抽水蓄能電站施工期地下洞室臨時(shí)通風(fēng)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(yùn)城 043700)

0 引言

地下洞室工程在開挖施工中會(huì)聚集很多種類污染源，主要包括爆破產(chǎn)生的有毒氣體、工程機(jī)械施工產(chǎn)生的廢氣、巖石內(nèi)產(chǎn)生的有害氣體、噴砼施工造成的粉塵、運(yùn)卸石渣時(shí)導(dǎo)致的煙塵等，如不及時(shí)通風(fēng)排出，會(huì)對(duì)作業(yè)人員造成很大傷害。目前常采用的機(jī)械通風(fēng)方法主要包括壓入式通風(fēng)、吸出式通風(fēng)、混合式通風(fēng)等方式。根據(jù)近年來地下洞室施工的工程經(jīng)驗(yàn)，常采取壓入式通風(fēng)，隨著通風(fēng)設(shè)備的發(fā)展，現(xiàn)有的新型軸流風(fēng)機(jī)，送風(fēng)距離已經(jīng)可以達(dá)到近2 000 m，可以較好滿足獨(dú)頭開挖作業(yè)對(duì)通風(fēng)的要求[1]，且設(shè)備型號(hào)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(jī)容量為1 200 MW，工程等別為一等，工程規(guī)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(guān)站、下庫泄水及擋水建筑物等)為一級(jí)建筑物，永久性次要建筑物(包括進(jìn)場(chǎng)交通洞、通風(fēng)兼出線洞等)為三級(jí)建筑物，臨時(shí)性建筑物為四級(jí)建筑物。施工期地下洞室通風(fēng)主要涉及的項(xiàng)目有通風(fēng)兼出線洞、廠房交通洞、自流排水洞、排水廊道、上水庫進(jìn)/出口、下水庫進(jìn)/出口、2號(hào)棄渣場(chǎng)排水洞以及1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、7號(hào)施工支洞洞口及洞身施工通風(fēng)，其中尤以通風(fēng)兼出線洞和交通洞承擔(dān)的通風(fēng)任務(wù)為重，主要負(fù)責(zé)整個(gè)廠房施工期的地下通風(fēng)。

2 通風(fēng)量計(jì)算

電站臨時(shí)通風(fēng)設(shè)施主要布置在通風(fēng)兼出線洞、交通洞及施工支洞內(nèi)，下面以通風(fēng)兼出線洞為例進(jìn)行通風(fēng)量的計(jì)算，其他洞室按此方法進(jìn)行計(jì)算，不再贅述。

2.1 爆破藥量所需風(fēng)量

根據(jù)《水利水電施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二冊(cè)，爆破所需風(fēng)量計(jì)算[2]如下：

式中：VL為爆破散煙計(jì)算風(fēng)量，m3/min；Q為同時(shí)爆破的炸藥量，kg；B為爆破時(shí)所產(chǎn)生的折成CO體積，L/kg；t為通風(fēng)時(shí)間，min。

通風(fēng)兼出線洞尺寸為8 m×7.8 m，斷面面積約為62.4 m2，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，單方耗藥量約為1.3 kg/m3，每循環(huán)進(jìn)尺約為3 m，則每循環(huán)耗藥量243.36 kg。

根據(jù)手冊(cè)炸藥爆破所產(chǎn)生CO體積為40 L/kg，通風(fēng)時(shí)間取30 min。則計(jì)算風(fēng)量約為27.04 m3/s。

風(fēng)機(jī)風(fēng)量根據(jù)《水利水電施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二冊(cè)計(jì)算如下：

式中：Vm為風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量，m3/min；V為洞室爆破需要的通風(fēng)量，m3/min；L為風(fēng)管長度，m；P為100 m風(fēng)管漏風(fēng)量，取1.5 %。

通風(fēng)兼出線洞長1 276 m，結(jié)合類似工程，100 m風(fēng)管漏風(fēng)量取1.5 %，則風(fēng)機(jī)通風(fēng)量約為24.8 m3/s。

式中：Vc為使用柴油設(shè)備時(shí)的風(fēng)量，m3/min；v0-為每千瓦所要風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)，m3/(kW·min)；N為洞室施工的柴油設(shè)備的總共額定功率，kW。

通風(fēng)兼出線洞開挖使用的柴油機(jī)械主要有NH178三臂鑿巖臺(tái)車(116 kW)，3 m3側(cè)卸式裝載機(jī)(162 kW)和20 t自卸汽車(186 kW)。手冊(cè)中單位功率需風(fēng)量指標(biāo)為4.1 m3/(kW·min)，則每臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車需風(fēng)量約為7.93 m3/s。每臺(tái)側(cè)卸式裝載機(jī)需風(fēng)量約為11.07 m3/s，每臺(tái)自卸汽車需風(fēng)量約為12.71 m3/s。根據(jù)DL/T 5397—2007《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，洞室使用柴油設(shè)備工作時(shí)，應(yīng)依照柴油設(shè)備用風(fēng)與施工人員用風(fēng)求和計(jì)算。根據(jù)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(shù)約為20人；DL/T 5397—2007規(guī)定，當(dāng)洞、井位于海拔高程1 000 m以上時(shí)，通風(fēng)量需乘以修正系數(shù)為1.3～1.5，本工程海拔高程低于1 000 m，本次設(shè)計(jì)不需乘以修正系數(shù)，則人員需總風(fēng)量約為1 m3/s[3-4]。

通風(fēng)兼出線洞通風(fēng)主要供給通風(fēng)兼出線洞、主變通風(fēng)洞、尾調(diào)補(bǔ)氣洞、主副廠房頂部、主變室上部、上部排水廊道開挖，且通風(fēng)兼出線洞與主變通風(fēng)洞同時(shí)開挖時(shí)，所需風(fēng)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(fēng)量，即主變通風(fēng)洞出渣時(shí)，通風(fēng)兼出線洞可進(jìn)行鉆孔工作，通風(fēng)兼出線洞爆破時(shí)，主變通風(fēng)洞不作業(yè)，所以主變通風(fēng)洞出渣和通風(fēng)兼出線洞鉆孔為所需風(fēng)量最大工況，即一臺(tái)NH178三臂鑿巖臺(tái)車(116 kW)，每臺(tái)需風(fēng)量約為7.93 m3/s，一臺(tái)3 m3側(cè)卸式裝載機(jī)（162 kW），每臺(tái)需風(fēng)量約為11.07 m3/s，和一臺(tái)20 t自卸汽車(186 kW)，每臺(tái)需風(fēng)量約為12.71 m3/s。兩組人員同時(shí)工作，需風(fēng)量2 m3/s，設(shè)備與人員同時(shí)工作，所需風(fēng)量33.71 m3/s。

當(dāng)采用壓入式通風(fēng)時(shí)，通風(fēng)量由柴油機(jī)決定，考慮所漏掉的風(fēng)量仍有沖淡廢氣的作用，風(fēng)機(jī)風(fēng)量按下式計(jì)算[5]：

考慮風(fēng)機(jī)可發(fā)揮最大效率為85 %，則需要的風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量為29.2 m3/s。

2.2 柴油機(jī)械計(jì)算

按《水利水電施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二冊(cè)，使用柴油機(jī)械時(shí)所需通風(fēng)量[2]計(jì)算如下：

式中：Vm為風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量，m3/min；V為洞內(nèi)施工所需風(fēng)量，m3/min；L為風(fēng)管長度，m；P為100 m風(fēng)管漏風(fēng)量，取1.5 %。

根據(jù)公式計(jì)算，風(fēng)機(jī)通風(fēng)量為36.97 m3/s，考慮風(fēng)機(jī)可發(fā)揮最大效率為85 %，則需要的風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量為43.49 m3/s。

根據(jù)《水利水電施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定，工作風(fēng)量須滿足作業(yè)人員的正常呼吸所需，并可稀釋、排出作業(yè)設(shè)備和爆破施工造成的巖塵及有害氣體，根據(jù)分別計(jì)算的所需風(fēng)量，選取最大值。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，大型柴油設(shè)備所需風(fēng)量較多，為43.49 m3/s。

2.3 廠房通風(fēng)量核算

據(jù)類似工程調(diào)查，廠房通風(fēng)量按照廠房內(nèi)空氣被置換一次所需時(shí)間控制，通風(fēng)兼出線洞主要負(fù)責(zé)主廠房上部及主變中上部的通風(fēng)，主廠房上部及主變中上部體積約為12.1萬m3，根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口通風(fēng)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(shí)間為1.00 h，空氣置換情況較理想。

2.4 風(fēng)速核算

根據(jù)DL/T 5397—2007規(guī)定，工作面附近最小風(fēng)速不得低于0.15 m/s，洞內(nèi)最高溫度不超過15 ℃時(shí)，風(fēng)速不大于0.5 m/s。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量為33.71 m3/s，斷面面積為62.4 m3，掌子面風(fēng)速0.54 m/s，大于最小風(fēng)速要求。洞內(nèi)溫度若低于15 ℃時(shí)，洞內(nèi)風(fēng)速要求不大于0.5 m/s，可適當(dāng)降低風(fēng)機(jī)通風(fēng)量，將風(fēng)速控制在要求范圍內(nèi)。

2.5 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓計(jì)算

根據(jù)風(fēng)壓計(jì)算公式，計(jì)算如下：

式中：Ps為靜壓，Pa；v為風(fēng)帶內(nèi)風(fēng)速，m/s；σ為空氣比重，kg/m3；L為風(fēng)帶長度，m；D為風(fēng)帶直徑，m；λ為摩擦系數(shù)。

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

表1 通風(fēng)兼出線洞通風(fēng)量及風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果

表2 交通洞通風(fēng)量及風(fēng)壓計(jì)算成果

表3 施工支洞通風(fēng)量計(jì)算

2.6 國內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)

通過調(diào)研，收集相同發(fā)電容量的抽水蓄能電站通風(fēng)風(fēng)機(jī)選型參數(shù)見表4。

表4 國內(nèi)抽水蓄能電站通風(fēng)風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，本次計(jì)算通風(fēng)兼出線洞和交通洞風(fēng)壓略小，為更好保證洞內(nèi)施工條件，本次通風(fēng)風(fēng)量及風(fēng)壓按工程經(jīng)驗(yàn)類比選取[6]，可更好保證工作面通風(fēng)效果，因此通風(fēng)兼出線洞風(fēng)機(jī)風(fēng)量取50.4 m3/s，風(fēng)壓為3 550 Pa，交通洞風(fēng)機(jī)風(fēng)量取56.8 m3/s，風(fēng)壓為4 200 Pa。

3 風(fēng)機(jī)選用

臨時(shí)通風(fēng)均選用軸流式風(fēng)機(jī)，通風(fēng)兼出線洞和交通洞較長，且都為地下廠房的主要通風(fēng)通道，其中通風(fēng)兼出線洞為主副廠房頂部及主變室上部開挖時(shí)的通風(fēng)通道，交通洞為主副廠房中部開挖時(shí)的通風(fēng)通道，因此兩洞洞口的風(fēng)機(jī)應(yīng)選用風(fēng)量大、送風(fēng)距離遠(yuǎn)的大功率風(fēng)機(jī)。通過調(diào)研，現(xiàn)在國外進(jìn)口的某大功率風(fēng)機(jī)在滿足通風(fēng)風(fēng)量要求的前提下，送風(fēng)距離可以達(dá)到2～3 km，因此本次兩洞選用該種風(fēng)機(jī)，則洞內(nèi)不需要串聯(lián)風(fēng)機(jī)使用，可以直接從洞口將新鮮空氣泵入至掌子面，風(fēng)管可以選擇直徑為1.6 m的圓形風(fēng)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(fēng)機(jī)，每掘進(jìn)500 m加串一組，增加供風(fēng)距離，風(fēng)管管徑可以選擇1.0 m。風(fēng)機(jī)與風(fēng)管選擇見表5。

表5 風(fēng)機(jī)及風(fēng)管選擇

4 通風(fēng)布置

地下工程的通風(fēng)散煙的優(yōu)劣直接關(guān)系到施工作業(yè)人員的健康狀況，而且通風(fēng)效果直接影響地下洞室群的施工速度。根據(jù)以往抽水蓄能電站地下工程洞室群的布置特點(diǎn)，結(jié)合該抽水蓄能電站實(shí)際，通風(fēng)散煙分三期設(shè)置[8-9]。

1) 前期。所有洞室為獨(dú)頭工作面掘進(jìn)，引水系統(tǒng)、廠房系統(tǒng)及尾水隧洞系統(tǒng)等部分互相不關(guān)聯(lián)。在此期間于交通洞、通風(fēng)兼出線洞洞口位置布置軸流風(fēng)機(jī)，給工作面供風(fēng)，施工支洞洞口及洞內(nèi)每500 m左右為一單元布置軸流風(fēng)機(jī)接力通風(fēng)，具體示意詳見圖1。

圖1 臨時(shí)通風(fēng)布置示意

2) 中期。主體工程的排風(fēng)洞和排風(fēng)豎井貫通后，滿足利用洞內(nèi)外溫差和壓差進(jìn)行自然通風(fēng)的條件，采取強(qiáng)制通風(fēng)與自然通風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)方式。

3) 后期。洞室開挖結(jié)束，進(jìn)入土建施工和機(jī)電安裝工程階段后，排風(fēng)豎井、引水系統(tǒng)、廠區(qū)和尾水系統(tǒng)相互貫通，以自然通風(fēng)為主、強(qiáng)制式機(jī)械通風(fēng)為輔，低處洞口進(jìn)風(fēng)，高處洞口出風(fēng)，部分風(fēng)機(jī)給予輔助通風(fēng)。

5 洞內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)措施

地下洞室開挖時(shí)應(yīng)做好洞內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)工作，監(jiān)測(cè)工作分為定期檢測(cè)和爆破后檢測(cè)兩部分。施工單位有害氣體專業(yè)檢測(cè)人員使用檢測(cè)儀器定期對(duì)洞內(nèi)空氣進(jìn)行檢測(cè)，每兩天進(jìn)行一次，在洞內(nèi)每200 m進(jìn)行一次取樣測(cè)試，并將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行公示，如檢測(cè)結(jié)果達(dá)不到空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，則應(yīng)延長通風(fēng)散塵時(shí)間，并進(jìn)行灑水除塵處理。每次實(shí)施爆破后先進(jìn)行通風(fēng)和灑水除塵，并由專人佩戴安全設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備對(duì)掌子面空氣進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果達(dá)標(biāo)后，方可進(jìn)行出渣等后續(xù)工作[9]。各班組長、現(xiàn)場(chǎng)值班負(fù)責(zé)人應(yīng)佩戴移動(dòng)式檢測(cè)設(shè)備，如遇檢測(cè)設(shè)備報(bào)警，則應(yīng)停止洞內(nèi)人員工作，及時(shí)采取通風(fēng)除塵和灑水處理，待洞內(nèi)空氣達(dá)標(biāo)后，方可繼續(xù)工作。

6 結(jié)束語

結(jié)合某電站地下洞室布置的實(shí)際情況，通過對(duì)各洞室施工期所需風(fēng)量計(jì)算，確定了通風(fēng)兼出線洞、交通洞及1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、7號(hào)施工支洞風(fēng)機(jī)的選用和布置，通風(fēng)兼出線洞、交通洞已開挖360 m，相應(yīng)臨時(shí)通風(fēng)設(shè)施已按照上述計(jì)算結(jié)果及實(shí)際情況完成通風(fēng)前期的布設(shè)并投用。采用上述空氣監(jiān)測(cè)措施，目前一切運(yùn)行正常，洞內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)，下一步重點(diǎn)做好廠房開挖過程中，臨時(shí)通風(fēng)設(shè)施的運(yùn)行及驗(yàn)算工作，并做進(jìn)一步的深入研究。