斜井隧道掘進(jìn)機(jī)在抽水蓄能電站施工中的應(yīng)用

徐艷群 ，尚海龍 ，劉傳軍

（1.山東文登抽水蓄能有限公司，山東省文登市 264421；2.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

目前抽水蓄能電站壓力管道斜井工程一般采用爬管或反井鉆施工法，隨著黨的“十八大”以來國家對(duì)工程建設(shè)要求的提高，工程施工過程中的安全、質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)等要求在逐步加強(qiáng)，其中安全生產(chǎn)工作更是備受重視，已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的重要基礎(chǔ)和保障，為此國家也制定了一系列的規(guī)章制度來為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航，從制度上要求工程建設(shè)中大力推進(jìn)依法治安和科技強(qiáng)安，以加快安全生產(chǎn)基礎(chǔ)保障能力建設(shè)，推動(dòng)了安全生產(chǎn)形勢持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)。在當(dāng)前需要加強(qiáng)安全生產(chǎn)管理的客觀條件下，TBM作為目前隧洞開挖中安全、高效、可靠的施工設(shè)備，提供了改變目前抽水蓄能電站施工方法的可能性，并且符合目前加快淘汰落后工藝、技術(shù)、裝備和產(chǎn)能的產(chǎn)業(yè)政策，也有利于降低安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，提高工程建設(shè)本質(zhì)安全水平。

1 日本抽水蓄能電站斜井TBM施工情況

國外抽水蓄能電站項(xiàng)目眾多，其中斜井TBM在日本抽水蓄能電站施工中的應(yīng)用最具特點(diǎn)，以下對(duì)日本斜井TBM的應(yīng)用情況作一介紹。

1.1 下鄉(xiāng)抽水蓄能電站

下鄉(xiāng)抽水蓄能電站總裝機(jī)容量1000MW，安裝4臺(tái)單機(jī)輸出250MW的發(fā)電機(jī)，斜井段長485m，坡度37°，斜井段開挖從下水平部位先采用開挖直徑3.3 m的隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）由下至上開挖導(dǎo)洞，導(dǎo)洞貫通后，把導(dǎo)洞作為出渣洞使用[1]。然后由上向下用TBM擴(kuò)挖成直徑5.8m的斷面。1979年5月12日開始掘進(jìn)，經(jīng)過1年半完成斜井導(dǎo)井開挖，月平均進(jìn)尺106m。

1.2 鹽原抽水蓄能電站

鹽原抽水蓄能電站總裝機(jī)容量900MW，安裝 3臺(tái)單機(jī)輸出300MW的發(fā)電機(jī)，壓力管道全長594m，由上水平段，斜井段和下水平段組成，地層為第三紀(jì)鹽谷層群，由流紋巖、凝灰?guī)r和泥巖，部分地段有玢巖侵入體[2]。其中斜井段長460m，坡度達(dá)52.5°，斜井段開挖從下水平部位先采用開挖直徑2.3m的隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）由下至上開挖導(dǎo)洞，導(dǎo)洞貫通后，把導(dǎo)洞作為出渣洞使用，然后采用常規(guī)的全斷面擴(kuò)大開挖法由上至下開挖。

東京電力公司于1989年1~6月完成了鹽原抽水蓄能電站傾角52.5°、長度438m、Φ2.3m的導(dǎo)洞開挖。導(dǎo)洞TBM施工最高月進(jìn)尺104m，平均月進(jìn)尺68m。

1.3 葛野川抽水蓄能電站

葛野川抽水蓄能電站總裝機(jī)容量1600MW，安裝 4臺(tái)單機(jī)輸出400MW的發(fā)電機(jī)[3]，壓力管道全長2.0，包括上部斜井（全長167m，坡度48°）和下部斜井（全長768m，坡度52.5°），上部斜井用反井鉆機(jī)施工方法進(jìn)行導(dǎo)洞挖掘、鉆爆法進(jìn)行擴(kuò)挖；下斜井，通過TBM施工導(dǎo)洞，導(dǎo)洞直徑2.7m，導(dǎo)洞施工完成后采用擴(kuò)挖TBM進(jìn)行全斷面擴(kuò)挖。

壓力管道途經(jīng)地區(qū)位于山梨縣東部大菩薩嶺的東南方，地質(zhì)由屬于中生代白堊紀(jì)后期到新生代古第三期之間沉積的四萬十層“小佛層群”的泥巖和砂巖混合層構(gòu)成[3]。

1996年1~7月完成葛野川抽水蓄能電站傾角52.5°、長度745m、直徑2.7m導(dǎo)洞開挖，隨之在1997年5月~1998年1月完成直徑7m斷面擴(kuò)挖（擴(kuò)挖TBM施工）。導(dǎo)洞TBM施工最高月進(jìn)尺166m，平均月進(jìn)尺115m。

1.4 神流川抽水蓄能電站

神流川抽水蓄能電站總裝機(jī)容量1200MW，安裝 4臺(tái)單機(jī)輸出300MW的發(fā)電機(jī)，水道系統(tǒng)全長2.8km，其中引水斜井直徑為6.6m，傾斜度48°，斜井長935m，采用“全斷面斜井TBM施工法”施工。斜井沿線為第三紀(jì)侵入的安山巖石以及侵入礫巖，斜井上部地層中分布著一部分蛇紋巖，中間部分呈現(xiàn)泥質(zhì)巖基質(zhì)（泥巖以及細(xì)粒砂巖）[4]。

1999年11月~2001年4月完成神流川抽水蓄能電站傾角48°、長度935 m、Φ6.6 m的全斷面TBM開挖，最高月進(jìn)尺115.5m，平均月進(jìn)尺71m[5]。

1.5 小丸川抽水蓄能電站

小丸川抽水蓄能電站總裝機(jī)容量1200MW，安裝 4臺(tái)單機(jī)輸出300MW的發(fā)電機(jī)，水道系統(tǒng)全長2.8km，其中引水斜井直徑為6.1m，傾斜度48°，斜井長988m，采用TBM施工導(dǎo)洞，導(dǎo)洞直徑2.7m，導(dǎo)洞施工完成后采用擴(kuò)孔TBM進(jìn)行全斷面擴(kuò)挖。斜井沿線巖石主要為砂巖和頁巖[6]。

2003年3月~2007年8月完成小丸川抽水蓄能電站兩條斜井開挖，平均月進(jìn)尺34m。

2 國內(nèi)抽水蓄能電站應(yīng)用分析

目前斜井施工主要采用反井鉆施工，根據(jù)目前國內(nèi)反井鉆的設(shè)備性能來看，常用的LM系列的反井鉆機(jī)施工斜井長度不超過300m，超過300m則達(dá)不到孔斜控制要求，對(duì)于400m以內(nèi)的斜井需采用國內(nèi)研制的定向鉆機(jī)或國外進(jìn)口設(shè)備（如澳大利亞產(chǎn)TR-3000型或其他國外同類設(shè)備）進(jìn)行施工，否則孔斜率偏差很大。此外，如果斜井長度再增加，例如達(dá)到500m，隨著斜井的長度的進(jìn)一步增加對(duì)反井鉆鉆桿質(zhì)量（強(qiáng)度、剛度等）要求更高，而且斜井長度越長鉆桿穿越的地層巖性越多則影響鉆進(jìn)精度的因素更多，其孔斜偏差隨機(jī)性會(huì)更大，最終導(dǎo)孔誤差會(huì)增加更大。

此外，根據(jù)目前國內(nèi)已經(jīng)完工的抽水蓄能電站來看，引水系統(tǒng)施工如果組織管理不當(dāng)，往往會(huì)造成整個(gè)工程發(fā)電工期滯后。由此可以看出，引水系統(tǒng)采用目前現(xiàn)有的施工技術(shù)手段，其施工進(jìn)度的保證率不高。

總之，反井鉆對(duì)于斜井直線長度在300m以內(nèi)的斜井采用反井鉆已無技術(shù)問題；對(duì)于300～400m斜井目前主要采用國外進(jìn)口鉆機(jī)（如澳大利亞產(chǎn)TR-3000型）進(jìn)行施工，已有成功案例；對(duì)于400m以上斜井開挖目前國內(nèi)一般采用中部增加施工支洞分段施工的方案，即按照長洞短打的原則施工。然而，根據(jù)日本抽水蓄能電站長斜井施工情況分析，其主要采用TBM法進(jìn)行長斜井施工。

以下根據(jù)國外斜井施工實(shí)例，結(jié)合文登抽水蓄能電站的引水系統(tǒng)地質(zhì)情況研究TBM在抽水蓄能電站斜井的應(yīng)用方案。

2.1 壓力管道設(shè)計(jì)

文登抽水蓄能電站樞紐工程由上水庫、下水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房、開關(guān)站及出線場等部分組成，工程區(qū)出露基巖主要為晚元古代晉寧期二長花崗巖（ηγ23），中生代印支期黑云角閃（或角閃黑云）石英二長巖（ηo51）及石英正長巖（ξo51），巖體整體性較好。

按照常規(guī)“反井鉆法”施工法布置引水系統(tǒng)壓力管道，其壓力管道須分上、下斜井兩部分，上下斜井之間布置中平段，上斜井直線段長212m，中平段長336m，下斜井直線段長348m。并且為施工上、下斜井還須在壓力管道中平段設(shè)置施工支洞及其施工輔助道路以滿足斜井施工的需要，布置方案見圖1、圖2。

圖1 常規(guī)施工方案壓力管道平面布置圖Figure 1 Plane layout of pressure pipeline for conventional construction scheme

圖2 常規(guī)施工方案壓力管道剖面布置圖Figure 2 Section layout of pressure pipeline for conventional construction scheme

如按照“TBM法”施工來布置壓力管道，則可取消壓力管道中平段，將壓力管道上、下斜井兩部分合并為一條長斜井，引水壓力管道布置見圖3、圖4。

圖3 壓力管道長斜井方案平面布置圖Figure 3 Plane layout plan of long inclined well for pressure pipeline

圖4 壓力管道長斜井方案圖Figure 4 Scheme for long inclined well in pressure pipeline

2.2 壓力管道斜井施工

常規(guī)高壓管道布置方案，上斜井和下斜井施工利用中平段作為施工通道采用反井鉆施工導(dǎo)井，導(dǎo)井施工完成后再自上而下擴(kuò)挖成洞。

TBM法斜井布置方案，根據(jù)日本抽水蓄能電站斜井施工情況分析，其主要應(yīng)用斜井TBM進(jìn)行導(dǎo)井施工，然后再輔助人工擴(kuò)挖的方案。本次基于TBM設(shè)備可靠性和設(shè)備費(fèi)用考慮，斜井開挖也采用斜井TBM施工導(dǎo)井，人工擴(kuò)挖的方案。

通過對(duì)文登高壓管道施工進(jìn)度分析，方案一，斜井分為上下兩段，上下斜井均采用反井鉆施工導(dǎo)洞法+人工擴(kuò)挖，從通風(fēng)洞開挖至廠房端墻至首臺(tái)機(jī)引水系統(tǒng)支洞封堵完成，總工期38個(gè)月，從通風(fēng)洞開挖至廠房端墻至機(jī)組調(diào)試開始，總工期45個(gè)月，則引水系統(tǒng)施工工期滿足首臺(tái)機(jī)發(fā)電施工要求。

方案二，斜井采用TBM施工導(dǎo)洞，從通風(fēng)洞開挖至廠房端墻至首臺(tái)機(jī)引水系統(tǒng)封堵完成，總工期43個(gè)月，從通風(fēng)洞開挖至廠房端墻至機(jī)組分部調(diào)試開始，總工期45個(gè)月，則引水系統(tǒng)施工工期滿足首臺(tái)機(jī)發(fā)電施工要求。

雖然方案二采用斜井TBM施工將延長引水系統(tǒng)工期5個(gè)月，但對(duì)首臺(tái)機(jī)組發(fā)電工期沒有影響。

2.3 壓力管道斜井經(jīng)濟(jì)性分析

2.3.1 編制依據(jù)

以文登抽水蓄能電站可行性研究階段概算投資為基礎(chǔ)，價(jià)格水平為2013年3季度，主要編制依據(jù)：

（1）項(xiàng)目劃分、費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)按可再生定額〔2008〕5號(hào)文頒布的《水電工程設(shè)計(jì)概算編制規(guī)定（2007年版）》及《水電工程設(shè)計(jì)概算費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)（2007年版）》計(jì)取。

（2）可再生定額〔2009〕22號(hào)文關(guān)于頒布《水電工程設(shè)計(jì)概算編制規(guī)定（2007年版）》第1號(hào)修改單的通知。

（3）可再生定額〔2008〕5號(hào)文頒布的《水電建筑工程概算定額（2007年版）》；原國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)公告2003年第38號(hào)《水電設(shè)備安裝工程概算定額（2003年版）》；水電規(guī)造價(jià)〔2004〕0028號(hào)《水電施工機(jī)械臺(tái)時(shí)費(fèi)定額（2004年版）》。

（4）補(bǔ)充的TBM單價(jià)計(jì)算以水利部水總〔2014〕429號(hào)文《關(guān)于發(fā)布〈水利工程設(shè)計(jì)概（估）算編制規(guī)定〉的通知》為主要編制原則。

（5）補(bǔ)充的TBM開挖及相關(guān)臺(tái)時(shí)費(fèi)部分單價(jià)執(zhí)行水利部水總〔2007〕118號(hào)文頒布的《水利工程概預(yù)算補(bǔ)充定額（掘進(jìn)機(jī)施工隧洞工程）》及水利部水總〔2002〕116號(hào)文頒布的《水利建筑工程概算定額》《水利工程施工機(jī)械臺(tái)時(shí)費(fèi)定額》。

（6）國家及山東省現(xiàn)行相關(guān)政策及文件。

（7）現(xiàn)階段各專業(yè)提供的設(shè)計(jì)資料及工程圖紙。

2.3.2 斜井TBM設(shè)備臺(tái)時(shí)費(fèi)計(jì)算基本假定

（1）經(jīng)詢價(jià)，斜井2.53m直徑的TBM設(shè)備總價(jià)為2000萬元/臺(tái)。

（2）設(shè)備使用情況擬定，方案一，設(shè)備壽命期總運(yùn)行公里數(shù)擬定為3.5km；方案二，設(shè)備壽命期總運(yùn)行公里數(shù)擬定為10km；方案三，設(shè)備壽命期總運(yùn)行公里數(shù)擬定為20km；方案四，設(shè)備壽命期總運(yùn)行公里數(shù)擬定為30km。

（3）TBM設(shè)備刀具消耗只與掘進(jìn)工作量有關(guān)，與設(shè)備老化無關(guān)。

（4）設(shè)備殘值率參考《全國統(tǒng)一施工機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用編制規(guī)則》中的掘進(jìn)機(jī)械的殘值率為5%。

（5）折舊費(fèi)根據(jù)以上假定計(jì)算得出。

（6）修理及替換設(shè)備費(fèi)按《水利工程概預(yù)算補(bǔ)充定額（掘進(jìn)機(jī)施工隧洞工程）》中敞開式TBM設(shè)備（直徑2.5m）修理及替換設(shè)備費(fèi)與折舊費(fèi)的比例推算，運(yùn)行公里數(shù)低于30km的按比例折減該費(fèi)用。

（7）機(jī)械臺(tái)時(shí)二類費(fèi)用參照定額計(jì)算。

2.3.3 采用TBM開挖斜井編制方法

斜井直徑2.5m石方開挖選取《水利工程概預(yù)算補(bǔ)充定額（掘進(jìn)機(jī)施工隧洞工程）》中敞開式TBM掘進(jìn)隧洞開挖直徑4m章節(jié)下的單軸抗壓強(qiáng)度100~150MPa的定額內(nèi)插計(jì)算，石方運(yùn)輸距離為洞內(nèi)1.8km，洞外3km。斜井TBM按總運(yùn)行公里數(shù)30km攤銷。

2.3.4 費(fèi)用比較分析

以文登抽水蓄能電站斜井工程為例對(duì)“反井鉆法”和“TBM法”的施工費(fèi)用分別測算后，采用“反井鉆法”施工其工程費(fèi)用約為3279.8萬元，采用“TBM法”施工其工程費(fèi)用約為5342.7萬元，采用“TBM法”施工后斜井工程費(fèi)用增加約2062.9萬元。

3 結(jié)論

斜井TBM作為目先進(jìn)的斜井隧道施工設(shè)備，具有安全性能高、施工效率高、掘進(jìn)速度快等特點(diǎn)，雖然采用斜井TBM施工增加了工程費(fèi)用，但降低了斜井施工難度和風(fēng)險(xiǎn)，提高了施工安全性，且有利于優(yōu)化抽水蓄能電站水道系統(tǒng)布置。隨著國內(nèi)TBM設(shè)計(jì)制造技術(shù)進(jìn)一步成熟和應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，TBM施工技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性會(huì)更好。