山岭隧道钻爆法施工中供风系统的选配与计算

■许文斗

（泉州安溪厦沙高速公路有限公司，泉州　356000）

山岭隧道钻爆法施工中供风系统的选配与计算

■许文斗

（泉州安溪厦沙高速公路有限公司，泉州356000）

本文以福建省南安-厦门高速公路的石鼓山隧道为工程背景，通过石鼓山隧道高压供风方案的分析，结合当前机械工业发展的现状，详细介绍了山岭隧道空压机配置的要点和供风系统参数的计算与选择。

隧道空压机选型计算

0　引言

随着我国交通建设事业的快速发展，高速公路和铁路基建项目中长大隧道数目逐渐增多。在长大隧道施工中，大型运装设备、模板台车、输送泵使用使得工序循环明显加快。但是，在钻爆法施工条件下，开挖工序依然是影响施工进度关键环节。如何合理、经济、高效地配置空压机、选择合理的供风参数，对于提高工效 、缩短工期和节约投资至关重要。

1　工程概况

福建省南安-厦门高速公路的石鼓山隧道左右线单洞全长均为6005m，位于南安市和安溪县境内，工程所在地海拔标高95m，设计为6车道分离式高速公路隧道，净空14.5×5m，隧道坡度-0.95%，-1.7%，隧道洞身岩性主要为微风化凝灰熔岩，局部夹有薄层的砂质泥岩，围岩按工程地质类别划分分别为V、IV、III、Ⅱ级围岩，开挖断面分别为153.12m2、143.32m2、120.42m2和117.63m2。

2　隧道空压机选型的依据和设备参数确定

2.1按照施工用电供应情况确定空压机的驱动类型

在空压机分类中，按照动力源供给方式有内燃空压机和电动空压机。内燃空压机一般机动性较好，但其缺点是噪音大、污染严重、运行成本高，一般是在施工初期（高压电未接通之前）作为过渡机型选用；电动空压机费用较低而且噪音小、环保且不容易出现故障，在工期较长山岭隧道施工中，均选用电动空压机。

2.2冷却方式的选择

空压机的冷却方式分为水冷和风冷两种，一般认为水冷却方式较好，但实际上水冷却式空压机存在4各方面的缺点：1）必须另外配置完备的上下水系统，耗资较大；2）浪费水资源；3）水冷式冷却器寿命较短；3）寒冷地区容易冻坏气缸。选择空压机冷却方式时应结合多种因素综合考虑。

2.3供风量的计算依据

在隧道施工中一般多采用20m3/min左右的空压机并联。选择空压机的排气量要与所需的供气总量相匹配，并留有10～20%的富余量。用气工具主要包括风动凿岩钻机、混凝土喷射机、风镐和潜孔钻机等。风动气腿凿岩机以YT28型 为主，该机型工作气压0.4～0.63MPa，工作水压0.2～0.4MPa，扭矩≥19N·m，适宜钻孔直径为 32～42mm。施工中用气量集中在钻眼工序，相对来说其他的气动工具用气量较小，如锚喷支护工序中的混凝土喷射机使用时间往往会同钻眼时间错开。所以空压站的排气量主要取决于气腿凿岩钻机。钻机工作时的耗气量根据工作气压而不同，具体耗气量参数如表1所示。

表1　　YT28型气腿凿岩机耗气量参数表

空压机站的供风能力Q值，取决于各风动机具的耗风量、储气筒到风动机具设备沿途的损失、场地大气压影响系数（与海拔高程相关）、风动机具的同时工作系数和备用系数，即：空压机房的生产能力（或供风能力）Q。

2.4空压机排气压力和高压风管内径的确定

空气压缩机的选择主要依据气动系统的工作压力和流量。选用的空压机排气压力越高能耗越大，而排气压力要是低于所需风压，则不能驱动风动工具，影响施工效率。一般所需压力为管道损耗的压力降加上使用压力即为空压机排气压力下限。空压站的工作压力应比气动系统中的最高工作压力高20%左右，因为要考虑供气管道的沿程损失和局部损失。如果系统中某些地方的工作压力要求较低，可以采用减压阀来供气。

隧道施工常见的空压机使用压力一般为 0.7～1.0MPa。可根据气腿凿岩机使用气压、地区海拔高度、供气管道断面面积和长短（空压站距离掌子面最长距离）计算确定空压机的排气压力。为保证风动机具有的风压，要求钢风管终端的风压不得小于0.6MPa，这样通过胶皮管输送至风动机具 （隧道掘进掌子面）的工作风压才不小于0.5MPa。压缩空气在输送过程中，由于管壁摩擦、接头、阀门等产生沿程阻力，使其压力减少，一般称为风压力损失。

2.5其他应注意的事项

随着海报高度的增高，空气变得越来越稀薄，空压机的进气压力降低，容积效率也随之降低。为保证与平原处的使用功能相同，在选型时对电动空压机的效率降低应予以考虑，空压机要选择较大的容积流量。

3　石鼓山隧道高压供风设计

3.1供风系统布置

鉴于该隧道出口端不设斜井和竖井，工期紧张且难度大。根据施工组织设计，隧道开挖针对围岩类别分别采用CRD法、台阶分部开挖方、正台阶开挖法和全断面开挖法。隧道出渣采用ZCL-50型侧卸式装载机出渣，汽车运输。隧道在II级围岩段采用全断面开挖法时，左右洞掌子面各采用23台TY-28型气腿凿岩机人工钻眼。由于喷射混凝土机和风钻一般不会同时使用，所以计算空气压缩站排气能力时按照用气量最大负荷，即左右洞同时开挖时使用46台TY-28型气腿凿岩机的需风量计算。隧道供风采用在右洞口附近设12台开山牌LG-20/ 7G型空压机（排气量20.1m3/min）电动空压机并联的空压站，供左右洞同时施工用。高压风管采用无缝钢管，法兰连接。空压站至左右洞口处约50m范围用1根直径300mm的风管集中输出，在左右洞口处安装闸阀后分别用直径200mm的钢管接入两个洞内，风管紧靠隧道矮边墙布设。距离掌子面50m范围内安装分风阀后经橡胶软管接至掌子面。

3.2空压机排气量的计算

根据TY-28型气腿凿岩机的使用说明书中凿岩耗气量参数和《公路隧道施工技术细则》（JTG/T F60-2009）中关于掌子面高压风压力不低于0.5MPa的要求。当工作压力为0.5MPa时，每台凿岩机每秒钟耗气量为58L/min，左右洞46台钻机每分钟的理论耗风量为：Q=46×58×60= 160080L，即160.08m3/min。

空压站的设计供风量按公式（1）计算。

Q=（1+K备）（K×∑Q+Q漏）Km（1）

公式（1）中，Q为设计供风量；K为同时工作系数，按照K值系数表，当采用46台气腿凿岩机来计算最大控制风量时，取K=0.75；K备为空压机的备用系数，一般采用75%～90%，由于本工程投入使用的空压机数量较多，取K备=75%；∑Q为风动机具所需风量（m3/min），本工程以隧道左右洞同时钻眼时使用46台TY-28型气腿凿岩机的用风量为最大控制风量，取∑Q=160.08m3/min；Q漏为管路及附件的漏耗损失，其值计算方法为：Q漏=d×∑L，式中，d为每公里漏风量，平均为1.5～2.0m3/min，L为管路总长度（km）。当管道长度取L=3.2Km，d=2.0m3/min时，Q漏=2×（2.0×3.2）=12.8m3/min（左右洞高压风管分开布置，故漏风量采用2倍）；Km为海拔对空压机的影响系数，查表根据直线内插法可知，Km=1.01。风动机具同时工作系数K见表2，大气压（海拔高度）对空压机排气量影响系数Km见表3。

表2　风动机具同时工作系数（K）

表3　大气压（海拔高度）对空压机排气量影响系数（Km）

将以上参数带入设计供风量计算公式，可得：

Q=（1+K备）（K×∑Q+Q漏）×Km=（1+75%）×（0.75× 160.08+12.8）×1.01=234.83m3/min

本项目选用开山牌LG-20/7G喷油螺杆空压机的主要参数如表4所示。

LG-20/7G型空压机排气量为20.1m3/min，12台并联的排气量可达到241.2m3/min，满足左右洞46台风钻同时在最高风压时工作的最大需风量。3.3空压机排气压力和高压风管参数的计算

表4　空压机参数表（型号后带“G”字母的表示齿轮直联传动）

石鼓山隧道施工所用的空压机额定输出压力为0.7MPa，为保证风动机具有的风压通过胶皮管输送至风动机具的工作风压才不小于0.5MPa，要求钢风管终端的风压不得小于0.6MPa。这样压力降的最大限制值就不得大于0.1 MPa。

长距离管道输送压缩空气的压力降可使用达西公式（2）和公式（3）计算。

公式（2）和公式（3）中，λ为摩阻系数，见表5；ΔP为管道气压降（MPa）；L为从压缩机储气筒到用气风动工具之间的距离（m）；Q标为容积流量（m3/min）；d为输气管道直径（m）；P为管道进口绝对压力（MPa）。L为送风管路长度 （m）；d为送风管内径 （m）；g为重力加速度 （采用9.81m/s2）；γ为压缩空气重度；v为压缩空气在风管中得速度（m/s），可根据排气量和风管直径由流体力学高压气体在管道中的速度公式计算求得。

表5　空气在钢管中的摩阻系数λ值表

以上计算的风压力损失值若过大，则应选用较大管径d值的风管，以便减少压力损失值，使得钢管末端风压满足要求。

根据公式公式（2）和公式（3），求得以下参数数值。

（1）重力加速度g=9.81m/s2。

（2）γ为压缩空气重度，在大气压下当温度为0℃时，空气容重为12.90N/m3，当温度为t℃时其容重为γt=12.9×（273/（273+t））（N/m3），此时，压力为P的压缩空气的容重γ应为γ=γt（P+0.1）/0.1，P为空气压缩机生产的压缩空气的压力（由空压机性能可知），单位为MPa。查当地气象资料，最低空气温度接近于5℃。则温度t=5℃、排气压力P= 0.7MPa时，压缩空气容重为：

γ=γt（P+0.1）/0.1==12.9×（273/（273+5））×（0.7+0.1）/ 0.1=101.44N/m3。

（3）左右洞各采用23台YT-28型气腿凿岩机同时工作的用风量作为计算风速的标准排气量，则Q标= 0.5Q=223.52/2=111.76m3/min。

（4）输气钢管长度L=3200m。

（5）空压机排气压力由设备使用手册可知P=0.7MPa。

①当管道内径为150mm时：

管道中的空气速度v=Q标×0.1/（15×3.14×d2×（P+0.1））

=111.76×0.1/（15×3.14×0.152×（0.7+0.1））

=13.18m/s，此时高压空气在管道中的摩阻系数λ=0.0264；

高压空气在150mm直径的钢管中的输送压力损失值为：

△P=0.0264×3200/0.15×13.182/（2×9.81）×101.44×10-6

=0.5MPa＞0.1MPa；不能满足最大压力降的要求，应选用较大管径的风管，从而减少压力损失值，使钢管末端风压不小0.6MPa。

②当管道内径为200mm时：

管道中的空气速度v=111.76×0.1/（15×3.14×0.202×（0.7+0.1））

=7.41m/s，此时高压空气在管道中的摩阻系数λ=0.0245。

将以上已知参数带入达西公式，可知：

△P=0.0245×3200/0.20×7.412/（2×9.81）×101.44×10-6

=0.1MPa，可满足最大压力降的要求 。

则石鼓山隧道左右洞应同时选用内径为200mm的高压风管，可满足在任何情况下洞内风动机具的正常工作。

4　结语

通过石鼓山隧道高压供风系统的设计分析可知，隧道施工中高压供风方案的关键是首先要按照编制的实施性施工组织设计提供的钻爆方案来确定空压机的型号和数量，然后根据设计的总排气量和隧道掘进长度等因素确定空压机的排气压力和供风管道的直径。在空压机选型中要结合施工现场的外界环境、海拔高度合理选取。

喷油螺杆式空压机已成为当今世界空气压缩机发展的主流，具有极其优越而且可靠的性能，其振动小、噪声低、效率高、易损件少，是活塞式压缩机（同等排气压力下）无可比拟的性能优点。一般来说螺杆式空压机虽然设备购置费比活塞式空压机贵了一些，但由于其可靠节能的优点，后期的维护使用费大大降低，从设备全寿命周期成本的角度考虑应该优先选用。选择合理的供风管道直径，不仅要节约经济，更需要保证管道终端风压满足施工要求。

空压机排气压力的选择应结合工程所处的海拔高度、用气总量、输送管道长度、管径有很大的关系，应该选用较高气压的空压机。但往往同样排气量的空压机随着排气压力的增大，轴功率和电机功率的增幅也很大，使用费会迅速提高，且过大的排气压力容易对风动工具造成危害，应该综合考虑。

［1］中国铁路通信信号总公司.铁路工程施工技术手册［M］.北京：中国铁道出版，1996.

［2］中华人民共和国交通部.JTG/T F60-2009，公路隧道施工技术细则［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］中华人民共和国交通部.JTJ F60-2009，公路隧道施工技术规范［M］.北京：人民交通出版社，2009.