高海拔隧道施工供氧技术研究

王 科

(中铁七局集团第四工程有限公司，湖北 武汉 430074)

高海拔隧道施工过程中不仅含氧量低，而且粉尘和有害气体增多，施工人员要在这样的条件下承担繁重工作，其健康保障和生命安全会受到威胁，施工机械设备在缺氧条件下施工效率也会降低。

针对高海拔隧道施工缺氧问题，学者对高海拔隧道施工供氧方案可行性及其优化做了许多研究。刘应书[1]、叶朝良等[2]以青藏铁路风火山隧道工程为依托，提出了掌子面弥散式供氧和氧吧车供氧，效果证明掌子面弥散式供氧和氧吧车供氧适用于高原隧道施工供氧。张博等[3]以雀儿山隧道工程为依托，分析海拔高度与氧分压的关系，对比研究了洞内施工环境监控方案和供氧方案。孙志涛[4]推导出氧含量随海拔高度变化的一般方程，得到了氧气的质量含量随海拔高度的理论方程及解，并对比研究了高海拔地区隧道施工供氧方案。蔚艳庆等[5]通过调查雀儿山、巴朗山等高海拔隧道的制氧供氧方式，并现场测试个体式供氧和弥散式供氧效率，提出采用局部弥散式供氧、个体式供氧和氧吧车相结合的供氧方案。陈四来[6]对雀儿山隧道原供氧方案进行优化，提出隧道施工时掌子面钻孔工况采用局部弥散式供氧，其余工况采用氧吧车供氧方案。

本文根据大气压与海拔高度的关系，采用理论公式计算得到隧道需求供氧量，通过Fluent有限元软件对比分析掌子面弥散式供氧与通风供氧特点，论证掌子面弥散式供氧方法的可行性，得到了隧道内氧气质量分数分布规律。

1 高海拔隧道施工供氧量理论分析

空气中的含氧量一般指体积百分比，可以理解为体积浓度，适合人类生存的氧气含量为20.96%(标准状况下)。《缺氧危险作业安全规程》(GB 8958)中“缺氧”指作业场所空气中的氧气含量低于19.5%的状态。高原地区即使氧气含量达到20.96%，仍然会出现缺氧的症状，原因在于氧分压是影响人体功能的主要因素。大气压等于氧分压与其他所有气体分压的总和，随海拔升高大气压降低即为氧分压降低，氧气浓度也随之降低。总而言之，海拔升高和氧气含量减少具有同等效果。

假定所需氧气质量与氧气体积浓度为定值且其他条件相同，考虑到平原与高原的空气密度不同，氧气含量也不相同，通过分析可建立关系式(1)：

(1)

式中：ρ0为0 m海拔处氧气密度(1.429 kg/m3)；ρZ为Zm海拔处氧气密度(kg/m3)；ω0为0 m海拔处氧气含量(20.96%)；ωZ为Zm海拔处氧气含量(%)。

依据氧含量守恒，假定平原地区氧气含量与高原地区氧气含量均为20.96%，通过供氧可以使不同海拔高度时的氧气含量达到平原地区水平，不同海拔高度升高到平原水平所需要的单位体积供氧量按式(2)计算：

(2)

为使不同海拔高度氧气含量达到平原地区的氧气含量，根据以上理论计算出单位体积的供氧量，具体数据见表1。

表1 不同海拔高度所需供氧量

2 高海拔隧道施工供氧方法特点

目前工程应用中的供氧方式主要针对现场人员供氧，防止由缺氧原因对现场人员的生命健康造成损害，从而降低施工效率。供氧方式主要有个体式供氧、氧吧车供氧和弥散式供氧方法，每种方法各有利弊和适用条件。个体式供氧方法的优点是设备简单，氧气纯度较高，成本低、损耗低；该方式的主要缺点是不能连续供氧，每隔一定时间需要及时充氧，影响连续施工作业。氧吧车供氧方法的优点是施工人员在身体即将出现不适时及时吸氧，同时供施工人员休息，恢复身体机能，保证人员健康和生产安全；该方式的主要缺点是无法实现边施工边供氧，且氧吧车需要轨道运输，灵活性较差。弥散式供氧方法的优点是可以直接提高施工环境氧气的浓度，实现边施工边供氧；主要缺点是成本较高、损耗极大。高海拔隧道施工供氧还可以利用通风供氧，优点是直接使隧道内氧气浓度提高；该方式的主要缺点是成本较高、损耗大。本文主要对隧道通风与弥散式两种供氧方式进行对比分析。

3 高海拔隧道施工供氧数值分析

3.1 供氧模拟条件

隧道施工期间，供氧目标是使掌子面后5 m范围内氧气质量分数达标准值0.246 7。当海拔高度在3 000 m时，单位体积的供氧量为0.060 3 m3，则按单线铁路隧道断面大小，供氧量至少为16.042 m3。采用弥散式供氧时，当总制氧速率为240 L/min氧气扩散速度为0.024 m/s，弥散式供氧通风速度不宜过高，防止氧气的浓度被严重稀释，从而达不到供氧目的。对以下两点进行模拟：

(1)对比通风供氧和掌子面弥散式供氧。假设隧道已施工长度为2 000 m，根据供氧量，分析两种供氧方法的效果，即隧道内氧气质量分数分布规律。

(2)对于掌子面弥散式供氧方法，对比在供氧时伴随通风和未通风两种情况，分析掌子面附近氧气质量分数的分布。

3.2 模型建立

隧道的通风距离为2 000 m，管径2 m，通风管出口至掌子面距离为30 m。当采用掌子面弥散式供氧时，弥散装置在掌子面后5 m处的隧道上部。

几何模型通过Gambit建模后生产网格，通过Fluent软件采用Realizable k-ε湍流模型和组分运输模型对隧道供氧进行计算：入口边界条件设为速度入口(Velocity_Inlet)，隧道洞口边界条件设为自然流出(Outflow)，隧道壁面边界条件设为墙(Wall)。分析计算模型如图1所示。

图1 分析模型

3.3 氧气质量分数分布规律

3.3.1 两种供氧方式比较分析

通过多次计算分析，通过增加单位时间内供氧量，使掌子面后5 m范围内氧气浓度升到标准值，掌子面后10 m范围内氧气质量分数变化曲线如图2所示。

图2 氧气质量分数随距离变化曲线

从图2中可以看出，对比掌子面后方10 m范围内氧气质量分数，弥散式供氧和通风供氧掌子面附近氧气质量分数均大于标准值0.246 7，能满足施工要求。采用掌子面弥散供氧时，氧气质量分数随着距掌子面的距离增加而逐渐降低；通风供氧时，氧气质量分数随着距掌子面的距离增加也有所降低，但变化范围很小。

对比研究发现，采用掌子面弥散式供氧方法使掌子面后10 m内氧气质量分数达到标准值，供氧速率为1.44 m3/min，供氧量约为96.25 m3。采用通风供氧方法使掌子面后10 m内氧气质量分数达到标准值，供氧速率为9.6 m3/min，供氧量约为641.68 m3。从经济角度考虑，通风供氧量太大，不够经济，是不可行的；而弥散式供氧量也较大，但还是可行的。

3.3.2 掌子面弥散式供氧时通风速度的影响

通过多次计算表明，为了使掌子面后10 m范围内氧气质量分数升到标准值，需要增加单位时间内供氧量，在通风速度15 m/s条件下使掌子面后10 m内氧气质量分数达到标准值，供氧速率为1.44 m3/min，供氧量约为96.25 m3。而在未通风条件下掌子面后10 m内氧气质量分数达到标准值，供氧速率为0.48 m3/min，供氧量约为32.08 m3。也就是说通风速度越大，弥散式供氧量越大。掌子面后10 m范围内氧气质量分数升到标准值时，隧道内氧气质量分数如图3所示，掌子面后10 m范围内氧气质量分数变化曲线如图4所示。

图3 不同弥散供氧条件下氧气浓度达标时氧气质量分数云图

图4 不同供氧条件下氧气质量分数达标时随距离变化曲线

从图3和图4可以看出，不通风时，隧道下部的氧气质量分数大于隧道上部，氧气从弥散装置中向下射出，到达隧道下部，沿着隧道底部向两边扩散，所以氧气在隧道下部扩散范围大。在通风速度为15 m/s时，由于通风的作用，加速空气的流动，氧气在隧道内加速扩散，故氧气质量分数分布比较均匀；在通风速度为15 m/s时比不通风时掌子面氧气质量分数要大，且相同供氧时间时氧气在隧道内扩散较远。

从图4可以看出，在通风速度为15 m/s时，掌子面后10 m范围内氧气浓度随着距掌子面的距离增加而逐渐降低。在不通风时，氧气从弥散装置中射出，向周围空气中缓慢扩散，所以在掌子面后10 m范围内供氧装置附近氧气质量分数高，周围氧气质量分数较低。掌子面后7 m范围内氧气质量分数均可达到标准值。

根据上述分析，隧道通风在一定程度上加速了氧气在隧道内的流动，使弥散在供氧装置周围的氧气流向掌子面及四周，但通风速度不宜过高，防止氧气加速扩散到隧道洞身，并随着隧道通风气流流向隧道洞口。当掌子面后7 m范围内氧气质量分数达到标准值时，采用掌子面弥散式供氧且不通风时供氧量最少，为32.08 m3。因此每循环进尺隧道的供氧量范围为32.08～96.25 m3。

4 结论

依据大气压与海拔高度的关系，采用理论公式计算了隧道需求供氧量，利用Fluent软件研究了通风供氧与弥散式供氧方法下隧道掌子面附近氧气质量分数分布规律。得出以下主要研究结论：

(1)采用理论计算方法，分析给出了不同海拔高度时每立方米的隧道供氧量。

(2)掌子面弥散式供氧方法与通风供氧方法相比，弥散式供氧量较小，对提高掌子面附近氧气质量分数更加有效；通风供氧量大，不经济，总体是不可行的。

(3)采用掌子面弥散式供氧方法时，每循环进尺隧道的供氧量范围为32.08～96.25 m3，通风速度越高供氧量越大，氧气质量分数分布越均匀。