雀儿山隧道施工制氧供氧方案技术研究

章志高, 董　超

(四川俄岗公路工程建设有限公司， 四川成都 610000)



雀儿山隧道施工制氧供氧方案技术研究

章志高, 董超

(四川俄岗公路工程建设有限公司， 四川成都 610000)

【摘要】高海拔隧道具有“气压低、氧分压低、气温低”的特点，严寒缺氧对施工人员、施工机械的工作效率有较大幅度的降低，是高海拔隧道建设面临的重大难题之一。文中详细介绍了雀儿山隧道的制氧方案以及采用局部弥散式供氧、个体背负式供氧和氧吧车相结合的制氧供氧方案，可以有效解决高海拔隧道施工缺氧，为以后高海拔隧道施工制氧供氧方案提供宝贵经验。

【关键词】高海拔隧道；制氧供氧；弥散式；个体背负式；移动氧吧

1工程概况

国道317线(川藏北线)雀儿山隧道起于国道G317线四川省甘孜州德格县玛尼干戈镇，隧道进口高程4 377.01 m，隧道长7 048 m，为目前世界上海拔最高的公路特长隧道。自然环境中氧气在大气中的含量比例为21 %，但海拔每升高100 m，大气压就下降约1 kPa，氧分压亦随之下降0.16 kPa左右。

隧址区平均海拔4 000 m以上，高海拔导致了低大气压、低氧分压的形成。当海拔高度4 300～5 000 m时，地表大气中的含氧量只相当于平原地区的58 %左右。再加上隧道施工环境中粉尘多，机械装载、运输设备耗氧大，局部通风效果差，洞内含氧量更低，施工人员在这样的条件下承担繁重劳动，缺氧严重，施工人员的健康保障和生命安全受到极大威胁(表1)。

表1　国内外对有关缺氧对人体机能的影响研究

2雀儿山隧道施工制氧方案的研究

2.1高海拔地区制氧技术现状

目前主要的制氧方法有深冷法、变压吸附法、化学法、水电解法、薄膜渗透法等(表2)。

表2　各种制氧方法的主要特点

2.2雀儿山隧道制氧方案

(1)结合雀儿山隧道的地理位置、气象条件和施工条件以及人体对氧浓度的适应和投资规模，雀儿山隧道制氧方案选用变压吸附法。

(2)供氧设备选型的计算。雀儿山隧道借鉴“风火山隧道增氧工程”计算本次工程所需增氧流量。风火山隧道(单洞)：平均海拔高度4 900 m，空气中氧气含量相当于平原的52 %，隧道深处氧气含量不到平原氧含量50 %,通过30 Nm3/h([Nm3/h]是标准立方米每小时的意思，即指标准状况下的体积流量。一般是现场测量m3/h，并且通过现场测量压力和温度，进行温压补偿计算，转换成[Nm3/h])给一个工作面供氧后，掌子面氧气含量达到平原的65 %左右，相当于施工环境降低到了3 600 m海拔高度。

雀儿山隧道(双洞)：平均高度4 200 m，空气中氧气含量相当于平原的58 %，隧道深处氧气含量不到平原的氧含量的53 %。我们设计的方案是通过隧道掌子面弥散式增氧后，掌子面的氧气浓度同样达到平原氧气浓度的65 %左右，施工海拔高度同样降低到3 600 m，那么所需制氧设备流量计算式为：

单洞所需氧气流量=(4200-3600)×30/(4900-3600)=13.8 m3/h

在输送过程中按20 %的损失量计算，氧吧按每小时10 Nm3/h计，隧道双洞所需氧气流量为13.8×2/0.8+10=44.5 Nm3/h所以选择50Nm3/hKHO变压吸附制氧设备。

3雀儿山隧道供氧方案研究

3.1高海拔地区隧道供氧技术现状

3.1.1全富氧

针对高原环境以及隧道施工特点，全富氧的供氧方法为隧道施工人员补充氧气。该供氧方法可以有效解决隧道内施工人员的缺氧问题，但缺点是其设备投资和建成后的运行费用非常高。

3.1.2局部富氧

通过在隧道掌子面附近加氧，以建立一个局部的富氧空间。富氧空间建立的途径有：

(1)氧帘法或氧雾法。即把氧气通过喷头或喷管喷入操作面附近，希望氧气形成氧气帘或氧气雾。但根据气体扩散规律，氧气在空气中的扩散速度是极其迅速的，加之通风风量所形成气流在隧道内的对流流动，所喷出的氧气将很快与通风气流混合而均匀，因而需加大制氧机的能力。此外，采取这样的方法在隧道施工放炮等过程中输氧管路设备不易移动，容易炸坏，对施工造成不利影响。

(2)在隧道中距掌子面一定距离处建一封闭门，以降低掌子面处风速，再加入氧气。这种方法可以把氧气浓度提高到16 %。但会遇到两个问题。一是降低风速不能满足通风安全要求；二是所建的封闭门要随着隧道掘进经常移动，这是非常困难的。

3.1.3隧道吸氧车与个人携氧相结合方法

通过隧道吸氧车(氧吧)与个人携带呼吸器相结合的途径，来解决隧道施工缺氧的问题。为了便于管理、操作，对于特长隧道，在洞口外设置一个制氧供氧系统，包括制氧站、压氧站、以及隧道吸氧车和便携式呼吸器等。每个制氧、供氧系统由隧道外制氧机组、压氧站以及隧道内吸氧车等主要部分组成。在这种供氧方式下,隧道内作业人员可轮班在吸氧车内吸氧休息,养精蓄锐。一般作业人员(不便于携带便携式呼吸器者)，如维修等，可在工作一定时间后进吸氧车内吸氧，保障生命安全以确保工作顺利进行。

这种供氧方法的优点有：(1)确保所有施工人员呼吸用氧，并能达到平原地区的吸氧量水平。(2)氧气利用率高，耗氧量小。(3)能耗小，系统采用自动控制，氧量够用时系统自动关闭，不会浪费电能。(4)由于施工人员呼吸的都是浓度达90 %以上的医用氧气，对于身体健康和生命安全有了保证，且能使精力充沛，从而大大提高工作效率。

3.1.4在通风管内掺加氧气

有的无轨运输隧道，为保证施工人员及内燃机对氧气的需要，除排除炮烟外，其它时段都在通风管内加入氧气。

3.2雀儿山隧道进口供氧方案

雀儿山隧道进口施工供氧分为生活区供氧、生产区(隧道洞内)供氧两部分。

3.2.1生活区供氧

在办公室、职工娱乐室、会议室、接待室等人员集中公共区域内采用室内弥散式供氧方法(实现局部富氧)进行供氧，对参建人员的办公区、生活区的室内等场所配备吸氧终端、氧气瓶及氧气袋，以防止意外情况的发生，充分保证生命健康。

3.2.2生产区供氧

在洞口建立吸氧室，室内配置25套吸氧终端，隧道内作业人员提前在吸氧室吸氧30 min，休息等待换班上岗，换下来的班组出洞后先在吸氧室吸氧30 min，之后返回驻地休息。

值班室、隧道监控室、料库办公室、拌合站、加工车间、炸药库监控室等洞口施工配合区域，配置40 L氧气瓶，安装吸氧终端或配套吸氧器，确保洞口生产配合区人员供氧到位。

在制氧站灌装充瓶车间设立储存室，配置有6.3 L鼻吸式吸氧器50套，2 L背负式吸氧器100套，40 L氧瓶鼻吸式吸氧器30套，氧气袋100个，配置给现场挖掘机、装载机、出渣车司机、维修等人员，由制氧站班组管理，及时灌装以便于施工人员及时领取更换。

3.2.3隧道洞内供氧

截止目前隧道施工期间，为确保洞内施工人员及施工机械对氧气的需要，制氧站安装输氧管道至轴流风机进风口，除掌子面爆破出渣排除炮烟和粉尘3～4 h期间，其它时段都在通风管内加入氧气。随同通风输送至隧道掌子面。

通过隧道内吸氧车(氧吧)，为隧道内施工人员提供吸氧场所。车上配装40 L氧气瓶4个，吸氧器10套，便携式2 L、3 L氧气瓶及吸氧器分别5套，以便于洞内施工人员，在身体不适时或休息时吸氧恢复。

3.3雀儿山隧道进口段供氧方案优化

鉴于近期随着隧道进尺加大，洞内氧含量下降，造成掌子面施工人员出现头疼、头晕、眼花、耳鸣、恶心、呕吐、心慌、气短、胸闷、面色及口唇发紫或面部水肿等症状。加强洞内供氧已是迫在眉睫，通过进场近三年来的现场检测数据分析，对隧道内供氧方案优化为：

3.3.1隧道专用输氧管道供氧

专用管路供氧方式布置：制氧和供氧系统与通风管路供氧方式相同，所不同的是其单独在隧道内设置了送氧管路，将高浓度氧气送到掌子面后方50 m处，在通风风管末端出风口前留出管口及控制阀门，爆破及出渣、通风排烟期间停止供氧。

专用管路供氧具有如下特点：(1)在送风末端的开挖掌子面供氧，改善掌子面区域内施工环境含氧量。(2)供氧管道独立供氧，供氧量及压力固定不变，不受其他因素影响。(3)供氧系统和通风系统是两套相互独立的系统，可靠性强，但是增加了材料投入和管理维护费用。(4)供氧管道结合掌子面开挖(兼立架、喷浆)排架弥散供氧，使专用管道供氧覆盖隧道内主要施工人员密集区域，做到重点部位重点供氧。

3.3.2隧道内专用吸氧车供氧

隧道内施工区域配置专用吸氧车，为隧道内施工人员提供吸氧场所，车上配装40 L氧气瓶2个，吸氧器8套，便携式2 L、3 L氧气瓶及吸氧器分别5套，以便于洞内施工人员在身体不适时或休息时吸氧恢复。

3.3.3隧道内设置移动式氧吧供氧

隧道内距离掌子面200～400 m范围内，借用人行横通道位置，将横通道两端临时封堵留门，从隧道内输氧管道用高压橡胶软管接入，形成富氧空间，以便于洞内施工人员施工期间吸氧恢复或休息。

3.3.4隧道内个人携氧

在制氧站灌装充瓶车间设立储存室，配置有6.3 L鼻吸式吸氧器50套，2 L背负式吸氧器100套，40 L氧瓶鼻吸式吸氧器30套，氧气袋100个。爆破及出渣、通风排烟期间停止供氧。期间施工放样人员、出渣指挥人员、出渣车等机械司机，均采用2 L背负式吸氧器施工，减少氧气用量浪费。

4结论

(1)高原制氧采用变压吸附制氧技术技术相对成熟，技术风险小，且投资比较理想。

(2)掌子面供氧方案：采用局部弥散式供氧方案。掌子面弥散式供氧前，必须采用最大风量通风，用于爆破和喷浆阶段后迅速排烟尘，然后采用氧帘在掌子面约10m范围内形成相对密闭空间，在施工人员钻眼时采用局部弥散式供氧。

(3)在喷浆阶段及出渣时，由于洞内污染严重，工人都需佩戴口罩工作，采用局部弥散式供氧效果不理想并造成氧气用量浪费，因此均采用2L背负式吸氧器作业并辅助移动氧吧车。

(4)二衬作业阶段由于局部弥散式供氧不能提供相对密闭的空间因此也采用采用2 L背负式吸氧器作业并辅助移动氧吧车。

目前雀儿山隧道进口段已按上述优化方案实施中，相对于目前掘进深度1 500 m范围内效果比较理想，但随着掘进深度的延长实施效果还需进一步验证。

参考文献

[1]蔚艳庆，郑金龙，韦远飞，等. 高海拔隧道施工制氧供氧方案研究[J]. 公路隧道,2013(2): 18-22.

[2]刘应书， 崔红社, 刘文海, 等. 高海拔地区隧道施工供氧技术研究[J]. 矿冶, 2005, 14(1): 5-7.

[3]张德华, 王梦恕. 世界第一高隧——青海铁路风火山隧道施工新技术[J]. 工程地质学报,2003, 11(2).

【中图分类号】U453.5

【文献标志码】B

[定稿日期]2015-12-18