水電站施工期臨時通風技術(shù)探討及展望

高云鵬 柳健 陳鵬云

摘要：為了進一步優(yōu)化水電站施工期臨時通風設計、運行管理以保障從業(yè)人員的職業(yè)健康，梳理了水電站及相關(guān)行業(yè)地下工程施工期通風方面的文獻，分析了現(xiàn)行水電站工程施工規(guī)范中缺少電焊煙塵控制指標、水泥粉塵允許濃度偏高和缺少氡氣濃度控制指標等方面的不足，提出了更全面的施工期污染物通風控制指標。除此之外，還對施工期臨時通風的設計方法和節(jié)能措施進行了綜述，針對水電工程施工期臨時通風實施存在的問題進行了探討，提出了保障施工期臨時通風的技術(shù)措施和管理措施，并對地下工程施工期臨時通風的技術(shù)發(fā)展作了展望。研究成果對水電站工程施工期通風污染物控制標準的制定、臨時通風系統(tǒng)設計和運行維護管理具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：水電工程; 施工通風; 地下洞室; 通風控制指標; 職業(yè)健康;節(jié)能

中圖法分類號：TV554.15文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.022

文章編號：1006 - 0081（2021）11 - 0097 - 06

0 引 言

水電工程廠房主要為全埋式地下洞室群廠房和半埋式地面廠房。受封閉環(huán)境影響，地下洞室群及半地下廠房施工期通風條件較差，粉塵顆粒物及有毒有害氣體對施工人員的健康造成嚴重威脅，進而直接影響從業(yè)人員的工作效率和工程的施工安全。施工期臨時通風能有效控制水電工程施工作業(yè)中產(chǎn)生的粉塵和有毒有害氣體等污染物的濃度，為作業(yè)人員提供新風，并控制工作場所的環(huán)境溫濕度處于適宜水平，是保障施工人員安全、預防職業(yè)病的有效方法。隨著社會對職業(yè)健康關(guān)注的增加，提高施工期臨時通風的設計和運行水平愈發(fā)迫切。

國內(nèi)外對地下工程的爆破通風有較多的理論和實驗研究，許多理論計算方法用于計算臨時通風風量和設備選型。關(guān)于水電站地下洞室群施工臨時通風的研究文獻也較多，但主要集中在針對具體的水電站采用的通風技術(shù)方案、設備的選型計算方法等方面。樊啟祥、孫會想等人對白鶴灘水電站的地下洞室群和尾水隧洞的施工期通風技術(shù)方案進行了闡述，并對施工通風方案的效果進行了數(shù)值模擬和實測驗證[1-2];唐政軍、洪達正等人對抽水蓄能電站地下工程的施工期通風排煙方案和設備選型進行了研究[3-4];趙艷亮、楊慶學等通過建立仿真模型，對大型地下洞室群施工期通風的動態(tài)性進行了研究[5-6]。雖然有關(guān)地下洞室施工期通風的研究文獻較多，但主要研究了洞室爆破作業(yè)產(chǎn)生的粉塵、氮氧化物和CO等污染物的控制要求，而對地下洞室施工期的氡氣控制指標、金屬結(jié)構(gòu)（以下簡稱“金結(jié)”）制造和機電安裝期間的污染物控制指標以及施工期臨時通風運行保障措施等方面的研究較少。

本文對地下洞室爆破施工期和金結(jié)制造、機電安裝施工期的涉及職業(yè)健康的粉塵顆粒物、有毒有害氣體和氡氣等污染物的來源作了綜述性說明，補充了氡氣和其他化學有害物質(zhì)的控制指標，對施工期臨時通風的設計方法和節(jié)能措施進行了綜述，還對目前地下工程和半地下工程施工期臨時通風存在的問題做出相關(guān)說明。為了切實維護施工從業(yè)者的身體健康和提高工作效率，提出了保障施工期臨時通風運行效果的技術(shù)措施和管理措施，并展望了地下工程施工期臨時通風技術(shù)未來發(fā)展方向。

1 水電站施工期污染物及控制指標

水電站施工期的污染物主要有鉆爆作業(yè)及出渣產(chǎn)生的粉塵、CO、N0x和硫化物等，金結(jié)制造和機電安裝產(chǎn)生的焊接煙塵、苯系有機化合物等有害物質(zhì)，以及地下洞室群巖壁析出的氡氣、瓦斯氣體等。

1.1 主要污染物及來源

（1）粉塵。水電工程施工過程中的爆破作業(yè)、噴漿作業(yè)、除銹防腐作業(yè)和電焊等作業(yè)會產(chǎn)生大量粉塵，主要包括矽塵、水泥塵、石棉塵、電焊塵及其他粉塵。長期暴露于高濃度粉塵環(huán)境中容易引起塵肺病，給病人和家庭造成巨大痛苦。水電站洞室群施工過程中，對粉塵濃度的控制極為重要。

（2）金屬顆粒物及有機化學物。金結(jié)制造和機電安裝期間的焊接作業(yè)對工作人員的健康造成嚴重危害，除了產(chǎn)生低頻高聲強噪音外，還釋放大量氮氧化物等有毒有害氣體，以及硫化錳和氟化物等煙塵顆粒物。維持電焊作業(yè)場所良好的通風性，可以有效降低有害氣體及顆粒物對工作人員身體的傷害，無論是地下洞室群還是地面廠房的地下區(qū)域，工作場所多為封閉空間，基本無自然通風條件，而永久機械通風設施受制于施工工序，在大多數(shù)情況下尚未成型，機電設備施工期環(huán)境惡劣。

油漆作業(yè)是水電施工必不可少的工種，油漆常用的有機溶劑有苯、甲苯和二甲苯等，苯系化合物對有機體的造血系統(tǒng)產(chǎn)生毒害作用[7]。

（3）氡。氡是一種自然界存在的放射性氣體，廣泛存在于地下巖體，水電站地下洞室群中的氡氣主要來源于巖壁析出，對施工期和運營期作業(yè)人員的健康產(chǎn)生較大危害。在水電站施工期氡氣防護方面，盡管朱永顥、陳漢寧等人對水電工程施工期氡氣的析出量和防護通風量計算方法做了研究[8-9]，但對地下水電站實際施工及運營期間的氡氣監(jiān)測和防護方面缺少關(guān)注。

1.2 控制指標

現(xiàn)行的DL-T5099--2011《水工建筑物地下工程開挖施工技術(shù)規(guī)范》對CO、N0x和粉塵等水電工程施工期的主要污染物濃度控制指標做了要求[10]，但缺少對氡氣和金屬毒物濃度控制標準的說明，空氣中水泥粉塵含量的控制指標和現(xiàn)行的《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》——第1部分：化學因素（GBZ 2.1-2019）相比偏高[11]，缺少電焊煙塵的控制指標，粉塵和金屬毒物的最高允許濃度在《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》中有明確的控制標準，水電工程施工期污染物的通風控制標準宜按此執(zhí)行。目前水電工程行業(yè)中沒有關(guān)于氡氣控制的相關(guān)規(guī)范，在氡氣防治方面，國內(nèi)現(xiàn)行的《地下建筑氡及其子體控制標準》提出氡氣控制標準為200～400 Bq/m3（平衡當量氡濃度），水電站地下洞室群的氡濃度控制標準可參照執(zhí)行。SO2和瓦斯氣體的濃度在DL -T5099--2011《水工建筑物地下工程開挖施工技術(shù)規(guī)范》有明確的控制要求[10]。水電站地下主洞室多為大埋深構(gòu)筑物，通過交通洞、通風洞等長隧洞與外界連通，在主洞室和長隧洞末端施工過程中易形成缺氧狀態(tài)，地下空間施工過程中的氧氣含量應大于20%;水電站施工期的各項污染物控制指標見表1。

2 臨時通風設計

2.1 地下洞室臨時通風技術(shù)方案

目前，國內(nèi)地下洞室群開挖期主要采用壓入式、抽出式以及混合式等方式進行臨時通風，以控制污染物的濃度。地下洞室典型工作面的通風方式見圖1。根據(jù)洞室開挖規(guī)劃方案、洞室區(qū)域和洞室貫通情況等調(diào)整通風方式。在獨頭掘進階段，通常采用壓入式通風，將新風送入掌子面附近;中期階段，根據(jù)已挖通的洞室和豎井分布情況，確定具體的臨時通風方案;后期洞室全部開挖結(jié)束后， 充分利用自然通風兼用機械通風進行臨時通風，有工程的機械通風采用隧洞射流風機，如圖2所示。國內(nèi)大型水電站地下洞室群施工期臨時通風方案見表2。

2.2 通風量計算

地下洞室群鉆爆作業(yè)期間的通風量根據(jù)以下幾個方面需求的最大風量來確定：①稀釋瓦斯、氡氣和設備排氣釋放的有毒有害氣體至允許濃度的風量;②排走設備熱量和人員散熱以控制作業(yè)場所環(huán)境溫度的需風量;③工作面附近的風速不得小于0.15 m/s，隧洞內(nèi)防止瓦斯積聚的最小風速不得小于0.25 m/s;④根據(jù)隧洞施工與驗收相關(guān)的規(guī)范，要求人員新風量q不小于3 m3/（min·人），當海拔在1 000 m以上時，應取計算值的1.3～1.5倍;⑤爆破作業(yè)的新風需求量。

根據(jù)伏洛寧公式計算爆破作業(yè)的通風量，見式（1）：

[G1=K7.8tmA·L2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[G1]為工作面需要的新風量，m3/min; K為高程修正系數(shù);t為爆破作業(yè)后通風時間，min; m為一次爆破炸藥用量;A為隧洞截面積，m2;L為工作面至炮煙稀釋到允許濃度的距離即臨界長度。

謝智等[12]研究了稀釋圍巖散發(fā)的瓦斯氣體所需的風量計算方法;劉震[13]在文獻中論述了稀釋和排除來源于爆破及內(nèi)燃機廢氣的CO的風量計算方法。

稀釋內(nèi)燃機有害氣體的通風量計算如下

[G=ν0N]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：ν0為內(nèi)燃機的單位功率所需的風量指標，m3/（kW ·min）; N為同時工作的內(nèi)燃機的總功率。

排走設備和人員散熱所需的通風量計算公式見式（3）：

[G=Q0.337tp-ts]? ? ? ?（3）

式中：Q為設備及人員的發(fā)熱量，kW; tp為工作區(qū)的溫度，℃;ts為送風溫度，℃。

金結(jié)制造和機電安裝期的臨時通風量計算方法尚無相關(guān)文獻記載?？刂朴推嶙鳂I(yè)產(chǎn)生的苯系化合物及焊接作業(yè)產(chǎn)生的煙塵顆粒物等污染的通風量可根據(jù)稀釋濃度法計算出較為準確的數(shù)值，但受限于不穩(wěn)定的污染物釋放速率，實用性較差，可簡單通過換氣次數(shù)法確定通風量。

按稀釋濃度法計算：

[L=my1-y0]? ? ? ? ? ? ?（4）

式中：L為金結(jié)及機電安裝期臨時通風所需的風量，m3/h; [m]為苯系化合物或電焊煙塵等污染物的產(chǎn)生速率，mg/h; y1為苯系化合物或電焊煙塵等污染的允許濃度，mg/m3;y0為新風中污染濃度，mg/m3。

按換氣次數(shù)法計算：

[L=nV]? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中：n為換氣次數(shù)，宜取1～2次;V為作業(yè)封閉空間的體積，m3。

2.3 通風節(jié)能

目前，水電站地下主洞室及隧洞施工期通風主流模式為縱向通風，地下洞室壓入式臨時通風系統(tǒng)管道布置如圖3所示，通風阻力隨著隧洞掘進距離的增加而增加;臨時通風的通風量則具有動態(tài)性，隨作業(yè)工序、施工時間、掘進深度以及有毒有害氣體的濃度而不同。通常，施工期臨時通風風機是根據(jù)施工某一個階段最不利工況的通風量和阻力損失選型的，風機一般在較大功率下運行，這就造成了能源浪費。針對這一問題，劉鋼立等[14]研究了變頻技術(shù)在施工期臨時通風中的運用，提出了變頻設備的選型、軟件的控制模式和設計方法。孫會想等[15]對白鶴灘水電站地下洞室群施工期變頻通風系統(tǒng)的選型、安裝驗收和運行維護管理等方面進行了研究，對變頻式對旋風機與普通風機在施工期通風中的應用差異做了對比說明。

3 臨時通風實施問題及完善措施

3.1 存在的問題

目前，有關(guān)地下隧洞施工期臨時通風的研究多集中于洞室開挖施工中的通風原理及技術(shù)方案，但在水電工程施工中，搶工期、搶發(fā)電，對施工過程中的作業(yè)人員職業(yè)健康重視程度較低的現(xiàn)象屢見不鮮，而有關(guān)保障臨時通風設施運行的措施研究較少。受制于工期要求，金結(jié)和機電施工期永久通風尚未成型，臨時通風缺失或設置不當，不僅地下廠房洞室群的作業(yè)場所環(huán)境惡劣，地面廠房的地下區(qū)域施工環(huán)境也較差。

有的企業(yè)在施工過程中將工期作為管理的核心關(guān)注點，對施工期的職業(yè)健康管理重視不足，尤其是跟施工人員健康密切相關(guān)的臨時通風設施的設計與運行也流于形式，特別是涉及分包的一些小施工單位，管理制度不健全，設置的臨時通風不符合相關(guān)要求，甚至為了節(jié)約成本不設置臨時通風。而且，水電施工從業(yè)人員大部分是農(nóng)民工，對職業(yè)危害和職業(yè)健康的理論認知不足，在施工期間不重視安全防護，一旦后期出現(xiàn)健康問題，也無法采取有效的措施維護自身的合法權(quán)益。

3.2 技術(shù)措施

通風系統(tǒng)的施工多采用成品件進行組合式安裝，施工過程產(chǎn)生的物理危害因素和化學危害因素較少。在金結(jié)和機電安裝期，水電站內(nèi)的運行期永久通風系統(tǒng)易優(yōu)先施工，為后續(xù)的焊接、保溫防腐等工序提供有利的通風條件。

建立測點，對施工環(huán)境中的粉塵濃度進行檢測。監(jiān)測裝置的位置應確保隧洞和受限空間的任何區(qū)域受至少一個監(jiān)測裝置的連續(xù)監(jiān)測。在隧洞和地下洞室施工期布置一個能夠檢測可燃氣體、氧氣濃度水平和有害有毒氣體的氣體監(jiān)測裝置，裝置應具有聲光報警器。

金結(jié)制造和機電安裝施工期，在電焊安裝場所安裝煙塵收集器，對工作場所的有毒有害氣體和顆粒物進行收集凈化。采取特殊措施，盡量減少特定煙氣源的影響，這些措施包括為隧洞內(nèi)的所有內(nèi)燃機使用高效且適當維護的排煙洗滌器（洗滌器）。處理爆破煙霧的方法應包括在爆破后（如果使用鉆爆法）向爆渣堆噴水。如果工作活動計劃限制或集中了設備或勞動力的密度，使得工作地點的溫度顯著升高，則需相應地部署局部強制通風，以增加一般隧洞氣流，降低工作場所的溫濕度。

在氡氣防治方面，應每周在一般地下工作區(qū)以及可能積聚氡氣的地點（如抽水坑）進行便攜式監(jiān)測設備測試，以確定氡氣的濃度。除此之外，還應進行3個月的長期測試，以確定累積水平。

3.3管理措施

全面提高地下洞室施工管理及作業(yè)人員對施工期臨時通風的重視程度，臨時通風應由通風專業(yè)人員進行設計，或由施工承包商設計后由通風領(lǐng)域的專家進行審查。施工前，施工方將其臨時通風系統(tǒng)方案提交監(jiān)理人驗收。根據(jù)工程進展的不同階段以及不同的施工方法，對臨時通風系統(tǒng)進行修改，以適應隧洞以及地下洞室群布局的變化。

在允許其員工進入隧洞和洞室主體工程等密閉空間之前，或每個輪班開始時，承包商對空氣質(zhì)量進行日常測試，記錄在日志中，并抄送監(jiān)理人。如果使用鉆爆法施工，隧洞通風重啟后進行隧洞空氣質(zhì)量測試，檢查灰塵和有害氣體濃度水平，只有在通風系統(tǒng)已完全運行且對隧洞空氣質(zhì)量重新測試，確?；覊m和有害氣體水平在允許范圍內(nèi)后，才允許再次進入隧洞或其他受限空間。針對粉塵場所、散發(fā)有毒有害物質(zhì)的場所，對臨時通風設施的運行情況和污染物的濃度水平進行定期的監(jiān)督和檢查，并建立相關(guān)的責任制度。

4 地下空間施工期通風技術(shù)展望

4.1 干式除塵器應用

目前，地下空間鉆爆作業(yè)中產(chǎn)生的粉塵主要通過濕式除塵和通風方式進行凈化處理，特別是通過壓入式通風將掌子面的粉塵含量降到控制標準以下需要較長的時間，影響工期;噴水降塵的過程中使用一定量的水，不僅掌子面附近空氣濕度增大，且施工作業(yè)場所的環(huán)境和內(nèi)部交通狀況也會惡化，嚴重影響了從業(yè)人員的熱濕感及施工作業(yè)的進程。針對濕式除塵的不足，一些學者及工程技術(shù)人員研究了干式除塵技術(shù)在開挖鉆爆作業(yè)中除塵的應用。趙玉報等[16]的研究表明，采用通風和干式除塵器聯(lián)合除塵方式可以有效降低粉塵濃度，解決目前隧洞和地下洞室群施工過程中粉塵治理不佳的狀況。鄒志剛[17]設計了一種礦井作業(yè)中的干式除塵設備，介紹了該設備的應用情況，結(jié)果表明，干式除塵器在礦井作業(yè)中除塵良好。

4.2 風倉式和壓出式空氣幕通風技術(shù)

針對傳統(tǒng)管道式施工通風在大角度折彎時阻力較大的弊端，宋駿修等[18]對隧洞風倉式施工臨時通風進行了研究。宋旭彪[19]的研究表明，在隧洞施工中采用壓出式空氣幕技術(shù)，可以提高爆破作業(yè)后的除塵效率，縮短除塵時間，相比于傳統(tǒng)隧洞通風技術(shù)具有一定的優(yōu)勢。地下水電站包含進場交通洞、引水隧洞、尾水洞及施工洞等多條隧洞，在施工上具有相似性，在設計水電站施工期臨時通風時可參考并進行相關(guān)設計研究。

4.3 高壓空氣應用

輸水工程會涉及長距離隧洞施工，隧洞越長，掘進端掌子面新風供應及污染物控制愈發(fā)困難，針對這一問題，張金良等[20]提出了利用高壓空氣的超長隧洞施工方法，保證新風供應，改善人員和設備的作業(yè)環(huán)境。香港某地下污水處理廠鉆爆施工作業(yè)中，為氣動設備服務的高壓空氣系統(tǒng)兼做新風補充系統(tǒng)。該系統(tǒng)沿隧洞全長提供直徑為150 mm的高壓供氣管，并沿隧洞每隔50 m安裝一個50 mm控制閥的短支管出口，用于控制空氣釋放，以補充清潔空氣供應。

5結(jié) 論

本文對中國水電工程施工期臨時通風的研究進行了綜述和分析，得到如下結(jié)論。

（1）現(xiàn)行水電站工程施工規(guī)范中污染物控制指標存在不足，缺少對氡氣和金屬毒物濃度控制標準的說明，粉塵含量的控制指標也不符合職業(yè)健康的要求。為了保障從業(yè)人員的健康，需要制定更全面的施工期污染物通風控制指標。此外還應加強封閉空間的新風供應，使氧氣含量符合行業(yè)標準。

（2）現(xiàn)有的地下隧洞施工期臨時通風的研究多集中于鉆爆作業(yè)期的通風原理及技術(shù)方案，對金結(jié)和機電安裝施工期的通風論述較少。通過采取優(yōu)先施工永久通風系統(tǒng)、實施施工地點污染物以及氡氣濃度監(jiān)測控制臨時通風系統(tǒng)運行和采用煙塵收集器等技術(shù)措施，可以有效控制金結(jié)和機電安裝期的污染物濃度。同時，通過加強臨時通風設計、施工和監(jiān)測環(huán)節(jié)的管理措施，可以從技術(shù)和制度上監(jiān)管施工期臨時通風設備的運行，保障從業(yè)人員的職業(yè)健康。

（3）干式除塵器、風倉式通風技術(shù)、壓出式空氣幕通風技術(shù)和高壓空氣的應用等技術(shù)措施對水電工程未來施工具有借鑒意義。

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（編輯：唐湘茜）

Discussion and prospect of temporary ventilation technology in

construction period of hydropower station

GAO Yunpeng， LIU Jian， CHEN Pengyun

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd .， Wuhan 430010，China）

Abstract： In order to further optimize the design and operation management of temporary ventilation during the construction period of hydropower station to ensure the occupational health of employees， by combing the ventilation literature of hydropower station and related industries during the construction period of underground engineering， the shortcomings in the current construction specifications of hydropower stations are discovered such as lack of welding fume control indicators， the high allowable concentration of cement dust and the lack of radon concentration control indicators， and a more comprehensive pollutant ventilation control index during the construction period is puts forward. In addition， this paper summarizes the design methods and energy-saving measures of temporary ventilation in construction period， discusses the existing problems of temporary ventilation in construction period of water conservancy and hydropower projects， and puts forward the technical measures and management measures to ensure the temporary ventilation in construction period. Finally， the paper prospects the technical development of ventilation in underground construction period. The research results have certain reference significance for the formulation of ventilation pollutant control standards， the design of temporary ventilation system and the operation and maintenance management of water conservancy and hydropower projects during construction period.

Key words： hydropower engineering; construction ventilation; underground cavern; ventilation control index; occupational health; energy-saving