武 艷 紅

(中國(guó)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(jī)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(nèi)，為一等大(1)型工程。電站建成后，在京津唐電網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用任務(wù)。電站總裝機(jī)容量為3 600 MW，分兩期開(kāi)發(fā)，一、二期工程的裝機(jī)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(fēng)洞、運(yùn)輸洞、排水廊道、施工支洞等附屬洞室。廠房主機(jī)間、安裝場(chǎng)、主副廠房呈“一”字形布置，洞室總長(zhǎng)度為239.65 m。工程Ⅰ、Ⅱ期廠房共用一套排風(fēng)系統(tǒng)，排風(fēng)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(jīng)4條排風(fēng)支洞→排風(fēng)下平洞→排風(fēng)豎井→排風(fēng)上平洞→室外。施工期地下洞室的通風(fēng)散煙具有以下特性：

(1)地下廠房系統(tǒng)洞室群埋深大，掘進(jìn)距離長(zhǎng)，洞室穿梭方式復(fù)雜。

(2)通風(fēng)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(kāi)挖初期的主要通風(fēng)散煙通道。

(3)工程尾水系統(tǒng)、主副廠房及主變洞通風(fēng)出口少，自然排風(fēng)系統(tǒng)相對(duì)偏僻，整個(gè)系統(tǒng)僅布置了一條排風(fēng)豎井，且其位置偏離洞室群，路徑較長(zhǎng)且路線曲折，投用時(shí)間較晚，將導(dǎo)致廠房片區(qū)施工期通風(fēng)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(fēng)散煙的分期特點(diǎn)

通常，大型水電站地下洞室群開(kāi)挖施工過(guò)程中的通風(fēng)散煙布置往往遵循分期實(shí)施[1]的原則，具體可分為通風(fēng)一期、通風(fēng)二期、通風(fēng)三期，各期特點(diǎn)如下：

通風(fēng)一期：該時(shí)期地下洞室群處于開(kāi)挖初期，多個(gè)施工工作面相對(duì)獨(dú)立，尚未形成完整的排風(fēng)散煙通道。

通風(fēng)二期：該時(shí)期地下洞室群專用通風(fēng)洞已基本貫通，永久排風(fēng)豎井等相繼完工，可充分利用永久排風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合機(jī)械通風(fēng)加大通風(fēng)量，大幅改善地下洞室群的施工作業(yè)環(huán)境。

通風(fēng)三期：該時(shí)期整個(gè)地下洞室群的開(kāi)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(fēng)系統(tǒng)已完全具備通風(fēng)功能，后續(xù)施工主要以自然通風(fēng)為主[2]。

由上述可見(jiàn)，一期通風(fēng)系統(tǒng)布置在整個(gè)地下洞室開(kāi)挖中尤為關(guān)鍵，此時(shí)地下洞室群通風(fēng)效果差，通風(fēng)散煙困難，是影響職業(yè)健康安全，制約施工進(jìn)度的重要階段，致使一期通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性突顯，實(shí)施過(guò)程中往往借助一些輔助通風(fēng)手段達(dá)到改善施工環(huán)境的目的。

3 一期通風(fēng)系統(tǒng)布置的設(shè)計(jì)思路

豐寧抽水蓄能電站地下廠房洞室群具有掘進(jìn)距離長(zhǎng)、體量龐大等特點(diǎn)，而在掘進(jìn)爆破過(guò)程中排出炮煙需要風(fēng)量大、排出的煙霧粉塵在隧洞中擴(kuò)散蔓延的范圍大、時(shí)間長(zhǎng)。隨著廠房系統(tǒng)洞室開(kāi)挖施工的陸續(xù)展開(kāi)，通風(fēng)散煙問(wèn)題已日益突出。一期通風(fēng)系統(tǒng)僅利用通風(fēng)洞口的壓入式風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)顯然不能完全滿足職業(yè)健康需求。為了進(jìn)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(fēng)散煙效果，項(xiàng)目部在通風(fēng)一期設(shè)計(jì)中，采用壓抽結(jié)合的混合方式排風(fēng)。除了在通風(fēng)洞、交通洞等主要施工通道設(shè)置壓入式軸流風(fēng)機(jī)常年向洞內(nèi)壓風(fēng)及充分利用設(shè)計(jì)排風(fēng)排煙通道外，在通風(fēng)洞尾部增設(shè)了排煙豎井并安裝了軸流抽風(fēng)機(jī)進(jìn)行輔助通風(fēng)，爆破后及時(shí)利用排煙豎井的煙囪效應(yīng)及軸流抽風(fēng)機(jī)及時(shí)向洞外抽風(fēng)排煙。

4 排煙豎井及抽風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

4.1 豎井設(shè)計(jì)及施工控制要點(diǎn)

4.1.1 豎井設(shè)計(jì)

根據(jù)地下洞室群的布局，經(jīng)實(shí)地踏勘洞室群頂部對(duì)應(yīng)的山勢(shì)并綜合考慮地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)洞室之間的相互關(guān)系等因素，在通風(fēng)洞尾部0+974位置布設(shè)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(yīng)。豎井高215.4 m，排煙豎井采用LM-300型反井鉆機(jī)施工直徑為1.4 m的導(dǎo)井一次成型，在排煙豎井下部開(kāi)挖5 m×5.5 m的排煙平洞連通通風(fēng)洞，上部井口設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)。為提高排煙效果，經(jīng)風(fēng)量計(jì)算選型后在豎井井口安裝一套FD(B)-№14.2型隧道軸流抽風(fēng)機(jī)(2×160 kW)。排煙豎井的設(shè)計(jì)情況見(jiàn)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(diǎn)

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(guò)程中，主要從反井鉆機(jī)偏斜率、導(dǎo)孔施工、導(dǎo)井反擴(kuò)三個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)控制。

(1)反井鉆機(jī)偏斜率控制。為了使排煙豎井具備良好的煙囪效應(yīng)，對(duì)反井鉆機(jī)施工的偏斜率進(jìn)行控制是關(guān)鍵。為此，采取了以下措施：①進(jìn)行精確的測(cè)量控制，發(fā)現(xiàn)偏斜較大時(shí)反復(fù)掃孔以糾正偏斜度。②施工設(shè)備：選用經(jīng)檢修完好的反井鉆機(jī)和泥漿泵并保證其性能良好。③鉆機(jī)安裝定位：鉆機(jī)安裝牢固，定位準(zhǔn)確，混凝土澆筑密實(shí)。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(dǎo)孔鉆頭并根據(jù)地質(zhì)條件合理布置。⑤正確選擇鉆進(jìn)參數(shù):鉆進(jìn)參數(shù)主要是根據(jù)地質(zhì)條件和不同的鉆進(jìn)位置選擇不同的鉆壓、轉(zhuǎn)數(shù)并確定相應(yīng)的鉆進(jìn)速度，根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。⑥精心操作：挑選有多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員按照施工組織設(shè)計(jì)和反井鉆機(jī)操作規(guī)程進(jìn)行操作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理鉆進(jìn)中出現(xiàn)的問(wèn)題和事故。

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

反井鉆機(jī)的鉆桿分為開(kāi)孔鉆桿、普通鉆桿和穩(wěn)定鉆桿。開(kāi)孔鉆桿與導(dǎo)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(fù)荷，防止鉆桿隨深度增加旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生過(guò)大的彎曲和過(guò)大的擺幅以保證鉆孔的垂直度，同時(shí)保護(hù)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(shè)方法為：鉆進(jìn)2 m時(shí)必須加設(shè)1根，鉆進(jìn)8～10 m時(shí)再加設(shè)1根，然后每鉆進(jìn)20 m加設(shè)1根。鉆桿加設(shè)時(shí)一般采用副泵提供較小的動(dòng)力運(yùn)行，鉆桿絲扣之間的力度須適中(過(guò)緊容易損傷絲扣，過(guò)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(shè)少量10號(hào)鉛絲。先導(dǎo)孔開(kāi)始施工時(shí)，一般采用副泵提供較小、均勻的動(dòng)力，以免孔口周壁因振動(dòng)過(guò)大開(kāi)裂而難以成型。

(3)導(dǎo)井反擴(kuò)。①擴(kuò)孔開(kāi)孔：擴(kuò)孔開(kāi)始施工時(shí)，一般圍巖破壞嚴(yán)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(dòng)力。當(dāng)直徑為1.4 m的擴(kuò)孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具，直到滾刀開(kāi)始接觸巖石，然后停止上提，用最低轉(zhuǎn)速(5～9 rpm)旋轉(zhuǎn)并慢慢給進(jìn)，將進(jìn)尺控制在10 cm/h，以保證鉆頭滾刀不受過(guò)大的沖擊而破壞，防止鉆頭偏心受力過(guò)大而扭斷鉆桿。給進(jìn)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(jìn)。②開(kāi)始擴(kuò)孔時(shí)：施工人員通過(guò)排煙平洞對(duì)導(dǎo)井底部進(jìn)行觀察，將了解到的情況及時(shí)通知操作人員，待鉆頭全部均勻接觸巖石后才能正常擴(kuò)孔鉆進(jìn)。擴(kuò)孔過(guò)程中，當(dāng)巖石硬度較大時(shí)可適當(dāng)增加鉆壓，反之，可以減少鉆壓。擴(kuò)孔時(shí)要及時(shí)出渣，防止堵孔。擴(kuò)孔過(guò)程也是拆鉆桿的過(guò)程，拆下的鉆桿須進(jìn)行必要的清理，上油帶好保護(hù)帽。鉆進(jìn)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(kuò)孔施工時(shí)，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(kuò)孔鉆頭、鉆桿的脫落。③完孔：當(dāng)鉆頭距基礎(chǔ)2.5 m時(shí)，一定要降低鉆壓慢速鉆進(jìn)，并認(rèn)真觀察基礎(chǔ)周圍是否有異常現(xiàn)象，如果有異常一定要及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。慢慢地?cái)U(kuò)孔，直至鉆頭露出地面。

4.2 風(fēng)機(jī)選型

為使安裝在排煙豎井的抽風(fēng)機(jī)最大限度地發(fā)揮作用，需從總需風(fēng)量、通風(fēng)阻力、等積孔、風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)機(jī)靜壓五方面進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型[3]計(jì)算。

(1)總需風(fēng)量計(jì)算。利用通風(fēng)洞口通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)向各個(gè)掘進(jìn)巷道進(jìn)行供風(fēng)的總壓風(fēng)量為2 385 m3/min，即采掘工程需風(fēng)量Q，考慮到漏風(fēng)、調(diào)風(fēng)不均勻等因素，其總需風(fēng)量Qm為：

Qm=Q×k

式中Qm為總需風(fēng)量，m3/min；Q為需風(fēng)量，m3/min；k為漏風(fēng)和調(diào)風(fēng)不均勻系數(shù)，取1.15。

則Qm為2 742.75 m3/min或45.72 m3/s。

(2)通風(fēng)阻力計(jì)算。

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

根據(jù)資料并結(jié)合上式可知：通風(fēng)洞通風(fēng)摩擦阻力hf1為2.06 Pa，排風(fēng)豎井通風(fēng)摩擦阻力hf2為3 934.37 Pa，則通風(fēng)摩擦總阻力hf為3 936.43 Pa，乘以局部阻力系數(shù)后可得通風(fēng)總阻力hR：

hR= 1.05hf總

式中hR為通風(fēng)總阻力，Pa；hf總為通風(fēng)摩擦總阻力，Pa。

按《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50215-2015規(guī)定并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圍巖和施工條件，考慮局部阻力系數(shù)取1.05后可得hR為4 133.25 Pa。

(3)等積孔。由以上數(shù)據(jù)可得等積孔為0.8 m2<1 m2，屬于通風(fēng)困難型。

表1 通風(fēng)難易程度分級(jí)表

(4)風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算。由于外部漏風(fēng)，故風(fēng)機(jī)風(fēng)量Qf大于隧道內(nèi)的需風(fēng)量Qm。

Qf=k漏×Qm

式中Qf為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；Qm為需風(fēng)量，m3/s；k漏為外部漏風(fēng)系數(shù)，取1.05。

則風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算為48 m3/s，即2 879.89 m3/min或172 793.25 m3/h。

(5)風(fēng)機(jī)靜壓計(jì)算。鑒于軸流式通風(fēng)機(jī)具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用軸流風(fēng)機(jī)。

hsd=hR±hn

式中hsd為風(fēng)機(jī)靜壓，Pa；hR為通風(fēng)總阻力，Pa；hn為自然風(fēng)壓，Pa。

由于自身通風(fēng)阻力較大且深度較淺，自然風(fēng)壓相對(duì)而言較小，對(duì)風(fēng)機(jī)整體性能影響較小，故可忽略不計(jì)，即風(fēng)機(jī)靜壓hsd為4 133.25 Pa。

風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)數(shù)據(jù)為：風(fēng)量為172 793.25 m3/h；風(fēng)機(jī)靜壓為4 133.25 Pa。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果選用FD(B)-4-N14.2/2×160 kW型軸流風(fēng)機(jī)，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 FD(B)-№14.2風(fēng)機(jī)參數(shù)表

4.3 風(fēng)機(jī)安裝

排煙豎井井口區(qū)域?yàn)楦采w層，風(fēng)機(jī)重量約為7 t，為保證風(fēng)機(jī)安裝及運(yùn)行期不因地面沉降而導(dǎo)致出現(xiàn)安全問(wèn)題，對(duì)風(fēng)機(jī)安裝區(qū)域澆筑20 cm 厚、C20混凝土進(jìn)行地面找平。同時(shí)，根據(jù)風(fēng)機(jī)安裝要求澆筑14.4 m×3 m×0.5 m(長(zhǎng)×寬×高)、標(biāo)號(hào)為C25F250混凝土基礎(chǔ)。基礎(chǔ)澆筑前，根據(jù)風(fēng)機(jī)軌道尺寸預(yù)埋軌道地腳螺栓并采用C25鋼筋加固。最后根據(jù)安裝技術(shù)要求進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝，通風(fēng)機(jī)布置情況見(jiàn)圖3、4。

圖3 通風(fēng)機(jī)布置橫剖圖

圖4 通風(fēng)機(jī)布置縱剖圖

4.4 防護(hù)設(shè)計(jì)

(1)邊坡防護(hù)。排煙豎井出露部位后側(cè)邊坡為土質(zhì)邊坡且距離豎井較近。為保證后期井口風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全[4]，對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域采用混凝土擋墻+鋼結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行邊坡防護(hù)。混凝土擋墻頂寬0.5 m，底寬1.5 m，高2 m，采用C25F250混凝土澆筑，混凝土內(nèi)部預(yù)埋I20a@1.5 m，L=4.5 m工字鋼，擋墻澆筑完成后，靠邊坡側(cè)采用20 mm厚鋼板與工字鋼焊接全封閉防護(hù)。

(2)下井口防護(hù)。排煙豎井下井口通過(guò)排煙平洞與通風(fēng)洞邊墻連通。為避免井內(nèi)掉塊傷及通風(fēng)洞過(guò)往車輛及行人，對(duì)排煙平洞洞口進(jìn)行了防護(hù)。為保證通風(fēng)效果，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用鋼筋防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行下部排煙平洞洞口防護(hù)，鋼筋網(wǎng)采用Φ32與Φ22鋼筋、間排距為15 cm焊接而成。

(3)風(fēng)機(jī)防護(hù)。風(fēng)機(jī)安裝后出風(fēng)口朝上。因冬季井內(nèi)排出的熱空氣遇外界強(qiáng)冷空氣易在井內(nèi)出風(fēng)口部位冷凝結(jié)冰堵塞出風(fēng)口、繼而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障，在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口部位布設(shè)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(kāi)挖完成。實(shí)踐證明：開(kāi)挖施工前期，特別是廠房永久排風(fēng)系統(tǒng)形成之前，新增排煙豎井及軸流抽風(fēng)機(jī)與通風(fēng)洞口配置的壓入式軸流風(fēng)機(jī)配合運(yùn)行形成了有效的通風(fēng)、排煙、抽風(fēng)循環(huán)通道，加速了洞內(nèi)空氣循環(huán)，使洞室內(nèi)污染的空氣按預(yù)定的通道排出洞外，新鮮空氣不斷補(bǔ)充進(jìn)入，有效消除了污濁空氣在洞室群內(nèi)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(jié) 語(yǔ)

鑒于該電站地下廠房洞室群呈平面、立體交錯(cuò)布置，點(diǎn)多面廣，受其結(jié)構(gòu)布局及施工進(jìn)度編排限制，無(wú)法進(jìn)行洞室內(nèi)通訊系統(tǒng)全覆蓋，導(dǎo)致信息溝通渠道受限，難以及時(shí)有效的合理配置現(xiàn)場(chǎng)資源。后續(xù)施工中，還可根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)、抽風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況對(duì)比分析其與洞內(nèi)空氣質(zhì)量之間的相互關(guān)系，建立數(shù)字模型，以主變洞、尾水隧洞工作面通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)閉、中控室三維動(dòng)態(tài)演示集成為研究方向，實(shí)現(xiàn)地下洞室空氣質(zhì)量檢測(cè)與通風(fēng)系統(tǒng)智能化[5]。

抽水蓄能電站地下廠房洞室群的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工過(guò)程的復(fù)雜性決定了地下廠房洞室群通風(fēng)問(wèn)題的特殊性。對(duì)設(shè)置排煙豎井、配以軸流抽風(fēng)機(jī)等創(chuàng)造輔助通風(fēng)排煙條件的方法進(jìn)行深入研究，有利于促進(jìn)地下洞室群施工通風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。