抽水蓄能电站施工期地下洞室临时通风分析研究

付 斌，景鹏云，安壮壮

(山西垣曲抽水蓄能有限公司，山西 运城 043700)

0 引言

地下洞室工程在开挖施工中会聚集很多种类污染源，主要包括爆破产生的有毒气体、工程机械施工产生的废气、岩石内产生的有害气体、喷砼施工造成的粉尘、运卸石渣时导致的烟尘等，如不及时通风排出，会对作业人员造成很大伤害。目前常采用的机械通风方法主要包括压入式通风、吸出式通风、混合式通风等方式。根据近年来地下洞室施工的工程经验，常采取压入式通风，随着通风设备的发展，现有的新型轴流风机，送风距离已经可以达到近2 000 m，可以较好满足独头开挖作业对通风的要求[1]，且设备型号多样，可以满足不同洞径开挖的需求。

1 工程概况

某抽水蓄能电站装机容量为1 200 MW，工程等别为一等，工程规模为大(1)型。永久性建筑物(主要包括上库挡水建筑物、输水建筑物、地下厂房、主变洞、母线洞、地上开关站、下库泄水及挡水建筑物等)为一级建筑物，永久性次要建筑物(包括进场交通洞、通风兼出线洞等)为三级建筑物，临时性建筑物为四级建筑物。施工期地下洞室通风主要涉及的项目有通风兼出线洞、厂房交通洞、自流排水洞、排水廊道、上水库进/出口、下水库进/出口、2号弃渣场排水洞以及1号、2号、3号、7号施工支洞洞口及洞身施工通风，其中尤以通风兼出线洞和交通洞承担的通风任务为重，主要负责整个厂房施工期的地下通风。

2 通风量计算

电站临时通风设施主要布置在通风兼出线洞、交通洞及施工支洞内，下面以通风兼出线洞为例进行通风量的计算，其他洞室按此方法进行计算，不再赘述。

2.1 爆破药量所需风量

根据《水利水电施工组织设计手册》第二册，爆破所需风量计算[2]如下：

式中：VL为爆破散烟计算风量，m3/min；Q为同时爆破的炸药量，kg；B为爆破时所产生的折成CO体积，L/kg；t为通风时间，min。

通风兼出线洞尺寸为8 m×7.8 m，断面面积约为62.4 m2，根据工程经验，单方耗药量约为1.3 kg/m3，每循环进尺约为3 m，则每循环耗药量243.36 kg。

根据手册炸药爆破所产生CO体积为40 L/kg，通风时间取30 min。则计算风量约为27.04 m3/s。

风机风量根据《水利水电施工组织设计手册》第二册计算如下：

式中：Vm为风机工作风量，m3/min；V为洞室爆破需要的通风量，m3/min；L为风管长度，m；P为100 m风管漏风量，取1.5 %。

通风兼出线洞长1 276 m，结合类似工程，100 m风管漏风量取1.5 %，则风机通风量约为24.8 m3/s。

式中：Vc为使用柴油设备时的风量，m3/min；v0-为每千瓦所要风量标准，m3/(kW·min)；N为洞室施工的柴油设备的总共额定功率，kW。

通风兼出线洞开挖使用的柴油机械主要有NH178三臂凿岩台车(116 kW)，3 m3侧卸式装载机(162 kW)和20 t自卸汽车(186 kW)。手册中单位功率需风量指标为4.1 m3/(kW·min)，则每台三臂凿岩台车需风量约为7.93 m3/s。每台侧卸式装载机需风量约为11.07 m3/s，每台自卸汽车需风量约为12.71 m3/s。根据DL/T 5397—2007《水电工程施工组织设计规范》规定，洞室使用柴油设备工作时，应依照柴油设备用风与施工人员用风求和计算。根据DL/T 5397—2007中附录D.6.1.1，每人需要约3 m3/min新鲜空气，掌子面最多工作人数约为20人；DL/T 5397—2007规定，当洞、井位于海拔高程1 000 m以上时，通风量需乘以修正系数为1.3～1.5，本工程海拔高程低于1 000 m，本次设计不需乘以修正系数，则人员需总风量约为1 m3/s[3-4]。

通风兼出线洞通风主要供给通风兼出线洞、主变通风洞、尾调补气洞、主副厂房顶部、主变室上部、上部排水廊道开挖，且通风兼出线洞与主变通风洞同时开挖时，所需风量最大，但两工作面可以通过合理安排施工顺序减少所需通风量，即主变通风洞出渣时，通风兼出线洞可进行钻孔工作，通风兼出线洞爆破时，主变通风洞不作业，所以主变通风洞出渣和通风兼出线洞钻孔为所需风量最大工况，即一台NH178三臂凿岩台车(116 kW)，每台需风量约为7.93 m3/s，一台3 m3侧卸式装载机（162 kW），每台需风量约为11.07 m3/s，和一台20 t自卸汽车(186 kW)，每台需风量约为12.71 m3/s。两组人员同时工作，需风量2 m3/s，设备与人员同时工作，所需风量33.71 m3/s。

当采用压入式通风时，通风量由柴油机决定，考虑所漏掉的风量仍有冲淡废气的作用，风机风量按下式计算[5]：

考虑风机可发挥最大效率为85 %，则需要的风机额定风量为29.2 m3/s。

2.2 柴油机械计算

按《水利水电施工组织设计手册》第二册，使用柴油机械时所需通风量[2]计算如下：

式中：Vm为风机工作风量，m3/min；V为洞内施工所需风量，m3/min；L为风管长度，m；P为100 m风管漏风量，取1.5 %。

根据公式计算，风机通风量为36.97 m3/s，考虑风机可发挥最大效率为85 %，则需要的风机额定风量为43.49 m3/s。

根据《水利水电施工组织设计手册》规定，工作风量须满足作业人员的正常呼吸所需，并可稀释、排出作业设备和爆破施工造成的岩尘及有害气体，根据分别计算的所需风量，选取最大值。根据以上计算结果，大型柴油设备所需风量较多，为43.49 m3/s。

2.3 厂房通风量核算

据类似工程调查，厂房通风量按照厂房内空气被置换一次所需时间控制，通风兼出线洞主要负责主厂房上部及主变中上部的通风，主厂房上部及主变中上部体积约为12.1万m3，根据以上计算结果，风机出风口通风量为33.71 m3/s，则主厂房上部及主变中上部空气置换一次所需时间为1.00 h，空气置换情况较理想。

2.4 风速核算

根据DL/T 5397—2007规定，工作面附近最小风速不得低于0.15 m/s，洞内最高温度不超过15 ℃时，风速不大于0.5 m/s。

根据上述计算结果，风机出口风量为33.71 m3/s，断面面积为62.4 m3，掌子面风速0.54 m/s，大于最小风速要求。洞内温度若低于15 ℃时，洞内风速要求不大于0.5 m/s，可适当降低风机通风量，将风速控制在要求范围内。

2.5 风机风压计算

根据风压计算公式，计算如下：

式中：Ps为静压，Pa；v为风带内风速，m/s；σ为空气比重，kg/m3；L为风带长度，m；D为风带直径，m；λ为摩擦系数。

风带长度略大于通风兼出线洞洞长，约为1 300 m，摩擦系数通常钻爆法取0.017，则静压为2 512 Pa，速度风阻约为170 Pa，机器损耗风阻约为100 Pa，则总风阻为2 794 Pa，综上通风兼出线洞通风量及风压计算见表1，同样的方法，交通洞及施工支洞通风量及风压计算见表2和表3。

表1 通风兼出线洞通风量及风压计算结果

表2 交通洞通风量及风压计算成果

表3 施工支洞通风量计算

2.6 国内类似工程经验

通过调研，收集相同发电容量的抽水蓄能电站通风风机选型参数见表4。

表4 国内抽水蓄能电站通风风机选型

根据类似工程经验，本次计算通风兼出线洞和交通洞风压略小，为更好保证洞内施工条件，本次通风风量及风压按工程经验类比选取[6]，可更好保证工作面通风效果，因此通风兼出线洞风机风量取50.4 m3/s，风压为3 550 Pa，交通洞风机风量取56.8 m3/s，风压为4 200 Pa。

3 风机选用

临时通风均选用轴流式风机，通风兼出线洞和交通洞较长，且都为地下厂房的主要通风通道，其中通风兼出线洞为主副厂房顶部及主变室上部开挖时的通风通道，交通洞为主副厂房中部开挖时的通风通道，因此两洞洞口的风机应选用风量大、送风距离远的大功率风机。通过调研，现在国外进口的某大功率风机在满足通风风量要求的前提下，送风距离可以达到2～3 km，因此本次两洞选用该种风机，则洞内不需要串联风机使用，可以直接从洞口将新鲜空气泵入至掌子面，风管可以选择直径为1.6 m的圆形风管[7]。施工支洞断面面积较小，且洞长较短，可以在洞口布置功率较小的风机，每掘进500 m加串一组，增加供风距离，风管管径可以选择1.0 m。风机与风管选择见表5。

表5 风机及风管选择

4 通风布置

地下工程的通风散烟的优劣直接关系到施工作业人员的健康状况，而且通风效果直接影响地下洞室群的施工速度。根据以往抽水蓄能电站地下工程洞室群的布置特点，结合该抽水蓄能电站实际，通风散烟分三期设置[8-9]。

1) 前期。所有洞室为独头工作面掘进，引水系统、厂房系统及尾水隧洞系统等部分互相不关联。在此期间于交通洞、通风兼出线洞洞口位置布置轴流风机，给工作面供风，施工支洞洞口及洞内每500 m左右为一单元布置轴流风机接力通风，具体示意详见图1。

图1 临时通风布置示意

2) 中期。主体工程的排风洞和排风竖井贯通后，满足利用洞内外温差和压差进行自然通风的条件，采取强制通风与自然通风相结合的通风方式。

3) 后期。洞室开挖结束，进入土建施工和机电安装工程阶段后，排风竖井、引水系统、厂区和尾水系统相互贯通，以自然通风为主、强制式机械通风为辅，低处洞口进风，高处洞口出风，部分风机给予辅助通风。

5 洞内空气监测措施

地下洞室开挖时应做好洞内空气监测工作，监测工作分为定期检测和爆破后检测两部分。施工单位有害气体专业检测人员使用检测仪器定期对洞内空气进行检测，每两天进行一次，在洞内每200 m进行一次取样测试，并将检测结果进行公示，如检测结果达不到空气质量标准要求，则应延长通风散尘时间，并进行洒水除尘处理。每次实施爆破后先进行通风和洒水除尘，并由专人佩戴安全设备和检测设备对掌子面空气进行检测，检测结果达标后，方可进行出渣等后续工作[9]。各班组长、现场值班负责人应佩戴移动式检测设备，如遇检测设备报警，则应停止洞内人员工作，及时采取通风除尘和洒水处理，待洞内空气达标后，方可继续工作。

6 结束语

结合某电站地下洞室布置的实际情况，通过对各洞室施工期所需风量计算，确定了通风兼出线洞、交通洞及1号、2号、3号、7号施工支洞风机的选用和布置，通风兼出线洞、交通洞已开挖360 m，相应临时通风设施已按照上述计算结果及实际情况完成通风前期的布设并投用。采用上述空气监测措施，目前一切运行正常，洞内空气质量达标，下一步重点做好厂房开挖过程中，临时通风设施的运行及验算工作，并做进一步的深入研究。