水电站施工期临时通风技术探讨及展望

高云鹏 柳健 陈鹏云

摘要：为了进一步优化水电站施工期临时通风设计、运行管理以保障从业人员的职业健康，梳理了水电站及相关行业地下工程施工期通风方面的文献，分析了现行水电站工程施工规范中缺少电焊烟尘控制指标、水泥粉尘允许浓度偏高和缺少氡气浓度控制指标等方面的不足，提出了更全面的施工期污染物通风控制指标。除此之外，还对施工期临时通风的设计方法和节能措施进行了综述，针对水电工程施工期临时通风实施存在的问题进行了探讨，提出了保障施工期临时通风的技术措施和管理措施，并对地下工程施工期临时通风的技术发展作了展望。研究成果对水电站工程施工期通风污染物控制标准的制定、临时通风系统设计和运行维护管理具有一定的参考意义。

关键词：水电工程; 施工通风; 地下洞室; 通风控制指标; 职业健康;节能

中图法分类号：TV554.15文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.022

文章编号：1006 - 0081（2021）11 - 0097 - 06

0 引 言

水电工程厂房主要为全埋式地下洞室群厂房和半埋式地面厂房。受封闭环境影响，地下洞室群及半地下厂房施工期通风条件较差，粉尘颗粒物及有毒有害气体对施工人员的健康造成严重威胁，进而直接影响从业人员的工作效率和工程的施工安全。施工期临时通风能有效控制水电工程施工作业中产生的粉尘和有毒有害气体等污染物的浓度，为作业人员提供新风，并控制工作场所的环境温湿度处于适宜水平，是保障施工人员安全、预防职业病的有效方法。随着社会对职业健康关注的增加，提高施工期临时通风的设计和运行水平愈发迫切。

国内外对地下工程的爆破通风有较多的理论和实验研究，许多理论计算方法用于计算临时通风风量和设备选型。关于水电站地下洞室群施工临时通风的研究文献也较多，但主要集中在针对具体的水电站采用的通风技术方案、设备的选型计算方法等方面。樊启祥、孙会想等人对白鹤滩水电站的地下洞室群和尾水隧洞的施工期通风技术方案进行了阐述，并对施工通风方案的效果进行了数值模拟和实测验证[1-2];唐政军、洪达正等人对抽水蓄能电站地下工程的施工期通风排烟方案和设备选型进行了研究[3-4];赵艳亮、杨庆学等通过建立仿真模型，对大型地下洞室群施工期通风的动态性进行了研究[5-6]。虽然有关地下洞室施工期通风的研究文献较多，但主要研究了洞室爆破作业产生的粉尘、氮氧化物和CO等污染物的控制要求，而对地下洞室施工期的氡气控制指标、金属结构（以下简称“金结”）制造和机电安装期间的污染物控制指标以及施工期临时通风运行保障措施等方面的研究较少。

本文对地下洞室爆破施工期和金结制造、机电安装施工期的涉及职业健康的粉尘颗粒物、有毒有害气体和氡气等污染物的来源作了综述性说明，补充了氡气和其他化学有害物质的控制指标，对施工期临时通风的设计方法和节能措施进行了综述，还对目前地下工程和半地下工程施工期临时通风存在的问题做出相关说明。为了切实维护施工从业者的身体健康和提高工作效率，提出了保障施工期临时通风运行效果的技术措施和管理措施，并展望了地下工程施工期临时通风技术未来发展方向。

1 水电站施工期污染物及控制指标

水电站施工期的污染物主要有钻爆作业及出渣产生的粉尘、CO、N0x和硫化物等，金结制造和机电安装产生的焊接烟尘、苯系有机化合物等有害物质，以及地下洞室群岩壁析出的氡气、瓦斯气体等。

1.1 主要污染物及来源

（1）粉尘。水电工程施工过程中的爆破作业、喷浆作业、除锈防腐作业和电焊等作业会产生大量粉尘，主要包括矽尘、水泥尘、石棉尘、电焊尘及其他粉尘。长期暴露于高浓度粉尘环境中容易引起尘肺病，给病人和家庭造成巨大痛苦。水电站洞室群施工过程中，对粉尘浓度的控制極为重要。

（2）金属颗粒物及有机化学物。金结制造和机电安装期间的焊接作业对工作人员的健康造成严重危害，除了产生低频高声强噪音外，还释放大量氮氧化物等有毒有害气体，以及硫化锰和氟化物等烟尘颗粒物。维持电焊作业场所良好的通风性，可以有效降低有害气体及颗粒物对工作人员身体的伤害，无论是地下洞室群还是地面厂房的地下区域，工作场所多为封闭空间，基本无自然通风条件，而永久机械通风设施受制于施工工序，在大多数情况下尚未成型，机电设备施工期环境恶劣。

油漆作业是水电施工必不可少的工种，油漆常用的有机溶剂有苯、甲苯和二甲苯等，苯系化合物对有机体的造血系统产生毒害作用[7]。

（3）氡。氡是一种自然界存在的放射性气体，广泛存在于地下岩体，水电站地下洞室群中的氡气主要来源于岩壁析出，对施工期和运营期作业人员的健康产生较大危害。在水电站施工期氡气防护方面，尽管朱永颢、陈汉宁等人对水电工程施工期氡气的析出量和防护通风量计算方法做了研究[8-9]，但对地下水电站实际施工及运营期间的氡气监测和防护方面缺少关注。

1.2 控制指标

现行的DL-T5099--2011《水工建筑物地下工程开挖施工技术规范》对CO、N0x和粉尘等水电工程施工期的主要污染物浓度控制指标做了要求[10]，但缺少对氡气和金属毒物浓度控制标准的说明，空气中水泥粉尘含量的控制指标和现行的《工作场所有害因素职业接触限值》——第1部分：化学因素（GBZ 2.1-2019）相比偏高[11]，缺少电焊烟尘的控制指标，粉尘和金属毒物的最高允许浓度在《工作场所有害因素职业接触限值》中有明确的控制标准，水电工程施工期污染物的通风控制标准宜按此执行。目前水电工程行业中没有关于氡气控制的相关规范，在氡气防治方面，国内现行的《地下建筑氡及其子体控制标准》提出氡气控制标准为200～400 Bq/m3（平衡当量氡浓度），水电站地下洞室群的氡浓度控制标准可参照执行。SO2和瓦斯气体的浓度在DL -T5099--2011《水工建筑物地下工程开挖施工技术规范》有明确的控制要求[10]。水电站地下主洞室多为大埋深构筑物，通过交通洞、通风洞等长隧洞与外界连通，在主洞室和长隧洞末端施工过程中易形成缺氧状态，地下空间施工过程中的氧气含量应大于20%;水电站施工期的各项污染物控制指标见表1。

2 临时通风设计

2.1 地下洞室临时通风技术方案

目前，国内地下洞室群开挖期主要采用压入式、抽出式以及混合式等方式进行临时通风，以控制污染物的浓度。地下洞室典型工作面的通风方式见图1。根据洞室开挖规划方案、洞室区域和洞室贯通情况等调整通风方式。在独头掘进阶段，通常采用压入式通风，将新风送入掌子面附近;中期阶段，根据已挖通的洞室和竖井分布情况，确定具体的临时通风方案;后期洞室全部开挖结束后， 充分利用自然通风兼用机械通风进行临时通风，有工程的机械通风采用隧洞射流风机，如图2所示。国内大型水电站地下洞室群施工期临时通风方案见表2。

2.2 通风量计算

地下洞室群钻爆作业期间的通风量根据以下几个方面需求的最大风量来确定：①稀释瓦斯、氡气和设备排气释放的有毒有害气体至允许浓度的风量;②排走设备热量和人员散热以控制作业场所环境温度的需风量;③工作面附近的风速不得小于0.15 m/s，隧洞内防止瓦斯积聚的最小风速不得小于0.25 m/s;④根据隧洞施工与验收相关的规范，要求人员新风量q不小于3 m3/（min·人），当海拔在1 000 m以上时，应取计算值的1.3～1.5倍;⑤爆破作业的新风需求量。

根据伏洛宁公式计算爆破作业的通风量，见式（1）：

[G1=K7.8tmA·L2]                   （1）

式中：[G1]为工作面需要的新风量，m3/min; K为高程修正系数;t为爆破作业后通风时间，min; m为一次爆破炸药用量;A为隧洞截面积，m2;L为工作面至炮烟稀释到允许浓度的距离即临界长度。

谢智等[12]研究了稀释围岩散发的瓦斯气体所需的风量计算方法;刘震[13]在文献中论述了稀释和排除来源于爆破及内燃机废气的CO的风量计算方法。

稀释内燃机有害气体的通风量计算如下

[G=ν0N]                         （2）

式中：ν0为内燃机的单位功率所需的风量指标，m3/（kW ·min）; N为同时工作的内燃机的总功率。

排走设备和人员散热所需的通风量计算公式见式（3）：

[G=Q0.337tp-ts]       （3）

式中：Q为设备及人员的发热量，kW; tp为工作区的温度，℃;ts為送风温度，℃。

金结制造和机电安装期的临时通风量计算方法尚无相关文献记载。控制油漆作业产生的苯系化合物及焊接作业产生的烟尘颗粒物等污染的通风量可根据稀释浓度法计算出较为准确的数值，但受限于不稳定的污染物释放速率，实用性较差，可简单通过换气次数法确定通风量。

按稀释浓度法计算：

[L=my1-y0]             （4）

式中：L为金结及机电安装期临时通风所需的风量，m3/h; [m]为苯系化合物或电焊烟尘等污染物的产生速率，mg/h; y1为苯系化合物或电焊烟尘等污染的允许浓度，mg/m3;y0为新风中污染浓度，mg/m3。

按换气次数法计算：

[L=nV]                （5）

式中：n为换气次数，宜取1～2次;V为作业封闭空间的体积，m3。

2.3 通风节能

目前，水电站地下主洞室及隧洞施工期通风主流模式为纵向通风，地下洞室压入式临时通风系统管道布置如图3所示，通风阻力随着隧洞掘进距离的增加而增加;临时通风的通风量则具有动态性，随作业工序、施工时间、掘进深度以及有毒有害气体的浓度而不同。通常，施工期临时通风风机是根据施工某一个阶段最不利工况的通风量和阻力损失选型的，风机一般在较大功率下运行，这就造成了能源浪费。针对这一问题，刘钢立等[14]研究了变频技术在施工期临时通风中的运用，提出了变频设备的选型、软件的控制模式和设计方法。孙会想等[15]对白鹤滩水电站地下洞室群施工期变频通风系统的选型、安装验收和运行维护管理等方面进行了研究，对变频式对旋风机与普通风机在施工期通风中的应用差异做了对比说明。

3 临时通风实施问题及完善措施

3.1 存在的问题

目前，有关地下隧洞施工期临时通风的研究多集中于洞室开挖施工中的通风原理及技术方案，但在水电工程施工中，抢工期、抢发电，对施工过程中的作业人员职业健康重视程度较低的现象屡见不鲜，而有关保障临时通风设施运行的措施研究较少。受制于工期要求，金结和机电施工期永久通风尚未成型，临时通风缺失或设置不当，不仅地下厂房洞室群的作业场所环境恶劣，地面厂房的地下区域施工环境也较差。

有的企业在施工过程中将工期作为管理的核心关注点，对施工期的职业健康管理重视不足，尤其是跟施工人员健康密切相关的临时通风设施的设计与运行也流于形式，特别是涉及分包的一些小施工单位，管理制度不健全，设置的临时通风不符合相关要求，甚至为了节约成本不设置临时通风。而且，水电施工从业人员大部分是农民工，对职业危害和职业健康的理论认知不足，在施工期间不重视安全防护，一旦后期出现健康问题，也无法采取有效的措施维护自身的合法权益。

3.2 技术措施

通风系统的施工多采用成品件进行组合式安装，施工过程产生的物理危害因素和化学危害因素较少。在金结和机电安装期，水电站内的运行期永久通风系统易优先施工，为后续的焊接、保温防腐等工序提供有利的通风条件。

建立测点，对施工环境中的粉尘浓度进行检测。监测装置的位置应确保隧洞和受限空间的任何区域受至少一个监测装置的连续监测。在隧洞和地下洞室施工期布置一个能够检测可燃气体、氧气浓度水平和有害有毒气体的气体监测装置，装置应具有声光报警器。

金结制造和机电安装施工期，在电焊安装场所安装烟尘收集器，对工作场所的有毒有害气体和颗粒物进行收集净化。采取特殊措施，尽量减少特定烟气源的影响，这些措施包括为隧洞内的所有内燃机使用高效且适当维护的排烟洗涤器（洗涤器）。处理爆破烟雾的方法应包括在爆破后（如果使用钻爆法）向爆渣堆喷水。如果工作活动计划限制或集中了设备或劳动力的密度，使得工作地点的温度显著升高，则需相应地部署局部强制通风，以增加一般隧洞气流，降低工作场所的温湿度。

在氡气防治方面，应每周在一般地下工作区以及可能积聚氡气的地点（如抽水坑）进行便携式监测设备测试，以确定氡气的浓度。除此之外，还应进行3个月的长期测试，以确定累积水平。

3.3管理措施

全面提高地下洞室施工管理及作业人员对施工期临时通风的重视程度，临时通风应由通风专业人员进行设计，或由施工承包商设计后由通风领域的专家进行审查。施工前，施工方将其临时通风系统方案提交监理人验收。根据工程进展的不同阶段以及不同的施工方法，对临时通风系统进行修改，以适应隧洞以及地下洞室群布局的变化。

在允许其员工进入隧洞和洞室主体工程等密闭空间之前，或每个轮班开始时，承包商对空气质量进行日常测试，记录在日志中，并抄送监理人。如果使用钻爆法施工，隧洞通风重启后进行隧洞空气质量测试，检查灰尘和有害气体浓度水平，只有在通风系统已完全运行且对隧洞空气质量重新测试，确保灰尘和有害气体水平在允许范围内后，才允许再次进入隧洞或其他受限空间。针对粉尘场所、散发有毒有害物质的场所，对临时通风设施的运行情况和污染物的浓度水平进行定期的监督和检查，并建立相关的责任制度。

4 地下空间施工期通风技术展望

4.1 干式除尘器应用

目前，地下空间钻爆作业中产生的粉尘主要通过湿式除尘和通风方式进行净化处理，特别是通过压入式通风将掌子面的粉尘含量降到控制标准以下需要较长的时间，影响工期;喷水降尘的过程中使用一定量的水，不仅掌子面附近空气湿度增大，且施工作业场所的环境和内部交通状况也会恶化，严重影响了从业人员的热湿感及施工作业的进程。针对湿式除尘的不足，一些学者及工程技术人员研究了干式除尘技术在开挖钻爆作业中除尘的应用。赵玉报等[16]的研究表明，采用通风和干式除尘器联合除尘方式可以有效降低粉尘浓度，解决目前隧洞和地下洞室群施工过程中粉尘治理不佳的状况。邹志刚[17]设计了一种矿井作业中的干式除尘设备，介绍了该设备的应用情况，结果表明，干式除尘器在矿井作业中除尘良好。

4.2 风仓式和压出式空气幕通风技术

针对传统管道式施工通风在大角度折弯时阻力较大的弊端，宋骏修等[18]对隧洞风仓式施工临时通风进行了研究。宋旭彪[19]的研究表明，在隧洞施工中采用压出式空气幕技术，可以提高爆破作业后的除尘效率，缩短除尘时间，相比于传统隧洞通风技术具有一定的优势。地下水电站包含进场交通洞、引水隧洞、尾水洞及施工洞等多条隧洞，在施工上具有相似性，在设计水电站施工期临时通风时可参考并进行相关设计研究。

4.3 高压空气应用

输水工程会涉及长距离隧洞施工，隧洞越长，掘进端掌子面新风供应及污染物控制愈发困难，针对这一问题，张金良等[20]提出了利用高压空气的超长隧洞施工方法，保证新风供应，改善人员和设备的作业环境。香港某地下污水处理厂钻爆施工作业中，为气动设备服务的高压空气系统兼做新风补充系统。该系统沿隧洞全长提供直径为150 mm的高压供气管，并沿隧洞每隔50 m安装一个50 mm控制阀的短支管出口，用于控制空气释放，以补充清洁空气供应。

5结 论

本文对中国水电工程施工期临时通风的研究进行了综述和分析，得到如下结论。

（1）现行水电站工程施工规范中污染物控制指标存在不足，缺少对氡气和金属毒物浓度控制标准的说明，粉尘含量的控制指标也不符合职业健康的要求。为了保障从业人员的健康，需要制定更全面的施工期污染物通风控制指标。此外还应加强封闭空间的新风供应，使氧气含量符合行业标准。

（2）现有的地下隧洞施工期临时通风的研究多集中于钻爆作业期的通风原理及技术方案，对金结和机电安装施工期的通风论述较少。通过采取优先施工永久通风系统、实施施工地点污染物以及氡气浓度监测控制临时通风系统运行和采用烟尘收集器等技术措施，可以有效控制金结和机电安装期的污染物浓度。同时，通过加强临时通风设计、施工和监测环节的管理措施，可以从技术和制度上监管施工期臨时通风设备的运行，保障从业人员的职业健康。

（3）干式除尘器、风仓式通风技术、压出式空气幕通风技术和高压空气的应用等技术措施对水电工程未来施工具有借鉴意义。

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（编辑：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