地下洞室群施工排煙豎井輔助通風的設計

武 艷 紅

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

河北豐寧抽水蓄能電站建成后將成為目前世界上裝機容量最大的抽水蓄能電站。電站位于河北省承德市豐寧滿族自治縣境內，為一等大(1)型工程。電站建成后，在京津唐電網系統(tǒng)中承擔調峰、調頻、調相和事故備用任務。電站總裝機容量為3 600 MW，分兩期開發(fā)，一、二期工程的裝機容量分別為1 800 MW。

該電站一期地下廠房洞室群包括輸水系統(tǒng)、地下廠房及交通洞、通風洞、運輸洞、排水廊道、施工支洞等附屬洞室。廠房主機間、安裝場、主副廠房呈“一”字形布置，洞室總長度為239.65 m。工程Ⅰ、Ⅱ期廠房共用一套排風系統(tǒng)，排風豎井位于Ⅰ、Ⅱ期地下廠房之間，距主變洞下游邊墻凈距為28.5 m，自主變室下游邊墻經4條排風支洞→排風下平洞→排風豎井→排風上平洞→室外。施工期地下洞室的通風散煙具有以下特性：

(1)地下廠房系統(tǒng)洞室群埋深大，掘進距離長，洞室穿梭方式復雜。

(2)通風洞和下部交通洞是通往一期工程各洞室的主要施工通道及地下洞室群開挖初期的主要通風散煙通道。

(3)工程尾水系統(tǒng)、主副廠房及主變洞通風出口少，自然排風系統(tǒng)相對偏僻，整個系統(tǒng)僅布置了一條排風豎井，且其位置偏離洞室群，路徑較長且路線曲折，投用時間較晚，將導致廠房片區(qū)施工期通風散煙效果明顯變差，施工降效顯著。

2 廠房地下洞室群施工通風散煙的分期特點

通常，大型水電站地下洞室群開挖施工過程中的通風散煙布置往往遵循分期實施[1]的原則，具體可分為通風一期、通風二期、通風三期，各期特點如下：

通風一期：該時期地下洞室群處于開挖初期，多個施工工作面相對獨立，尚未形成完整的排風散煙通道。

通風二期：該時期地下洞室群專用通風洞已基本貫通，永久排風豎井等相繼完工，可充分利用永久排風系統(tǒng)結合機械通風加大通風量，大幅改善地下洞室群的施工作業(yè)環(huán)境。

通風三期：該時期整個地下洞室群的開挖工作基本完成，引水系統(tǒng)、廠房系統(tǒng)、主變系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)已聯(lián)通，與外界聯(lián)通的洞室和永久排風系統(tǒng)已完全具備通風功能，后續(xù)施工主要以自然通風為主[2]。

由上述可見，一期通風系統(tǒng)布置在整個地下洞室開挖中尤為關鍵，此時地下洞室群通風效果差，通風散煙困難，是影響職業(yè)健康安全，制約施工進度的重要階段，致使一期通風系統(tǒng)優(yōu)化設計的重要性突顯，實施過程中往往借助一些輔助通風手段達到改善施工環(huán)境的目的。

3 一期通風系統(tǒng)布置的設計思路

豐寧抽水蓄能電站地下廠房洞室群具有掘進距離長、體量龐大等特點，而在掘進爆破過程中排出炮煙需要風量大、排出的煙霧粉塵在隧洞中擴散蔓延的范圍大、時間長。隨著廠房系統(tǒng)洞室開挖施工的陸續(xù)展開，通風散煙問題已日益突出。一期通風系統(tǒng)僅利用通風洞口的壓入式風機進行通風顯然不能完全滿足職業(yè)健康需求。為了進一步改善地下廠房洞室群各施工作業(yè)面的施工環(huán)境及通風散煙效果，項目部在通風一期設計中，采用壓抽結合的混合方式排風。除了在通風洞、交通洞等主要施工通道設置壓入式軸流風機常年向洞內壓風及充分利用設計排風排煙通道外，在通風洞尾部增設了排煙豎井并安裝了軸流抽風機進行輔助通風，爆破后及時利用排煙豎井的煙囪效應及軸流抽風機及時向洞外抽風排煙。

4 排煙豎井及抽風機設計

4.1 豎井設計及施工控制要點

4.1.1 豎井設計

根據地下洞室群的布局，經實地踏勘洞室群頂部對應的山勢并綜合考慮地質情況與設計洞室之間的相互關系等因素，在通風洞尾部0+974位置布設了一條直徑為1.4 m的排煙豎井(通天井)，頂部出露高程為1 225 m以形成煙囪效應。豎井高215.4 m，排煙豎井采用LM-300型反井鉆機施工直徑為1.4 m的導井一次成型，在排煙豎井下部開挖5 m×5.5 m的排煙平洞連通通風洞，上部井口設置鋼結構防護。為提高排煙效果，經風量計算選型后在豎井井口安裝一套FD(B)-№14.2型隧道軸流抽風機(2×160 kW)。排煙豎井的設計情況見圖1，2。

圖1 新增排煙豎井位置圖

圖2 新增排煙豎井布置圖

4.1.2 豎井施工的控制要點

豎井施工的控制是能否滿足排煙效果的前提。在豎井施工過程中，主要從反井鉆機偏斜率、導孔施工、導井反擴三個方面進行重點控制。

(1)反井鉆機偏斜率控制。為了使排煙豎井具備良好的煙囪效應，對反井鉆機施工的偏斜率進行控制是關鍵。為此，采取了以下措施：①進行精確的測量控制，發(fā)現(xiàn)偏斜較大時反復掃孔以糾正偏斜度。②施工設備：選用經檢修完好的反井鉆機和泥漿泵并保證其性能良好。③鉆機安裝定位：鉆機安裝牢固，定位準確，混凝土澆筑密實。④合理布置鉆具：選用螺旋、直條等多種鑲齒穩(wěn)定鉆桿和硬巖導孔鉆頭并根據地質條件合理布置。⑤正確選擇鉆進參數:鉆進參數主要是根據地質條件和不同的鉆進位置選擇不同的鉆壓、轉數并確定相應的鉆進速度，根據實際鉆進過程進行相應的調整。⑥精心操作：挑選有多年實踐經驗的操作人員按照施工組織設計和反井鉆機操作規(guī)程進行操作，及時發(fā)現(xiàn)和處理鉆進中出現(xiàn)的問題和事故。

(2)導孔施工。導孔的開孔位置要正對豎井中心，可采用開孔扶正器和開孔鉆桿配合定位。在直徑為250 mm的導孔施工過程中，若遇地質缺陷如空洞、裂縫等漏水現(xiàn)象而不翻水時，應及時起鉆采用泥漿護壁或灌注砂漿、混凝土，待其具有一定強度后再行鉆孔，以避免卡鉆。

反井鉆機的鉆桿分為開孔鉆桿、普通鉆桿和穩(wěn)定鉆桿。開孔鉆桿與導孔鉆頭相接，使用扶正器約束，穩(wěn)定鉆桿比普通鉆桿外周多了均勻分布的鋼肋板，其作用為承受徑向負荷，防止鉆桿隨深度增加旋轉產生過大的彎曲和過大的擺幅以保證鉆孔的垂直度，同時保護鉆桿與孔壁的接觸磨損。因此，穩(wěn)定鉆桿的布置合理與否將影響到鉆孔的偏斜率。

穩(wěn)定鉆桿的加設方法為：鉆進2 m時必須加設1根，鉆進8～10 m時再加設1根，然后每鉆進20 m加設1根。鉆桿加設時一般采用副泵提供較小的動力運行，鉆桿絲扣之間的力度須適中(過緊容易損傷絲扣，過松鉆桿容易脫落)。為便于拆卸鉆桿，可在鉆桿套接前于絲扣處加設少量10號鉛絲。先導孔開始施工時，一般采用副泵提供較小、均勻的動力，以免孔口周壁因振動過大開裂而難以成型。

(3)導井反擴。①擴孔開孔：擴孔開始施工時，一般圍巖破壞嚴重，鉆頭周圈難以均勻受力，因此，一般采用副泵提供較小、均勻的動力。當直徑為1.4 m的擴孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，用最低轉速(5～9 rpm)旋轉并慢慢給進，將進尺控制在10 cm/h，以保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞，防止鉆頭偏心受力過大而扭斷鉆桿。給進到一定程度后停下，待刀齒把凸出的巖石破碎掉再繼續(xù)給進。②開始擴孔時：施工人員通過排煙平洞對導井底部進行觀察，將了解到的情況及時通知操作人員，待鉆頭全部均勻接觸巖石后才能正常擴孔鉆進。擴孔過程中，當巖石硬度較大時可適當增加鉆壓，反之，可以減少鉆壓。擴孔時要及時出渣，防止堵孔。擴孔過程也是拆鉆桿的過程，拆下的鉆桿須進行必要的清理，上油帶好保護帽。鉆進施工中供水量一定要穩(wěn)定，以使刀具能夠得到水冷卻，供水量要求不小于7.8 m3/h。擴孔施工時，鉆桿的拆卸要特別注意鉆桿卡瓦的正確擺放及自身的完好程度，以免出現(xiàn)卡瓦突然斷裂造成擴孔鉆頭、鉆桿的脫落。③完孔：當鉆頭距基礎2.5 m時，一定要降低鉆壓慢速鉆進，并認真觀察基礎周圍是否有異?，F(xiàn)象，如果有異常一定要及時采取措施進行處理。慢慢地擴孔，直至鉆頭露出地面。

4.2 風機選型

為使安裝在排煙豎井的抽風機最大限度地發(fā)揮作用，需從總需風量、通風阻力、等積孔、風機風量、風機靜壓五方面進行風機選型[3]計算。

(1)總需風量計算。利用通風洞口通過軸流風機向各個掘進巷道進行供風的總壓風量為2 385 m3/min，即采掘工程需風量Q，考慮到漏風、調風不均勻等因素，其總需風量Qm為：

Qm=Q×k

式中Qm為總需風量，m3/min；Q為需風量，m3/min；k為漏風和調風不均勻系數，取1.15。

則Qm為2 742.75 m3/min或45.72 m3/s。

(2)通風阻力計算。

式中hf為隧道摩擦阻力，Pa；L為隧道長度，m；U為隧道凈斷面周長，m；S為隧道凈斷面積，m2；α為摩擦阻力系數，Ns2/m4。

根據資料并結合上式可知：通風洞通風摩擦阻力hf1為2.06 Pa，排風豎井通風摩擦阻力hf2為3 934.37 Pa，則通風摩擦總阻力hf為3 936.43 Pa，乘以局部阻力系數后可得通風總阻力hR：

hR= 1.05hf總

式中hR為通風總阻力，Pa；hf總為通風摩擦總阻力，Pa。

按《煤炭工業(yè)礦井設計規(guī)范》GB50215-2015規(guī)定并結合現(xiàn)場實際圍巖和施工條件，考慮局部阻力系數取1.05后可得hR為4 133.25 Pa。

(3)等積孔。由以上數據可得等積孔為0.8 m2<1 m2，屬于通風困難型。

表1 通風難易程度分級表

(4)風機風量計算。由于外部漏風，故風機風量Qf大于隧道內的需風量Qm。

Qf=k漏×Qm

式中Qf為風機風量，m3/s；Qm為需風量，m3/s；k漏為外部漏風系數，取1.05。

則風機風量計算為48 m3/s，即2 879.89 m3/min或172 793.25 m3/h。

(5)風機靜壓計算。鑒于軸流式通風機具有的獨特優(yōu)點，本設計采用軸流風機。

hsd=hR±hn

式中hsd為風機靜壓，Pa；hR為通風總阻力，Pa；hn為自然風壓，Pa。

由于自身通風阻力較大且深度較淺，自然風壓相對而言較小，對風機整體性能影響較小，故可忽略不計，即風機靜壓hsd為4 133.25 Pa。

風機工況點數據為：風量為172 793.25 m3/h；風機靜壓為4 133.25 Pa。

依據計算結果選用FD(B)-4-N14.2/2×160 kW型軸流風機，相關參數見表2。

表2 FD(B)-№14.2風機參數表

4.3 風機安裝

排煙豎井井口區(qū)域為覆蓋層，風機重量約為7 t，為保證風機安裝及運行期不因地面沉降而導致出現(xiàn)安全問題，對風機安裝區(qū)域澆筑20 cm 厚、C20混凝土進行地面找平。同時，根據風機安裝要求澆筑14.4 m×3 m×0.5 m(長×寬×高)、標號為C25F250混凝土基礎?；A澆筑前，根據風機軌道尺寸預埋軌道地腳螺栓并采用C25鋼筋加固。最后根據安裝技術要求進行風機安裝，通風機布置情況見圖3、4。

圖3 通風機布置橫剖圖

圖4 通風機布置縱剖圖

4.4 防護設計

(1)邊坡防護。排煙豎井出露部位后側邊坡為土質邊坡且距離豎井較近。為保證后期井口風機運行安全[4]，對風機運行區(qū)域采用混凝土擋墻+鋼結構的方式進行邊坡防護?；炷翐鯄攲?.5 m，底寬1.5 m，高2 m，采用C25F250混凝土澆筑，混凝土內部預埋I20a@1.5 m，L=4.5 m工字鋼，擋墻澆筑完成后，靠邊坡側采用20 mm厚鋼板與工字鋼焊接全封閉防護。

(2)下井口防護。排煙豎井下井口通過排煙平洞與通風洞邊墻連通。為避免井內掉塊傷及通風洞過往車輛及行人，對排煙平洞洞口進行了防護。為保證通風效果，根據現(xiàn)場實際情況，采用鋼筋防護網進行下部排煙平洞洞口防護，鋼筋網采用Φ32與Φ22鋼筋、間排距為15 cm焊接而成。

(3)風機防護。風機安裝后出風口朝上。因冬季井內排出的熱空氣遇外界強冷空氣易在井內出風口部位冷凝結冰堵塞出風口、繼而導致設備出現(xiàn)故障，在風機出風口部位布設保溫棚。保溫棚采用DN100鋼管立柱，4 cm×8 cm方鋼骨架，5 cm厚彩鋼板屋頂及墻壁，并需滿足文明施工要求。

5 效果分析

目前，豐寧抽水蓄能電站一期地下洞室群已開挖完成。實踐證明：開挖施工前期，特別是廠房永久排風系統(tǒng)形成之前，新增排煙豎井及軸流抽風機與通風洞口配置的壓入式軸流風機配合運行形成了有效的通風、排煙、抽風循環(huán)通道，加速了洞內空氣循環(huán)，使洞室內污染的空氣按預定的通道排出洞外，新鮮空氣不斷補充進入，有效消除了污濁空氣在洞室群內滯留和相互串通的現(xiàn)象，極大地改善了地下洞室群的施工環(huán)境，在一定程度上保障了作業(yè)人員的職業(yè)健康安全。

6 結 語

鑒于該電站地下廠房洞室群呈平面、立體交錯布置，點多面廣，受其結構布局及施工進度編排限制，無法進行洞室內通訊系統(tǒng)全覆蓋，導致信息溝通渠道受限，難以及時有效的合理配置現(xiàn)場資源。后續(xù)施工中，還可根據軸流風機、抽風機運行情況對比分析其與洞內空氣質量之間的相互關系，建立數字模型，以主變洞、尾水隧洞工作面通風系統(tǒng)自動開閉、中控室三維動態(tài)演示集成為研究方向，實現(xiàn)地下洞室空氣質量檢測與通風系統(tǒng)智能化[5]。

抽水蓄能電站地下廠房洞室群的結構特點及施工過程的復雜性決定了地下廠房洞室群通風問題的特殊性。對設置排煙豎井、配以軸流抽風機等創(chuàng)造輔助通風排煙條件的方法進行深入研究，有利于促進地下洞室群施工通風關鍵技術的發(fā)展。