高海拔隧道施工机械尾气排放影响及减排措施研究

王　耀，高菊茹，张　博

(1.中国铁道科学研究院，北京　100081；2.中铁西南科学研究院，四川 成都　611731)



高海拔隧道施工机械尾气排放影响及减排措施研究

王耀1,2，高菊茹2，张博2

(1.中国铁道科学研究院，北京100081；2.中铁西南科学研究院，四川 成都611731)

摘要：海拔在4 000 m以上地区的雀儿山隧道采用钻爆法无轨运输施工时，在主洞掌子面附近测试空气中一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、粉尘等污染物的含量，发现除CO以外的其他污染物在通风作用下均可达到隧道施工技术规范对空气质量的要求。为了分析解决CO含量超标的问题，通过对比分析爆破作业CO生成量、内燃机械的CO排放量和隧道内CO含量变化趋势，得出内燃机械在高海拔地区工作时CO排放量较大是导致隧道内CO超标的主要原因，同时提出采用尾气净化技术解决隧道施工通风中CO超标的难题。

关键词:高海拔隧道；空气质量；内燃机械；CO；尾气净化技术

0引言

伴随着我国对青藏高原等高海拔地区扶持和开发力度的逐步加深，越来越多的高海拔隧道开始修建。高海拔地区气压低，缺氧导致内燃机械燃油燃烧不充分，从而产生有害气体。为使高海拔隧道施工时的空气质量满足隧道施工技术规范，应重视隧道施工内燃机械对空气质量的影响。

目前，已经有许多学者对高海拔隧道施工机械的尾气排放特性和高海拔隧道作业环境等问题进行了大量研究。张仕杰[1]、冯国胜等[2]依托海拔在3 400 m以上的关角隧道，测试研究了高海拔隧道施工内燃机械尾气中CO和烟雾排放特性；张仕杰[3]研究了高原隧道通风量计算，提出利用安全稀释法计算通风量更准确，同时建议铁路隧道施工规范应增加不同海拔对稀释隧洞内污染气体的规定；杨立新[4]通过对国内外有害气体相关标准的调查分析，建议将有害气体CO的接触限值分为高原和非高原的情况；张廷彪等[5]提出高海拔隧道CO体积分数限值会出现高于一般海拔隧道的反常情况，对此建议区别高海拔隧道和一般地区隧道的空气卫生标准；严涛等[6]通过对汽油车CO排放量实测，推导了一种考虑多车型CO海拔高度系数的计算公式，为高海拔隧道通风计算提供了参考；张玉伟等[7]对海拔在4 000 m以上的鸡丑山隧道粉尘和CO进行监测分析，得出爆破和出渣2个工序的CO体积分数较高，出渣时在距隧道洞口400 m位置处CO体积分数最高达到401 cm3/m3，建议采取加强通风和掌子面弥散式供氧等措施控制CO的体积分数。

在前人对高海拔隧道施工CO排放特性、CO相关卫生标准和CO通风计算研究的基础上，通过实际测试CO在各施工工序中的体积分数，对高海拔隧道施工时CO含量超标的问题进行了研究。与前人研究的不同之处在于，本文重点研究CO体积分数与排放源释放之间的关系，并提出减少CO排放的措施，从而控制高海拔隧道中CO的体积分数。

1工程概况

国道317线雀儿山隧道是世界上海拔在4 000 m以上地区建设的规模最大的公路隧道，隧道全长 7 079 m，隧道进口海拔 4 378.72 m，出口海拔4 239.50 m。出口平导布设于主洞左侧约33 m，与主洞大致平行，平导长度7 018 m。

雀儿山隧道分为2个标段分别施工。隧道出口端主洞3 530 m(K344+500～K348+030)和平导出口端3 576 m(PK344+500～PK348+076)由中铁一局施工，隧道主洞纵坡为-2.6%的下坡，隧道平导纵坡为-2.585%的下坡。

1.1气候条件

隧道整体位于海拔4 200 m以上的高原地区，属高原山岭高寒气候，具有高海拔、低气温、低气压的特点。雀儿山隧道出口年平均积雪日数为161 d，年平均气温为-0.3 ℃，年平均气压约为0.6 MPa，气压仅为平原地区的60%，气候条件极为恶劣。

1.2隧道用内燃机械

雀儿山隧道采用钻爆法无轨运输施工。隧道装运渣作业时使用柳工ZL50C装载机装渣、红岩金刚CQ325SMHG36自卸车运渣、卡特320DGC挖掘机清底，此外，还有混凝土罐车等其他内燃机械。这些内燃机械均使用柴油机作为动力。

2空气质量测试分析

2.1隧道内空气质量测试

2014年10月，雀儿山隧道出口端主洞掘进深度约为1 700 m。在隧道主洞内距掌子面50 m的位置，采用CO检测仪、CO2检测仪、NO检测仪、NO2检测仪、P-5L2C数字粉尘仪等仪器多次测试隧道内空气中的CO、CO2、NO、NO2、粉尘等有害物质的含量，并对各种有害物质在爆破后30～60 min的测试数据进行统计，如表1所示。

表1　隧道内工作场所空气中有害物质测试结果

注：标准值为非高原地区时间加权平均容许体积分数(8 h)，海拔在3 000 m以上的CO最高容许体积分数为12 cm3/m3。

将《公路隧道施工技术规范》[8]对工作场所空气中有害物质容许体积分数的规定作为隧道内工作场所空气中有害物质的标准值。通风30 min时，空气中的有害物质对应表1中的最大值，其中CO、粉尘和NO含量超标；通风60 min时，空气中的有害物质对应表1中的最小值，这时除CO外的其他物质在通风作用下均达到标准要求，而且CO的最小含量仍为标准值的7.7倍，因此CO含量是影响施工通风的重要因素。

2.2隧道内CO来源分析

2.2.1内燃机械CO排放量估算

高海拔环境气压低，施工机械的柴油机尾气中CO排放量增加。《公路隧道通风设计细则》[9]中规定了内燃机械在高海拔环境下排放的CO海拔高度系数，隧道出口施工区处于海拔约为4 250 m的位置，根据规范CO海拔高度系数取为3.14，也就是说隧道施工位置的柴油机排放的尾气中CO是低海拔地区的3.14倍。

根据现阶段实施的《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法 (中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》[10]，柴油机在标准状态下CO排放限值为2.1 g/(kW·h)。若柴油机在标准状态下CO排放量刚好达到国家标准(2.1 g/(kW·h))，则可以计算柴油发动机排放CO的质量和体积，结果如表2所示。

表2　隧道用柴油机CO排放量计算

注：柴油机所在环境的气压为标准气压的60%，不考虑CO海拔高度系数。

隧道内有1台装载机装渣和3台自卸车出渣，测试表明现阶段自卸车在隧道内的工作时间占自卸车运行总时间的85%，自卸车在掌子面附近等待出渣、柴油机怠速运转时，气缸内不完全燃烧会增加CO的排放量。因此，可假设实际工作机械的数量等效于1台装载机和2台自卸车在测试位置附近工作，则隧道内柴油机CO排放量为27.44×10-3m3/min。隧址区CO海拔高度系数为3.14，则施工用内燃机械CO排放量为86.16×10-3m3/min。

根据《公路隧道通风设计细则》[9]，隧道中CO的排放量

依据标准规定和雀儿山隧道的施工情况，取qco=0.01 m3/(辆·km),fa=1.2，fd=3.81，fh=3.14，fiv=0.9，l=1 770 m，Nm=24辆，fm=1。经计算，CO排放量为1.694×10-3m3/s，即91.48 L/min。

在隧道主洞内进行出渣作业时，1台装载机和3台自卸车排出的CO如表3所示。

表3　出渣时施工用柴油机CO排放量计算

估算隧道出渣时，内燃机械的CO排放量平均值为88.5 L/min。出渣作业时间按3 h估算，则每个出渣工序共产生的CO约为15 930 L。

2.2.2爆破作业CO生成量估算

隧道爆破产生的炮烟主要包括CO、CO2和NOx等有害气体以及粉尘。根据《现代隧道施工通风技术》[11]，炸药CO产生量一般取40 L/kg，按隧道每次爆破使用100 kg炸药进行估算，则每次爆破作业CO产生量为4 000 L。

2.2.3隧道内CO来源对比

对比可知，隧道出渣阶段施工机械的柴油机产生的CO较少，但是出渣阶段产生的CO总量约为炸药爆破时产生CO的4倍。

爆破所致的CO是瞬间产生的，对隧道作业区空气的影响主要体现在爆破后通风的前期。随着通风时间的增加，对爆破产生的影响逐渐降低。测试时隧道内其他污染物含量下降速度较慢，隧道内的通风量较小，没有达到施工通风的要求。

内燃机械排放的CO在整个出渣作业过程中会产生持续影响。出渣期间测试出主洞掌子面的平均通风量为579 m3/min，隧道施工用内燃机械CO排放量为88.5 L/min时，CO被通入的新鲜风稀释后在隧道内的含量为154 cm3/m3,这个结果和隧道空气质量测试结果相互印证，说明隧道用内燃机械产生的CO是施工通风中首要考虑的问题。

2.3隧道内CO变化趋势分析

从隧道主洞掌子面附近爆破后30～60 min的测试结果可以明显看出,CO的含量已成为制约隧道通风的主要因素。从CO来源对比可以看出,爆破和内燃机械都会对隧道内的空气质量产生明显影响。

爆破后15～255 min,对隧道内空气中的有害物质进行多次持续测试，对CO的测试数据按爆破后时间取平均值，绘制出CO随爆破后时间的变化曲线,如图1所示。

由图1可以看出，CO的变化趋势整体上呈现出明显的阶段性变化。爆破后测试阶段风机都处于高档状态，通风量不变。对图1进行以下分析。

1)出渣前(15～30 min)：此时CO含量最高，且主要来源于爆破产生的炮烟，随着气体扩散及通风稀释的作用，CO含量快速降低。

图1　实测CO变化趋势

2)出渣时(30～200 min)：出渣前期，爆破产生的大量CO正在随通风稀释并向洞口移动，同时内燃机械也会产生CO，因此，CO含量降低速度减缓；出渣中后期，工作位置的CO主要来源于内燃机械，CO生成量和通风稀释作用相平衡，CO含量曲线呈现稳定波动状态。

3)出渣后(200～255 min)：隧道中内燃机械数量减少，隧道内CO含量快速降低。

通过对隧道内实测CO变化趋势的分析，该隧道内产生的CO在出渣阶段一直处于超标状态，因施工机械也会排放大量的CO，所以，测试期间的通风条件不能使隧道内的CO达到标准状态。

2.4分析结论

通过对主洞掌子面附近空气中CO、CO2、NO、NO2、粉尘等污染物进行测试，发现除CO以外的其他污染物在通风作用下均可降低到规范要求的限值。

通过对隧道内CO来源对比和CO变化趋势分析，认为隧道内CO含量超标的主要原因是由于隧道施工用内燃机械尾气中CO排放量较大，对隧道内的环境造成了污染。另外，通风量不足也导致新鲜风不足以将隧道内产生的CO稀释到规范要求的限值。

3隧道内CO减排措施

要解决隧道内空气中CO含量超标问题，不仅需要提高通风量，而且也需要减少CO的排放，从而减少“短板效应”的影响，节约施工通风成本。

从隧道内空气质量测试数据可以看出，CO含量是制约隧道通风量的主要因素。若仅通过增加通风量使隧道内的CO含量达到标准值16 cm3/m3，按照污染物稀释理论，单位时间内需要的理论通风量是单位时间内CO生成量的62 500倍。若采取措施使隧道内单位时间的CO生成量减少50%，在不影响其他污染物稀释的情况下，也可以使单位时间的理论通风量降低为原来的50%。

3.1柴油机尾气净化技术

随着内燃机排放标准的逐步提高，尾气净化技术迅速发展，针对不同的净化需求，开发出了一系列的尾气净化产品，如可净化碳烟等尾气孔颗粒物的DPF(Diesel Particle Filter)颗粒过滤器、可减少尾气中CO和HC(碳氢化合物)的DOC(Diesel Oxidant Catalyst)氧化催化器、可减少尾气中NOx的SCR(Selective Catalytic Reduction)选择性催化还原器。

尾气净化技术应用比较广泛，随着国家对内燃机排放标准的逐步提高，国Ⅴ排放标准的发动机普遍采用尾气净化技术减少尾气中污染物的含量。

3.2内燃机械CO减排措施

尾气净化处理的主要污染物为CO，使用DOC尾气净化器可以减少柴油机尾气中CO和HC的含量，而且DOC尾气净化器具有背压小的特点，安装后基本不会影响发动机的功率。DOC氧化催化剂安装在发动机的排气管路中，通过氧化反应将发动机尾气中的CO和HC转化成无害的水(H2O)和CO2。主要是通过以下氧化反应对尾气进行净化：

HC+O2→CO2+H2O；

CO+O2→CO2。

经过调研，国内外净化器厂家均有适用于隧道内装载机、自卸车等机械使用的DOC尾气净化装置。国内生产的DOC尾气净化器价格在6 000～1万元/台，在合适的催化温度下，CO的转化效率可达90%以上。国外生产的DOC尾气净化器价格约为1万元/台，可以达到国内产品的使用效果，并且具有和发动机大修期相同的使用寿命。

隧道用柴油机CO的排放量计算平均值为88.5 L/min，若90%的CO在催化剂作用下转化为CO2，则使用尾气净化装置后柴油机CO的排放量仅为8.8 L/min，能极大地减少柴油机的CO生成量。在相同的通风条件下，可以使隧道内CO的含量达到施工技术规范要求。

4结论与建议

1)隧道内出渣阶段内燃机械累计排放的CO的总量多于爆破阶段产生的CO。

2)隧道内爆破及柴油机械产生的CO，是制约隧道施工时通风机配置容量的主要因素。

3)在目前通风条件下，隧道施工机械排放的CO在出渣阶段对隧道内环境造成了严重污染。

4)建议在高海拔隧道施工通风设计时，考虑采用DOC尾气净化技术减少CO的排放，从而降低施工通风成本。

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Study of Influence of Harmful Exhaust of Tunnel Construction Machinery in High-altitude Areas and Its Countermeasures

WANG Yao1,2,GAO Juru2,ZHANG Bo2

(1.China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;2.China Railway Southwest Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu 611731,Sichuan,China)

Abstract:Chola Mountain-crossing tunnel is located in high-altitude area (higher than 4 000 m);and it is constructed by drilling and blasting method.The harmful gas monitoring results show that the carbon monoxide (CO) content can not meet the requirements of related criteria.Comparison is made among the variation of CO induced by drilling and blasting,that exhausted by diesel engine and that in tunnel;and the results show that CO exhausted by diesel engine is the main source.Finally,related countermeasures are proposed.

Keywords:tunnel in high-altitude area;air quality;diesel engine;carbon monoxide (CO);harmful exhaust purifying

收稿日期：2015-12-22;修回日期:2016-02-22

第一作者简介：王耀(1991—)，男，河南商丘人，中国铁道科学研究院机械设计及理论专业在读硕士，研究方向为隧道施工机械化。E-mail：wyengin@sina.cn。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.010

中图分类号：U 453.8

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)06-0717-04