瑞典sp地下实验室设计与建造

荣 峰

（中核第四研究设计工程有限公司，石家庄 050021）

荣 峰

（中核第四研究设计工程有限公司，石家庄 050021）

瑞典sp硬岩地下实验室（HRL）的设计与建造为规划和设计深地质处置库提供了有价值的经验。整个工作包括了总体规划、主体结构的设计与建造以及相关系统的设计、制造与安装，与随后多年的设施运行经验相结合，为深地质处置库的设计与建造工作奠定了良好基础。对该工程的设计与建造进行了论述，以期为我国地下实验室总体方案设计提供参考。

地下实验室；出入路径；斜坡道；竖井；方案比较

1 总体设计

1.1 总体方案描述

地下实验室的设计与建造包含了几个部分或阶段（图1），从1.5 km外的Simpevarp半岛开挖一条斜坡道至sp岛下，斜坡道入口设置在Oskarshamn核电厂附近，抵达sp岛下200 m深处。

以六角形螺旋斜坡道继续下降至海平面以下340 m，该第1部分的巷道开拓以传统的钻爆法进行。螺旋斜坡道第2部分 （-340～-450 m）使用TBM进行了掘进试验，抵达-450 m深度后继续向西延伸至试验岩体。

设施设置3条竖井，其中两条用于通风（直径1.5 m），一条竖井用于提升（直径3.8 m），竖井采用反掘技术掘进。

图1 sp硬岩实验室总体布置图 （瑞典SKB）Fig.1 Overview of the layout ofsp Hard Rock Laboratory （SKB， Sweden）

1.2 规划与设计

设计工作于1989年春季开始，建设工作开始于1990年秋季，完成于1995年夏季，同年设施开始运行。

设计的实际操作是：需要获得试验数据的重要部位、巷道尺寸、坡度、转弯半径等在详细设计开始前进行确定，随着巷道的开拓及对岩体情况了解的逐步深入，设计应有足够的灵活性以允许做出调整。此外，与研究人员的紧密合作也在设计与建造过程中得以体现。

在项目的每一个阶段对设计方案都进行了论证和调整，提出了不同的坡度及各种螺旋斜坡道设计，主要设计方案有：斜坡道入口设在sp，半径135 m四螺旋抵达最终深度-480 m；最终深度-485 m，具有继续向下延伸到-700 m的可能性；斜坡道入口设在Simpevarp半岛，半径150 m两螺旋。

最终确定的设计将斜坡道入口设在Simpevarp半岛，两螺旋抵达最终深度-450 m。

1.3 出入路径方案比较

对于通往地下设施的出入路径，提出了竖井以及斜坡道两种选择供讨论，最终选择了斜坡道方案，其理由是：斜坡道可提供更好的运行灵活性；与竖井相比可调查的岩体范围更大。

1989年确定设计方案，在Simpevarp半岛设置入口，两圈螺旋斜坡道抵达最终深度-450 m（图2），该设计有几个优势：不需要建设新的大型入场道路，现有的通向sp的道路能够满足需要；sp的自然环境不会被开挖废石的运输与处置所干扰；sp村设施占地面积可以更小；可利用斜坡道对区域性裂隙带NE-1进行研究；Simpevarp的现有基础设施可以利用，如电力及供水系统等。

图2 地下开拓系统定位及总体结构特征 （瑞典SKB）Fig.2 Overview of the locations of underground excavations and general structural features （SKB， Sweden）

地下设施的最终设计在1994年秋季确定，主要确定了抵达设计深度的最后一段斜坡道使用TBM掘进。主水平试验硐室布置见图3。

图3 地下试验硐室分布 （瑞典SKB）Fig.3 The allocation of the experimental sites in the sp HRL （SKB， Sweden）

2 井巷工程与主要系统设计

2.1 巷道设计

巷道尺寸根据各种交通工具的外形轮廓尺寸确定，最高3.5 m，最宽3.0 m，巷道高度要求应使SKB的移动化学试验室能够进入。

建造期第1阶段巷道截面面积为25 m2，宽度5 m，第2阶段宽度减小为4.8 m，此部分巷道没有设备平台。在巷道转弯及会车处，巷道宽度加宽到8 m，截面面积为42 m2。

TBM掘进巷道直径5.0 m，交通工具可紧贴着进入，但满载的车辆通行非常困难，将来宜考虑增加车辆周边的巷道空间。

采用传统钻爆法施工的斜坡道的转弯半径一般为20 m，巷道入口及TBM组装厅前部转弯处半径为40 m。确定的转弯半径工作良好，对车辆运行未造成影响。

斜坡道用于重型运输，提升竖井用于轻型运输及人员交通。斜坡道坡度为140‰，转弯及会车处为100‰，减缓坡度以便于车辆启动。螺旋斜坡道第2圈的坡度为140‰，转弯处坡度不变，是否会出现问题尚需验证。

转弯壁龛设置在每个转弯段的起始端，设计用于巷道掘进，也可用于勘察钻孔（图4）。斜坡道会车区间距150 m，转弯处设置在每个弯段的尽端，以使向下行驶的车辆当在直线段遇到车辆时不用掉头。

图4 螺旋斜坡道中勘查、试验壁龛布置示例 （瑞典SKB）Fig.4 An example of layout for experimental niche in the access tunnel （SKB， Sweden）

2.2 竖井设计

在方案设计阶段对竖井的各种方案进行了评估，建议提升，通风竖井采用钻爆法施工及滑模混凝土衬砌。对天井钻机反掘施工方法也进行了研究，此方案采用一个直径3.8 m的提升竖井和2个直径为1.5 m的通风竖井，由于造价较高，起初并没有考虑为最佳方案，但由于其低人身伤害风险的优势（与钻爆法施工相比），使得该方案最终得以采用。

提升竖井为人员、实验仪器及材料运输通道，采用单绳提升、双层单罐方案。提升系统自动化程度较高，可以在中央控制室以及地表提升机房、井下信号硐室进行控制。

2.3 岩体支护与注浆

岩体支护采用瑞典巷道施工中的常用方法，即岩体锚栓、带与不带钢筋的喷射混凝土、水泥及聚亚安酯注浆、喷射混凝土拱等。拱顶及侧壁起初更倾向于挂网而不是喷射混凝土，因可直接观察岩体表面，但因岩体条件不适合而进行了更改。巷道支护应尽可能少地使用喷射混凝土并避免注浆，承包商需与SKB协商后才能在巷道中进行支护。

注浆方法是巷道掘进方法试验的主要内容。研究人员要求注浆材料对地下水化学的影响及其在岩体中的扩散范围必须是有限的，但又有限制总涌水量的要求以及爆破后注浆的一些需求，同时，注浆也用于某些区域的巷道特别是裂隙带NE-1的稳定。实际工作中根据这些要求开展了注浆研究工作。

一般情况下单孔最大注浆量对于1级和2级岩石限制在600 L，3、4级岩石为1 500 L，使用的注浆材料为水泥加膨润土及氯化钙，包括水泥、膨润土及常规化学注浆材料如聚亚安酯，注浆压力限制在高于静水压力2 MPa。对TBM掘进巷道注浆进行了特别的研究，该部分巷道岩体软弱区由单个宽裂隙占主导，单孔最大注浆量限制在3 000 L，每个注浆扇10 000 L，在此巷道的最后部分避免注浆以免扰动未来的试验区。

岩体不连续体的位置通过地表钻孔以及巷道掘进时进行确认。斜坡道穿越裂隙带NE-1既耗时，又困难，主要是由于针对注浆的诸多限制，因此，设计要求螺旋斜坡道第2环尽可能避让NE-1或不被其影响。

2.4 通风系统设计

采用混合式通风系统，在中央控制室进行控制。新风通过入风井进入地下实验室各个水平，然后经风筒送至各个试验工作面。污风一部分通过斜坡道排至地表，一部分通过回风井排至通风机房，进行热交换后排出地表。通风系统风机设置在同一建筑物内，设置热交换系统，污风通过水介质将热量传递给新风，将冷空气温度提高后送至井下。

设施内环境参数的确定是通风系统设计的关键，包括设计温度、湿度、岩壁潮湿度、送排风管道内凝结水量等。保持竖井干燥而不增加通风气流湿度比较困难，在地表至-220 m标高竖井段尤其如此，所以竖井在用于反掘的大导孔里进行了超前注浆，其他部位则利用周界上较小的钻孔进行注浆。

火灾时通风系统可自动切换到防火通风运行模式，该工况下人员竖井将保持正压，确保无烟以便人员可通过竖井进行疏散。同时，加大运输巷道的进风量进行排烟。

为了解决涌水问题，在进风井的上半部分设置塑料衬里，并在地表排风管道中设置水滴分离器。衬里设置效果很好，但主要缺点是增加了设施的火灾风险。为了防止竖井结冰后来又增加了加热装置。

通风系统的设计应能防止进、回风管道空气产生潮湿。除了管道系统设计外，系统内所有不可更换部件达到瑞典环境M4A级耐腐蚀水平。

2.5 防火设计

防火分区、通风与提升设施设计、材料选择、人员应急装备、火灾报警系统为考虑的关键问题。在防火设计方面，没有专门的规范规程适用于像sp地下实验室这样的工程，因此重要的是与救援服务机构进行不断的对话，以从政府部门获得设施运行许可。

2.5.1 防火分区

地下设施分为3个独立的防火分区，包括出入斜坡道、提升竖井及降落区、试验区。3个分区通过6个防火门连接。根据瑞典住建委员会颁布的 《建筑规程94》，防火门分级为EI30级。

防火分区由联合进风井送风，在排风侧，两个分区与回风井相连，斜坡道通过巷道排风。

经验表明即使在正常运行情况下防火分区也难于保持，因此，频繁使用的防火门应安装自动控制装置，以便车辆通过后保持关闭状态。防火门安装提示器，如果开启时间过长将发出提示信号。

2.5.2 防火通风

通风系统运行表明，选择的运行模式应予重新检验，特别是对斜坡道。因火灾情况下通风流量自动增加几乎翻倍，而火情上部的人员至少应以与烟雾相同的速度沿斜坡道向上疏散，此时最好将通风系统全部关闭，直到人员疏散完毕，然后再手动启动到强化通风的位置以促进排烟。sp进行了全尺寸的测试以检验通风系统的调整如何影响气流。

2.5.3 材料选择

2.5.4 火灾探测与报警系统

3 工程建造

3.1 建造方法与承包商

螺旋斜坡道及主水平巷道均采用钻爆法掘进，到达设计深度前的最后一段斜坡道采用TBM掘进。提升及通风竖井采用机械反掘方法施工，斜坡道先行掘进至第1段预定位置，通过联络巷形成场地进行反掘成井，下部螺旋以此类推进行施工。

瑞典SLAB AB公司承担第1部分巷道开拓，包括掘进、安装至-340 m标高，以及建筑基槽开挖和-220 m以上竖井机械反掘；Skanska Sydost AB公司承包sp村建安施工；Skanska Stockholm AB负责下半部TBM施工，包括掘进、安装至-460m最终标高，以及竖井机械反掘。竖井反掘由Skanska内部独立运行的部门Skanska天井掘进队实施，该部门第1阶段作为SLAB AB公司的分包商，第2阶段作为Skanska Stockholm AB公司的分包商。

3.2 总体数据

地下实验室建设总体数据见表1。

表1 sp地下实验室建设总体数据Table 1 The overall parameters ofsp HRL project

表1 sp地下实验室建设总体数据Table 1 The overall parameters ofsp HRL project

工程内容 工程量及参数巷道总长度 3 6 0 0 m交通竖井深度 4 5 0 m开挖方量 1 3 0 0 0 0 m 3涌水量 2.1 L·m i n-1通风系统能力 2 0 m 3·s-1提升机能力 2 0人，2 t，最大速度5 m·s-1

3.3 建设造价

表2 sp地下实验室建设造价Table 1 The cost ofsp HRL project

表2 sp地下实验室建设造价Table 1 The cost ofsp HRL project

建设内容 造价 （亿克朗）项目管理、设计工作及施工管理 0.3 2巷道及竖井（包括注浆与支护） 1.2 2地下其他建造工作 0.5 0 s p 村 0.2 4通风系统 0.1 8提升系统 0.1 9供水供电系统 0.3 0总计 2.9 5

4 结论与启示

普通地下实验室主体结构形式应根据功能需求、地质条件、地形条件、运营及安全要求等进行综合研究分析，并经过方案比选确定。斜坡道＋竖井方案比全竖井方案地质环境调查范围更大，对于不同的概念及运输类型更具灵活性，但由于将穿过更多的构造，导致对水文地质及水文地球化学的扰动均高于全竖井方案，项目建设时应进行全面的分析与比较后确定。

地下实验室主体结构及地表设施布置应符合用地规划、面积及地形、现有基础设施的要求，sp地下实验室设计充分考虑了用地、现有基础设施及环境条件要求，设计方案合理可行。

与特定场址地下实验室要考虑长期安全性的要求不同，普通地下实验室要求更加灵活，有时需要有针对性地选择和穿越一些显著地质构造开展研究与试验工作，以达到设施建设目标。sp利用长直斜坡道穿越对区域性裂隙带NE-1进行了研究，满足了重要地质构造调查与研究的需求。

主体结构设置独立的进风井和排风井，提升了通风系统的可靠性与地下设施的防火安全性，所有竖井采用比较简单的反掘技术，保证了工程质量和进度；设置人员竖井及螺旋斜坡道，形成2条独立的逃生路径，满足了井下安全要求；3条竖井靠近布置，方便了地表通风建筑物及地热交换系统设置，有利于设施运行。设施设计具有较好的参考价值。

［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

荣 峰（1964— ），男，河南开封人，工学博士，高级工程师 （研究员级），主要从事核工程及结构工程设计和研究工作。E-mail：rf@c-fine.com.cn