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。

由克拉伯龙方程设摩尔体积为V ，则有

m 1　高海拔地区氧环境理论研究

空气中的氧气含量可用单位量空气中所含氧气

式中：V 为摩尔体积（L/mol ）；n 为物质的量

m 特长高海拔公路隧道施工供氧方案

孙志涛

（中铁第一勘察设计院集团有限公司　陕西西安　710043）

【摘　要】本文通过理想气态方程的推导，建立了氧含量随着海拔变化的一般方程，分析了采用体积分数、质量浓度标准衡量高海拔缺氧状况的氧含量的利弊，得到了氧气的质量含量随着海拔的理论方程及解。对在建的海拔世界最高的雀儿山特长公路隧道的各种施工工况下的氧环境进行了现场实测，根据实测结果分析了高海拔隧道施工掌子面及洞口的缺氧情况。最后，根据国内外已有的针对高海拔地区的供氧方案的研究结果，提出了可行的高海拔隧道施工的供氧建议方案。

【关键词】理想气态方程；氧气质量浓度；高海拔；特长公路隧道；现场实测；供氧方案【中图分类号】U453.5 【文献标识码】A

【收稿日期】2016-1014

【作者简介】--孙志涛（1989），男，河南固始人，硕士研究生，助理工程师，主要从事隧道及地下工程设计及研究工作。

m 1000V V RT n P

=

=（2）

2016年第4期西南公路

（mol ）；V 为气体体积（L ）；P 为气体压强结合公式（5）认为氧气的体积分数为定值（Pa ）；T 为体系温度，单位（K ）；R 为理想气20.9%，对比标准大气表的标准大气相关参数见表体常数（J/mol·K ）。

1，随着海拔的变化关系，特别是不同海拔下的标准重力场中的理想气体密度随高度减小，其分布大气的温度情况，可以知道在不同的海拔高度下的规律服从玻尔兹曼分布律公式

氧气质量浓度变化的情况。所以，依据已得到的氧气质量浓度的计算公式可以得到，氧气质量浓度随海拔的变化规律，见表2。

式中：P 为海拔高度z 处气体压强（Pa ）；P 为海拔高度0处气体压强（Pa ）；M 为摩尔质0mol 2

量（kg/mol ）；g 为重力加速度（m/s ）；z 为海拔高度（m ）；R 为理想气体常数（J/mol·K ）；T 为温度，单位（K ）。

根据波尔兹曼分布重力场中气体分子密度变化规律，得到空气中的各组分气体分压随着海拔高度的增加而减小，且气体摩尔质量大的减小的越多，由于O 的摩尔质量为32而N 摩尔质量为28，随着22海拔的增高气体分压减少，氧气分压减少的更多，因此，其体积百分比会减少，对于平原上O 的体积2百分比为20.9%，但是随着海拔的增加体积百分比也会低于20.9%。理论上，虽然氧气的体积百分比会变小，但对于工程应用实际上这种很小的变化可以忽略不计。同时，这种微小的体积浓度变化是无法衡量，随着海拔高度的升高，空气中氧含量实际上发生的大幅度减少。

3

假设有1m 空气，以下为其体积浓度转化成质量浓度过程

3式中：C 为质量浓度（g/m ）；X 为氧气的体积分数；V 为摩尔体积（L/mol ）。

m 综合以上公式可以得到氧气的质量浓度转换公式：

3式中：C 为质量浓度（g/m ）；X 为氧气的体积分数V 为摩尔体积（L/mol ）；P o 为氧气分压力m （pa ）（可以通过现场实测测得氧气的体积分数及空气压力得到）；R 为理想气体常数（J/mol·K ）取8.31441J/mol·K ；T 为温度，单位（K ）。mol

M g z 0×RT

P P e

-=（3）

32000m

X C V =

（4）

32XP C RT

=328.31441XP T =mol M g z

032××RT X P e RT -=（5）

37.718 z

389973.55×RT

X e T

-=表1　不同海拔高度下的标准大气相关参数

海拔H /m

温度T /K 压强P /Pa 3

密度ρ/kg·m 0288.251.0133×101.225100287.650.9794×101.187500284.90.954611.1671000281.70.898761.1111500278.20.845601.0582000275.20.795011.0072500271.90.746920.95703000268.70.701210.90933500265.40.657800.86344000262.20.616600.81944500258.90.577530.77705000255.70.540480.73645500252.40.505390.69756000

249.2

0.47218

0.

6601

表2　氧气质量浓度随海拔的变化规律

海拔/m

3质量浓度/g m ·相当于海拔0时的氧含量/%

0282.8192029100%500269.524567795.30%1000256.638445790.74%1500244.496516986.45%2000232.37477982.16%2500220.968164878.13%3000

209.915864774.22%3500199.369067970.49%4000189.162768266.88%4500179.43506963.45%5000170.025369660.12%5500161.065350456.95%6000

152.4138304

53.89%

西南公路