0引言
我国高原面积占国土面积的60%,其中,以青藏高原为首,其平均海拔达到了4km。随着我国交通网的逐渐完善,高海拔特长隧道数量也逐渐增多。表1列出了1998—2016年修建的部分高海拔特长隧道[1],其中,海拔超过4km的特长隧道占约15%。随着西部大开发,高海拔长大隧道数量在逐年增多,其修建趋势也向着更长、海拔更高的方向发展。
表1部分建成和在建的高海拔特长隧道
由于海拔的升高,修建隧道的环境会出现3大特点,分别是低含氧量、低气压和低气温。
周兆年[2]的研究表明,大气压随海拔升高而降低是造成缺氧并引起高原反应症状的原因,严重低氧可危及人的生命;王洪粱等[3]通过大量计算,得到了高海拔地区风机的风压是标准状态下的0.6倍,风阻减小,风量相等,同时提出了高海拔风机的优化方案;廖斌等[4]基于人体的心率,对人体劳动强度进行了研究,通过试验,提出了劳动强度的评价方法;严涛等[5]对高海拔隧道施工缺氧环境条件下的供氧措施进行了研究,得到了高海拔隧道施工弥散式供氧的关键技术。
综上所述,目前关于高海拔隧道施工中的人员反应、风机性能等已有相关研究,但高海拔隧道施工中面临的洞内人员缺氧、供氧以及施工风管漏风、风机效率、对施工机械的影响等的研究还比较少;因此,应对高海拔隧道施工人体的供氧标准、风管的漏风率、CO的控制标准、风机效率修正、劳动强度分级标准、施工装备效率降低系数等内容进行研究。
1基于肺泡氧分压理论的高海拔特长隧道供氧标准
1.1人体缺氧危险等级划分及氧气体积分数控制标准
1.1.1基于肺泡氧分压的缺氧等级划分
在医学上,动脉血氧饱和度(SaO2)是直接反映人体缺氧状况的一个重要指标,动脉血氧饱和度与人体缺氧程度的关系如表2所示。人体通过呼吸作用,将环境中的氧气吸入肺部,由肺泡将氧扩散到血液中,因此,肺泡中的含氧情况决定了血液中的含氧状况,而表征肺泡含氧情况的生理指标就是肺泡氧分压(PAO2)。肺泡氧分压决定了人体动脉血氧饱和度,也间接决定了人体的缺氧程度。
表2动脉血氧饱和度(SaO2)与人体缺氧程度的关系[6-8]
肺泡氧分压和血氧饱和度的关系见图1。人体动脉血氧饱和度随肺泡氧分压的增大而升高,并逐渐趋于平缓。根据动脉血氧饱和度与人体缺氧程度的关系,可以对人体缺氧等级划分为4级,分别为不缺氧、随时有缺氧危险、缺氧和严重缺氧;同时,建立人体缺氧等级、血氧饱和度和肺泡氧分压三者之间的关系,如表3所示。
图1氧离曲线[4]
表3缺氧危险程度分级
1.1.2基于肺泡氧分压的氧气体积分数控制标准
为获得和平原地区同样缺氧等级标准下的氧气含量控制标准,需结合氧气含量和体积分数共同制订各海拔下的不同缺氧等级氧气体积分数控制标准。同时,肺泡氧分压与人体缺氧等级、环境大气压、氧气体积分数之间存在关系,如式(1)所示,这样就可以确定不同缺氧等级下环境氧气体积分数控制标准[9]。
式中:PAO2为肺泡氧分压,kPa;p为大气压,kPa;FiO2为大气氧气体积分数,%;PaCO2为动脉血CO2分压,kPa,PaCO2=-0.0032H+38.931(H为海拔,m);R为呼吸商,取0.8。
根据式(1)计算得到的氧气体积分数控制标准如表4所示。
表4各海拔不同缺氧等级下氧气体积分数控制标准
由于氧气的体积分数随海拔升高变化不明显,平原自然情况下约为20.9%。由表4可知,海拔在2km以上,由于空气密度降低,自然状态下大气中的氧气含量已不能满足人体不缺氧状态的需氧量,其环境均存在缺氧的危险。例如,海拔为4km环境的氧气体积分数在自然状态下的缺氧等级为Ⅲ级,而隧道内部的氧气体积分数由于施工人员、设备等的消耗,已低于自然状态时的氧气体积分数;因此,为保证施工人员的健康安全,氧气体积分数应至少控制在Ⅲ级标准,即氧气体积分数不小于20.0%。
1.2施工期洞内氧气体积分数预测方法
由于施工人员和机械耗氧,使得隧道内氧气体积分数降低。通过对海拔为4km的隧道进行现场实测,确定了隧道内氧气体积分数随距洞口距离的变化规律。通过拟合可知,氧气体积分数与隧道距洞口距离有二次方关系,如式(2)所示。
式中L为距洞口距离,m。
由式(2)可知,隧道内氧气体积分数随着距洞口距离的增加而降低。通过计算,可以得到隧道内距洞口不同距离时的氧气体积分数。例如,当距离隧道洞口1km时,隧道内氧气体积分数为19.384%,其与人体缺氧控制标准的氧气体积分数的差值即为不同隧道进尺对应的增氧量,如图2所示。
图2增氧量示意图
2高海拔特长隧道施工通风关键技术
2.1风管漏风率随海拔变化的修正方法风管的漏风量
式中:μ为孔口的流量系数;f0为孔口面积,m2;pj为风管内空气的静压差,Pa;ρ为空气密度,kg/m3。
高海拔隧道风管漏风量与平原地区风管漏风量之比
式中:c为高原风管漏风量修正系数;ρ平为平原地区空气密度,kg/m3;ρ高为高原地区空气密度,kg/m3。
通过计算海拔为0~5km的风管漏风率系数,拟合得到高海拔隧道风管漏风率修正系数
式中H为海拔,m。
海拔为4km的隧道的风管漏风率大约为平原地区的1.24倍,如图3所示。经计算,理论结果与实测结果较吻合,如图4所示。
图3平原与高原风管漏风率对比
图4百米漏风率实测值与理论值比较
2.2施工通风CO体积分数控制标准
CO的毒性机制是CO与血红蛋白相结合,形成碳氧血红蛋白(COHb)。环境CO体积分数与人体血液碳氧血红蛋白体积分数的剂量-反应方程关系式为:
式中:d[COHb]dt为吸收CO速率,mL/min;VCO为产生CO速率,0.007mL/min;[COHb]为COHb体积分数,mLCO/mL血液;[O2Hb]为血液中氧合血红蛋白体积分数,mLO2/mL血液;PAO2为肺泡氧分压,kPa;M0为Haldane常数,取218;DL为肺部CO质量转换系数,225mL/(min•kPa);p为大气压,kPa;pH2O为体温条件下水的蒸气压力,6.2kPa;VA为肺部活动区与大气间空气交换速率,mL/min;PaCO为吸入空气的CO分压;Vb为人体血液总体积,5000mL。
由式(6)计算,可得到不同海拔条件下人体吸入CO后形成的碳氧血红蛋白(COHb)体积分数与时间的关系,如图5所示。
图5COHb在不同海拔的变化规律
根据美国国家健康统计中心研究得到的结论,人体碳氧血红蛋白控制体积分数为2.5%。对不同大气压和CO体积分数环境下的碳氧血红蛋白(COHb)体积分数分布进行计算,提取控制值为2.5%时对应的CO体积分数,将0~5km海拔下的数据进行拟合分析,得到CO体积分数控制方程
式中:TWACO为隧道施工CO体积分数控制标准,mg/m3;H为海拔,km。
海拔为4km的隧道内的CO控制标准为平原地区的0.37倍。
2.3风机效率修正方法
根据几何相似、速度相似、流量、扬程、压头、功率间的关系[10],可得到高海拔隧道与平原隧道风机参数的关系。
式中:c1为风机风压海拔修正系数;ρ高为高海拔地区空气密度,kg/m3;ρ平为平原地区空气密度,kg/m3;p高为高海拔地区风机风压,Pa;p平为平原地区风机风压,Pa。
功率为:
式中:c2为风机功率海拔修正系数;P高为高海拔地区风机功率,kW;P平为平原地区风机功率,kW。
根据不同海拔下的空气密度,可以得出不同海拔相对于平原地区的风机风压修正系数曲线。通过拟合,可以得出风机风压和功率的海拔修正公式
式中H为海拔,km。
综上所述,考虑高海拔环境下隧道施工时风管漏风率增加、CO控制标准提高等因素,4km海拔条件下,隧道施工通风量大约是平原地区的3倍。
3高海拔特长隧道施工人员数量增加系数
3.1施工人员劳动强度等级划分标准
国家劳动强度分级标准如表5所示。体力劳动强度级别划分是基于体力劳动强度指数进行的,劳动强度指数计算公式如式(14)所示。
表5国家劳动强度分级标准[13]
式中:I为劳动强度指数;10为计算系数;T为劳动时间率,%;M为8h工作日平均能量代谢率,kJ/(min×m2);W为体力劳动方式系数(搬:1;扛:0.4;推/拉:0.05);S为性别系数(男性:1;女性:1.3)。
对式(14)进行分析可知,高海拔条件与平原的主要区别为平均能量代谢率。平均能量代谢率随着海拔的增高而增加,增长系数如表6所示。得到的各海拔隧道各关键工序的强度等级如表7所示。
4km海拔隧道施工主要工序的劳动强度分级如表8所示,钻爆、模板衬砌、铺设防水板、装渣、出渣的劳动强度等级均较平原普遍升高1级。
表6能量代谢率随海拔增长系数[15]
表7各海拔隧道施工主要工序劳动强度分级
表8 4km海拔隧道施工劳动强度指数与分级
3.2施工人员劳动时间确定方法
对于高海拔条件下人员的安全劳动时间计算,可以将高海拔条件下人员安全劳动强度指数等效为平原水平进行计算,公式为
式中:TL(高原)为高原劳动时间,h;TL(平原)为平原劳动时间率,%;I高原为高原劳动强度指数;I平原为平原劳动强度指数。
计算得到高海拔隧道各工序施工人员的安全劳动时间和人员组织,如表9所示。
表9高海拔隧道各工序施工人员的安全劳动时间和人员组织
由表9可知,4km海拔处隧道施工的人员增加率为18.4%。
4高海拔特长隧道施工装备效率降低系数
根据柴油机的机械功率、损失功率、有效功率计算公式,得到使柴油机机械降效的主要因素有环境大气压、温度和氧气体积分数[16-17]。
大气压、温度以及氧气体积分数对机械效率的影响趋势如图6—8所示。
图6不同大气压力下施工机械效率曲线
由图6—8可知,施工机械效率随着大气压力的减小而降低,随着温度的升高而降低,随着氧气体积分数的减少而降低。
4km海拔隧道与平原地区施工机械效率对比如图9所示。
海拔为4km的隧道施工机械有效功率约为平原地区的67%,施工机械效率相较平原地区下降10%左右;因此,高海拔隧道施工机械配置数量要比平原地区增多,需根据具体需求量配备机械。
图7不同温度下机械效率的变化趋势
图8不同氧气体积分数下有效功率的变化趋势
图9平原地区与4km海拔下施工机械工作性能对比
5结论与讨论
通过对高海拔特长隧道修建关键技术的研究,得到了解决高海拔地区隧道施工低压缺氧问题的关键技术,主要结论如下。
1)基于不同海拔条件下人体的缺氧情况,建立了各海拔不同缺氧等级下的氧气体积分数控制标准。
2)根据海拔为4km地区隧道内氧气体积分数的978隧道建设第37卷实测数据,得到了不同隧道进尺深度下氧气含量的预测方法,即FiO2=-7×10-7L2+1×10-5L+20.074(L为隧道进尺,m)。
3)采用风管开口处流量理论,推导得出风管漏风率海拔修正系数的计算公式为c=6×10-5H+0.9882(H为海拔,m)。
4)基于CO毒性机制,建立了海拔为0~5km的CO体积分数控制标准模型,即TWACO=0.786H2-7.44H+27.57(H为海拔,km)。
5)根据相似理论,得到风机风压、功率的海拔修正系数公式c1=-0.0767H+1(H为海拔,km)。
高海拔环境由于气压高、温度低、植被生长稀疏,隧道建设过程中容易破坏本就不发育的生态系统,因此,高海拔隧道建设的植被恢复等绿色环保问题有待进一步研究。
摘自:隧道建设