摘要: 通过对杭黄铁路隧道风机、风水管材质及直径和高压电设备的选型分析比较，从隧道常用的机械设备和辅助施工材料的选型依据、理论公式计算、结果分析、现场实际使用情况等方面进行阐述，给出了经过现场实践证明能满足使用需求的建议，为今后类似工程选择风水管和电力设备类型提供经验和依据。
关键词 :高铁 隧道 风水管 选型
Abstract Comparison analysis of tunnel fan and wind-water pipe material and pipe diameter of Hang-huang railway tunnel are carried out. Selection basis of mechanical equipment and auxiliary materials commonly used in tunnel, theoretical formula, analysis results, use situation in site and so on are presented in this paper. It is a practice test recommendation and provides experience for type-selecting of wind-water pipes and electricityfor similar projects.
Keywords High - speed rail; Tunnel; Wind?and water pipe; Type-selection
1 引言
随着中国铁路的高速发展，隧道工程在线路中所占比例越来越大，特别是重山丘陵区修建的高速铁路，为满足线路平面选线要求，隧道动辄长度达20～30km，单口掘进2～3km，施工难度越来越大，洞内通风、高压风、高压水的设计与布置要求更加合理[1]。本文旨在通过对不同长度隧道风水管选型及实际应用情况分析，为以后类似工程施工指明方向，避免走弯路。
2 工程概况
新建杭黄铁路Ⅷ标中铁十五局集团二分部施工管段起讫里程：DK225+053～DK245+116.45，正线长度20.063 km。途经绩溪县华阳镇、瀛洲镇、杨溪镇、伏岭镇等，主要工程包括：正线桥梁4.977km/15座，占线路总长的24.8%，隧道12.872km/10.25座，占线路总长的64.2%；路基2.877km/17段，占线路总长的14.3%。其中峰高岭
隧道全长9087m，单口掘进2354m；石门里一号隧道全长2142m，单口掘进1100m；里巧川隧道全长3725m，单口掘进2200m；芦山湾隧道全长2333m，单口掘进1700m；隧道采用双口掘进[]，基本为人字坡，最大坡度10‰。
3 风水管选型依据
通风管的选型要满足掌子面排烟量、工作人员需要的新鲜风量、最低风速、稀释有毒有害气体、稀释和排出作业车辆尾气以及通风时间等的需要；高压风管的选型，要满足掌子面上、中、下全断面作业时的风量及风压，或突击进度时凿岩机最大用风量及喷浆设备用风量及风压的需求[2]；高压水管要满足凿岩机最大用水量及喷浆设备用水量及水压的需求。
4 风水管常规型号
4.1 通风管规格型号（见表1）
表1 通风管规格型号
注：不设高位水池，采用增压泵接力。
5 通风管选型计算
按Ⅲ、Ⅳ级围岩，台阶法钻爆法施工，每循环进尺按3.6m，断面90m2，炸药用量1.0kg/m3。钻爆法施工时掌子面所需风量按洞内要求最小风速、洞内人员需风量、一次爆破后30min排除掌子面炮烟所需的风量计算，取其中的最大值为设计风量[3]。
5.1 风量计算
5.1.1 根据洞内同时作业的最多人数计算
采用公式：Q1=（qm+pn）k（m3/min）
式中：q——洞内每人每分钟所需新鲜空气，取3m3/min
m——洞内同时工作的最多人，取40人。
k——风量备用系数，取1.15。
p——洞内总内燃机功率，取760kW（3台自卸汽车170kW/台、1台挖机120kW/台、2台装载机160kW/台，按机械额定功率的80%计）。p=(170×3+120+160×2）×80%=760kW[4]。
n——每kW内燃节需要供风量，取3m3/min。
计算可得：Q1=（3×40+760×3）×1.15=2760m3/min
5.1.2 按洞内同一时间爆破使用的最大炸药量计算
采用压入式通风公式计算：
5.1.3 按洞内允许最小风速计算
采用公式：Q3=60VS（m3/min）
式中：V——洞内最小允许风速m/s，最小允许风速为0.15m/s。
S——洞室面积，取90m2。
计算可得Q3=60×0.15×90=810（m3/min）
设备的供风能力取决于Qmax=max{Q1、Q2、Q3}＝2760m3/min。
对于长大隧道，管道的漏风现象，造成入口处与出口处的风量差别很大，按百米漏风量（β取1.3%）计算洞口风机风量[5]：
Q机=Qmax/(1-β）L/100
=2760/(1-0.013)2760/100
=3894m3/min。
5.2 风压计算
通风机应有足够的风压以克服管道系统阻力，即h＞h阻，按下式计算：
h阻=∑h动+∑h沿+∑h局=3501pa
其中： ① 管口动压h动一般可考虑为50pa。
h动=50pa；
② 沿程压力损失计算：
h沿=α·l·U·p·Qmax2·g/s3=3137pa；
式中 α－风管摩擦阻力系数，取α=3×10-4kg.s2/m3
l－风管长度，取2760m
U—风管周边长（1.2m），π·D=3.77m
p－漏风系数，P=1/（1-β）L/100=1.167，β=1.3%，L＝2760m，
Qmax－计算掌子面所需风量，2760 m3/min并折合成46m3/s
g－重力加速度，取9.8m/s2
S—风管截面积，π·D2/4=1.13m2；D－风管直径1.2m
③局部压力损失，按沿程压力损失的10%进行估算：
5.3 风机选型 （见表4）
表4 风机型号
5.4 应用实例
从以上计算可以看出，影响作业环境的，主要是机械设备，根据计算判定，应该满足要求，但实际施工过程中，同时在洞内的设备，远比计算多了一倍[7]，主要增加的设备是汽车拖泵90kW、砼运输罐车200kW3~4台，在700米内时，直径1.2米风带，基本满足要求；700-1000米时，风带改为1.5米直径能满足；1000-1500米时，风带改为1.8米直径满足；超过1500米时，风压已经不能满足要求，在1000米处增加1台风机串联，作业环境基本满足要求[8]。通过施工过程中不断的调整，笔者以为，在长大隧道施工中，可按照以下表格5所示配置风机及风带。
表5 长大隧道风机风带配置表
6 高压风管选型计算
6.1 空压站的生产能力设计
下列公式中符号表示内容见《路桥施工计算手册》P642页的表21-1。
Q=（1+K备）×（∑qk+q漏）km
=（1+0.75）×（∑（16×4.9+7×2）×0.8+1.7×2.76）×1.03=142m3
根据计算，可选用7台20 m3/min，压力0.8Mpa红五环空压机建立仓储站。
6.2 管径选择
为保证工作风压不小于0.5Mpa，钢管终端的风压不小于0.6MPa，即风压损失△p不得超过0.1-0.2Mpa，据此选择风管直径。
6.3 应用实例
隧道单口掘进2.76公里，前期策划时，进洞高压风管选用φ150mm钢管，风站采用4台20m3红五环空压机，掘进至1000m时，风压不足，增加至5台空压机，掘进1100m后，风压不足，再增加至6台空压机，风压仍不足，经计算，主要问题是风管直径不足，所有风管，调整成φ200mm风管，风压满足要求，空压机台数可减至满负荷4台、备用1台，另1台为临时机动使用，掘进至2000米时，5台全负荷工作，1台备用，能满足现场需求[9]。
7 高压供水管选型计算
隧道高压水，经验做法是采用高位水池，前期策划好水池位置，计算好水头高度及用量，基本可以满足需求，但该方法受天气影响较大，冬季寒冷季节结易结冰，影响使用[10]。现普遍使用的是高压水泵增压接力进洞。
7.1 水池容量计算
利用高山自流水，水量较大，可建立20-30m3水池供水；水量较少时，需按如下公式计算，具体公式及字母含义见《路桥施工计算手册》P643-644页表21-7：
V=24α1C（Qc+QS）
=24×1.1×1/7×（（18×6×3×3.5)/24+0.12×150/24）=181m3
洞内高峰时期，使用16把风枪，2台湿喷机，查询相关设备参数，单机最大耗水量每小时在5.5-6.5m3/h，按3个循环/天，3.5小时/每循环计算用水量为1134m3/h；人员配置150人。
7.2 输水管径计算
每小时最大耗水量18×6=108m3；
每秒钟输水量108/60/60×1000=30L；
查《路桥施工计算手册》P644页表21-8：选用直径φ150铸铁管，流速v=1.72m/s，压力损失37.7mm/m。
7.3 增压泵扬程计算
h1=1.2h’+αhr
=1.2×30+1.1×0.0377×2760 =150m
即平坡输送2760米，需要增压扬程195m，若按5‰坡度计算，加上坡度增加的水头高度
h2=2760×5÷1000=13.8m
水泵总扬程需满足：
H=h1+h2=195+13.8=208.8m。
以CDL4-160高压泵3kW为例，扬程129m，则需要设置2台增压泵，进口1台，1600m以后再增设1台。
7.4 应用实例
里巧川隧道实际应用中，前期高压水管采用的Φ100mm水管，掘进1000米后，水量、水压不足，经计算，换为Φ150mm水管，满足需求，分析原因，主要是突击进度，风枪投入达到了最大负荷18台风枪，其次是随着距离增加，水头损失较大；但从芦山湾隧道已掘进1500米，水管仍采用Φ100mm来看，若投入13把风钻，Φ100mm水管完全可以满足生产需求。
8 高压电选型计算
施工用电包含动力用电及生活照明用电等，具体选择标准如下：
8.1 动力负荷计算
=（660×0.9+333.5×0.75+36×0.65）×0.8÷(0.85*0.6)=1360kW
式中：Σpi——整个工地照明用电量总和（kW）
η——动力设备的平均功率，取0.85
cosφ——平均功率因素，采用0.5~0.7
k1——动力设备同时使用系数，取1
k2——动力负荷系数，主要考虑不同类型设备带负荷工作时的情况，取0.8
以里巧川隧道为例，投入的主要用电设备如下表6所示：
表6 里巧川隧道主要用电设备表
8.2 总负荷计算
S总=（1.1~1.2）S动=1.1×1360=1497kW。
8.3 变压器选型
变压器选型，依据《路桥施工计算手册》表2-10规定，变压器的负荷以达到最大用量60%为佳，且最大电机负荷不大于变压器功率1/5为宜，据此计算，变压器的选报应为：
1497/0.6=2494kW。
8.4 进洞导线选择
进洞选用的导线断面应使末端电压降不超过额定电压的10%及国家对经济电流密度的规定[11]，线路电压降可按以下公式计算：
(1) 按压降计算导线截面积
根据铝芯电缆线规格型号表，选择截面积185mm导线。
为了便于实际施工时选择电流，并计算导线面积，可按以下规律性计算：
低压380/220V系统每kW的电流可按：电动机加倍；电热加半；单相千瓦4.5安；单相380，电流两安半。
简单解释就是功率乘以后边的系数就是该选的电流。
8.5 应用实例
实际应用过程中，采用箱式变压器2台，洞口设置1台800kW，洞内750m开始，设置1台630kW，洞内1台，导线选用185mm，一直跟随二衬台车向前移动，每250米，前移一次，从实际使用情况来看，可以满足要求。
9 结束语
本论文通过实例，首先在理论上明确如何计算长大隧道高压风、水、电，如何建立风站、选择风管、水管直径。并结合工程实际应用案例，总结相关经验教训、并给出了一些参考意见[12]，希望对技术人员在编制隧道施工实施性施组时有所帮助。
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论文作者:李军
论文发表刊物:《防护工程》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/17
标签：隧道论文; 风管论文; 风量论文; 风压论文; 洞内论文; 断面论文; 高压论文; 《防护工程》2018年第6期论文;