没有确切的计算方法，造成施工技术人员的困惑，极大阻碍了通风技术的发展。
准确进行高海拔地区隧道施工通风设计，不仅可以保障施工人员的身体健康和设备的正常运转，还可给我国的重点工程——川藏铁路积累施工经验，具有极高的现实意义。鉴于此，依托马家寨隧道，对高海拔隧道的通风及供氧技术展开研究。
1 背景案例
1.1工程概况
云南临沧至清水河高速公路马家寨隧道为双向四车道分离式结构，全长5143m（5067m），起讫里程K50+360～K55+503（ZK50+370～ZK55+437）。其中2标施工区间（隧道）右幅里程K50+360～K52+900，长度2540m；左幅里程ZK50+370～ZK52+894，长度2524m。合同工期3年。
路线轴线海拔1474.2～1959.97m，相对最大高差483.77m，隧道路面平均海拔1542m。
隧道施工采用台阶法钻爆开挖，无轨运输，洞内设多处车行和人行通道可供利用。
1.2工程特点
（1）该隧道位于高海拔地区，与长距离掘进的隧道相比，其掌子面对风量的需求与低海拔地区相比区别不显著，但无轨运输时稀释内燃设备一氧化碳的需求风量远高于低海拔地区。
（2）该隧道虽位于高海拔地区，但排尘风量主要与粉尘浓度有关，而与空气重率无关，因此海拔高度对排尘风量（洞内最低风速）无影响。
（3）在高海拔地区，由于空气密度降低，自然状态下大气中的氧气含量已不能满足人体不缺氧状态的需氧量，而隧道内部的氧气体积分数由于施工人员、设备等的消耗，将持续低于自然状态时的氧气体积分数。
1.3通风方案
根据铁路隧道及矿井的施工经验，并行双洞公路隧道掘进时采用巷道式通风，压缩通风段落长度，节约施工成本。
2 通风设计
2.1设计参数
正洞台阶法开挖有效爆破深度取3.5m，开挖面积A≈60m2，内轮廓断面面积s≈65m2；单位体积岩石炸药用量取0.9kg/m3；排除炮烟通风时间取20min；根据施工通风经验并结合现场实际，风带百米漏风率取β=2.5%；柴油机用风指标取4.5m3/min•kW；自卸车洞内行车速度12km/h。
2.2工作面需风量计算[1]
2.2.1按洞内作业人数计算风量
每人每分钟新鲜空气需求量q=3m3/min，风量备用系数取k=1.2，同时工作人数按m=90计算。则Q1=k•m•q=1.2×90×3=324m3/min；
2.2.2按除尘风速计算风量
按除尘最低允许风速υ=0.15m/s，计算工作面风量：Q2=60υ•s=60×0.15×65=585m3/min；
2.2.3按稀释爆破有害气体计算风量
单位炸药用量0.9kg/m3，循环进尺3.5m，开挖断面积A=60m2。
一次爆破炸药用量G=0.9×（60×3.5）=189kg，炮烟抛掷长度L0=15+G/5=15+189/5=53m。
计算的炮烟抛掷长度为53m，但实际应用时，考虑到通风区段长度要满足掌子面到二衬区段通风需求，一般按100m考虑，取L0=100m。取爆破后通风时间t=20min，工作面新鲜风量需求计算为：
。
2.2.4按稀释掌子面内燃设备废气计算风量
根据施组，采用24t红岩自卸车出碴，装机功率225kW；ZL50型装载机装碴，功率150kW。考虑重车负荷率0.8，空车负荷率0.3，装载机负荷率0.7，所有设备的利用率0.8，可计算掌子面处（重车、轻车、装载机各1）内燃设备需风量为1323m3/min。
从以上结果比较，稀释掌子面内燃设备废气所需风量是所有计算风量中最大的，从安全角度考虑，工作面设计风量取值Q=1350m3/min。
2.3施工通风的工作面风量计算及风机选择
风机的总供风量按稀释全部内燃设备废气的要求来确定，每辆车装碴循环时间为6min，行车时速12km/h。按
[2]及
[3]，可计算得到各施工区机械布置及供风量如表1。
表1 各区间机械布置及供风量计算
虽然公路隧道施工规范中对高海拔隧道施工通风没有明确的要求，但高海拔对通风参数构成重要影响：一是高海拔地区由于空气稀薄，气压降低，炮烟体积膨胀，产生的有害气体增加，排除炮烟风量需要增加；二是在低气压的高原条件下，内燃设备的排放废气也发生体积膨胀，因此需风量也相应增加，但发动机氮氧化物排放与一氧化碳排放比值[4]远低于规范[5]（此处参照有具体参数的铁路规范）中浓度要求的比值，计算时仅对一氧化碳校正即可。
在海拔1600m处，空气重率高程校正系数[2]
=0.86。掌子面需风量值为1350m3/min，可计算出该海拔处炮烟体积增大需风量校正值[2]为
=1456m3/min。
采用
可计算海拔1600m处稀释一氧化碳（尾气）需风量校正值[5]如表2所示。
表2 各区间内燃设备需风量海拔校正值
2.4通风系统设计
根据规范[6]，风带设计风速宜为6～14m/s，按掌子面需求风量1456m3/min，推算风带直径范围为
=1.5～2.3m。结合隧道断面特点，风带直径取1.8m。
平行双洞施工时，施工组织一般为错位工序施工，总通风量满足单掌子面普通需求及另一掌子面出碴需求即可，即Q=739+4020=4759m3/min。巷道式通风时，选择2台3000m3/min的风机即可满足全洞通风量需求。
掌子面最大需风量为1456m3/min，而风机供风量为3000m3/min，从节能角度考虑，风带百米漏风率可适当放大。取百米漏风率β=2.5%，按通风距离1500m，计算漏风系数[2]
=1.6。即掌子面出风量为1875m3/min。
根据风带摩阻力计算公式[7]
和局部阻力计算公式hx=0.612εQ2/S2≈0.1hf，可计算总阻力损失h=hf+hx。式中，h为总阻力，Pa；
为摩擦阻力系数，取值0.002N•s2/m4；L为供风长度，m；U为风带周长，m；Q为风道流量，m3/s；S为风带面积，m2；hx为局部阻力，Pa；hf为摩擦阻力，Pa。
根据计算，h=1680Pa。
采用公式[2]W=KQH/60η计算风机功率124kW。选用中隧风机厂ZSDF（II）-NO14型（高档110kW）风机，理论风量Q1=2500m3/min、理论风压H1=2000Pa，计算风量Q2=3000m3/min、计算风压H2=1680Pa，采用公式[2]
计算平衡后的风量、风压分别为Q3=2992m3/min、H3=1671Pa。基本满足需求。
第一阶段施工（掘进1500m）时，总耗风量Q=739+2600=3339m3/min，选用该风机低档（55kW）供风，其理论供风量2500m3/min，理论风压1000Pa，满足需求（风量1800m3/min、风压900Pa）且有富余。
3 通风布置
常规施工方法中，一般在洞口置1风机，向掌子面压入式通风。考虑本项目工期较长，电能消耗是通风中的首要考虑问题，故第二阶段（1500m以后）采用巷道式通风。
3.1方案I：第一阶段洞外压入式通风
前期掘进时，左、右洞各设1台ZSDF（II）-NO14型对旋式轴流风机安装在距洞口30m处，直接向掌子面压入通风，风带直径1.8m。最大通风距离考虑1500m，低档（55kW）供风。通风布置见图1。
图1 第一阶段洞外压入式通风系统布置
3.2方案II：第二阶段洞内巷道式通风
完成约1500m掘进后，左洞作为新鲜空气通道。洞内人行、车行横通道间距250m，靠近掌子面的横通道施工后，将ZSDF（II）-NO14型风机移至距洞口1000m处的人行横通道靠洞口方向，巷道式通风。1台风机直接向左洞掌子面供风，另1风机通过人行横通道向右洞供风，距洞口1250m处的车行横通道作为左洞出渣通道，后期最大通风距离考虑1500m，风带直径1.8m，高档（2×55kW）供风。车行横通道及左右洞共设2台射流风机，引导新鲜空气及污风方向，已施工段人行、车行横通道采用防水板等材料封闭，防止形成小循环。通风布置见图2。
图2 第二阶段洞内巷道式通风系统布置
4 施工供氧
吴秋军等经过研究，指出隧道内氧气体积分数随着距洞口距离的增加而降低，并给出了隧道内氧气体积分数与距洞口距离变化规律的拟合公式[8]：
。根据该公式，可得到距洞口2500m处氧气体积分数为15.7%，缺氧量27.2%。以此作为现场制氧标准。
施工时，在衬砌台车后一定距离设置1台移动式供氧站，洞口侧主风机向供氧站供给新鲜空气，与供氧站的氧气混合后通过供氧站内的风机供给掌子面。供氧站同时也可作为洞内工作人员的吸氧区和休息区。
图3 移动式供氧站
图中：1—平台；2—风仓；3—门；4—风机；
5—制氧机；6—风管接驳口
5 结语
常规思路中，选择优质风带可显著降低施工成本。但高海拔隧道内燃设备用风量与掌子面需风量差值大，按内燃设备需求选择风机供风量，当漏风系数较小时，掌子面的出风量远远大于需求值，平均风量过大引起风压的增大以致造成能耗增加。因此，在无轨运输隧道中，并不适宜选用优质风带，需根据通风需求选择合适的漏风系数。
高海拔地区空气稀薄，氧含量低，与富氧地区相比差距较大，尤其是在负荷条件下，氧气进气量不足，导致柴油机的功率下降，尾气排放明显增加，污染严重，对洞内施工环境影响大，故内燃机所产生的尾气是高海拔地区隧道施工通风的最大控制因素。因此，高海拔隧道施工中应尽可能提高机械化程度，既遵循“以人为本”的管理理念，又可从根本上解决高海拔环境施工通风的巨大难题。
参考文献：
[1] 陈进明.小断面长大过水隧洞通风设计[J].工程建设，2015.
[2] 张梅，王晓州.铁路隧道施工通风技术与标准化管理指导手册[M].北京：中国铁道出版社，2010.
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[4] GB17691-2018，重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].北京：国家市场监督管理总局，2018.
[5] JGJ026.1-1999，公路隧道通风照明设计规范[S].北京：人民交通出版社，2000.
[6] GB50019-2015，工业建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].北京：中国计划出版社，2015.
[7] 朱永全，宋玉香.隧道工程[M].北京：中国铁道出版社，2013.
[8] 吴秋军，于丽.高海拔特长隧道低压低氧环境施工控制技术研究[J].隧道建设，2017.
论文作者:王栋
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/22
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