瑞典sp地下實驗室設計與建造

榮 峰

（中核第四研究設計工程有限公司，石家莊 050021）

榮 峰

（中核第四研究設計工程有限公司，石家莊 050021）

瑞典sp硬巖地下實驗室（HRL）的設計與建造為規(guī)劃和設計深地質處置庫提供了有價值的經驗。整個工作包括了總體規(guī)劃、主體結構的設計與建造以及相關系統(tǒng)的設計、制造與安裝，與隨后多年的設施運行經驗相結合，為深地質處置庫的設計與建造工作奠定了良好基礎。對該工程的設計與建造進行了論述，以期為我國地下實驗室總體方案設計提供參考。

地下實驗室；出入路徑；斜坡道；豎井；方案比較

1 總體設計

1.1 總體方案描述

地下實驗室的設計與建造包含了幾個部分或階段（圖1），從1.5 km外的Simpevarp半島開挖一條斜坡道至sp島下，斜坡道入口設置在Oskarshamn核電廠附近，抵達sp島下200 m深處。

以六角形螺旋斜坡道繼續(xù)下降至海平面以下340 m，該第1部分的巷道開拓以傳統(tǒng)的鉆爆法進行。螺旋斜坡道第2部分 （-340～-450 m）使用TBM進行了掘進試驗，抵達-450 m深度后繼續(xù)向西延伸至試驗巖體。

設施設置3條豎井，其中兩條用于通風（直徑1.5 m），一條豎井用于提升（直徑3.8 m），豎井采用反掘技術掘進。

圖1 sp硬巖實驗室總體布置圖 （瑞典SKB）Fig.1 Overview of the layout ofsp Hard Rock Laboratory （SKB， Sweden）

1.2 規(guī)劃與設計

設計工作于1989年春季開始，建設工作開始于1990年秋季，完成于1995年夏季，同年設施開始運行。

設計的實際操作是：需要獲得試驗數據的重要部位、巷道尺寸、坡度、轉彎半徑等在詳細設計開始前進行確定，隨著巷道的開拓及對巖體情況了解的逐步深入，設計應有足夠的靈活性以允許做出調整。此外，與研究人員的緊密合作也在設計與建造過程中得以體現。

在項目的每一個階段對設計方案都進行了論證和調整，提出了不同的坡度及各種螺旋斜坡道設計，主要設計方案有：斜坡道入口設在sp，半徑135 m四螺旋抵達最終深度-480 m；最終深度-485 m，具有繼續(xù)向下延伸到-700 m的可能性；斜坡道入口設在Simpevarp半島，半徑150 m兩螺旋。

最終確定的設計將斜坡道入口設在Simpevarp半島，兩螺旋抵達最終深度-450 m。

1.3 出入路徑方案比較

對于通往地下設施的出入路徑，提出了豎井以及斜坡道兩種選擇供討論，最終選擇了斜坡道方案，其理由是：斜坡道可提供更好的運行靈活性；與豎井相比可調查的巖體范圍更大。

1989年確定設計方案，在Simpevarp半島設置入口，兩圈螺旋斜坡道抵達最終深度-450 m（圖2），該設計有幾個優(yōu)勢：不需要建設新的大型入場道路，現有的通向sp的道路能夠滿足需要；sp的自然環(huán)境不會被開挖廢石的運輸與處置所干擾；sp村設施占地面積可以更??；可利用斜坡道對區(qū)域性裂隙帶NE-1進行研究；Simpevarp的現有基礎設施可以利用，如電力及供水系統(tǒng)等。

圖2 地下開拓系統(tǒng)定位及總體結構特征 （瑞典SKB）Fig.2 Overview of the locations of underground excavations and general structural features （SKB， Sweden）

地下設施的最終設計在1994年秋季確定，主要確定了抵達設計深度的最后一段斜坡道使用TBM掘進。主水平試驗硐室布置見圖3。

圖3 地下試驗硐室分布 （瑞典SKB）Fig.3 The allocation of the experimental sites in the sp HRL （SKB， Sweden）

2 井巷工程與主要系統(tǒng)設計

2.1 巷道設計

巷道尺寸根據各種交通工具的外形輪廓尺寸確定，最高3.5 m，最寬3.0 m，巷道高度要求應使SKB的移動化學試驗室能夠進入。

建造期第1階段巷道截面面積為25 m2，寬度5 m，第2階段寬度減小為4.8 m，此部分巷道沒有設備平臺。在巷道轉彎及會車處，巷道寬度加寬到8 m，截面面積為42 m2。

TBM掘進巷道直徑5.0 m，交通工具可緊貼著進入，但滿載的車輛通行非常困難，將來宜考慮增加車輛周邊的巷道空間。

采用傳統(tǒng)鉆爆法施工的斜坡道的轉彎半徑一般為20 m，巷道入口及TBM組裝廳前部轉彎處半徑為40 m。確定的轉彎半徑工作良好，對車輛運行未造成影響。

斜坡道用于重型運輸，提升豎井用于輕型運輸及人員交通。斜坡道坡度為140‰，轉彎及會車處為100‰，減緩坡度以便于車輛啟動。螺旋斜坡道第2圈的坡度為140‰，轉彎處坡度不變，是否會出現問題尚需驗證。

轉彎壁龕設置在每個轉彎段的起始端，設計用于巷道掘進，也可用于勘察鉆孔（圖4）。斜坡道會車區(qū)間距150 m，轉彎處設置在每個彎段的盡端，以使向下行駛的車輛當在直線段遇到車輛時不用掉頭。

圖4 螺旋斜坡道中勘查、試驗壁龕布置示例 （瑞典SKB）Fig.4 An example of layout for experimental niche in the access tunnel （SKB， Sweden）

2.2 豎井設計

在方案設計階段對豎井的各種方案進行了評估，建議提升，通風豎井采用鉆爆法施工及滑?；炷烈r砌。對天井鉆機反掘施工方法也進行了研究，此方案采用一個直徑3.8 m的提升豎井和2個直徑為1.5 m的通風豎井，由于造價較高，起初并沒有考慮為最佳方案，但由于其低人身傷害風險的優(yōu)勢（與鉆爆法施工相比），使得該方案最終得以采用。

提升豎井為人員、實驗儀器及材料運輸通道，采用單繩提升、雙層單罐方案。提升系統(tǒng)自動化程度較高，可以在中央控制室以及地表提升機房、井下信號硐室進行控制。

2.3 巖體支護與注漿

巖體支護采用瑞典巷道施工中的常用方法，即巖體錨栓、帶與不帶鋼筋的噴射混凝土、水泥及聚亞安酯注漿、噴射混凝土拱等。拱頂及側壁起初更傾向于掛網而不是噴射混凝土，因可直接觀察巖體表面，但因巖體條件不適合而進行了更改。巷道支護應盡可能少地使用噴射混凝土并避免注漿，承包商需與SKB協商后才能在巷道中進行支護。

注漿方法是巷道掘進方法試驗的主要內容。研究人員要求注漿材料對地下水化學的影響及其在巖體中的擴散范圍必須是有限的，但又有限制總涌水量的要求以及爆破后注漿的一些需求，同時，注漿也用于某些區(qū)域的巷道特別是裂隙帶NE-1的穩(wěn)定。實際工作中根據這些要求開展了注漿研究工作。

一般情況下單孔最大注漿量對于1級和2級巖石限制在600 L，3、4級巖石為1 500 L，使用的注漿材料為水泥加膨潤土及氯化鈣，包括水泥、膨潤土及常規(guī)化學注漿材料如聚亞安酯，注漿壓力限制在高于靜水壓力2 MPa。對TBM掘進巷道注漿進行了特別的研究，該部分巷道巖體軟弱區(qū)由單個寬裂隙占主導，單孔最大注漿量限制在3 000 L，每個注漿扇10 000 L，在此巷道的最后部分避免注漿以免擾動未來的試驗區(qū)。

巖體不連續(xù)體的位置通過地表鉆孔以及巷道掘進時進行確認。斜坡道穿越裂隙帶NE-1既耗時，又困難，主要是由于針對注漿的諸多限制，因此，設計要求螺旋斜坡道第2環(huán)盡可能避讓NE-1或不被其影響。

2.4 通風系統(tǒng)設計

采用混合式通風系統(tǒng)，在中央控制室進行控制。新風通過入風井進入地下實驗室各個水平，然后經風筒送至各個試驗工作面。污風一部分通過斜坡道排至地表，一部分通過回風井排至通風機房，進行熱交換后排出地表。通風系統(tǒng)風機設置在同一建筑物內，設置熱交換系統(tǒng)，污風通過水介質將熱量傳遞給新風，將冷空氣溫度提高后送至井下。

設施內環(huán)境參數的確定是通風系統(tǒng)設計的關鍵，包括設計溫度、濕度、巖壁潮濕度、送排風管道內凝結水量等。保持豎井干燥而不增加通風氣流濕度比較困難，在地表至-220 m標高豎井段尤其如此，所以豎井在用于反掘的大導孔里進行了超前注漿，其他部位則利用周界上較小的鉆孔進行注漿。

火災時通風系統(tǒng)可自動切換到防火通風運行模式，該工況下人員豎井將保持正壓，確保無煙以便人員可通過豎井進行疏散。同時，加大運輸巷道的進風量進行排煙。

為了解決涌水問題，在進風井的上半部分設置塑料襯里，并在地表排風管道中設置水滴分離器。襯里設置效果很好，但主要缺點是增加了設施的火災風險。為了防止豎井結冰后來又增加了加熱裝置。

通風系統(tǒng)的設計應能防止進、回風管道空氣產生潮濕。除了管道系統(tǒng)設計外，系統(tǒng)內所有不可更換部件達到瑞典環(huán)境M4A級耐腐蝕水平。

2.5 防火設計

防火分區(qū)、通風與提升設施設計、材料選擇、人員應急裝備、火災報警系統(tǒng)為考慮的關鍵問題。在防火設計方面，沒有專門的規(guī)范規(guī)程適用于像sp地下實驗室這樣的工程，因此重要的是與救援服務機構進行不斷的對話，以從政府部門獲得設施運行許可。

2.5.1 防火分區(qū)

地下設施分為3個獨立的防火分區(qū)，包括出入斜坡道、提升豎井及降落區(qū)、試驗區(qū)。3個分區(qū)通過6個防火門連接。根據瑞典住建委員會頒布的 《建筑規(guī)程94》，防火門分級為EI30級。

防火分區(qū)由聯合進風井送風，在排風側，兩個分區(qū)與回風井相連，斜坡道通過巷道排風。

經驗表明即使在正常運行情況下防火分區(qū)也難于保持，因此，頻繁使用的防火門應安裝自動控制裝置，以便車輛通過后保持關閉狀態(tài)。防火門安裝提示器，如果開啟時間過長將發(fā)出提示信號。

2.5.2 防火通風

通風系統(tǒng)運行表明，選擇的運行模式應予重新檢驗，特別是對斜坡道。因火災情況下通風流量自動增加幾乎翻倍，而火情上部的人員至少應以與煙霧相同的速度沿斜坡道向上疏散，此時最好將通風系統(tǒng)全部關閉，直到人員疏散完畢，然后再手動啟動到強化通風的位置以促進排煙。sp進行了全尺寸的測試以檢驗通風系統(tǒng)的調整如何影響氣流。

2.5.3 材料選擇

2.5.4 火災探測與報警系統(tǒng)

3 工程建造

3.1 建造方法與承包商

螺旋斜坡道及主水平巷道均采用鉆爆法掘進，到達設計深度前的最后一段斜坡道采用TBM掘進。提升及通風豎井采用機械反掘方法施工，斜坡道先行掘進至第1段預定位置，通過聯絡巷形成場地進行反掘成井，下部螺旋以此類推進行施工。

瑞典SLAB AB公司承擔第1部分巷道開拓，包括掘進、安裝至-340 m標高，以及建筑基槽開挖和-220 m以上豎井機械反掘；Skanska Sydost AB公司承包sp村建安施工；Skanska Stockholm AB負責下半部TBM施工，包括掘進、安裝至-460m最終標高，以及豎井機械反掘。豎井反掘由Skanska內部獨立運行的部門Skanska天井掘進隊實施，該部門第1階段作為SLAB AB公司的分包商，第2階段作為Skanska Stockholm AB公司的分包商。

3.2 總體數據

地下實驗室建設總體數據見表1。

表1 sp地下實驗室建設總體數據Table 1 The overall parameters ofsp HRL project

表1 sp地下實驗室建設總體數據Table 1 The overall parameters ofsp HRL project

工程內容 工程量及參數巷道總長度 3 6 0 0 m交通豎井深度 4 5 0 m開挖方量 1 3 0 0 0 0 m 3涌水量 2.1 L·m i n-1通風系統(tǒng)能力 2 0 m 3·s-1提升機能力 2 0人，2 t，最大速度5 m·s-1

3.3 建設造價

表2 sp地下實驗室建設造價Table 1 The cost ofsp HRL project

表2 sp地下實驗室建設造價Table 1 The cost ofsp HRL project

建設內容 造價 （億克朗）項目管理、設計工作及施工管理 0.3 2巷道及豎井（包括注漿與支護） 1.2 2地下其他建造工作 0.5 0 s p 村 0.2 4通風系統(tǒng) 0.1 8提升系統(tǒng) 0.1 9供水供電系統(tǒng) 0.3 0總計 2.9 5

4 結論與啟示

普通地下實驗室主體結構形式應根據功能需求、地質條件、地形條件、運營及安全要求等進行綜合研究分析，并經過方案比選確定。斜坡道＋豎井方案比全豎井方案地質環(huán)境調查范圍更大，對于不同的概念及運輸類型更具靈活性，但由于將穿過更多的構造，導致對水文地質及水文地球化學的擾動均高于全豎井方案，項目建設時應進行全面的分析與比較后確定。

地下實驗室主體結構及地表設施布置應符合用地規(guī)劃、面積及地形、現有基礎設施的要求，sp地下實驗室設計充分考慮了用地、現有基礎設施及環(huán)境條件要求，設計方案合理可行。

與特定場址地下實驗室要考慮長期安全性的要求不同，普通地下實驗室要求更加靈活，有時需要有針對性地選擇和穿越一些顯著地質構造開展研究與試驗工作，以達到設施建設目標。sp利用長直斜坡道穿越對區(qū)域性裂隙帶NE-1進行了研究，滿足了重要地質構造調查與研究的需求。

主體結構設置獨立的進風井和排風井，提升了通風系統(tǒng)的可靠性與地下設施的防火安全性，所有豎井采用比較簡單的反掘技術，保證了工程質量和進度；設置人員豎井及螺旋斜坡道，形成2條獨立的逃生路徑，滿足了井下安全要求；3條豎井靠近布置，方便了地表通風建筑物及地熱交換系統(tǒng)設置，有利于設施運行。設施設計具有較好的參考價值。

［1］ Tommy Hedman.spHard Rock Laboratory［C］//Experiencefromdesignandconstruction SKB IPR-99-05［R］.Stockholm： SKB，1999.

Design and construction ofspUnderground Laboratory in Sweden

RONG Feng
（The Forth Research and Design Engineering Corporation of CNNC， Shijiazhuang 050021， China）

The design and construction works ofspHRL in Sweden had given valuable experience to the planning and designing of the deep repository.The entire work included design and construction of main structure and design，manufacturing and installation of all the systems.Together with the experience from the operation of the facility in the following years，all the things will give a good foundation to the design and construction of other deep repository.This article discussed the design and construction work，so as to make a reference to the outline plan design of URL in China.

Underground Laboratory； access route；ramp； shaft； scheme comparison

TL

A

1672-0636（2017）04-0238-06

10.3969/j.issn.1672-0636.2017.04.09

2016-01-27；

2016-06-17

榮 峰（1964— ），男，河南開封人，工學博士，高級工程師 （研究員級），主要從事核工程及結構工程設計和研究工作。E-mail：rf@c-fine.com.cn