抽水蓄能電站施工期地下洞室臨時通風分析研究

付 斌，景鵬云，安壯壯

(山西垣曲抽水蓄能有限公司，山西 運城 043700)

0 引言

地下洞室工程在開挖施工中會聚集很多種類污染源，主要包括爆破產生的有毒氣體、工程機械施工產生的廢氣、巖石內產生的有害氣體、噴砼施工造成的粉塵、運卸石渣時導致的煙塵等，如不及時通風排出，會對作業人員造成很大傷害。目前常采用的機械通風方法主要包括壓入式通風、吸出式通風、混合式通風等方式。根據近年來地下洞室施工的工程經驗，常采取壓入式通風，隨著通風設備的發展，現有的新型軸流風機，送風距離已經可以達到近2 000 m，可以較好滿足獨頭開挖作業對通風的要求[1]，且設備型號多樣，可以滿足不同洞徑開挖的需求。

1 工程概況

某抽水蓄能電站裝機容量為1 200 MW，工程等別為一等，工程規模為大(1)型。永久性建筑物(主要包括上庫擋水建筑物、輸水建筑物、地下廠房、主變洞、母線洞、地上開關站、下庫泄水及擋水建筑物等)為一級建筑物，永久性次要建筑物(包括進場交通洞、通風兼出線洞等)為三級建筑物，臨時性建筑物為四級建筑物。施工期地下洞室通風主要涉及的項目有通風兼出線洞、廠房交通洞、自流排水洞、排水廊道、上水庫進/出口、下水庫進/出口、2號棄渣場排水洞以及1號、2號、3號、7號施工支洞洞口及洞身施工通風，其中尤以通風兼出線洞和交通洞承擔的通風任務為重，主要負責整個廠房施工期的地下通風。

2 通風量計算

電站臨時通風設施主要布置在通風兼出線洞、交通洞及施工支洞內，下面以通風兼出線洞為例進行通風量的計算，其他洞室按此方法進行計算，不再贅述。

2.1 爆破藥量所需風量

根據《水利水電施工組織設計手冊》第二冊，爆破所需風量計算[2]如下：

式中：VL為爆破散煙計算風量，m3/min；Q為同時爆破的炸藥量，kg；B為爆破時所產生的折成CO體積，L/kg；t為通風時間，min。

通風兼出線洞尺寸為8 m×7.8 m，斷面面積約為62.4 m2，根據工程經驗，單方耗藥量約為1.3 kg/m3，每循環進尺約為3 m，則每循環耗藥量243.36 kg。

根據手冊炸藥爆破所產生CO體積為40 L/kg，通風時間取30 min。則計算風量約為27.04 m3/s。

風機風量根據《水利水電施工組織設計手冊》第二冊計算如下：

式中：Vm為風機工作風量，m3/min；V為洞室爆破需要的通風量，m3/min；L為風管長度，m；P為100 m風管漏風量，取1.5 %。

通風兼出線洞長1 276 m，結合類似工程，100 m風管漏風量取1.5 %，則風機通風量約為24.8 m3/s。

式中：Vc為使用柴油設備時的風量，m3/min；v0-為每千瓦所要風量標準，m3/(kW·min)；N為洞室施工的柴油設備的總共額定功率，kW。

通風兼出線洞開挖使用的柴油機械主要有NH178三臂鑿巖臺車(116 kW)，3 m3側卸式裝載機(162 kW)和20 t自卸汽車(186 kW)。手冊中單位功率需風量指標為4.1 m3/(kW·min)，則每臺三臂鑿巖臺車需風量約為7.93 m3/s。每臺側卸式裝載機需風量約為11.07 m3/s，每臺自卸汽車需風量約為12.71 m3/s。根據DL/T 5397—2007《水電工程施工組織設計規范》規定，洞室使用柴油設備工作時，應依照柴油設備用風與施工人員用風求和計算。根據DL/T 5397—2007中附錄D.6.1.1，每人需要約3 m3/min新鮮空氣，掌子面最多工作人數約為20人；DL/T 5397—2007規定，當洞、井位于海拔高程1 000 m以上時，通風量需乘以修正系數為1.3～1.5，本工程海拔高程低于1 000 m，本次設計不需乘以修正系數，則人員需總風量約為1 m3/s[3-4]。

通風兼出線洞通風主要供給通風兼出線洞、主變通風洞、尾調補氣洞、主副廠房頂部、主變室上部、上部排水廊道開挖，且通風兼出線洞與主變通風洞同時開挖時，所需風量最大，但兩工作面可以通過合理安排施工順序減少所需通風量，即主變通風洞出渣時，通風兼出線洞可進行鉆孔工作，通風兼出線洞爆破時，主變通風洞不作業，所以主變通風洞出渣和通風兼出線洞鉆孔為所需風量最大工況，即一臺NH178三臂鑿巖臺車(116 kW)，每臺需風量約為7.93 m3/s，一臺3 m3側卸式裝載機（162 kW），每臺需風量約為11.07 m3/s，和一臺20 t自卸汽車(186 kW)，每臺需風量約為12.71 m3/s。兩組人員同時工作，需風量2 m3/s，設備與人員同時工作，所需風量33.71 m3/s。

當采用壓入式通風時，通風量由柴油機決定，考慮所漏掉的風量仍有沖淡廢氣的作用，風機風量按下式計算[5]：

考慮風機可發揮最大效率為85 %，則需要的風機額定風量為29.2 m3/s。

2.2 柴油機械計算

按《水利水電施工組織設計手冊》第二冊，使用柴油機械時所需通風量[2]計算如下：

式中：Vm為風機工作風量，m3/min；V為洞內施工所需風量，m3/min；L為風管長度，m；P為100 m風管漏風量，取1.5 %。

根據公式計算，風機通風量為36.97 m3/s，考慮風機可發揮最大效率為85 %，則需要的風機額定風量為43.49 m3/s。

根據《水利水電施工組織設計手冊》規定，工作風量須滿足作業人員的正常呼吸所需，并可稀釋、排出作業設備和爆破施工造成的巖塵及有害氣體，根據分別計算的所需風量，選取最大值。根據以上計算結果，大型柴油設備所需風量較多，為43.49 m3/s。

2.3 廠房通風量核算

據類似工程調查，廠房通風量按照廠房內空氣被置換一次所需時間控制，通風兼出線洞主要負責主廠房上部及主變中上部的通風，主廠房上部及主變中上部體積約為12.1萬m3，根據以上計算結果，風機出風口通風量為33.71 m3/s，則主廠房上部及主變中上部空氣置換一次所需時間為1.00 h，空氣置換情況較理想。

2.4 風速核算

根據DL/T 5397—2007規定，工作面附近最小風速不得低于0.15 m/s，洞內最高溫度不超過15 ℃時，風速不大于0.5 m/s。

根據上述計算結果，風機出口風量為33.71 m3/s，斷面面積為62.4 m3，掌子面風速0.54 m/s，大于最小風速要求。洞內溫度若低于15 ℃時，洞內風速要求不大于0.5 m/s，可適當降低風機通風量，將風速控制在要求范圍內。

2.5 風機風壓計算

根據風壓計算公式，計算如下：

式中：Ps為靜壓，Pa；v為風帶內風速，m/s；σ為空氣比重，kg/m3；L為風帶長度，m；D為風帶直徑，m；λ為摩擦系數。

風帶長度略大于通風兼出線洞洞長，約為1 300 m，摩擦系數通常鉆爆法取0.017，則靜壓為2 512 Pa，速度風阻約為170 Pa，機器損耗風阻約為100 Pa，則總風阻為2 794 Pa，綜上通風兼出線洞通風量及風壓計算見表1，同樣的方法，交通洞及施工支洞通風量及風壓計算見表2和表3。

表1 通風兼出線洞通風量及風壓計算結果

表2 交通洞通風量及風壓計算成果

表3 施工支洞通風量計算

2.6 國內類似工程經驗

通過調研，收集相同發電容量的抽水蓄能電站通風風機選型參數見表4。

表4 國內抽水蓄能電站通風風機選型

根據類似工程經驗，本次計算通風兼出線洞和交通洞風壓略小，為更好保證洞內施工條件，本次通風風量及風壓按工程經驗類比選取[6]，可更好保證工作面通風效果，因此通風兼出線洞風機風量取50.4 m3/s，風壓為3 550 Pa，交通洞風機風量取56.8 m3/s，風壓為4 200 Pa。

3 風機選用

臨時通風均選用軸流式風機，通風兼出線洞和交通洞較長，且都為地下廠房的主要通風通道，其中通風兼出線洞為主副廠房頂部及主變室上部開挖時的通風通道，交通洞為主副廠房中部開挖時的通風通道，因此兩洞洞口的風機應選用風量大、送風距離遠的大功率風機。通過調研，現在國外進口的某大功率風機在滿足通風風量要求的前提下，送風距離可以達到2～3 km，因此本次兩洞選用該種風機，則洞內不需要串聯風機使用，可以直接從洞口將新鮮空氣泵入至掌子面，風管可以選擇直徑為1.6 m的圓形風管[7]。施工支洞斷面面積較小，且洞長較短，可以在洞口布置功率較小的風機，每掘進500 m加串一組，增加供風距離，風管管徑可以選擇1.0 m。風機與風管選擇見表5。

表5 風機及風管選擇

4 通風布置

地下工程的通風散煙的優劣直接關系到施工作業人員的健康狀況，而且通風效果直接影響地下洞室群的施工速度。根據以往抽水蓄能電站地下工程洞室群的布置特點，結合該抽水蓄能電站實際，通風散煙分三期設置[8-9]。

1) 前期。所有洞室為獨頭工作面掘進，引水系統、廠房系統及尾水隧洞系統等部分互相不關聯。在此期間于交通洞、通風兼出線洞洞口位置布置軸流風機，給工作面供風，施工支洞洞口及洞內每500 m左右為一單元布置軸流風機接力通風，具體示意詳見圖1。

圖1 臨時通風布置示意

2) 中期。主體工程的排風洞和排風豎井貫通后，滿足利用洞內外溫差和壓差進行自然通風的條件，采取強制通風與自然通風相結合的通風方式。

3) 后期。洞室開挖結束，進入土建施工和機電安裝工程階段后，排風豎井、引水系統、廠區和尾水系統相互貫通，以自然通風為主、強制式機械通風為輔，低處洞口進風，高處洞口出風，部分風機給予輔助通風。

5 洞內空氣監測措施

地下洞室開挖時應做好洞內空氣監測工作，監測工作分為定期檢測和爆破后檢測兩部分。施工單位有害氣體專業檢測人員使用檢測儀器定期對洞內空氣進行檢測，每兩天進行一次，在洞內每200 m進行一次取樣測試，并將檢測結果進行公示，如檢測結果達不到空氣質量標準要求，則應延長通風散塵時間，并進行灑水除塵處理。每次實施爆破后先進行通風和灑水除塵，并由專人佩戴安全設備和檢測設備對掌子面空氣進行檢測，檢測結果達標后，方可進行出渣等后續工作[9]。各班組長、現場值班負責人應佩戴移動式檢測設備，如遇檢測設備報警，則應停止洞內人員工作，及時采取通風除塵和灑水處理，待洞內空氣達標后，方可繼續工作。

6 結束語

結合某電站地下洞室布置的實際情況，通過對各洞室施工期所需風量計算，確定了通風兼出線洞、交通洞及1號、2號、3號、7號施工支洞風機的選用和布置，通風兼出線洞、交通洞已開挖360 m，相應臨時通風設施已按照上述計算結果及實際情況完成通風前期的布設并投用。采用上述空氣監測措施，目前一切運行正常，洞內空氣質量達標，下一步重點做好廠房開挖過程中，臨時通風設施的運行及驗算工作，并做進一步的深入研究。