抽水蓄能電站高壓管道斜井采用TBM施工的工程布置方案研究

劉永奇，張 杰，王小軍，劉曉楠

(1.國(guó)家電網(wǎng)有限公司，北京100031；2.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024；3.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京100761)

1 抽水蓄能電站高壓管道斜井施工現(xiàn)狀及布置特點(diǎn)

抽水蓄能電站高壓管道斜井一般布置在引水調(diào)壓室(或引水閘門井)和地下廠房之間，高壓管道斜井一般高差達(dá)350～700 m，斜井角度通常在50°～60°。國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站高壓管道斜井開(kāi)挖普遍采用“反井鉆法”或“爬罐法”施工，這2種施工方法存在著機(jī)械化程度低、勞動(dòng)力投入大、施工工期長(zhǎng)、安全風(fēng)險(xiǎn)高、作業(yè)環(huán)境差等問(wèn)題。受施工工藝限制，一般當(dāng)單級(jí)斜井超過(guò)400 m時(shí)，高壓管道需設(shè)置中平段。同時(shí)根據(jù)經(jīng)濟(jì)管徑比選成果，為了降低工程投資，采用鋼板襯砌的高壓管道主管通常采用變直徑，其開(kāi)挖洞徑相應(yīng)隨管徑變化，一般根據(jù)外包混凝土厚度，開(kāi)挖洞徑比管徑大1～1.2 m。單條高壓管道斜井長(zhǎng)度一般小于1.5 km[1]。抽水蓄能電站高壓管道斜井典型布置如圖1所示。

圖1 抽水蓄能電站高壓管道斜井典型布置縱剖面示意

2 TBM施工技術(shù)發(fā)展應(yīng)用情況及特點(diǎn)

TBM(Tunnel Boring Machine)是隧道掘進(jìn)機(jī)的簡(jiǎn)稱。世界第一臺(tái)TBM(羅賓斯制造)自1953年問(wèn)世以來(lái)，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)制造行業(yè)快速發(fā)展。1985年中國(guó)引進(jìn)國(guó)外設(shè)備，經(jīng)過(guò)30多年發(fā)展，目前TBM設(shè)備已經(jīng)能夠完全國(guó)內(nèi)獨(dú)立設(shè)計(jì)、制造，并已進(jìn)入歐洲市場(chǎng)。

TBM施工技術(shù)在國(guó)內(nèi)水電、水利、鐵路、市政等工程領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，但在抽水蓄能電站中應(yīng)用較少[2]。在水電工程中，TBM施工技術(shù)在天生橋、錦屏二級(jí)、那邦水電站平洞開(kāi)挖中有過(guò)應(yīng)用。在抽水蓄能電站中，國(guó)外1968年已開(kāi)始應(yīng)用TBM進(jìn)行平洞和斜井的開(kāi)挖，且應(yīng)用案例較多[3]，斜井應(yīng)用如表1所示。目前，國(guó)內(nèi)僅在WD抽水蓄能電站排水廊道(平洞)開(kāi)挖施工中應(yīng)用了TBM，高壓管道斜井尚無(wú)采用TBM開(kāi)挖的實(shí)例。

表1 國(guó)外高壓管道斜井TBM施工的典型實(shí)例

目前，較為成熟的TBM施工技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①TBM分為平洞型和斜井型，斜井TBM和平洞TBM無(wú)法簡(jiǎn)單通用；②斜井TBM可實(shí)現(xiàn)單級(jí)長(zhǎng)度1 000 m以內(nèi)斜井的開(kāi)挖；③同一臺(tái)TBM可以通過(guò)調(diào)整邊刀型式改變開(kāi)挖洞徑，但直徑調(diào)整余地不大，一般在20 cm以內(nèi)；④斜井TBM可進(jìn)行30°～60°的斜井開(kāi)挖；⑤斜井TBM施工精度較高，可滿足設(shè)計(jì)要求；⑥斜井TBM施工速度比傳統(tǒng)開(kāi)挖快、且安全性更高。

3 適應(yīng)TBM施工的高壓管道斜井布置及開(kāi)挖洞徑設(shè)計(jì)方案

3.1 適應(yīng)TBM施工的高壓管道斜井布置

高壓管道斜井受引水調(diào)壓室(或引水閘門井)和地下廠房位置的限制，施工布置范圍基本限定?？紤]到TBM施工特點(diǎn)，為適應(yīng)TBM施工，傳統(tǒng)高壓管道立面布置需作出調(diào)整，即取消高壓管道中平段，將高壓管道上平段與下平段通過(guò)單級(jí)斜井相連。同時(shí)為了適應(yīng)TBM組裝、拆卸要求，在下平段起始點(diǎn)設(shè)置TBM組裝場(chǎng)地和始發(fā)洞段，在上平段末端設(shè)置TBM拆卸場(chǎng)地。適應(yīng)TBM施工的典型高壓管道斜井布置如圖2所示。

圖2 適應(yīng)TBM施工的典型高壓管道斜井布置示意

3.2 洞徑調(diào)整方案比較

為適應(yīng)TBM施工，高壓管道斜井需采用統(tǒng)一的開(kāi)挖洞徑，而確定高壓管道斜井開(kāi)挖洞徑有2種方案：①方案1，內(nèi)徑變化方案，即高壓管道斜井開(kāi)挖洞徑統(tǒng)一按照最大管徑外側(cè)加1.0～1.2 m作為整個(gè)斜井的開(kāi)挖洞徑，內(nèi)徑按照傳統(tǒng)方式變化1～2次；②方案2，內(nèi)徑不變方案，即在輸水系統(tǒng)水頭損失變化不大、過(guò)渡過(guò)程計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，將高壓管道斜井的管徑統(tǒng)一，開(kāi)挖洞徑按照管徑外側(cè)加1.0～1.2 m作為整個(gè)高壓管道的開(kāi)挖洞徑。

以FN抽水蓄能電站高壓管道斜井洞徑調(diào)整為例，對(duì)適應(yīng)TBM施工的2種方案和傳統(tǒng)布置方案進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)適應(yīng)TBM施工的布置方案。為方便TBM施工，高壓管道立面采用單斜井布置，設(shè)有上平段、斜井段、下平段。高壓管道采用鋼板襯砌，2條主管平行布置，平面走向?yàn)镹W315°，斜井角度35°，洞軸線間距48 m，高壓管道主管長(zhǎng)956 m。在下平段起始點(diǎn)設(shè)置TBM組裝場(chǎng)地和始發(fā)洞段，在上平段末端設(shè)置TBM拆卸場(chǎng)地?？紤]到TBM設(shè)備不宜變徑，擬定2個(gè)方案均以開(kāi)挖洞徑不變?yōu)樵瓌t。方案1的開(kāi)挖洞徑為7.6 m，斜井段鋼襯內(nèi)徑6.4 m→5.6 m→4.8 m，隨著鋼襯內(nèi)徑的變化，回填混凝土厚度相應(yīng)變化。方案2的開(kāi)挖洞徑為7.0 m，斜井段鋼襯內(nèi)徑整體取不變值5.8 m。

(2)傳統(tǒng)布置方案。為適應(yīng)傳統(tǒng)反井鉆(爬罐)施工，高壓管道采用一管兩機(jī)雙斜井布置方式，由主管、岔管和支管組成。高壓管道主管分為上平段、上斜井、中平段、下斜井和下平段。高壓管道采用鋼板襯砌，2條主管平行布置，平面走向?yàn)镹W315°，斜井角度55°，洞軸線間距為48 m，高壓管道主管長(zhǎng)1 046 m。

經(jīng)過(guò)技術(shù)比較，方案1、方案2和傳統(tǒng)方案的Tw值、水頭損失差異不大，均滿足設(shè)計(jì)要求，計(jì)算結(jié)果如表2所示。3種方案均為可行方案。

表2 高壓管道斜井TBM施工方案Tw值及水損比較

經(jīng)過(guò)投資比較，方案2比方案1投資節(jié)省3 600萬(wàn)元，方案2比傳統(tǒng)方案投資高2 400萬(wàn)元。由此可知，在滿足過(guò)渡過(guò)程計(jì)算要求和水頭損失變化不大的情況下，可以將高壓管道斜井的管徑取為一致，這樣在采用TBM設(shè)備施工時(shí)，投資較省。

4 擬建工程高壓管道斜井TBM應(yīng)用研究

4.1 擬建工程高壓管道斜井特點(diǎn)

從FN抽水蓄能電站高壓管道管徑調(diào)整研究看，投資費(fèi)用主要受TBM攤銷影響，在單個(gè)工程高壓管道斜井中應(yīng)用TBM開(kāi)挖比采用傳統(tǒng)鉆爆法開(kāi)挖投資大。為提高TBM使用率，降低設(shè)備攤銷費(fèi)，對(duì)國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司擬開(kāi)工建設(shè)的10個(gè)高壓管道斜井工程進(jìn)行分析研究。

10個(gè)工程高壓管道斜井特點(diǎn)如表3所示。由表3可知：

表3 10個(gè)擬建工程高壓管道斜井特點(diǎn)

(1)10個(gè)工程高壓管道均為鋼板襯砌，回填混凝土厚度一般為0.6 m。

(2)高壓管道均布置有2級(jí)斜井，除PJ外，單級(jí)斜井長(zhǎng)度均不超過(guò)370 m。高壓管道均有1～2次變徑。

(3)400～500 m水頭段的NH、YQ、ZR、HM、FN，高壓管道管徑非常接近，管徑差距在20 cm以內(nèi)。600 m以上水頭段的PJ和LN，高壓管道管徑非常接近。由此400 m以上水頭高壓管道管徑存在歸并的可能。

4.2 擬建工程高壓管道通用管徑分析

4.2.1高壓管道立面布置調(diào)整及管徑歸并

(1)調(diào)整原則。①引水調(diào)壓井(引水閘門井)及引水岔管位置不變；②斜井按照單斜井布置；③調(diào)整后的Tw值和水頭損失應(yīng)于原方案差異不大；④斜井鋼襯起點(diǎn)維持不變。

(2)布置調(diào)整。按照上述原則對(duì)各工程調(diào)整后，高壓管道立面布置與圖2類似。

4.2.2調(diào)整后管徑歸并

根據(jù)調(diào)整后的高壓管道斜井布置，對(duì)各個(gè)工程管徑按照Tw值滿足要求和水頭損失差異不大原則，盡量歸并統(tǒng)一。經(jīng)過(guò)試算，各工程計(jì)算成果如表4所示。

表4 擬建工程高壓管道斜井調(diào)整結(jié)果匯總

由表3、4可知，高壓管道單級(jí)斜井的立面布置可以滿足TBM開(kāi)挖施工要求。擬建的10個(gè)工程高壓管道斜井中，有8個(gè)工程可以將管徑統(tǒng)一為5.8 m，開(kāi)挖洞徑可統(tǒng)一歸并到7.0 m。管徑調(diào)整對(duì)Tw值影響很小，部分工程甚至有所降低；對(duì)水頭損失影響不大于1 m，滿足設(shè)計(jì)要求。為適應(yīng)TBM開(kāi)挖，NSS電站可將高壓管道斜井管徑調(diào)整至5.6 m，如果統(tǒng)一為5.8 m直徑，會(huì)造成投資增加，不經(jīng)濟(jì)，因此不建議調(diào)整。YX電站可將高壓管道斜井管徑調(diào)整至6.0 m，但考慮到Tw值已經(jīng)超過(guò)2.1 s，如果統(tǒng)一為5.8 m，對(duì)電站過(guò)渡過(guò)程計(jì)算不利，因此不建議調(diào)整。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析研究，高壓管道單級(jí)斜井布置可以滿足TBM施工要求。通過(guò)對(duì)擬建的8個(gè)抽水蓄能電站高壓管道單級(jí)斜井管徑的歸并，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)抽水蓄能電站高壓管道斜井共用一臺(tái)TBM進(jìn)行開(kāi)挖施工，降低設(shè)備攤銷費(fèi)用。

TBM作為一種安全可靠的新型施工機(jī)械，在抽水蓄能電站高壓管道斜井施工中有很好的應(yīng)用前景，應(yīng)盡快推進(jìn)應(yīng)用。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步對(duì)高壓管道TBM開(kāi)挖技術(shù)進(jìn)行研究，指導(dǎo)后續(xù)設(shè)備制造、現(xiàn)場(chǎng)施工。