高原长大隧道制氧供氧技术
一种高海拔地区隧道掌子面弥散供氧系统及供氧方式[发明专利]
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[19]中华人民共和国国家知识产权局[12]发明专利申请公布说明书[11]公开号CN 101095972A[43]公开日2008年1月2日[21]申请号200710118442.6[22]申请日2007.07.05[21]申请号200710118442.6[71]申请人北京科技大学地址100083北京市海淀区学院路30号[72]发明人刘应书 丁守全 况成明 冯俊小 乐恺侯庆文 张辉 武志文 刘文海[74]专利代理机构北京科大华谊专利代理事务所代理人吕中强[51]Int.CI.A62B 11/00 (2006.01)E21F 11/00 (2006.01)权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页[54]发明名称一种高海拔地区隧道掌子面弥散供氧系统及供氧方式[57]摘要一种用于提高隧道掌子面氧分压的弥散式连续供氧系统及供氧方式，属于制氧供氧技术领域。
本发明建立由氧气分布器1、连接软管2、氧气源3、控制器4、压力传感器5、调节阀6、滑轨7、输氧管8以及截至阀9组成的隧道掌子面弥散供氧系统。
利用滑轨将隧道两侧的氧气分布器调整到需要供氧的工作面，隧道两侧的氧气分布器的间距控制在隧道宽度的70％-95％范围内；经过氧气分布器进行射流雾化喷氧，能在掌子面形成弥散式供氧的氧帘，从而获得局部富氧区域；随着隧道施工的推进，通过连接软管，使氧气分布器和滑轨向前跟进，实现施工现场的连续就地供氧；通过稳压装置，能随施工进度、持续将不断推进的隧道掌子面施工区域的氧分压提高2～3kPa，有效解决高海拔隧道施工的缺氧问题。
200710118442.6权 利 要 求 书第1/1页 1.一种高海拔地区隧道掌子面弥散供氧系统，其特征是供氧系统由氧气分布器(1)、连接软管(2)、氧气源(3)、控制器(4)、压力传感器(5)、调节阀(6)、滑轨(7)、输氧管(8)以及截止阀(9)组成；氧气源(3)通过输氧管(8)连接稳压装置，稳压装置由压力传感器(5)、控制器(4)、调节阀(6)构成，控制隧道掌子面的供氧压力；截止阀(9)连接压力传感器(5)和连接软管(2)，连接软管(2)接通氧气分布器(1)，通过滑轨(7)调整氧气分布器(1)在隧道掌子面的位置，随着隧道施工的推进，通过连接软管(2)，使氧气分布器(1)和滑轨(7)向前跟进。
我国高原隧道制氧供氧技术现状与思考
我国高原隧道制氧供氧技术现状与思考
王青松
【期刊名称】《隧道建设(中英文)》
【年(卷),期】2021(41)S02
【摘要】为进一步提高我国高原隧道建设水平,结合已建典型高原隧道工程案例,对近年来我国高原隧道制氧、供氧技术相关研究成果进行总结分析,并对其存在的不足及发展方向进行讨论。
已有研究成果主要体现在:1)变压吸附制氧工艺方法的改进完善、吸附剂的改良及小型便携式制氧装备的研发;2)整体上形成了优化隧道施工通风方案+洞外变压吸附制氧+洞内弥散式供氧+个人携带氧气瓶供氧的通风制氧方案;3)根据劳动等级,建立了针对隧道不同施工阶段的供氧量方案。
目前仍存在的不足及发展方向主要包括:1)开发新型高效吸附剂仍是高原隧道供氧技术发展的最重要的途径;2)加强高原地区真实环境下工艺参数对制氧效率的影响及数学关系模型的研究;3)关注隧道掌子面空气质量及氧气实际体积分数,进一步完善不同施工阶段人员氧气需求标准,加强隧道通风方案阶段化的科学设计;4)进一步研发、推广高效电动型隧道施工装备。
【总页数】7页(P36-42)
【作者】王青松
【作者单位】中铁二十局集团有限公司;中国铁建高原隧道施工技术及装备研发中心
【正文语种】中文
【中图分类】U45
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高海拔隧道施工供氧技术研究
高海拔隧道施工供氧技术研究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、叶朝良等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]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Z m海拔处氧气密度(kg/m3)；ω0为0 m海拔处氧气含量(20.96%)；ωZ为Z m海拔处氧气含量(%)。
高原地区隧道施工关键性技术分析及应用
高原地区隧道施工关键性技术分析及应用黄敬峰中国水利水电第十六工程局有限公司，福建福州 350001摘要：在快速发展的社会当中，不仅仅发展平原地区的道路施工，而且还要重视高原地区的隧道施工。
尤其是在高原地区隧道施工，这不仅能够促进与高原地区的交流，而且加速了高原文化的传播。
本文针对该隧道海拔高，缺氧、严寒、冻土、地质破碎等特点，研究在施工过程中的关键性技术，为有效解决我国高海拔高寒地区隧道施工。
关键词：高原地区；隧道施工；关键技术；分析中图分类号：U452.11；P631.325 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)24-0123-02由于对高原地区的不断建设，出现了众多的高海拔特长高原隧道，海拔超过 3 500 m 且里程长度超过 5 km 的代表性隧道有雀儿山隧道、剪子弯山隧道、脱落拉卡山隧道、高尔寺隧道、巴朗山隧道等。
高海拔长大隧道施工的一个主要难点就是施工缺氧。
比如依托工程———巴朗山隧道进出口掘进 800 m 处就已经出现由于缺氧导致施工人员昏倒的状况，严重制约了工程进度且对施工人员生命财产安全造成了威胁。
因此，解决高海拔特长隧道施工供氧问题已经刻不容缓。
不少学者针对高海拔隧道施工供氧进行了一定的研究。
对青藏铁路风火山隧道和昆仑山隧道高原缺氧问题进行了研究，研制并使用制氧与供氧设备，解决了洞内缺氧制约施工的问题，为顺利施工提供了技术保证。
通过对青藏铁路风火山隧道高原缺氧问题进行研究，提出了采用洞内掌子面弥散式供氧加氧吧车供氧的联合供氧方式，解决了施工人员的用氧需要，保证了工程的顺利进行。
从风火山隧道实际施工出发，通过对高原制氧供氧系统进行研发及运用，介绍了高原冻土施工新技术。
针对青藏铁路昆仑山隧道高原缺氧技术难点，从加强通风、供氧及健康监测等方面进行了研究，取得了一些成果。
通过对青藏铁路羊八井 1 号隧道通风方案及供氧措施的研究，加快了施工的进度，为类似工程施工通风及供氧提供了借鉴经验。
高海拔特长公路隧道施工通风关键技术研究
高海拔特长公路隧道施工通风关键技术研究摘要：高海拔地区的隧道施工有着自身的特殊性，它和一般的隧道施工有明显的差别。
在隧道施工过程中，要做好施工通风，尤其是涉及到高海拔隧道施工时，一定要高度重视通风，通风能给隧道内提供新鲜的空气，排出隧道内有毒气体，保障人员的安全，维护机器的正常运行。
在高海拔特长公路隧道施工中，通风技术被称作是整个工程安全建设的生命线。
本文围绕着现阶段跑马山1#隧道设计、施工等相关的技术规范进行研究，针对高海拔地区特长隧道施工通风关键技术展开研究，以求推动高海拔特长公路隧道施工通风关键技术的完善。
关键词：高海拔；特长公路隧道；施工通风；关键技术伴随着国家对经济的关注，交通也得到了极大的发展，要先富先修路已经成为了人们的共识，高速公路的干线已经深入到了我国的西北地区，例如新疆和西藏，但这些地区在进行施工的过程中，因为受到特殊地质条件的影响，尤其是在川藏高海拔地区修建较长的公路时涉及到了隧道，隧道内的低压缺氧，施工条件恶劣，需要应用通风技术。
通风技术的应用能够保证隧道施工的安全性，但是受到主客观因素影响，造成施工通风过程中存在着一些问题。
例如快速的排除爆破开挖施工中产生的粉尘和炮烟，快速排除喷浆支护后产生的粉尘。
在通风线路较长和管道曲折的情况下，提升通风效率，保障洞内的新鲜空气供应，保障施工人员的安全，这些都是需要高海拔特长公路隧道施工中，围绕着通风关键技术展开详细研究。
隧洞施工通风方式主要有管道式通风（即独头通风）和巷道式通风两大类，超过2km的隧洞较多采用巷道式通风，凡长隧道用管道式通风比较困难的都可以采用巷道通风。
1高海拔隧道施工通风的基本理论1.1理论结合现行的公路隧道施工技术规范规定，隧道施工作业环境一定要结合相关的卫生标准。
如图一所示，在公路隧道施工过程中，有毒有害气体的容许浓度一定要达到相关的标准，一旦超过这个标准，可能会给施工人员带来伤害[1]。
图一：公路隧道施工过程中有毒有害气体容许浓度示意图除此之外，要求隧道内空气中含氧量应当始终大于19.5%，严禁使用纯氧、通风换气。
特长高海拔公路隧道施工供氧方案
3的量来表示。
对于气态污染物通常采用mg/m 表示0 引 言6其浓度，但还有一种常用的单位，即体积比10（体6中国铁路及公路交通事业正处于蓬勃发展时积分数），10（体积分数）为无量纲量，也用期，随着青藏铁路作为当今世界高原最具挑战、最ppm 表示。
由于空气体积受温度、压力的影响很6富探索的伟大工程，首次开启了在高海拔地区大规大，采用10（体积分数）的优点是可直接进行数据模工程建设先例，近年来修建在高海拔地区的长大比较，而无需考虑气体的状态。
在标准状态下即0℃隧道也越来越多。
同时，高海拔隧道的施工也面临及标准大气压下，理想气体摩尔体积为22.4L/mol ，着“两低一高”的严峻气候挑战，即“气温低、气对于25℃，一个大气压（101.325kPa ）为标准气体压低、海拔高”，高海拔隧道施工中伴随着出现人状态时，理想气体的摩尔体积为24.45L/mol 。
员高原反应、机械劳动效率降低等问题。
高海拔隧对于理想气体的状态方程即Clausius-Clapeyron 方道施工氧环境研究对于施工人员的安全及施工效率程：的保证具有重要意义，目前针对高海拔隧道施工的PV = nRT （1）缺氧研究也越来越引起重视。
式中：P 为气体压强，单位（Pa ）；V 为气体国道317线雀儿山隧道位于四川省甘孜州北部3体积，单位（m ）；n 为气体的物质的量，单位德格县境内，全长7079m ，洞口高程达4373m ，隧（mol ）；T 为体系温度，单位（K ）；R 为理想气道采用钻爆法两边对打的方式施工，是目前在建的体常数，单位（J/mol·K ）。
对任意理想气体而言，海拔最高的特长公路隧道，隧址区属于典型的高寒R 是一定值，约为8.31441±0.00026（J/mol·K ）计算气候，气候寒冷，气象条件恶劣，隧道施工中的缺中可以取8.31441（J/mol·K ）。
氧问题严重制约着隧道建设的安全和效率。
高原高寒长距离隧道通风、增氧及降尘方案
高原高寒长距离隧道通风、增氧及降尘方案1通风1.1施工安排原则（1）施工通风设计的基本方针是“以人为本、环境达标、安全至上”，保障长大隧道的施工环境满足要求。
（2）对于长大隧道通风设计应分阶段进行，节能降耗，动态调整。
（3）采用技术先进、高效实用、配套完善、匹配合理的机械装备，科学组织，充分发挥机械设备性能。
1.2高原高寒长大隧道通风难点（1）隧道单头掘进距离长，洞内属有限空间作业，施工过程中产生扬尘及灰尘大，噪音大，作业环境复杂且恶劣，作业人员身心健康难以保证。
（2）高原氧气含量少，人员与机械作业降效严重。
作业在0～4000米范围内，海拔每升高1000米，大气压降低10％，空气动力设备功效相对于平原指标下降10％～13％。
压力损失造成设备功率损失加大，油耗增加，废气排放污染严重。
（3）长大隧道单洞掘进距离大，洞内含氧量比洞外低，威胁洞内施工人员身心健康，隧道通风需考虑增氧措施。
（4）随着海拔升高，温度下降，为保证洞内作业环境温度满足要求，隧道通风需考虑加热措施。
1.3隧道通风计算根据新建川藏铁路项目特点及隧道施工组织设计，通风设计统计为压入式、风渠式及巷道式通风分别专项计算风量及风压。
（1）通风风量计算供给每人的新鲜空气量按高原地区取值m=4m³/min 计；正洞开挖爆破一次最大用药量A=140×3×0.8=336kg（按全断面循环进尺3m计算）；放炮后通风时间按t=30min计；风管百米漏风率β=1％，风管内摩擦阻力系数为λ，风筒直径D，空气密度ρ=1.2kg/m3。
通风量的计算主要是计算各种情况下所需的通风量，主要有洞内人员呼吸、爆破烟尘排出、稀释内燃机废气、允许最低风速、涌出瓦斯稀释五个方面，分别对五种情况计算，取其中最大者，并根据通风方式和长度考虑漏风增加值，确定风机配置参数。
1）按作业人员所需的通风量计算公式：Q=K·m·q式中：Q—通风量，m³/min；m—同时在洞内工作的最多人数，按60人考虑（考虑管理、检查人员）；q—每人所需的通风量，一般取值3m³/min，考虑高原空气稀薄，计算取值4m³/min；K—风量备用系数，取1.2；2）按允许最低风速计算供风量公式：Q=V·A·60式中：Q—最小风速通风量，m³/min；v—允许最低风速，隧道施工规范规定，风速在全断面开挖时不小于0.15m/s，坑道内不小于0.25m/s，但均不应大于6m/s。
例析高原地区长大隧道施工通风技术应用
例析高原地区长大隧道施工通风技术应用前言：隧道施工一定会产生废气，这是不能避免的，尽管多数物质浓度合乎规定，但其中不乏存在有害性气体，如果不能其及时排除，就会使施工人员身体健康受到威胁。
隧道通风工作在此时就显得尤为重要，它主要是将隧道外的空气引入到隧道中，将隧道中的有害气体与物质排放出去，保证施工环境健康，促进施工作业正常进行。
一、高原地区隧道通风应坚持的基本原则在设计高原隧道施工通风时，应将以人为本作为基本原则，重视节能、环保要求，用最少的投入换取最好的施工设计，同时注重一次性成本的投入，确保通风系统长久实现。
由于高原地区氧气较为稀薄，大气气压较低，严重影响通风系统的建设，因此，在设计通风系统时应注重重率修正系数的调整，提升供风指标与相应设施的配备能力，同时还应做好风量计算，在选择参数时，应将促进风量增长放在第一位。
在选择通风机时，应主要应用双级调速轴流式设备，注重其节能性，这样就能减少能耗，使其能够根据风量的要求实际运转速度发生变化。
此外，还应坚持方便维护与管理原则，各个工区所使用的设备无论是在型号上还是在规格上都应一致[1]。
在实际使用中应合理安排工作流程，不仅要满足施工要求，还应避免出现爆破等情况，并控制好通风系统风门是实际施工运输之间的关系。
二、高原地区隧道施工中常用的通风方法（一）压入式通风高原地区气压较低，空气流通性差，而隧道施工污染有会严重，因此，通常使用压入式通风，这种通风方式的施工组织在管理上较为简单，方便操作使用，但却需要风机能够为其提供较大风量，这就要求通风机具有较大功率，综合能耗也会增多，并且压入式通风的漏风率会很高，能源浪费情况也很严重，如果其斜井断面出现净空情况，就不能在各个工作面中安装大直径通风管，再加上这种通风的可靠性很差，风管保养难以实现都是其主要缺点[2]。
（二）斜井中隔法通风为做好高原地区长大隧道施工通风工作，应注重斜井净空设计的应用，并将其分成两部分，一部分呈半圆形，另一部分为矩形。
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高原隧道供氧技术
青藏高原地区缺氧严重、生态环境脆弱，在长大隧道施工过程中为改善洞内工作环境，确保作业人员身心健康，需在隧道洞口附近设置高原变压吸附制氧站。
该制氧供氧系统采用变压吸附法，依靠固体吸附剂对空气各组分吸附能力的差异以及吸附量随压力变化的特性分离空气，产出并收集氧气。
制氧机生产的氧气采用灌充氧气钢瓶；隧道氧吧车集中供氧。
必要时可直接对隧道掌子面实施弥漫式供氧。
一、制氧供氧设备
制氧机由空气压缩机、过冷器、吸附器、储气罐、仪表、切换阀门等组成。
设置两台吸附器，内装气流均流陶瓷球和制氧分子筛，以保证制氧机连续供氧。
整个制氧过程的吸附、放压、放空、清洗和均压等步骤采用PLC全自动化控制。
原料空气经过过滤器去除空气中的机械杂质后进入压缩机，原料空气在压缩机中压缩到300kPa后，进入过冷器冷却。
经过冷却的压缩空气进入吸附器。
为了保证制氧机连续供氧，本装置设置了两台吸附器，内装气流均流陶瓷球和制氧分子筛。
一台吸附器从下部进原料空气，从上部得到氧气产品，产品气流入氧气缓冲罐。
另一台吸附器处于再生工况,解吸的氮气排入大气，恢复了分子筛吸附的能力。
两台吸附器交替进行吸附和解吸。
每台吸附器每个周期都必须完成吸附、均压、逆向清洗和解吸等工作步骤。
二、制氧供氧系统的工艺流程
隧道制氧供氧系统由空气预处理、空气压缩系统、吸附分离系统、压
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氧系统、隧道弥散供氧装置及隧道氧吧车等部分组成。
工艺流程见下图。
空气经过过滤器净化后进入空气压缩机压缩，冷器冷却后进入变压吸附制氧机，将空气中的氧气和氮气分离，氮气排除到室外，高浓度的氧气直接进入氧气压缩机或进入储气罐。
三、氧气充灌操作系统
制氧机所生产的氧气经过氧气压缩机压缩到10Mpa后输送到灌充台，氧气灌充台的主要任务是将氧气压缩机生产的高压氧气灌充到医用氧气瓶内，分别可以灌充2L、3L、4 L、10L、40L等不同规格的氧气瓶，供隧道施工人员随身携带使用，或充入医用氧气瓶配置给个人使用。
四、隧道氧吧车供氧操作系统
隧道施工人员在施工间隙必须轮换休息，为了迅速恢复施工人员的体力和精力，需要在洞内创造良好的休息场所。
制氧机生产的氧气通过输氧机将氧气输送到隧道氧吧车，氧吧车内置12个座位和12个供氧支管，可供多人集中吸氧。
氧吧车供氧支管上设置调节阀、流量计以及吸氧管连接
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