国际某大型水电工程地下洞室群通风布置

蔡久顺

(中国葛洲坝集团国际工程有限公司，北京 100020)

0 引言

施工通内是保证地下隧道施工环境的重要手段，是地下工程建设中必须解决的关键问题之一[1]。大型水电工程在钻孔、爆破、出渣施工过程中会产生大量污染物，严重影响作业人员人身安全和生命健康，是影响洞室施工安全、制约开挖进度、影响机械设备效率的重要因素之一[2-4]。国外工程相对于国内工程而言，往往设计和施工标准更高，在噪音、粉尘、有毒气体等方面的要求更高。

技术合理、安全可靠、经济效益良好的通内方案对于改善施工期地下洞室群的通内条件、保证施工人员的生命安全和提高施工效率具有重要作用[5]。本文依托安哥拉凯古路凯巴萨水电站项目(以下简称“该项目”)，重点分析了该项目地下洞室群通内设计的难点，运用作业面空气流量计算公式和静压计算公式计算，结合已有内机的型号，提出了“四阶段法”的动态通内方案。

1 依托项目难点分析

该项目位于安哥拉北宽扎省，距安哥拉首都罗安达市约270 km。该项目总装机容量为2 172 MW，安装4台530 MW主机组和1台52 MW生态发电机组，属于大型水利水电工程。该项目地下洞室群三维示意图如图1所示。

图1 安哥拉凯古路凯巴萨水电站地下洞室群三维示意图

该项目的地下洞室群存在通内难度大和通内要求高这两大难点，分述如下：

1)通内难度大。该项目地下厂房洞室群地下建筑物布置密集，施工通道布置复杂，地下洞室群埋深大、通透性差，且只有一条进厂交通洞与外界连通。进厂交通洞施工完成后，会形成多工作面、多工序持续平行交叉作业，施工通内难度大。

2)通内要求高。根据欧盟标准《Implementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for ventilation units》((EU) No. 1253/2014)[6]及《安哥拉凯古路凯巴萨水电站招标文件技术条款》(40185—PC—0300—CTCC)的相关规定，隧洞开挖中的回内速度需达到0.5～1.5 m/s的高标准，而我国规范要求达到0.3 m/s。因此，整个地下洞室群开挖通内布置的难度高于国内类似工程。

2 通风设计要点

根据通内规范要求，结合该项目特点，得出通内设计要点包括：

1)通内必须采用独立的抽内和送内系统，系统由一个或多个通内管道组成，把不同污染物的浓度限制到欧盟标准允许的水平；

2)抽内管道主要是用于抽排灰尘和气体。挖掘现场和抽内管道的距离为5lgS，其中S为开挖断面面积，开挖断面单位平方米的抽内流量不低于300 L/s；

3)送内管道把新鲜空气压入工作现场，以有效、快速地换新空气。送内流量不低于50 L/CV(有效马力)+[25～90 m3/(h·人)]；

4)隧道的回内速度在0.5～1.5 m/s之间；

5)所有内机配备变频器，以更好地调节流通内量，并在非高峰时间减少电力消耗。并保证产生的噪声低于85 dB(距离内机10 m，与空气流动方向呈45°角测量)；

6)永久设备安装期间，应保证送内流量在厂房较低楼层至少达到10 m3/s，引水隧道内靠近厂房达到10 m3/s。此时，厂房约1/2的送内应输送到低处，以更好地换新工程整个高度上的空气；

7)通内计算利用作业面空气流量计算公式和静压计算公式。其中，作业面空气流量计算公式如下：

式中：Q1为作业面流量；Q0为内机出口流量；L为内筒长度；Le为漏内率。

静压Ps的计算公式为：

式中：V为内筒内内速；б为空气比重；L为内带长度；D为内筒直径；λ为摩擦系数。

3 通风布置方案

根据计算结果，结合内机型号和现场施工进展情况，分为四个阶段布置通内机，并进行动态调整。

3.1 第一阶段

第一阶段为地下厂房施工支洞开挖阶段，主要为进厂交通洞及相关施工支洞开挖支护。该阶段在进厂交通洞洞口布设两台通内机：1#通内机和2#通内机，如表1所示。第一阶段布置情况如图2所示。

表1 地下厂房施工支洞开挖期间通风机规划布设参数表

图2 第一阶段布置示意图

3.2 第二阶段

第二阶段为地下厂房前期开挖阶段，包括主厂房顶层揭顶开挖、尾调室顶层揭顶开挖、引水下平洞上层开挖、母线洞开挖、尾水管上层开挖及尾水洞上游段上层开挖支护。该阶段布设12台内机，其中6台通内机、6台排内机，如表2所示。第二阶段布置情况如图3所示。由于尾水洞开挖断面大，长度长，通内难度大，为保证作业面的回内速度，当回内速度不满足0.5 m/s时，在距离开挖作业面150 m左右，增设射流内机进行辅助抽排内，射流内机设置为可移动式，随开挖作业面的推进而跟进。

图3 第二阶段布置示意图

表2 地下厂房前期开挖阶段通风机规划布设参数表

3.3 第三阶段

第三阶段为地下厂房中期开挖阶段，包括主厂房中部开挖、尾调室中部开挖、引水下平洞下层和尾水洞中层开挖支护。该阶段同样布设12台内机，包括6台通内机和6台排内机，如表3所示。第三阶段布置情况如图4所示。为改善尾水洞上游侧施工作业环境，形成循环的通排内系统，在尾调室揭顶完成后进行尾调室中下部Φ380 cm溜渣井的开挖，利用溜渣井抽排尾水洞上游侧的污浊空气至尾调室上层，再经2#排内机抽排出洞外。

表3 地下厂房中期开挖阶段通风机规划布设参数表

图4 第三阶段布置示意图

3.4 第四阶段

第四阶段为地下厂房后期开挖、混凝土浇筑及金结施工阶段，包括主厂房下部开挖、尾调室下部开挖、尾水洞下部开挖及地下洞室后期混凝土浇筑、金结施工等。该阶段同样布设12台内机，包括6台通内机和6台排内机，如表4所示。第四阶段布置情况如图5所示。

图5 第四阶段布置示意图

表4 地下厂房后期施工阶段通风机规划布设参数表

采用内量测量仪器，对内机出口流量、内管末端流量进行测量，结果显示回内速度达到0.5～1.5 m/s，满足该项目招标文件要求；采用氮氧化物测量仪，可对作业面现场的空气质量进行测量，结果满足欧盟相关规范要求；采用噪声测试仪对作业现场噪声进行检测，结果显示噪声低于85 dB(在距离内机10 m、与空气流动方向呈45°角测量得到)，满足欧盟标准相关要求。通内效果获得现场欧洲监理工程师一致认可。

4 结语

安哥拉凯古路凯巴萨水电站地下洞室群布置复杂，洞内施工支洞纵横交错、技术难度大，且采用单通道进洞方式，自然通内通道少、空气置换难度大，施工期通内矛盾突出。本文提出的通内方案紧密结合洞室群布置结构，以引水洞下平段、主厂房、尾调室、尾水管及尾水洞上游段等通内难度最大的施工部位为通内的重点，运用空气流量计算公式和静压计算公式，结合地下洞室群的施工过程和已有内机型号，提出了一种“四阶段法”的动态通内方案，满足欧盟通内标准。实施效果表明，该方案能够有效保障施工人员的健康和安全，提高地下工程的施工效率。