苟红松，李永生，罗占夫

(中铁隧道集团有限公司技术中心，河南洛阳 471009)

0 引言

我国有着广阔的高原，储藏着丰富的资源，随着西部大开发的进行，铁路建设向高原地区不断延伸。高原地区由于空气性质及有害气体毒性的变化，直接影响到隧道作业人员的健康与安全，以及通风设备机械的性能，合理地进行隧道施工通风设计显得非常重要。因此，研究高原地区隧道施工通风及环境控制标准，对于保护高海拔地区地下工程作业工人的身体健康有着重要的意义。

国内学者对高原隧道施工通风方式［1］、施工通风环境控制标准［2－3］、空气质量检测［4－5］、劳动卫生［6］、风机风量及风压的变化［7－8］等方面进行了研究和探讨，但对高原地区施工通风需风量的计算及风机选型分析研究较少。笔者根据海拔与空气性质的关系、不同海拔CO浓度的限值、对高原隧道施工通风需风量、高原地区通风阻力修正及风机选型进行了分析研究。

1 海拔与空气性质的关系

1.1 海拔与气压的关系

大气压力在数值上等于所在海拔往上直到大气上界整个空气柱所受到的重力，因此理想情况下，大气压力与海拔具有一一对应的关系。在海平面附近，海拔每升高100 m，气压下降大约700 Pa。由于空气具有可压缩性，大气压力与海拔具有非线性关系。海平面到11 km以下地区的大气压力式中:pz为海拔Z处的气压，kPa;Z为海拔，m。

气压高程校正系数KP为海拔Z处的气压与海平面气压(101.325 kPa)之比。气压高程校正系数

1.2 海拔与气温的关系

气温变化除受纬度影响外，还随海拔的增加而递减。

式中:tZ为海拔Z处的气温，℃;tA为相邻气象台站的气温，℃;gt为气温梯度，取 0.5～0.7℃/100 m;△Z为海拔Z处与相邻气象台站海拔之差，m。

气温高程校正系数KT为海拔Z处的气温与海平面气温(15℃)之比。气温校正系数

式中:TZ为海拔Z处空气的绝对温度，℃;T0为海平面处的绝对温度，℃。

1.3 海拔与空气重率的关系

随着海拔的增加，大气压力降低，单位体积中的气体分子数减少，空气稀薄，空气重率和密度降低。海拔E处空气重率

式中:γz为海拔Z处的空气重率，N/m3;γ0为海拔0处的空气重率，N/m3;Z为海拔，m。

重率高程校正系数Kγ为海拔Z处的空气重率与海平面处的空气重率之比。重率高程校正系数

由式(5)和式(6)可知:

2 高原隧道施工通风需风量分析

采用钻爆法施工的隧道施工工作面所需通风量应根据隧道内同时工作的最多人数所需要的通风量，一次起爆炸药量所产生的有害气体降低到允许浓度所需要的通风量，隧道内同时作业的内燃机械产生的有害气体稀释到允许浓度所需要的通风量，有瓦斯涌出时还要按瓦斯涌出量计算风量，并取其中的最大值作为隧道施工作业面的需风量，最后按排尘最低风速进行验算。

2.1 按工作面同时作业最多人数计算需风量

式中:Q为工作面同时作业最多人数所需风量，m3/min;N为工作面同时作业人数;q为每人供应新风量，m3/min。

2.2 按炸药用量计算风量

根据国内实验证明，在常态下，1 kg炸药爆破时所产生的炮烟量相当于0.1 m3CO有害气体。一般情况下，按排出炮烟计算风量

式中:Q为工作面风量，m3/min;t为通风时间，min;G为同时爆破的炸药量，kg;b为每kg炸药产生的CO当量，L/kg;A为掘进隧道开挖的断面积，m2;L0为通风区段的长度，m;Pq为通风区段内风筒始末端风量之比;Ca为要求达到的CO浓度，ppm。

在高原隧道，由于空气稀薄，气压降低，炮烟体积膨胀，此时产生的有害气体体积增加为平原地区的1/K

γ倍，其风量应增大为 倍，故式(9)应乘以系数，得:

2.3 按稀释和排出内燃设备废气计算风量

式中:Q为内燃机械作业所需风量，m3/min;Ni为第i台内燃机械功率，kW;n为各种设备的台数;k为单位功率内燃机械作业供风量，3 m3/(min·kW);α为内燃机械的作业时间利用率。

隧道施工无轨运输比有轨运输具有运距长、运输机动灵活及效率高等优点，但由于内燃机排放废气的影响，无轨运输一般需风量较大，给施工通风带来很大困难。

关于无轨运输施工通风量的计算，国内外有各种不同的计算式和标准。其主要计算方法为有害气体成分浓度稀释法和单位功率需风量指标法。有害气体成分浓度稀释法是根据使用内燃设备时隧洞内通风量计算应当满足将内燃机所排出的废气全部稀释至允许浓度以下的要求。在计算时采用单个有害成分浓度的稀释法计算，分别按CO、NOX等有害成分的浓度稀释计算需风量，最后取其最大值作为供风量的依据。也有一些国家提出以几种有害成分的综合毒性的作用来计算其安全稀释程度，这样计算得到的风量较单个有害成分浓度的稀释法计算得到的需风量大大增加。目前国内隧道无轨运输施工需风量计算一般均采用单位功率的需风量指标法，这种方法实质上是在浓度稀释法经验总结的基础上所得到的扩大指标数据来计算的。稀释和排出内燃机废气一般采用3 m3/(min·kW)的计算标准，主要是根据稀释作业环境内CO浓度确定的。20世纪90年代，张世杰等［9］研究发现，CO毒性随着海拔的增大而逐渐增大，并于2001年起草了GB 18554—2001《高原地区车间空气中一氧化碳职业接触限制》(已作废)，目前我国 GBZ 2.1—2007《工作场所有害因素职业接触限值化学有害因素》中CO浓度的限值仍采用其研究结果。其中规定海拔2 km以下地区施工隧道空气中CO浓度限值为30 mg/m3，2～3 km 地区为 20 mg/m3，3 km 以上地区为 15 mg/m3［10］。在高原环境下，普通柴油机的耗油量和废气排放量有所增加，但在低气压的高原条件下，内燃设备排放的废气也发生体积膨胀。根据高原情况下CO浓度的限值要求，对隧道施工采用内燃机械作业时，作出如下建议:海拔2 km以下时，供风量不宜小于3 m3/(min·kW);海拔2～3 km时，供风量不宜小于3.5 m3/(min·kW);海拔3～4 km时供风量不小于4 m3/(min·kW);海拔4km以上时供风量不小于4 m3/(min·kW)且需采取供氧措施。

2.4 按排尘计算风量

式中:Q为风速检验需风量，m3/min;v为排尘风速，m/s;A为隧道断面积，m2。

目前按排尘计算风量的方法主要考虑了风量与粉尘浓度有关，而与空气重率无关，则海拔对排尘风量无影响，因此，风量不需要进行校正。

3 高原地区风机选型分析

高原地区具有海拔高、气压低的特点，与隧道施工通风相关的通风阻力及风机性能与平原地区存在一定的差异。

在通风机运行时，气流在风机叶轮内的流动十分复杂。为推导简便，需作如下假设:气流在风机叶轮内流动时没有能量损失;风机的动轮在同一圆周上各点的气流速度相同;叶轮的转速不变。单位体积气体在半径为r处进、出轴流式风机叶轮，其圆周速度为U时，轴流风机理论全压

式中:pt为风机理论全压;ρ为空气密度，kg/m3;C2u，C1u为叶道入口和出口气流的绝对速度在圆周速度方向的投影，称旋绕速度，m/s。

式中:ρ为空气密度;ps为温度t时饱和水蒸气分压力，Pa;φ为空气相对湿度。

轴流风机理论风量

式中:Ca为平均轴向速度，m/s;D为叶轮外径，m;d为轮毂直径，m。

由式(13)—(15)可知，在高海拔条件下由于空气密度的变化，对风机风压影响较大，但对风量无影响。

根据测试，2010年5月23日上午8:30，7#斜井口气压为66.4Pa，干球温度为8.0 ℃，湿球温度为 1.3 ℃，经计算空气密度为0.821 1kg/m3，则同一台风机在该点的全压为样本性能参数全压的68.43%。风机功率

式中:N为风机功率，W;H为风机工作全压，Pa;Q为风机工作风量，m3/min;η为风机工作效率。

由式(16)可得，风机在该处的功率也为样本性能参数的68.43%。以SDF(C)－№12.5型(2×110 kW)为例，叶片安装角度为+3°时，风机样本性能曲线与高海拔地区(7#斜井口气象条件为例)的性能曲线对比如图1所示。

图1 风机性能曲线比较Fig.1 Curves of fan performance

在紊流条件下，摩擦阻力、局部阻力与风量的平方成正比，即h=RQ2。

其中，管路摩擦阻力

式中:hf为风管的摩擦阻力，Pa;λ为沿程阻力系数;ρ为空气密度，kg/m3;β为风管百米漏风率;L为风管长度，m;d为风管直径，m;Qf为风机风量，m3/min。

管路局部阻力

式中:hi为风管的局部阻力;ξi为局部阻力系数;ρ为空气密度，kg/m3;β为风管百米漏风率;xi为局部阻力产生处距离风机出口的风管长度，m;d为风管直径，m;Qf为风机风量，m3/min。

进行高原地区风机选型时，应根据高原地区空气密度与常温常压下空气密度的比值对风机性能曲线进行修正后再进行选型计算，或者以常温常压下的参数进行风机选型后再根据高原地区空气密度与常温常压下空气密度的比值进行工况修正。

4 结论

高海拔地区大气压力、气温及空气密度较平原地区有较大的变化，随着海拔的增加，大气压力、气温及空气重率也逐渐降低。随着海拔的变化，爆破作业后有害气体的体积也发生了膨胀，建议按排出炮烟计算需风量时应根据高原地区炮烟体积膨胀系数进行修正;根据不同海拔的CO浓度限值与空气体积膨胀系数提出建议。高海拔地区由于空气密度降低，管道通风阻力较平原地区降低;对于同一风机，当转速一定时，风量与平原地区一样，风机风压与功率也较平原地区降低，所以通风设计与风机选型时应进行相应的修正。研究结果在关角隧道7#斜井及9#斜井的施工通风中得到了应用和验证，取得了较好的效果。但本文未对高原地区隧道施工通风中氮氧化物以及其他有害气体毒性变化进行分析研究，此方面研究需要进一步开展。

［1］ 罗占夫，职常应，乐晟.关角隧道施工通风斜井分隔技术研究［J］.隧道建设，2009，29(8):411 －414.(LUO Zhan-fu，ZHI Changying，YUE Sheng.Study on partition technology of ventilation inclined shaft in Guanjiao railway tunnel［J］.Tunnel Construction，2009，29(8):411 － 414.(in Chinese))

［2］ 杨立新.关于铁路隧道施工作业环境卫生标准的建议［J］.隧道建设，2009，29(10):486 －490.(YANG Lixin.Suggestions on health standards of working environment in railway tunnels under construction［J］.Tunnel Construction，2009，29(10):486 －490.(in Chinese))

［3］ 罗占夫.南水北调西线超长隧洞施工环境卫生标准研究［J］.隧道建设，2009，29(10):496 － 498，547.(LUO Zhanfu.Study on health standards of working environment in extra long tunnels on west route of south-to-north water transfer project［J］.Tunnel Construction，2009，29(10):496 －498，547.(in Chinese))

［4］ 李永生，杨立新，罗占夫.关角隧道空气质量分析［J］.隧道建设，2010，30(12):630 － 633.(LI Yongsheng，YANG Lixin，LUO Zhanfu.Analysis on air quality in Guanjiao tunnel［J］.Tunnel Construction，2010，30(12):630 － 633.(in Chinese))

［5］ 杨凯.中天山隧道TBM施工通风环境测试与分析［J］.兰州交通大学学报，2010(12):40 －43.(YANG Kai.Test and analysis of TBM construction ventilated environment in Zhongtianshan tunnel［J］.Journal of Lanzhou Jiaotong University，2010(12):40 －43.(in Chinese))

［6］ 魏静，许兆义.青藏铁路建设中高寒缺氧及保障问题的研讨［J］.中国安全科学学报，2006(4):72－75.(WEI Jing，XU Zhaoyi.Discussion on severely cold and oxygen deficiency problems and their countermeasures in Qingzang railway construction［J］.China Safety Science Journal(CSSJ)，2006(4):72－75.(in Chinese))

［7］ 赵军喜.高海拔低气压地区隧道施工通风技术［J］.隧道建设，2009，29(4):206 － 207，231.(ZHAO Junxi.Construction ventilation technology for tunnels in high altitude and low atmospheric pressure area［J］.Tunnel Construction，2009，29(4):206 －207，231.(in Chinese))

［8］ 张仕杰.浅谈高原地区长大隧道施工通风风量计算［J］.铁道标准设计，2010(S2):62.

［9］ 张世杰，宋长平.高原地区车间空气中CO卫生标准的研究［J］.中国职业医学，1996(6):37 －38.(ZHANG Shijie，SONG Changping.A study of hygienic standard for CO in the air of workplace at high altitude［J］.Chinese Occupational Medicine，1996(6):37 －38.(in Chinese))

［10］ 高钰琪.高原军事医学［M］.重庆:重庆出版社，2005.