■許文斗

（泉州安溪廈沙高速公路有限公司，泉州　356000）

山嶺隧道鉆爆法施工中供風(fēng)系統(tǒng)的選配與計(jì)算

■許文斗

（泉州安溪廈沙高速公路有限公司，泉州356000）

本文以福建省南安-廈門高速公路的石鼓山隧道為工程背景，通過石鼓山隧道高壓供風(fēng)方案的分析，結(jié)合當(dāng)前機(jī)械工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了山嶺隧道空壓機(jī)配置的要點(diǎn)和供風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算與選擇。

隧道空壓機(jī)選型計(jì)算

0　引言

隨著我國(guó)交通建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，高速公路和鐵路基建項(xiàng)目中長(zhǎng)大隧道數(shù)目逐漸增多。在長(zhǎng)大隧道施工中，大型運(yùn)裝設(shè)備、模板臺(tái)車、輸送泵使用使得工序循環(huán)明顯加快。但是，在鉆爆法施工條件下，開挖工序依然是影響施工進(jìn)度關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如何合理、經(jīng)濟(jì)、高效地配置空壓機(jī)、選擇合理的供風(fēng)參數(shù)，對(duì)于提高工效 、縮短工期和節(jié)約投資至關(guān)重要。

1　工程概況

福建省南安-廈門高速公路的石鼓山隧道左右線單洞全長(zhǎng)均為6005m，位于南安市和安溪縣境內(nèi)，工程所在地海拔標(biāo)高95m，設(shè)計(jì)為6車道分離式高速公路隧道，凈空14.5×5m，隧道坡度-0.95%，-1.7%，隧道洞身巖性主要為微風(fēng)化凝灰熔巖，局部夾有薄層的砂質(zhì)泥巖，圍巖按工程地質(zhì)類別劃分分別為V、IV、III、Ⅱ級(jí)圍巖，開挖斷面分別為153.12m2、143.32m2、120.42m2和117.63m2。

2　隧道空壓機(jī)選型的依據(jù)和設(shè)備參數(shù)確定

2.1按照施工用電供應(yīng)情況確定空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)類型

在空壓機(jī)分類中，按照動(dòng)力源供給方式有內(nèi)燃空壓機(jī)和電動(dòng)空壓機(jī)。內(nèi)燃空壓機(jī)一般機(jī)動(dòng)性較好，但其缺點(diǎn)是噪音大、污染嚴(yán)重、運(yùn)行成本高，一般是在施工初期（高壓電未接通之前）作為過渡機(jī)型選用；電動(dòng)空壓機(jī)費(fèi)用較低而且噪音小、環(huán)保且不容易出現(xiàn)故障，在工期較長(zhǎng)山嶺隧道施工中，均選用電動(dòng)空壓機(jī)。

2.2冷卻方式的選擇

空壓機(jī)的冷卻方式分為水冷和風(fēng)冷兩種，一般認(rèn)為水冷卻方式較好，但實(shí)際上水冷卻式空壓機(jī)存在4各方面的缺點(diǎn)：1）必須另外配置完備的上下水系統(tǒng)，耗資較大；2）浪費(fèi)水資源；3）水冷式冷卻器壽命較短；3）寒冷地區(qū)容易凍壞氣缸。選擇空壓機(jī)冷卻方式時(shí)應(yīng)結(jié)合多種因素綜合考慮。

2.3供風(fēng)量的計(jì)算依據(jù)

在隧道施工中一般多采用20m3/min左右的空壓機(jī)并聯(lián)。選擇空壓機(jī)的排氣量要與所需的供氣總量相匹配，并留有10～20%的富余量。用氣工具主要包括風(fēng)動(dòng)鑿巖鉆機(jī)、混凝土噴射機(jī)、風(fēng)鎬和潛孔鉆機(jī)等。風(fēng)動(dòng)氣腿鑿巖機(jī)以YT28型 為主，該機(jī)型工作氣壓0.4～0.63MPa，工作水壓0.2～0.4MPa，扭矩≥19N·m，適宜鉆孔直徑為 32～42mm。施工中用氣量集中在鉆眼工序，相對(duì)來說其他的氣動(dòng)工具用氣量較小，如錨噴支護(hù)工序中的混凝土噴射機(jī)使用時(shí)間往往會(huì)同鉆眼時(shí)間錯(cuò)開。所以空壓站的排氣量主要取決于氣腿鑿巖鉆機(jī)。鉆機(jī)工作時(shí)的耗氣量根據(jù)工作氣壓而不同，具體耗氣量參數(shù)如表1所示。

表1　　YT28型氣腿鑿巖機(jī)耗氣量參數(shù)表

空壓機(jī)站的供風(fēng)能力Q值，取決于各風(fēng)動(dòng)機(jī)具的耗風(fēng)量、儲(chǔ)氣筒到風(fēng)動(dòng)機(jī)具設(shè)備沿途的損失、場(chǎng)地大氣壓影響系數(shù)（與海拔高程相關(guān)）、風(fēng)動(dòng)機(jī)具的同時(shí)工作系數(shù)和備用系數(shù)，即：空壓機(jī)房的生產(chǎn)能力（或供風(fēng)能力）Q。

2.4空壓機(jī)排氣壓力和高壓風(fēng)管內(nèi)徑的確定

空氣壓縮機(jī)的選擇主要依據(jù)氣動(dòng)系統(tǒng)的工作壓力和流量。選用的空壓機(jī)排氣壓力越高能耗越大，而排氣壓力要是低于所需風(fēng)壓，則不能驅(qū)動(dòng)風(fēng)動(dòng)工具，影響施工效率。一般所需壓力為管道損耗的壓力降加上使用壓力即為空壓機(jī)排氣壓力下限。空壓站的工作壓力應(yīng)比氣動(dòng)系統(tǒng)中的最高工作壓力高20%左右，因?yàn)橐紤]供氣管道的沿程損失和局部損失。如果系統(tǒng)中某些地方的工作壓力要求較低，可以采用減壓閥來供氣。

隧道施工常見的空壓機(jī)使用壓力一般為 0.7～1.0MPa。可根據(jù)氣腿鑿巖機(jī)使用氣壓、地區(qū)海拔高度、供氣管道斷面面積和長(zhǎng)短（空壓站距離掌子面最長(zhǎng)距離）計(jì)算確定空壓機(jī)的排氣壓力。為保證風(fēng)動(dòng)機(jī)具有的風(fēng)壓，要求鋼風(fēng)管終端的風(fēng)壓不得小于0.6MPa，這樣通過膠皮管輸送至風(fēng)動(dòng)機(jī)具 （隧道掘進(jìn)掌子面）的工作風(fēng)壓才不小于0.5MPa。壓縮空氣在輸送過程中，由于管壁摩擦、接頭、閥門等產(chǎn)生沿程阻力，使其壓力減少，一般稱為風(fēng)壓力損失。

2.5其他應(yīng)注意的事項(xiàng)

隨著海報(bào)高度的增高，空氣變得越來越稀薄，空壓機(jī)的進(jìn)氣壓力降低，容積效率也隨之降低。為保證與平原處的使用功能相同，在選型時(shí)對(duì)電動(dòng)空壓機(jī)的效率降低應(yīng)予以考慮，空壓機(jī)要選擇較大的容積流量。

3　石鼓山隧道高壓供風(fēng)設(shè)計(jì)

3.1供風(fēng)系統(tǒng)布置

鑒于該隧道出口端不設(shè)斜井和豎井，工期緊張且難度大。根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，隧道開挖針對(duì)圍巖類別分別采用CRD法、臺(tái)階分部開挖方、正臺(tái)階開挖法和全斷面開挖法。隧道出渣采用ZCL-50型側(cè)卸式裝載機(jī)出渣，汽車運(yùn)輸。隧道在II級(jí)圍巖段采用全斷面開挖法時(shí)，左右洞掌子面各采用23臺(tái)TY-28型氣腿鑿巖機(jī)人工鉆眼。由于噴射混凝土機(jī)和風(fēng)鉆一般不會(huì)同時(shí)使用，所以計(jì)算空氣壓縮站排氣能力時(shí)按照用氣量最大負(fù)荷，即左右洞同時(shí)開挖時(shí)使用46臺(tái)TY-28型氣腿鑿巖機(jī)的需風(fēng)量計(jì)算。隧道供風(fēng)采用在右洞口附近設(shè)12臺(tái)開山牌LG-20/ 7G型空壓機(jī)（排氣量20.1m3/min）電動(dòng)空壓機(jī)并聯(lián)的空壓站，供左右洞同時(shí)施工用。高壓風(fēng)管采用無(wú)縫鋼管，法蘭連接?？諌赫局磷笥叶纯谔幖s50m范圍用1根直徑300mm的風(fēng)管集中輸出，在左右洞口處安裝閘閥后分別用直徑200mm的鋼管接入兩個(gè)洞內(nèi)，風(fēng)管緊靠隧道矮邊墻布設(shè)。距離掌子面50m范圍內(nèi)安裝分風(fēng)閥后經(jīng)橡膠軟管接至掌子面。

3.2空壓機(jī)排氣量的計(jì)算

根據(jù)TY-28型氣腿鑿巖機(jī)的使用說明書中鑿巖耗氣量參數(shù)和《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F60-2009）中關(guān)于掌子面高壓風(fēng)壓力不低于0.5MPa的要求。當(dāng)工作壓力為0.5MPa時(shí)，每臺(tái)鑿巖機(jī)每秒鐘耗氣量為58L/min，左右洞46臺(tái)鉆機(jī)每分鐘的理論耗風(fēng)量為：Q=46×58×60= 160080L，即160.08m3/min。

空壓站的設(shè)計(jì)供風(fēng)量按公式（1）計(jì)算。

Q=（1+K備）（K×∑Q+Q漏）Km（1）

公式（1）中，Q為設(shè)計(jì)供風(fēng)量；K為同時(shí)工作系數(shù)，按照K值系數(shù)表，當(dāng)采用46臺(tái)氣腿鑿巖機(jī)來計(jì)算最大控制風(fēng)量時(shí)，取K=0.75；K備為空壓機(jī)的備用系數(shù)，一般采用75%～90%，由于本工程投入使用的空壓機(jī)數(shù)量較多，取K備=75%；∑Q為風(fēng)動(dòng)機(jī)具所需風(fēng)量（m3/min），本工程以隧道左右洞同時(shí)鉆眼時(shí)使用46臺(tái)TY-28型氣腿鑿巖機(jī)的用風(fēng)量為最大控制風(fēng)量，取∑Q=160.08m3/min；Q漏為管路及附件的漏耗損失，其值計(jì)算方法為：Q漏=d×∑L，式中，d為每公里漏風(fēng)量，平均為1.5～2.0m3/min，L為管路總長(zhǎng)度（km）。當(dāng)管道長(zhǎng)度取L=3.2Km，d=2.0m3/min時(shí)，Q漏=2×（2.0×3.2）=12.8m3/min（左右洞高壓風(fēng)管分開布置，故漏風(fēng)量采用2倍）；Km為海拔對(duì)空壓機(jī)的影響系數(shù)，查表根據(jù)直線內(nèi)插法可知，Km=1.01。風(fēng)動(dòng)機(jī)具同時(shí)工作系數(shù)K見表2，大氣壓（海拔高度）對(duì)空壓機(jī)排氣量影響系數(shù)Km見表3。

表2　風(fēng)動(dòng)機(jī)具同時(shí)工作系數(shù)（K）

表3　大氣壓（海拔高度）對(duì)空壓機(jī)排氣量影響系數(shù)（Km）

將以上參數(shù)帶入設(shè)計(jì)供風(fēng)量計(jì)算公式，可得：

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

本項(xiàng)目選用開山牌LG-20/7G噴油螺桿空壓機(jī)的主要參數(shù)如表4所示。

LG-20/7G型空壓機(jī)排氣量為20.1m3/min，12臺(tái)并聯(lián)的排氣量可達(dá)到241.2m3/min，滿足左右洞46臺(tái)風(fēng)鉆同時(shí)在最高風(fēng)壓時(shí)工作的最大需風(fēng)量。3.3空壓機(jī)排氣壓力和高壓風(fēng)管參數(shù)的計(jì)算

表4　空壓機(jī)參數(shù)表（型號(hào)后帶“G”字母的表示齒輪直聯(lián)傳動(dòng)）

石鼓山隧道施工所用的空壓機(jī)額定輸出壓力為0.7MPa，為保證風(fēng)動(dòng)機(jī)具有的風(fēng)壓通過膠皮管輸送至風(fēng)動(dòng)機(jī)具的工作風(fēng)壓才不小于0.5MPa，要求鋼風(fēng)管終端的風(fēng)壓不得小于0.6MPa。這樣壓力降的最大限制值就不得大于0.1 MPa。

長(zhǎng)距離管道輸送壓縮空氣的壓力降可使用達(dá)西公式（2）和公式（3）計(jì)算。

公式（2）和公式（3）中，λ為摩阻系數(shù)，見表5；ΔP為管道氣壓降（MPa）；L為從壓縮機(jī)儲(chǔ)氣筒到用氣風(fēng)動(dòng)工具之間的距離（m）；Q標(biāo)為容積流量（m3/min）；d為輸氣管道直徑（m）；P為管道進(jìn)口絕對(duì)壓力（MPa）。L為送風(fēng)管路長(zhǎng)度 （m）；d為送風(fēng)管內(nèi)徑 （m）；g為重力加速度 （采用9.81m/s2）；γ為壓縮空氣重度；v為壓縮空氣在風(fēng)管中得速度（m/s），可根據(jù)排氣量和風(fēng)管直徑由流體力學(xué)高壓氣體在管道中的速度公式計(jì)算求得。

表5　空氣在鋼管中的摩阻系數(shù)λ值表

以上計(jì)算的風(fēng)壓力損失值若過大，則應(yīng)選用較大管徑d值的風(fēng)管，以便減少壓力損失值，使得鋼管末端風(fēng)壓滿足要求。

根據(jù)公式公式（2）和公式（3），求得以下參數(shù)數(shù)值。

（1）重力加速度g=9.81m/s2。

（2）γ為壓縮空氣重度，在大氣壓下當(dāng)溫度為0℃時(shí)，空氣容重為12.90N/m3，當(dāng)溫度為t℃時(shí)其容重為γt=12.9×（273/（273+t））（N/m3），此時(shí)，壓力為P的壓縮空氣的容重γ應(yīng)為γ=γt（P+0.1）/0.1，P為空氣壓縮機(jī)生產(chǎn)的壓縮空氣的壓力（由空壓機(jī)性能可知），單位為MPa。查當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，最低空氣溫度接近于5℃。則溫度t=5℃、排氣壓力P= 0.7MPa時(shí)，壓縮空氣容重為：

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臺(tái)YT-28型氣腿鑿巖機(jī)同時(shí)工作的用風(fēng)量作為計(jì)算風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)排氣量，則Q標(biāo)= 0.5Q=223.52/2=111.76m3/min。

（4）輸氣鋼管長(zhǎng)度L=3200m。

（5）空壓機(jī)排氣壓力由設(shè)備使用手冊(cè)可知P=0.7MPa。

①當(dāng)管道內(nèi)徑為150mm時(shí)：

管道中的空氣速度v=Q標(biāo)×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，此時(shí)高壓空氣在管道中的摩阻系數(shù)λ=0.0264；

高壓空氣在150mm直徑的鋼管中的輸送壓力損失值為：

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

=0.5MPa＞0.1MPa；不能滿足最大壓力降的要求，應(yīng)選用較大管徑的風(fēng)管，從而減少壓力損失值，使鋼管末端風(fēng)壓不小0.6MPa。

②當(dāng)管道內(nèi)徑為200mm時(shí)：

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

=7.41m/s，此時(shí)高壓空氣在管道中的摩阻系數(shù)λ=0.0245。

將以上已知參數(shù)帶入達(dá)西公式，可知：

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

=0.1MPa，可滿足最大壓力降的要求 。

則石鼓山隧道左右洞應(yīng)同時(shí)選用內(nèi)徑為200mm的高壓風(fēng)管，可滿足在任何情況下洞內(nèi)風(fēng)動(dòng)機(jī)具的正常工作。

4　結(jié)語(yǔ)

通過石鼓山隧道高壓供風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析可知，隧道施工中高壓供風(fēng)方案的關(guān)鍵是首先要按照編制的實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)提供的鉆爆方案來確定空壓機(jī)的型號(hào)和數(shù)量，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的總排氣量和隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度等因素確定空壓機(jī)的排氣壓力和供風(fēng)管道的直徑。在空壓機(jī)選型中要結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的外界環(huán)境、海拔高度合理選取。

噴油螺桿式空壓機(jī)已成為當(dāng)今世界空氣壓縮機(jī)發(fā)展的主流，具有極其優(yōu)越而且可靠的性能，其振動(dòng)小、噪聲低、效率高、易損件少，是活塞式壓縮機(jī)（同等排氣壓力下）無(wú)可比擬的性能優(yōu)點(diǎn)。一般來說螺桿式空壓機(jī)雖然設(shè)備購(gòu)置費(fèi)比活塞式空壓機(jī)貴了一些，但由于其可靠節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，后期的維護(hù)使用費(fèi)大大降低，從設(shè)備全壽命周期成本的角度考慮應(yīng)該優(yōu)先選用。選擇合理的供風(fēng)管道直徑，不僅要節(jié)約經(jīng)濟(jì)，更需要保證管道終端風(fēng)壓滿足施工要求。

空壓機(jī)排氣壓力的選擇應(yīng)結(jié)合工程所處的海拔高度、用氣總量、輸送管道長(zhǎng)度、管徑有很大的關(guān)系，應(yīng)該選用較高氣壓的空壓機(jī)。但往往同樣排氣量的空壓機(jī)隨著排氣壓力的增大，軸功率和電機(jī)功率的增幅也很大，使用費(fèi)會(huì)迅速提高，且過大的排氣壓力容易對(duì)風(fēng)動(dòng)工具造成危害，應(yīng)該綜合考慮。

［1］中國(guó)鐵路通信信號(hào)總公司.鐵路工程施工技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版，1996.

［2］中華人民共和國(guó)交通部.JTG/T F60-2009，公路隧道施工技術(shù)細(xì)則［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］中華人民共和國(guó)交通部.JTJ F60-2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2009.