茍紅松，李永生，羅占夫

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南洛陽(yáng) 471009)

0 引言

我國(guó)有著廣闊的高原，儲(chǔ)藏著豐富的資源，隨著西部大開(kāi)發(fā)的進(jìn)行，鐵路建設(shè)向高原地區(qū)不斷延伸。高原地區(qū)由于空氣性質(zhì)及有害氣體毒性的變化，直接影響到隧道作業(yè)人員的健康與安全，以及通風(fēng)設(shè)備機(jī)械的性能，合理地進(jìn)行隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)顯得非常重要。因此，研究高原地區(qū)隧道施工通風(fēng)及環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于保護(hù)高海拔地區(qū)地下工程作業(yè)工人的身體健康有著重要的意義。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)高原隧道施工通風(fēng)方式［1］、施工通風(fēng)環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)［2－3］、空氣質(zhì)量檢測(cè)［4－5］、勞動(dòng)衛(wèi)生［6］、風(fēng)機(jī)風(fēng)量及風(fēng)壓的變化［7－8］等方面進(jìn)行了研究和探討，但對(duì)高原地區(qū)施工通風(fēng)需風(fēng)量的計(jì)算及風(fēng)機(jī)選型分析研究較少。筆者根據(jù)海拔與空氣性質(zhì)的關(guān)系、不同海拔CO濃度的限值、對(duì)高原隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量、高原地區(qū)通風(fēng)阻力修正及風(fēng)機(jī)選型進(jìn)行了分析研究。

1 海拔與空氣性質(zhì)的關(guān)系

1.1 海拔與氣壓的關(guān)系

大氣壓力在數(shù)值上等于所在海拔往上直到大氣上界整個(gè)空氣柱所受到的重力，因此理想情況下，大氣壓力與海拔具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。在海平面附近，海拔每升高100 m，氣壓下降大約700 Pa。由于空氣具有可壓縮性，大氣壓力與海拔具有非線(xiàn)性關(guān)系。海平面到11 km以下地區(qū)的大氣壓力式中:pz為海拔Z處的氣壓，kPa;Z為海拔，m。

氣壓高程校正系數(shù)KP為海拔Z處的氣壓與海平面氣壓(101.325 kPa)之比。氣壓高程校正系數(shù)

1.2 海拔與氣溫的關(guān)系

氣溫變化除受緯度影響外，還隨海拔的增加而遞減。

式中:tZ為海拔Z處的氣溫，℃;tA為相鄰氣象臺(tái)站的氣溫，℃;gt為氣溫梯度，取 0.5～0.7℃/100 m;△Z為海拔Z處與相鄰氣象臺(tái)站海拔之差，m。

氣溫高程校正系數(shù)KT為海拔Z處的氣溫與海平面氣溫(15℃)之比。氣溫校正系數(shù)

式中:TZ為海拔Z處空氣的絕對(duì)溫度，℃;T0為海平面處的絕對(duì)溫度，℃。

1.3 海拔與空氣重率的關(guān)系

隨著海拔的增加，大氣壓力降低，單位體積中的氣體分子數(shù)減少，空氣稀薄，空氣重率和密度降低。海拔E處空氣重率

式中:γz為海拔Z處的空氣重率，N/m3;γ0為海拔0處的空氣重率，N/m3;Z為海拔，m。

重率高程校正系數(shù)Kγ為海拔Z處的空氣重率與海平面處的空氣重率之比。重率高程校正系數(shù)

由式(5)和式(6)可知:

2 高原隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量分析

采用鉆爆法施工的隧道施工工作面所需通風(fēng)量應(yīng)根據(jù)隧道內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)所需要的通風(fēng)量，一次起爆炸藥量所產(chǎn)生的有害氣體降低到允許濃度所需要的通風(fēng)量，隧道內(nèi)同時(shí)作業(yè)的內(nèi)燃機(jī)械產(chǎn)生的有害氣體稀釋到允許濃度所需要的通風(fēng)量，有瓦斯涌出時(shí)還要按瓦斯涌出量計(jì)算風(fēng)量，并取其中的最大值作為隧道施工作業(yè)面的需風(fēng)量，最后按排塵最低風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)算。

2.1 按工作面同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)計(jì)算需風(fēng)量

式中:Q為工作面同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)所需風(fēng)量，m3/min;N為工作面同時(shí)作業(yè)人數(shù);q為每人供應(yīng)新風(fēng)量，m3/min。

2.2 按炸藥用量計(jì)算風(fēng)量

根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明，在常態(tài)下，1 kg炸藥爆破時(shí)所產(chǎn)生的炮煙量相當(dāng)于0.1 m3CO有害氣體。一般情況下，按排出炮煙計(jì)算風(fēng)量

式中:Q為工作面風(fēng)量，m3/min;t為通風(fēng)時(shí)間，min;G為同時(shí)爆破的炸藥量，kg;b為每kg炸藥產(chǎn)生的CO當(dāng)量，L/kg;A為掘進(jìn)隧道開(kāi)挖的斷面積，m2;L0為通風(fēng)區(qū)段的長(zhǎng)度，m;Pq為通風(fēng)區(qū)段內(nèi)風(fēng)筒始末端風(fēng)量之比;Ca為要求達(dá)到的CO濃度，ppm。

在高原隧道，由于空氣稀薄，氣壓降低，炮煙體積膨脹，此時(shí)產(chǎn)生的有害氣體體積增加為平原地區(qū)的1/K

γ倍，其風(fēng)量應(yīng)增大為 倍，故式(9)應(yīng)乘以系數(shù)，得:

2.3 按稀釋和排出內(nèi)燃設(shè)備廢氣計(jì)算風(fēng)量

式中:Q為內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)所需風(fēng)量，m3/min;Ni為第i臺(tái)內(nèi)燃機(jī)械功率，kW;n為各種設(shè)備的臺(tái)數(shù);k為單位功率內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)供風(fēng)量，3 m3/(min·kW);α為內(nèi)燃機(jī)械的作業(yè)時(shí)間利用率。

隧道施工無(wú)軌運(yùn)輸比有軌運(yùn)輸具有運(yùn)距長(zhǎng)、運(yùn)輸機(jī)動(dòng)靈活及效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于內(nèi)燃機(jī)排放廢氣的影響，無(wú)軌運(yùn)輸一般需風(fēng)量較大，給施工通風(fēng)帶來(lái)很大困難。

關(guān)于無(wú)軌運(yùn)輸施工通風(fēng)量的計(jì)算，國(guó)內(nèi)外有各種不同的計(jì)算式和標(biāo)準(zhǔn)。其主要計(jì)算方法為有害氣體成分濃度稀釋法和單位功率需風(fēng)量指標(biāo)法。有害氣體成分濃度稀釋法是根據(jù)使用內(nèi)燃設(shè)備時(shí)隧洞內(nèi)通風(fēng)量計(jì)算應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足將內(nèi)燃機(jī)所排出的廢氣全部稀釋至允許濃度以下的要求。在計(jì)算時(shí)采用單個(gè)有害成分濃度的稀釋法計(jì)算，分別按CO、NOX等有害成分的濃度稀釋計(jì)算需風(fēng)量，最后取其最大值作為供風(fēng)量的依據(jù)。也有一些國(guó)家提出以幾種有害成分的綜合毒性的作用來(lái)計(jì)算其安全稀釋程度，這樣計(jì)算得到的風(fēng)量較單個(gè)有害成分濃度的稀釋法計(jì)算得到的需風(fēng)量大大增加。目前國(guó)內(nèi)隧道無(wú)軌運(yùn)輸施工需風(fēng)量計(jì)算一般均采用單位功率的需風(fēng)量指標(biāo)法，這種方法實(shí)質(zhì)上是在濃度稀釋法經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上所得到的擴(kuò)大指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算的。稀釋和排出內(nèi)燃機(jī)廢氣一般采用3 m3/(min·kW)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，主要是根據(jù)稀釋作業(yè)環(huán)境內(nèi)CO濃度確定的。20世紀(jì)90年代，張世杰等［9］研究發(fā)現(xiàn)，CO毒性隨著海拔的增大而逐漸增大，并于2001年起草了GB 18554—2001《高原地區(qū)車(chē)間空氣中一氧化碳職業(yè)接觸限制》(已作廢)，目前我國(guó) GBZ 2.1—2007《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值化學(xué)有害因素》中CO濃度的限值仍采用其研究結(jié)果。其中規(guī)定海拔2 km以下地區(qū)施工隧道空氣中CO濃度限值為30 mg/m3，2～3 km 地區(qū)為 20 mg/m3，3 km 以上地區(qū)為 15 mg/m3［10］。在高原環(huán)境下，普通柴油機(jī)的耗油量和廢氣排放量有所增加，但在低氣壓的高原條件下，內(nèi)燃設(shè)備排放的廢氣也發(fā)生體積膨脹。根據(jù)高原情況下CO濃度的限值要求，對(duì)隧道施工采用內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時(shí)，作出如下建議:海拔2 km以下時(shí)，供風(fēng)量不宜小于3 m3/(min·kW);海拔2～3 km時(shí)，供風(fēng)量不宜小于3.5 m3/(min·kW);海拔3～4 km時(shí)供風(fēng)量不小于4 m3/(min·kW);海拔4km以上時(shí)供風(fēng)量不小于4 m3/(min·kW)且需采取供氧措施。

2.4 按排塵計(jì)算風(fēng)量

式中:Q為風(fēng)速檢驗(yàn)需風(fēng)量，m3/min;v為排塵風(fēng)速，m/s;A為隧道斷面積，m2。

目前按排塵計(jì)算風(fēng)量的方法主要考慮了風(fēng)量與粉塵濃度有關(guān)，而與空氣重率無(wú)關(guān)，則海拔對(duì)排塵風(fēng)量無(wú)影響，因此，風(fēng)量不需要進(jìn)行校正。

3 高原地區(qū)風(fēng)機(jī)選型分析

高原地區(qū)具有海拔高、氣壓低的特點(diǎn)，與隧道施工通風(fēng)相關(guān)的通風(fēng)阻力及風(fēng)機(jī)性能與平原地區(qū)存在一定的差異。

在通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，氣流在風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)的流動(dòng)十分復(fù)雜。為推導(dǎo)簡(jiǎn)便，需作如下假設(shè):氣流在風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)流動(dòng)時(shí)沒(méi)有能量損失;風(fēng)機(jī)的動(dòng)輪在同一圓周上各點(diǎn)的氣流速度相同;葉輪的轉(zhuǎn)速不變。單位體積氣體在半徑為r處進(jìn)、出軸流式風(fēng)機(jī)葉輪，其圓周速度為U時(shí)，軸流風(fēng)機(jī)理論全壓

式中:pt為風(fēng)機(jī)理論全壓;ρ為空氣密度，kg/m3;C2u，C1u為葉道入口和出口氣流的絕對(duì)速度在圓周速度方向的投影，稱(chēng)旋繞速度，m/s。

式中:ρ為空氣密度;ps為溫度t時(shí)飽和水蒸氣分壓力，Pa;φ為空氣相對(duì)濕度。

軸流風(fēng)機(jī)理論風(fēng)量

式中:Ca為平均軸向速度，m/s;D為葉輪外徑，m;d為輪轂直徑，m。

由式(13)—(15)可知，在高海拔條件下由于空氣密度的變化，對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓影響較大，但對(duì)風(fēng)量無(wú)影響。

根據(jù)測(cè)試，2010年5月23日上午8:30，7#斜井口氣壓為66.4Pa，干球溫度為8.0 ℃，濕球溫度為 1.3 ℃，經(jīng)計(jì)算空氣密度為0.821 1kg/m3，則同一臺(tái)風(fēng)機(jī)在該點(diǎn)的全壓為樣本性能參數(shù)全壓的68.43%。風(fēng)機(jī)功率

式中:N為風(fēng)機(jī)功率，W;H為風(fēng)機(jī)工作全壓，Pa;Q為風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量，m3/min;η為風(fēng)機(jī)工作效率。

由式(16)可得，風(fēng)機(jī)在該處的功率也為樣本性能參數(shù)的68.43%。以SDF(C)－№12.5型(2×110 kW)為例，葉片安裝角度為+3°時(shí)，風(fēng)機(jī)樣本性能曲線(xiàn)與高海拔地區(qū)(7#斜井口氣象條件為例)的性能曲線(xiàn)對(duì)比如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)性能曲線(xiàn)比較Fig.1 Curves of fan performance

在紊流條件下，摩擦阻力、局部阻力與風(fēng)量的平方成正比，即h=RQ2。

其中，管路摩擦阻力

式中:hf為風(fēng)管的摩擦阻力，Pa;λ為沿程阻力系數(shù);ρ為空氣密度，kg/m3;β為風(fēng)管百米漏風(fēng)率;L為風(fēng)管長(zhǎng)度，m;d為風(fēng)管直徑，m;Qf為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/min。

管路局部阻力

式中:hi為風(fēng)管的局部阻力;ξi為局部阻力系數(shù);ρ為空氣密度，kg/m3;β為風(fēng)管百米漏風(fēng)率;xi為局部阻力產(chǎn)生處距離風(fēng)機(jī)出口的風(fēng)管長(zhǎng)度，m;d為風(fēng)管直徑，m;Qf為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/min。

進(jìn)行高原地區(qū)風(fēng)機(jī)選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)高原地區(qū)空氣密度與常溫常壓下空氣密度的比值對(duì)風(fēng)機(jī)性能曲線(xiàn)進(jìn)行修正后再進(jìn)行選型計(jì)算，或者以常溫常壓下的參數(shù)進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型后再根據(jù)高原地區(qū)空氣密度與常溫常壓下空氣密度的比值進(jìn)行工況修正。

4 結(jié)論

高海拔地區(qū)大氣壓力、氣溫及空氣密度較平原地區(qū)有較大的變化，隨著海拔的增加，大氣壓力、氣溫及空氣重率也逐漸降低。隨著海拔的變化，爆破作業(yè)后有害氣體的體積也發(fā)生了膨脹，建議按排出炮煙計(jì)算需風(fēng)量時(shí)應(yīng)根據(jù)高原地區(qū)炮煙體積膨脹系數(shù)進(jìn)行修正;根據(jù)不同海拔的CO濃度限值與空氣體積膨脹系數(shù)提出建議。高海拔地區(qū)由于空氣密度降低，管道通風(fēng)阻力較平原地區(qū)降低;對(duì)于同一風(fēng)機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，風(fēng)量與平原地區(qū)一樣，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓與功率也較平原地區(qū)降低，所以通風(fēng)設(shè)計(jì)與風(fēng)機(jī)選型時(shí)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的修正。研究結(jié)果在關(guān)角隧道7#斜井及9#斜井的施工通風(fēng)中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證，取得了較好的效果。但本文未對(duì)高原地區(qū)隧道施工通風(fēng)中氮氧化物以及其他有害氣體毒性變化進(jìn)行分析研究，此方面研究需要進(jìn)一步開(kāi)展。

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