变频调速恒压供水在白云山隧道的应用
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摘 要：文章通过介绍白云山隧道的恒压变频供水系统，提高隧道施工的科技含量，降低施工生产成本，节约能量消耗，解决高山峡谷施工用水的困难，以供类似工程的借鉴。
1工程概况
宜万铁路工程，东起湖北省宜昌市花艳站，西至重庆市万州站，新建线路377公里。该线的建成，对促进中西部地区经济发展，特别是对湖北和重庆四川三省经济的发展以及对完善中南西南铁路干线网，都具有重要意义。我项目部担负施工的第六标段白云山隧道，全长6.827km， 隧道进口里程dk40+550，出口里程dk47+377。隧道进口段dk40+550~dk43+050坡度为5.9‰，出口段dk43+050~dk47+377坡度15.3‰，整个隧道的坡度为单面坡（上坡）。
隧道区属构造剥蚀，溶蚀深切割中低地区，基本地形配置为台原山地和深切峡谷。隧道最底处位于石板溪，标高280m，最高处位于搭链子坑附近的山脊，标高980m，相对高差700m。dk40+555~dk43+800为中地山台原山地，以峰丛槽谷、溶丘洼地为主，地表岩溶洼地、漏斗、落水洞、峰丛发育，以水平岩溶管道发育为主，dk43+800～dk47+369为深切峡谷区，地貌类型为中低山岩溶峰谷地，主要发育垂直岩溶。
2供水方案的确定
2.1水源调查
经过对隧道四周的勘测，发现方圆四周只有三处水源：车溪纸厂湾水源、车溪耗子洞水源、白云山响水洞水源。车溪纸厂湾水源离洞口900m，高差-120m，最大水流量150m3/h，最小水流量15m3/h，水质分析水干净无污染。车溪耗子洞水源离洞口2500m，高差-200m，最大水流量300m3/h，最小水流量26m3/h，水质分析水干净无污染。白云山响水洞水源离洞口5000m，高差360m，最大水流量100m3/h，最小水流量5m3/h，水质分析水干净无污染。
2.2水源确定
经过分析论证，车溪纸厂湾水源为理想水源。尽管白云山响水洞水源只需铺设5km的管道，但水源水量不足，不能够满足供应施工需求。从经济上考虑，纸厂湾水源比耗子洞水源要经济，成本造价低。
2.3供水方案的确定
①车溪纸厂湾水源与洞口相对高差120m，考虑洞内上坡（按3km、15‰计算）45m，考虑水力沿程损失，若要用水泵直接抽水，需要132kw多级水泵（扬程300m）两台，还需要修建高位水池；若要用恒压变频供水，需要200q32-240/18多级潜水泵两台。根据实际地形，结合节约能源消耗，降低成本，大力地提高施工的科学技术水平，采用恒压变频供水系统。
②变频调速设备节能原理。水泵工作特性表明水泵输出水压与水泵转速的平方成正比，水泵输出流量与水泵转速成正比，即水泵轴功率输出与水泵转速的三次方成正比，当用水量下降时其轴功率输出将大大下降。采用变频调速供水其节能潜力非常巨大。
③变频调速恒压供水系统特点。
采用具有现代国际先进水平的交流电动机变频调速技术和进口电气原件，设计合理、运行可靠、噪音低、无污染、高效节能；根据实际施工用水需要可自动调节水泵转速，改变供水量，控制浪费消耗；启动方式可使电机为软启动，从而减小启动电流对电器机械设备元件的冲击，延长水泵使用寿命；根据施工需要设定恒压后，可实现自动运行，无需安排专人值班作业；保护功能完善，具有故障自我诊断及显示，如欠压保护、过流保护、电机热保护、缺水保护等；节约电能高效大20%～40%，降低施工成本消耗；隧道施工现场使用，不需修建高山水池，可实现高质量安全供水；变频设备可重复使用，利用价值高。
2.4隧道供水系统设计依据
①双线隧道（正洞和平导），单个隧道长度：3km，单面坡15‰上坡，隧道进口距水源高差120m。②洞口距水源管线距离900m。③工作面按四个考虑，平导一个工作面4台风枪，单线正洞两个工作面16台风枪，正洞四线双连拱一个工作面12台风枪。共按32台风枪考虑。④施工高峰用水量估算：四个工作面掘进，所有风枪同时使用时的用水量约q=0.3×32=9.6m3/h，喷锚用水按3m3/h，拌合站用水按8m3/h（两个拌合站，每台拌合站额定出料量20m3/h），生活用水按6m3/h考虑，空压机每一台需要4m3的循环水（共计10台空压机），不用考虑此水量，施工现场所有用水设备同时开启，总用水量为26.6m3/h。考虑按30m3/h.台进行设计。
2.5水力计算和设备选型
①水源至洞口沿程水力损失计算。
h2=a×l×q2=0.0002674×900×8.32×8.32=16.7m
②洞口至最不利配水点（隧道尽头）水力计算。
h3=a×l×q2=0.0002674×3000×2.77×2.77=6.16m
③水泵扬程计算。
h =h1+h2+h3+h4+h5=120+16.7+6.16+3000×15‰+50=238m
其中：h1垂直高差；h2、h3沿程水力损失；h4洞内上坡高差；h5流出水头；a管道比阻值（钢管￠100mm）；l供水管道长；q单洞施工用水高峰水流量按15m3/h（4.16l/m）；h提水泵最低扬程。
④水泵选型：根据以上计算选择200qj32-240/18潜水泵2台一备一用供水（也可同时使用，同时使用时的供水量可达到60m3/h）。
⑤控制柜选型：根据现场需求选择hygs-1-45kw全自动变频调速恒压供水控制二台，分别控制二台供水主泵供水（可一用一备，也可同时使用，同时使用时的供水量可达到60m3/h）。
2.6供水系统
3变频调速恒压供水的应用
①白云山隧道进口工程为四线双连拱、三线、双线、燕尾段及单线正洞和平导施工。目前，正洞按中导洞施工法，中导洞已掘进600m，掌子面用自制台车10台风枪钻孔，平均每天循环3个，每循环钻孔3小时，喷混凝土600m，中隔墙基础钢筋混凝土已浇注40m，每组10m，混凝土21m3。平导掘进400m，掌子面用5台风枪钻孔，钻孔每循环需要4小时，每天3~4个循环。每天最大供水量共计59m3（10×3×3×0.3+0.18×21+5×4×4×0.3+0.2×20）。
②赵家岭隧道出口工程属三项目部施工，其水源供给与白云山隧道同为一条管路，其工程类型为四线双连拱、三线、双线、燕尾段及单线正洞，现已施工中导洞350m，掌子面用自制台车10台风枪钻孔，平均每天循环2个，每循环钻孔4小时，喷混凝土350m，中隔墙钢筋混凝土已浇注120m，每天浇一组10m，混凝土74m3。每天最大供水量共计39m3（10×2×4×0.3+0.18×74+.2×8）。
③生活营区用水，生活区分为一项目部和三项目部。一项目部生活区用水，生活区分为前线指挥所、正洞一队和平导二队，前线指挥所110人，正洞一队150人，平导二队35人，每人平均按150kg用水计算，合计总用水量0.15×（110+150+35）=44m3。
三项目部生活区用水，生活区分为前线指挥所和隧道施工队，前线指挥所30人，隧道施工队100人，每人平均按150kg用水量计算，合计总用水量，合计总用水量0.15×（100+30）=20m3。。
④空压机站合计三座，平导空压机站2台，需水量8m3，正洞队空压机站6台，需水量24m3，赵家岭隧道空压机站3台，需用量12m3。
⑤每天合计最大总水量206m3（59+39+44+20+8+24+12）。
4结语
①通过开工半年以来的工程实践，变频调速恒压供水的方案是可行、经济、稳妥、有效、科学的，仅电费一项就节约18万元，取得了较好的经济效益。②变频调速恒压供水系统在其他高山峡谷修隧道施工中具有广阔的推广应用前景。③变频调速恒压供水系统可供为其他类似借鉴，如一般的隧道变频供风、变频通风等。④变频调速恒压供水系统适应时展要求，在环境保护、水土流失、降低噪音等方面具有比较科学的指导意义。
参考文献：
[1]郑永新.crd法在双线大跨铁路隧道中的应用[j].石家庄铁路职业技术学院学报,2009,3.