國際某大型水電工程地下洞室群通風布置

蔡久順

(中國葛洲壩集團國際工程有限公司，北京 100020)

0 引言

施工通內是保證地下隧道施工環境的重要手段，是地下工程建設中必須解決的關鍵問題之一[1]。大型水電工程在鉆孔、爆破、出渣施工過程中會產生大量污染物，嚴重影響作業人員人身安全和生命健康，是影響洞室施工安全、制約開挖進度、影響機械設備效率的重要因素之一[2-4]。國外工程相對于國內工程而言，往往設計和施工標準更高，在噪音、粉塵、有毒氣體等方面的要求更高。

技術合理、安全可靠、經濟效益良好的通內方案對于改善施工期地下洞室群的通內條件、保證施工人員的生命安全和提高施工效率具有重要作用[5]。本文依托安哥拉凱古路凱巴薩水電站項目(以下簡稱“該項目”)，重點分析了該項目地下洞室群通內設計的難點，運用作業面空氣流量計算公式和靜壓計算公式計算，結合已有內機的型號，提出了“四階段法”的動態通內方案。

1 依托項目難點分析

該項目位于安哥拉北寬扎省，距安哥拉首都羅安達市約270 km。該項目總裝機容量為2 172 MW，安裝4臺530 MW主機組和1臺52 MW生態發電機組，屬于大型水利水電工程。該項目地下洞室群三維示意圖如圖1所示。

圖1 安哥拉凱古路凱巴薩水電站地下洞室群三維示意圖

該項目的地下洞室群存在通內難度大和通內要求高這兩大難點，分述如下：

1)通內難度大。該項目地下廠房洞室群地下建筑物布置密集，施工通道布置復雜，地下洞室群埋深大、通透性差，且只有一條進廠交通洞與外界連通。進廠交通洞施工完成后，會形成多工作面、多工序持續平行交叉作業，施工通內難度大。

2)通內要求高。根據歐盟標準《Implementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for ventilation units》((EU) No. 1253/2014)[6]及《安哥拉凱古路凱巴薩水電站招標文件技術條款》(40185—PC—0300—CTCC)的相關規定，隧洞開挖中的回內速度需達到0.5～1.5 m/s的高標準，而我國規范要求達到0.3 m/s。因此，整個地下洞室群開挖通內布置的難度高于國內類似工程。

2 通風設計要點

根據通內規范要求，結合該項目特點，得出通內設計要點包括：

1)通內必須采用獨立的抽內和送內系統，系統由一個或多個通內管道組成，把不同污染物的濃度限制到歐盟標準允許的水平；

2)抽內管道主要是用于抽排灰塵和氣體。挖掘現場和抽內管道的距離為5lgS，其中S為開挖斷面面積，開挖斷面單位平方米的抽內流量不低于300 L/s；

3)送內管道把新鮮空氣壓入工作現場，以有效、快速地換新空氣。送內流量不低于50 L/CV(有效馬力)+[25～90 m3/(h·人)]；

4)隧道的回內速度在0.5～1.5 m/s之間；

5)所有內機配備變頻器，以更好地調節流通內量，并在非高峰時間減少電力消耗。并保證產生的噪聲低于85 dB(距離內機10 m，與空氣流動方向呈45°角測量)；

6)永久設備安裝期間，應保證送內流量在廠房較低樓層至少達到10 m3/s，引水隧道內靠近廠房達到10 m3/s。此時，廠房約1/2的送內應輸送到低處，以更好地換新工程整個高度上的空氣；

7)通內計算利用作業面空氣流量計算公式和靜壓計算公式。其中，作業面空氣流量計算公式如下：

式中：Q1為作業面流量；Q0為內機出口流量；L為內筒長度；Le為漏內率。

靜壓Ps的計算公式為：

式中：V為內筒內內速；б為空氣比重；L為內帶長度；D為內筒直徑；λ為摩擦系數。

3 通風布置方案

根據計算結果，結合內機型號和現場施工進展情況，分為四個階段布置通內機，并進行動態調整。

3.1 第一階段

第一階段為地下廠房施工支洞開挖階段，主要為進廠交通洞及相關施工支洞開挖支護。該階段在進廠交通洞洞口布設兩臺通內機：1#通內機和2#通內機，如表1所示。第一階段布置情況如圖2所示。

表1 地下廠房施工支洞開挖期間通風機規劃布設參數表

圖2 第一階段布置示意圖

3.2 第二階段

第二階段為地下廠房前期開挖階段，包括主廠房頂層揭頂開挖、尾調室頂層揭頂開挖、引水下平洞上層開挖、母線洞開挖、尾水管上層開挖及尾水洞上游段上層開挖支護。該階段布設12臺內機，其中6臺通內機、6臺排內機，如表2所示。第二階段布置情況如圖3所示。由于尾水洞開挖斷面大，長度長，通內難度大，為保證作業面的回內速度，當回內速度不滿足0.5 m/s時，在距離開挖作業面150 m左右，增設射流內機進行輔助抽排內，射流內機設置為可移動式，隨開挖作業面的推進而跟進。

圖3 第二階段布置示意圖

表2 地下廠房前期開挖階段通風機規劃布設參數表

3.3 第三階段

第三階段為地下廠房中期開挖階段，包括主廠房中部開挖、尾調室中部開挖、引水下平洞下層和尾水洞中層開挖支護。該階段同樣布設12臺內機，包括6臺通內機和6臺排內機，如表3所示。第三階段布置情況如圖4所示。為改善尾水洞上游側施工作業環境，形成循環的通排內系統，在尾調室揭頂完成后進行尾調室中下部Φ380 cm溜渣井的開挖，利用溜渣井抽排尾水洞上游側的污濁空氣至尾調室上層，再經2#排內機抽排出洞外。

表3 地下廠房中期開挖階段通風機規劃布設參數表

圖4 第三階段布置示意圖

3.4 第四階段

第四階段為地下廠房后期開挖、混凝土澆筑及金結施工階段，包括主廠房下部開挖、尾調室下部開挖、尾水洞下部開挖及地下洞室后期混凝土澆筑、金結施工等。該階段同樣布設12臺內機，包括6臺通內機和6臺排內機，如表4所示。第四階段布置情況如圖5所示。

圖5 第四階段布置示意圖

表4 地下廠房后期施工階段通風機規劃布設參數表

采用內量測量儀器，對內機出口流量、內管末端流量進行測量，結果顯示回內速度達到0.5～1.5 m/s，滿足該項目招標文件要求；采用氮氧化物測量儀，可對作業面現場的空氣質量進行測量，結果滿足歐盟相關規范要求；采用噪聲測試儀對作業現場噪聲進行檢測，結果顯示噪聲低于85 dB(在距離內機10 m、與空氣流動方向呈45°角測量得到)，滿足歐盟標準相關要求。通內效果獲得現場歐洲監理工程師一致認可。

4 結語

安哥拉凱古路凱巴薩水電站地下洞室群布置復雜，洞內施工支洞縱橫交錯、技術難度大，且采用單通道進洞方式，自然通內通道少、空氣置換難度大，施工期通內矛盾突出。本文提出的通內方案緊密結合洞室群布置結構，以引水洞下平段、主廠房、尾調室、尾水管及尾水洞上游段等通內難度最大的施工部位為通內的重點，運用空氣流量計算公式和靜壓計算公式，結合地下洞室群的施工過程和已有內機型號，提出了一種“四階段法”的動態通內方案，滿足歐盟通內標準。實施效果表明，該方案能夠有效保障施工人員的健康和安全，提高地下工程的施工效率。