瑞典sp地下實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與建造

榮 峰

（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，石家莊 050021）

榮 峰

（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，石家莊 050021）

瑞典sp硬巖地下實(shí)驗(yàn)室（HRL）的設(shè)計(jì)與建造為規(guī)劃和設(shè)計(jì)深地質(zhì)處置庫(kù)提供了有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。整個(gè)工作包括了總體規(guī)劃、主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與建造以及相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造與安裝，與隨后多年的設(shè)施運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，為深地質(zhì)處置庫(kù)的設(shè)計(jì)與建造工作奠定了良好基礎(chǔ)。對(duì)該工程的設(shè)計(jì)與建造進(jìn)行了論述，以期為我國(guó)地下實(shí)驗(yàn)室總體方案設(shè)計(jì)提供參考。

地下實(shí)驗(yàn)室；出入路徑；斜坡道；豎井；方案比較

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 總體方案描述

地下實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與建造包含了幾個(gè)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(shè)置在Oskarshamn核電廠附近，抵達(dá)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(jìn)行。螺旋斜坡道第2部分 （-340～-450 m）使用TBM進(jìn)行了掘進(jìn)試驗(yàn)，抵達(dá)-450 m深度后繼續(xù)向西延伸至試驗(yàn)巖體。

設(shè)施設(shè)置3條豎井，其中兩條用于通風(fēng)（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(shù)掘進(jìn)。

圖1 sp硬巖實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)工作于1989年春季開始，建設(shè)工作開始于1990年秋季，完成于1995年夏季，同年設(shè)施開始運(yùn)行。

設(shè)計(jì)的實(shí)際操作是：需要獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要部位、巷道尺寸、坡度、轉(zhuǎn)彎半徑等在詳細(xì)設(shè)計(jì)開始前進(jìn)行確定，隨著巷道的開拓及對(duì)巖體情況了解的逐步深入，設(shè)計(jì)應(yīng)有足夠的靈活性以允許做出調(diào)整。此外，與研究人員的緊密合作也在設(shè)計(jì)與建造過(guò)程中得以體現(xiàn)。

在項(xiàng)目的每一個(gè)階段對(duì)設(shè)計(jì)方案都進(jìn)行了論證和調(diào)整，提出了不同的坡度及各種螺旋斜坡道設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)方案有：斜坡道入口設(shè)在sp，半徑135 m四螺旋抵達(dá)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(shè)在Simpevarp半島，半徑150 m兩螺旋。

最終確定的設(shè)計(jì)將斜坡道入口設(shè)在Simpevarp半島，兩螺旋抵達(dá)最終深度-450 m。

1.3 出入路徑方案比較

對(duì)于通往地下設(shè)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(yùn)行靈活性；與豎井相比可調(diào)查的巖體范圍更大。

1989年確定設(shè)計(jì)方案，在Simpevarp半島設(shè)置入口，兩圈螺旋斜坡道抵達(dá)最終深度-450 m（圖2），該設(shè)計(jì)有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：不需要建設(shè)新的大型入場(chǎng)道路，現(xiàn)有的通向sp的道路能夠滿足需要；sp的自然環(huán)境不會(huì)被開挖廢石的運(yùn)輸與處置所干擾；sp村設(shè)施占地面積可以更?。豢衫眯逼碌缹?duì)區(qū)域性裂隙帶NE-1進(jìn)行研究；Simpevarp的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)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(jié)構(gòu)特征 （瑞典SKB）Fig.2 Overview of the locations of underground excavations and general structural features （SKB， Sweden）

地下設(shè)施的最終設(shè)計(jì)在1994年秋季確定，主要確定了抵達(dá)設(shè)計(jì)深度的最后一段斜坡道使用TBM掘進(jìn)。主水平試驗(yàn)硐室布置見圖3。

圖3 地下試驗(yàn)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(shè)計(jì)

2.1 巷道設(shè)計(jì)

巷道尺寸根據(jù)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(yīng)使SKB的移動(dòng)化學(xué)試驗(yàn)室能夠進(jìn)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(shè)備平臺(tái)。在巷道轉(zhuǎn)彎及會(huì)車處，巷道寬度加寬到8 m，截面面積為42 m2。

TBM掘進(jìn)巷道直徑5.0 m，交通工具可緊貼著進(jìn)入，但滿載的車輛通行非常困難，將來(lái)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(zhuǎn)彎半徑一般為20 m，巷道入口及TBM組裝廳前部轉(zhuǎn)彎處半徑為40 m。確定的轉(zhuǎn)彎半徑工作良好，對(duì)車輛運(yùn)行未造成影響。

斜坡道用于重型運(yùn)輸，提升豎井用于輕型運(yùn)輸及人員交通。斜坡道坡度為140‰，轉(zhuǎn)彎及會(huì)車處為100‰，減緩坡度以便于車輛啟動(dòng)。螺旋斜坡道第2圈的坡度為140‰，轉(zhuǎn)彎處坡度不變，是否會(huì)出現(xiàn)問題尚需驗(yàn)證。

轉(zhuǎn)彎壁龕設(shè)置在每個(gè)轉(zhuǎn)彎段的起始端，設(shè)計(jì)用于巷道掘進(jìn)，也可用于勘察鉆孔（圖4）。斜坡道會(huì)車區(qū)間距150 m，轉(zhuǎn)彎處設(shè)置在每個(gè)彎段的盡端，以使向下行駛的車輛當(dāng)在直線段遇到車輛時(shí)不用掉頭。

圖4 螺旋斜坡道中勘查、試驗(yàn)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(shè)計(jì)

在方案設(shè)計(jì)階段對(duì)豎井的各種方案進(jìn)行了評(píng)估，建議提升，通風(fēng)豎井采用鉆爆法施工及滑?；炷烈r砌。對(duì)天井鉆機(jī)反掘施工方法也進(jìn)行了研究，此方案采用一個(gè)直徑3.8 m的提升豎井和2個(gè)直徑為1.5 m的通風(fēng)豎井，由于造價(jià)較高，起初并沒有考慮為最佳方案，但由于其低人身傷害風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)（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(shí)驗(yàn)儀器及材料運(yùn)輸通道，采用單繩提升、雙層單罐方案。提升系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，可以在中央控制室以及地表提升機(jī)房、井下信號(hào)硐室進(jìn)行控制。

2.3 巖體支護(hù)與注漿

巖體支護(hù)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(cè)壁起初更傾向于掛網(wǎng)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(jìn)行了更改。巷道支護(hù)應(yīng)盡可能少地使用噴射混凝土并避免注漿，承包商需與SKB協(xié)商后才能在巷道中進(jìn)行支護(hù)。

注漿方法是巷道掘進(jìn)方法試驗(yàn)的主要內(nèi)容。研究人員要求注漿材料對(duì)地下水化學(xué)的影響及其在巖體中的擴(kuò)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(shí)，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(shí)際工作中根據(jù)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(duì)于1級(jí)和2級(jí)巖石限制在600 L，3、4級(jí)巖石為1 500 L，使用的注漿材料為水泥加膨潤(rùn)土及氯化鈣，包括水泥、膨潤(rùn)土及常規(guī)化學(xué)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(duì)TBM掘進(jìn)巷道注漿進(jìn)行了特別的研究，該部分巷道巖體軟弱區(qū)由單個(gè)寬裂隙占主導(dǎo)，單孔最大注漿量限制在3 000 L，每個(gè)注漿扇10 000 L，在此巷道的最后部分避免注漿以免擾動(dòng)未來(lái)的試驗(yàn)區(qū)。

巖體不連續(xù)體的位置通過(guò)地表鉆孔以及巷道掘進(jìn)時(shí)進(jìn)行確認(rèn)。斜坡道穿越裂隙帶NE-1既耗時(shí)，又困難，主要是由于針對(duì)注漿的諸多限制，因此，設(shè)計(jì)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(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用混合式通風(fēng)系統(tǒng)，在中央控制室進(jìn)行控制。新風(fēng)通過(guò)入風(fēng)井進(jìn)入地下實(shí)驗(yàn)室各個(gè)水平，然后經(jīng)風(fēng)筒送至各個(gè)試驗(yàn)工作面。污風(fēng)一部分通過(guò)斜坡道排至地表，一部分通過(guò)回風(fēng)井排至通風(fēng)機(jī)房，進(jìn)行熱交換后排出地表。通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)設(shè)置在同一建筑物內(nèi)，設(shè)置熱交換系統(tǒng)，污風(fēng)通過(guò)水介質(zhì)將熱量傳遞給新風(fēng)，將冷空氣溫度提高后送至井下。

設(shè)施內(nèi)環(huán)境參數(shù)的確定是通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，包括設(shè)計(jì)溫度、濕度、巖壁潮濕度、送排風(fēng)管道內(nèi)凝結(jié)水量等。保持豎井干燥而不增加通風(fēng)氣流濕度比較困難，在地表至-220 m標(biāo)高豎井段尤其如此，所以豎井在用于反掘的大導(dǎo)孔里進(jìn)行了超前注漿，其他部位則利用周界上較小的鉆孔進(jìn)行注漿。

火災(zāi)時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)可自動(dòng)切換到防火通風(fēng)運(yùn)行模式，該工況下人員豎井將保持正壓，確保無(wú)煙以便人員可通過(guò)豎井進(jìn)行疏散。同時(shí)，加大運(yùn)輸巷道的進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行排煙。

為了解決涌水問題，在進(jìn)風(fēng)井的上半部分設(shè)置塑料襯里，并在地表排風(fēng)管道中設(shè)置水滴分離器。襯里設(shè)置效果很好，但主要缺點(diǎn)是增加了設(shè)施的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。為了防止豎井結(jié)冰后來(lái)又增加了加熱裝置。

通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)能防止進(jìn)、回風(fēng)管道空氣產(chǎn)生潮濕。除了管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)外，系統(tǒng)內(nèi)所有不可更換部件達(dá)到瑞典環(huán)境M4A級(jí)耐腐蝕水平。

2.5 防火設(shè)計(jì)

防火分區(qū)、通風(fēng)與提升設(shè)施設(shè)計(jì)、材料選擇、人員應(yīng)急裝備、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)為考慮的關(guān)鍵問題。在防火設(shè)計(jì)方面，沒有專門的規(guī)范規(guī)程適用于像sp地下實(shí)驗(yàn)室這樣的工程，因此重要的是與救援服務(wù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行不斷的對(duì)話，以從政府部門獲得設(shè)施運(yùn)行許可。

2.5.1 防火分區(qū)

地下設(shè)施分為3個(gè)獨(dú)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(yàn)區(qū)。3個(gè)分區(qū)通過(guò)6個(gè)防火門連接。根據(jù)瑞典住建委員會(huì)頒布的 《建筑規(guī)程94》，防火門分級(jí)為EI30級(jí)。

防火分區(qū)由聯(lián)合進(jìn)風(fēng)井送風(fēng)，在排風(fēng)側(cè)，兩個(gè)分區(qū)與回風(fēng)井相連，斜坡道通過(guò)巷道排風(fēng)。

經(jīng)驗(yàn)表明即使在正常運(yùn)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(yīng)安裝自動(dòng)控制裝置，以便車輛通過(guò)后保持關(guān)閉狀態(tài)。防火門安裝提示器，如果開啟時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將發(fā)出提示信號(hào)。

2.5.2 防火通風(fēng)

通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行表明，選擇的運(yùn)行模式應(yīng)予重新檢驗(yàn)，特別是對(duì)斜坡道。因火災(zāi)情況下通風(fēng)流量自動(dòng)增加幾乎翻倍，而火情上部的人員至少應(yīng)以與煙霧相同的速度沿斜坡道向上疏散，此時(shí)最好將通風(fēng)系統(tǒng)全部關(guān)閉，直到人員疏散完畢，然后再手動(dòng)啟動(dòng)到強(qiáng)化通風(fēng)的位置以促進(jìn)排煙。sp進(jìn)行了全尺寸的測(cè)試以檢驗(yàn)通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)整如何影響氣流。

2.5.3 材料選擇

2.5.4 火災(zāi)探測(cè)與報(bào)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(jìn)，到達(dá)設(shè)計(jì)深度前的最后一段斜坡道采用TBM掘進(jìn)。提升及通風(fēng)豎井采用機(jī)械反掘方法施工，斜坡道先行掘進(jìn)至第1段預(yù)定位置，通過(guò)聯(lián)絡(luò)巷形成場(chǎng)地進(jìn)行反掘成井，下部螺旋以此類推進(jìn)行施工。

瑞典SLAB AB公司承擔(dān)第1部分巷道開拓，包括掘進(jìn)、安裝至-340 m標(biāo)高，以及建筑基槽開挖和-220 m以上豎井機(jī)械反掘；Skanska Sydost AB公司承包sp村建安施工；Skanska Stockholm AB負(fù)責(zé)下半部TBM施工，包括掘進(jìn)、安裝至-460m最終標(biāo)高，以及豎井機(jī)械反掘。豎井反掘由Skanska內(nèi)部獨(dú)立運(yùn)行的部門Skanska天井掘進(jìn)隊(duì)實(shí)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(shù)據(jù)

地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)總體數(shù)據(jù)見表1。

表1 sp地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)總體數(shù)據(jù)Table 1 The overall parameters ofsp HRL project

表1 sp地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)總體數(shù)據(jù)Table 1 The overall parameters ofsp HRL project

工程內(nèi)容 工程量及參數(shù)巷道總長(zhǎng)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(fēng)系統(tǒng)能力 2 0 m 3·s-1提升機(jī)能力 2 0人，2 t，最大速度5 m·s-1

3.3 建設(shè)造價(jià)

表2 sp地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)造價(jià)Table 1 The cost ofsp HRL project

表2 sp地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)造價(jià)Table 1 The cost ofsp HRL project

建設(shè)內(nèi)容 造價(jià) （億克朗）項(xiàng)目管理、設(shè)計(jì)工作及施工管理 0.3 2巷道及豎井（包括注漿與支護(hù)） 1.2 2地下其他建造工作 0.5 0 s p 村 0.2 4通風(fēng)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(jì) 2.9 5

4 結(jié)論與啟示

普通地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)功能需求、地質(zhì)條件、地形條件、運(yùn)營(yíng)及安全要求等進(jìn)行綜合研究分析，并經(jīng)過(guò)方案比選確定。斜坡道＋豎井方案比全豎井方案地質(zhì)環(huán)境調(diào)查范圍更大，對(duì)于不同的概念及運(yùn)輸類型更具靈活性，但由于將穿過(guò)更多的構(gòu)造，導(dǎo)致對(duì)水文地質(zhì)及水文地球化學(xué)的擾動(dòng)均高于全豎井方案，項(xiàng)目建設(shè)時(shí)應(yīng)進(jìn)行全面的分析與比較后確定。

地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)及地表設(shè)施布置應(yīng)符合用地規(guī)劃、面積及地形、現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的要求，sp地下實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)充分考慮了用地、現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施及環(huán)境條件要求，設(shè)計(jì)方案合理可行。

與特定場(chǎng)址地下實(shí)驗(yàn)室要考慮長(zhǎng)期安全性的要求不同，普通地下實(shí)驗(yàn)室要求更加靈活，有時(shí)需要有針對(duì)性地選擇和穿越一些顯著地質(zhì)構(gòu)造開展研究與試驗(yàn)工作，以達(dá)到設(shè)施建設(shè)目標(biāo)。sp利用長(zhǎng)直斜坡道穿越對(duì)區(qū)域性裂隙帶NE-1進(jìn)行了研究，滿足了重要地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查與研究的需求。

主體結(jié)構(gòu)設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)風(fēng)井和排風(fēng)井，提升了通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性與地下設(shè)施的防火安全性，所有豎井采用比較簡(jiǎn)單的反掘技術(shù)，保證了工程質(zhì)量和進(jìn)度；設(shè)置人員豎井及螺旋斜坡道，形成2條獨(dú)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(fēng)建筑物及地?zé)峤粨Q系統(tǒng)設(shè)置，有利于設(shè)施運(yùn)行。設(shè)施設(shè)計(jì)具有較好的參考價(jià)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(xué)博士，高級(jí)工程師 （研究員級(jí)），主要從事核工程及結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)和研究工作。E-mail：rf@c-fine.com.cn