隧道施工压缩空气供应技术应用
摘要：本文通过实际案例，介绍了在隧道施工过程中，风动设备的需风量、空压机站的供风能力以及压力损失的计算。对影响空压机站供风能力以及压力损失的因素进行了详细分析，并对空压机站的建设以及压缩空气管道的铺设安装进行了说明,为长距离的压缩空气供应提供参考。
关键词：隧道；压缩空气；施工；空压机站
一、前言
在隧道施工中，以压缩空气为动力的风动机具主要有：凿岩机、风钻台车、装渣机、混凝土喷射机、锻钎机、压浆机等。要保证这些机具的正常工作，需要有足够的压缩空气供应，即要有足够的风量和风压供应给各个风动机具，同时还应尽量减少压缩空气在管路输送过程中的风压和风量损失，以达到既能保证风动机具进行正常工作，又能达到降低消耗、节约能源、降低成本和保证施工质量的目的。
二、工程概况
巨城隧道为阳泉至娘子关一级公路双向分离式长隧道，隧址海拔约为600m，左线长为1450m，右线长为1415m。根据新奥法原理设计施工，双向掘进，单洞最长施工725m。开挖方法采用钻爆法施工，施工高峰期上台阶开挖最多12把风钻同时施工，下台阶开挖最多3把风钻同时施工，喷射混凝土采用潮喷工艺，上台阶最多2台喷射机，下台阶最多1台喷射机。
三、空压机站供风能力计算
（一）空压机站供风能力理论计算
压缩空气由空气压缩机生产供应，空气压缩机有内燃及电动等类型，空压机通常集中安设在洞口附近，成为空压机站。空压机站的供风能力Q值，取决于由储气罐到风动机具设备沿途的损失、各风动机具的耗风量、以及风动机具的同时工作系数和备用系数，及空压机站的生产能力（或供风能力）Q可用公式-1计算：
Q=（1+K备）（K+q漏）Km （公式-1）
式中：K--同时工作系数，见表-1；
K备--空压机的备用系数，一般采用75%～90%；
--风动机具所需风量，m3/min，（可查阅风动机具性能表）；
q漏--管路及附件的漏耗损失，其值为：
q漏=d·，m3/min；
Km--空压机所处海拔高度对空压机生产能力的影响系数，见表2；
其中：d--每公里漏风量，平均为1.5m3/min～2.0m3/min；
L--管路总长（km）。
表1 同时工作系数K
表2 海拔高度影响系数Km
风动机具都需要在一定的风压和风量供应的条件下，才能正常工作。因此，除了考虑足够的风量供应之外，还必须保证给风动机具以必要的工作风压，所以要尽量避免压缩空气在管路输送过程中风压的损失。空压机站设在洞口附近，就是为了减少洞外管路长度，以免风压损失过多。其次，减少风压损失的措施是管路接头要严密不漏风，主管路采用大直径高压风管。
（二）本工程主要风动设备参数
隧道内主要用风设备为风动凿岩机和混凝土喷射机。
（1） 天水YT28风动凿岩机，型号：天水YT28，机重：26kg，工作压力：0.5Mp，耗气量：3.3m3/min。
（2） 混凝土喷射机，型号：PZ-5，机重：750kg，工作压力：0.2～0.4Mpa，耗气量：7-8m3/min。
（三）空压机站设备
空压机站内安放6台空压机，型号为4L-22/7，排气量为22m3/min，排气压力为0.7MPa，储气罐容积为2m3，工作压力0.8MPa，设计温度为150℃。
（四）空压机站供风能力演算
根据（公式-1）
Q=（1+K备）（K+q漏）Km 公式-1
式中：K--同时工作系数，见表1，取值0.85；
K备--空压机的备用系数，一般采用75%～90%，取值75%；
--风动机具所需风量，m3/min，按照最大需风量（24把风钻）79.2m3/min；
q漏--管路及附件的漏耗损失，其值为：
q漏=d·，m3/min；
Km--空压机所处海拔高度对空压机生产能力的影响系数，见表2，取值1.07；
其中：d--每公里漏风量，平均为1.5m3/min～2.0m3/min；
L--管路总长（km），（隧道单洞掘进长度为725m，空压机房到洞口距离估算为30m，共0.755km）。
经计算：Q=128.18m3/min。
空压机组每分钟供风能力为132m3，两个掌子面同时打钻的情况是需风量最大的时候，所以其余情况，空压机组能满足供风能力。
四、高压风管的选择和安装
（一）高压风管内径的选择
隧道开挖面的工作风压，应根据风动机具的设备参数确定，国内大部分风动机具的工作风压基本上在0.5～0.6MPa左右，空气压缩机产生的压缩空气的压力一般为0.7～0.8MPa左右，所以为保证风动机具的工作风压，要求隧道开挖面高压风管终端风压不得小于0.6MPa，这样通过胶皮管输送至风动机具的工作风压才能满足需要。
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，一般称风压力损失。钢管的风压力损失可由公式-2计算：
=··×10（MPa）公式-2
式中：--摩阻系数，见表3；
L--输送高压风管管路长度（包括配件当量长度，见表4）（m）；
d--送风管内径（m）；
g--重力加速度，g=9.81m/s；
--压缩空气的容重，在大气压下，温度为0℃时，空气的容重为12.90N/m；温度为t℃时，其容重为=12.9×（N/m）,此时，压力为P的压缩空气的容重=（N/m）,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MPa；
V--压缩空气在风管中的速度（m/s）,根据风量和风管面积可求得。
以上计算的风压力损失若过大，则应选用较大管径d值的风管，以达到减少压力损失值，使钢管末端风压不得小于0.5MPa。
表3 风管摩阻系数值
表4 配件折合成管路长度
胶皮风管连接钢管与风动机具，由于其压力损失较大，一般要尽量缩短其长度，从而保证压缩空气的工作气压小于0.5MPa。胶皮管的压力损失见表5
（二）高压风管安装使用注意事项
（1） 管路应敷设平顺，接头密封，防止漏风，凡有裂纹、创伤、凹陷等现象的差质钢管不能使用；
（2） 洞内风管路敷设在电缆、电线相对的另一侧，并与运输轨道有一定距离，管道高度不超过运输轨道的轨面，若管径较大超过轨面，应适当增大距离，以免妨碍运输，不影响边沟施工和排水；
表5 压缩空气通过胶皮风管的压力损失/MPa
（3） 洞外地段，当风管长度超过500m，温度变化较大时，应安装伸缩器；靠近空压机150m以内，风管的法兰盘接头宜用耐热材料石棉衬垫；
（4） 高压风管在总输出管道上，必须安装总闸阀以便控制和维修管道，主管道上每隔300m～500m应装分闸阀；按照施工需求，在适当的地段（一般每隔60m）加设三通接头和50mm闸阀各一个备用；管道前段距开挖面距离宜保持在30m左右，并用高压软管接分风器；分部开挖法中通往上导坑开挖面使用的软管长度不宜大于50m；分风器与凿岩机间连接的胶皮管长度不宜大于10m，上导坑、马口、挖地地段不宜大于15m；
（5） 主管道长度大于100m时，应在最低处设置油水分离器，定期放出管中聚集的油水以保持管内清洁和干燥；
（6） 管道安装前应进行检查，钢管内不得留有残杂物和其他赃物；各闸阀在安装前应拆开清洗，并进行水压强度试验，合格的方能使用；
（7） 管路使用中，应有专人负责检查、养护；冬季施工时，应注意管道的保温措施；
（三）压缩空气压力损失演算
根据（公式-2）
=··×10（MPa）
线路总长度计算（3个90°弯头和1个球形阀门）=755+10.8×3+85=872.4m。
胶管损失为0.05MPa。
计算结果：△P=0.07+0.05=0.12MPa
储气罐排气压力为0.7MPa，减去压力损失，管道末端风压为0.58MPa，基本满足施工需要。
五、空压机站安装注意事项
（1） 空压机房应选择空气洁净、通风良好、地基稳固、便于设备搬运之处，要尽量靠近洞口以缩短管路，减少管道漏风损耗，如因场地需靠近边坡，应防止边坡坍塌而损坏设备。机房应有防水、降温、保温设施；
（2） 空压机组的安装容量，应考虑其中最大一台机组因检修停止运行时，仍能保证供风量不受影响；
（3） 机组宜选用固定式电动空压机组成，为了便于操作、维修和配件统一易于管理，机组宜用同类型的空压机，考虑到在施工中风量负荷的不均匀，使能适应负荷的波动，可选用容量大小不同的空压机进行组合，以免用风负荷大幅度波动时，空压机需要经常启动或停车；
（4） 水冷却式空压机，在工作中要求冷却水不能间断，因此在供、排水系统中，应设置监视冷却水供应情况的装置，如排水漏洞、水源指示器或自动信号灯等。
六、总结
本文通过对巨城隧道施工中压缩空气系统的建设实例，说明了压缩空气的风量与风压的计算方法，以及影响压缩空气供风量与风压的各种因素，在今后隧道施工中，根据具体施工情况，结合上述计算方法，合理选用压缩空气设备、管线材料以及铺设方法。
参考文献
[1]关宝树. 隧道工程施工要点集[M]. 北京：人民交通出版社，2003：94-179.
[2]重庆交通科研设计院. JTG D70-2004公路隧道设计规范[S]. 北京：人民交通出版社，2004.
[3]中交第一公路工程局有限公司. JTG F60-2009公路隧道施工技术规范[S].北京：人民交通出版社， 2009.
第一作者简介：
周鹏，男，（1981-），北京人，祖籍河北，工程师，任国道307复线LJ1标项目部总工程师，河北理工大学毕业，学士学位，主要从事公路工程项目技术管理工作。
