抽水蓄能電站TBM應(yīng)用研究思路

國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司 王洪玉 中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 朱靜萍 蔣 滟

截至2020年底我國(guó)抽水蓄能裝機(jī)達(dá)3000萬(wàn)千瓦，為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，“十四五”及未來(lái)電力系統(tǒng)對(duì)抽水蓄能電站的需求將更為強(qiáng)烈，抽水蓄能電站將保持較快發(fā)展態(tài)勢(shì)。抽水蓄能電站地下隧洞群規(guī)模大、項(xiàng)目繁多、工程量大，目前主要采用鉆爆法、反井鉆法或爬罐法開(kāi)挖，上述施工方法存在著施工質(zhì)量控制難度大、施工機(jī)械化程度低、勞動(dòng)力投入大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工工期長(zhǎng)、作業(yè)面環(huán)境差、炸藥管控等缺點(diǎn)，易對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工和管理人員職業(yè)健康造成傷害，極易引發(fā)安全生產(chǎn)事故，已經(jīng)成為工程建設(shè)的制約因素[1]。

TBM 施工技術(shù)作為目前最為先進(jìn)的隧洞施工技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于鐵路、水利等行業(yè)的大型長(zhǎng)隧道的施工，在質(zhì)量、工期、安全、環(huán)境保護(hù)與文明施工方面表現(xiàn)出了突出優(yōu)勢(shì)，但在國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站施工中則鮮有應(yīng)用。其主要原因一是設(shè)備費(fèi)用一次性投入大、施工成本高；二是抽水蓄能電站均為有限空間內(nèi)的地下洞室群，立面交叉多、隧洞短、轉(zhuǎn)彎多、斷面尺寸變化頻繁，而TBM 設(shè)備裝拆時(shí)間長(zhǎng)，施工工期優(yōu)勢(shì)在短隧道施工中或不同洞徑施工中無(wú)法得到充分體現(xiàn)[2]。

為此，降低施工造價(jià)、發(fā)揮工期優(yōu)勢(shì)是TBM設(shè)備應(yīng)用于蓄能電站施工需要重點(diǎn)關(guān)注和研究的問(wèn)題。一方面需針對(duì)抽蓄電站地下隧洞特點(diǎn)和TBM設(shè)備特性，選擇適合采用TBM 施工的應(yīng)用方向和應(yīng)用部位[3]；另一方面抽蓄項(xiàng)目采用TBM 施工，較常規(guī)施工方法（如鉆爆法）而言，將會(huì)面臨一些新的困難和挑戰(zhàn)，這也是TBM 在抽蓄項(xiàng)目中推廣應(yīng)用必須解決的問(wèn)題[4]。本文基于現(xiàn)階段TBM 設(shè)備性能及抽水蓄能電站施工現(xiàn)狀，從TBM 在抽蓄項(xiàng)目中的應(yīng)用方向進(jìn)行論述，同時(shí)針對(duì)這些應(yīng)用方向上面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行闡述和分析。

1 TBM 使用部位研究

1.1 抽蓄地下隧洞分析

抽水蓄能電站地下洞室群主要由引水、廠房、尾水3大部分組成。為方便施工、排水、通風(fēng)散煙等，還設(shè)置有輔助洞室。各洞室長(zhǎng)短不一，開(kāi)挖斷面3～12m 不等，各洞室地質(zhì)條件也各不相同。抽水蓄能引水系統(tǒng)需從上水庫(kù)進(jìn)/出水口連接到廠房安裝層，立面高差較大，一般在200m 以上，水頭較高的甚至可達(dá)700m，平面上可選擇“一洞一機(jī)”到“一洞四機(jī)”等多種布置。目前國(guó)內(nèi)采用三級(jí)平洞+兩級(jí)斜井/豎井布置方式較多。上平洞一般長(zhǎng)度在2km以?xún)?nèi)，中平洞及下平洞長(zhǎng)度均較短，不超過(guò)0.5km。斜井傾角多在45～60°之間，單級(jí)斜井長(zhǎng)度基本控制在400m 以?xún)?nèi)。引水主洞直徑多為6～10m 之間。

尾水系統(tǒng)隧洞條數(shù)往往會(huì)等于或多于引水系統(tǒng)的條數(shù)，一般為兩條或四條，洞徑一般略大于引水隧洞，直徑在7～10m 之間，長(zhǎng)度在2km 以?xún)?nèi)。廠房系統(tǒng)中主廠房及主變洞洞經(jīng)均較大，跨度在20m以上，不適宜采用TBM 進(jìn)行施工，其他廠房系統(tǒng)洞室大多長(zhǎng)度較短，洞經(jīng)不一且縱坡變化范圍較大。輔助洞室有施工支洞、交通洞、通風(fēng)、排水洞等，施工支洞沿整個(gè)輸水發(fā)電系統(tǒng)布置多條，斷面大多在6～8m，長(zhǎng)度在2km 以?xún)?nèi)。通風(fēng)及交通洞長(zhǎng)度在1.5km 左右，較長(zhǎng)的可超過(guò)2km，開(kāi)挖斷面9m 左右。排水洞主要有自流排水洞、排水廊道等，斷面3～4m，自流排水洞長(zhǎng)度在2～6km，排水廊道單洞長(zhǎng)度一般在2km 以?xún)?nèi)。

1.2 TBM 可應(yīng)用部位分析

TBM 施工工法在長(zhǎng)隧洞連續(xù)掘進(jìn)時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，短距離施工需頻繁拆裝TBM 設(shè)備，對(duì)TBM 設(shè)備使用壽命有較大影響。一般TBM 在拆裝4次后主軸承等關(guān)鍵部件需進(jìn)行更換，隨之帶來(lái)的是TBM 設(shè)備成本的大幅上升。同時(shí)TBM 設(shè)備需根據(jù)開(kāi)挖洞室的斷面尺寸、坡度、地質(zhì)條件、轉(zhuǎn)彎半徑、支護(hù)要求等內(nèi)容進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，不同的洞徑需采用不同的TBM 設(shè)備施工。由此可見(jiàn)，抽水蓄能電站錯(cuò)綜復(fù)雜的地下洞室群若全部應(yīng)用TBM 施工工法顯然是不經(jīng)濟(jì)和不太可行的。但隨著我國(guó)TBM設(shè)備制造水平和能力的不斷提高，以及綜合考慮未來(lái)抽水蓄能電站建設(shè)水平及新技術(shù)應(yīng)用的需求，為進(jìn)一步研究和探討在抽水蓄能電站建設(shè)中應(yīng)用TBM施工提供了機(jī)遇和條件。

為進(jìn)一步降低TBM 的施工成本，需要擬采用TBM 施工的洞室進(jìn)行選擇，其原則主要考慮：可長(zhǎng)距離連續(xù)施工，減少設(shè)備拆裝機(jī)次數(shù)；擬施工的洞室尺寸相近，可優(yōu)化為同一斷面，由同一臺(tái)TBM施工；采用傳統(tǒng)鉆爆法施工難度大、有較大安全風(fēng)險(xiǎn)的洞室；可能影響電站建設(shè)總工期的關(guān)鍵洞室；TBM 尺寸具有通用性，可兼顧其它抽水蓄能電站施工需要，可電站間銜接使用?；谝陨戏治?，通風(fēng)洞、交通洞作為廠房施工的通道，其進(jìn)度直接影響主廠房的開(kāi)工時(shí)間，加快通風(fēng)洞、交通洞的施工可縮短電站建設(shè)的直線工期。且同一項(xiàng)目通風(fēng)洞、交通洞的斷面尺寸一般較為接近，不同項(xiàng)目間洞經(jīng)也變化不大，研究設(shè)計(jì)一款大直徑平洞TBM 設(shè)備，一次完成兩個(gè)洞室的開(kāi)挖，可縮短電站關(guān)鍵線路工期，并可銜接使用于其他項(xiàng)目。

引水斜井具有長(zhǎng)度長(zhǎng)、坡度大等特點(diǎn)，斜井的施工一直是抽蓄電站建設(shè)的重難點(diǎn)之一，施工安全風(fēng)險(xiǎn)也較大。若采用TBM 施工，一般將三級(jí)平洞+兩級(jí)斜井布置為一級(jí)長(zhǎng)斜井方案。雖然目前斜井TBM 工法在我國(guó)尚未有應(yīng)用案例，但國(guó)外已有80多個(gè)斜井項(xiàng)目成功應(yīng)用TBM 進(jìn)行施工，斜井TBM 的施工方法和安全性也得到了充分驗(yàn)證。若采用TBM進(jìn)行抽蓄斜井施工，既可顯著提高施工效率、縮短引水系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間，降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)、保護(hù)作業(yè)人員的安全；同時(shí)施工裝備及技術(shù)提升也將反哺抽水蓄能電站設(shè)計(jì)，可考慮將多級(jí)短斜井合并成一級(jí)長(zhǎng)斜井，減少引水系統(tǒng)的水力損失，優(yōu)化引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此研究斜井TBM 施工對(duì)抽水蓄能電站設(shè)計(jì)、施工以及TBM 技術(shù)的發(fā)展都有較大的技術(shù)創(chuàng)新意義。

抽蓄電站布置有較多小斷面排水洞，尺寸一般在3～4m 左右，采用人工鉆爆法施工存在出渣、通風(fēng)困難等問(wèn)題，可研究采用成本較低的小直徑TBM進(jìn)行施工，從而提高小斷面洞室的開(kāi)挖質(zhì)量和施工效率，改善作業(yè)環(huán)境。

綜上所述，抽水蓄能電站TBM 施工可圍繞交通洞和通風(fēng)洞的大斷面平洞TBM 應(yīng)用、引水斜井TBM 應(yīng)用、排水系統(tǒng)小斷面TBM 應(yīng)用這三個(gè)方向開(kāi)展研究。

2 應(yīng)用研究思路和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

2.1 通風(fēng)洞和交通洞TBM 應(yīng)用研究思路

抽蓄電站通風(fēng)洞通往廠房的頂層，交通洞一般通往廠房第三層的安裝間，均作為廠房開(kāi)挖期間的施工通道。洞室凈斷面尺寸一般在8×8m（寬×高）左右，開(kāi)挖斷面在9m 左右。使用TBM 開(kāi)挖通風(fēng)洞、交通洞理論上是可行的，但需要解決以下四個(gè)問(wèn)題：

洞徑尺寸統(tǒng)一。通風(fēng)洞和交通洞洞型均為城門(mén)洞型，TBM 設(shè)備開(kāi)挖斷面為圓形，在保障大件設(shè)備運(yùn)輸?shù)那疤嵯滦柽M(jìn)行洞徑優(yōu)化，將通風(fēng)洞和交通洞洞徑尺寸統(tǒng)一，同時(shí)確保TBM 設(shè)備開(kāi)挖后的斷面尺寸滿足電站使用要求；掘進(jìn)路線。為降低設(shè)備的使用成本，需盡可能地增加連續(xù)掘進(jìn)長(zhǎng)度，減少設(shè)備拆裝次數(shù)。TBM 無(wú)論從通風(fēng)洞進(jìn)入或從交通洞進(jìn)入，掘進(jìn)至廠房部位后，已掘進(jìn)段經(jīng)支護(hù)襯砌后斷面變小，設(shè)備已無(wú)法原路退回，廠房附近也不具備拆機(jī)條件。為實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)設(shè)備需穿越廠房，在掘完另一條洞室后在洞外拆機(jī)。因此，TBM 掘進(jìn)路線需經(jīng)通風(fēng)洞和交通洞并貫穿廠房進(jìn)行布置。

洞線優(yōu)化。TBM 在公路、鐵路、引水工程使用時(shí)，縱向坡度一般在3%以?xún)?nèi)，通風(fēng)洞和交通洞綜合坡度一般在5%左右，廠房段坡度約在10%。轉(zhuǎn)彎半徑方面，根據(jù)初步的設(shè)備設(shè)計(jì)TBM 長(zhǎng)度約在100m，最小轉(zhuǎn)彎半徑約在300m。需對(duì)交通洞、通風(fēng)洞的洞線進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)設(shè)備的轉(zhuǎn)彎半徑及爬坡需求。TBM 設(shè)備廠家需要針對(duì)抽水蓄能電站坡度變化情況進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，以適應(yīng)該部位掘進(jìn)需要；出渣方式。出渣效率制約著整體掘進(jìn)效率，TBM 設(shè)備配套的出渣方式一般為有軌機(jī)車(chē)或皮帶機(jī)出渣，有軌機(jī)車(chē)出渣方式一般適用于3%以?xún)?nèi)的坡度，皮帶機(jī)出渣方式適用于長(zhǎng)距離直線出渣，交通洞和通風(fēng)洞部位坡度大于3%，同時(shí)進(jìn)出廠房段有大角度轉(zhuǎn)彎，需TBM 設(shè)備廠家結(jié)合實(shí)際情況對(duì)設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性研究。

2.2 引水斜井TBM 應(yīng)用研究思路

受制于反井鉆機(jī)施工工法的限制，國(guó)內(nèi)抽蓄電站將長(zhǎng)斜井進(jìn)行分段設(shè)計(jì)（圖1），在兩條斜井間設(shè)置平洞，縮短單條斜井長(zhǎng)度以降低斜井的施工難度。TBM 設(shè)備相對(duì)于反井鉆機(jī)不受施工長(zhǎng)度限制，連續(xù)掘進(jìn)距離越長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)越大，因此研究將上斜井、下斜井合為一條長(zhǎng)斜井使用TBM 施工是可行的。引水斜井使用TBM 施工需要解決以下三個(gè)問(wèn)題：

斷面尺寸統(tǒng)一。以某抽水蓄能電站為例，引水上斜井凈斷面直徑為6.5m、長(zhǎng)度325m，下斜井凈斷面直徑為5.6m、長(zhǎng)度332m，上、下斜井尺寸不統(tǒng)一。TBM 設(shè)備一般通過(guò)在刀盤(pán)下增加墊片的方式實(shí)現(xiàn)小范圍變徑，變徑范圍在100mm 內(nèi)，無(wú)法滿足加大的變徑要求，且斜井段施工坡度較大，通過(guò)設(shè)備改造方式進(jìn)行變徑較為困難，因此需設(shè)計(jì)單位在保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下統(tǒng)一斜井上、下段斷面尺寸。

設(shè)備研發(fā)。目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有斜井TBM 施工案例，也沒(méi)有可直接使用的斜井TBM 設(shè)備，需TBM 設(shè)備廠家根據(jù)抽水蓄能電站的地質(zhì)條件、開(kāi)挖斷面、斜井坡度、支護(hù)要求等開(kāi)展針對(duì)性設(shè)計(jì)。重點(diǎn)研究解決設(shè)備開(kāi)挖掘進(jìn)、防溜設(shè)計(jì)、出渣、通風(fēng)、材料運(yùn)輸、不良地質(zhì)段支護(hù)等問(wèn)題，結(jié)合斜井布置情況，研究設(shè)備組裝、步進(jìn)、拆機(jī)、轉(zhuǎn)場(chǎng)等一系列問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施。

長(zhǎng)斜井方案優(yōu)化。有三種優(yōu)化思路，一是將上斜井、中平洞、下斜井合并為一條斜井，引水上平洞、下平洞位置不變；二是將上斜井、中平洞、下斜井合并為一條斜井，這種布置方式斜井長(zhǎng)度較長(zhǎng)、坡度較緩，對(duì)TBM 施工比較有利，但需重點(diǎn)考慮引水調(diào)壓井設(shè)計(jì)的可行性；三是引水上平洞和上斜井調(diào)整為一級(jí)斜井，保留中平洞和下斜井。以上三種方案需針對(duì)不同引水系統(tǒng)條件進(jìn)行對(duì)比分析，確定最優(yōu)方式。

2.3 排水系統(tǒng)TBM 應(yīng)用研究思路

圖1 抽水蓄能電站引水系統(tǒng)典型布置示意圖

排水系統(tǒng)分為兩部分：一部分是廠房排水系統(tǒng)，為環(huán)繞電站主廠房、主變洞周邊設(shè)置的排水廊道系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)置一條自流排水洞將廠房排水廊道及排水孔滲水等自流排出；一部分是壓力管道排水系統(tǒng)，一般由中平洞壓力鋼管排水廊道和下平洞排水廊道組成。排水系統(tǒng)傳統(tǒng)施工方法為鉆爆法施工，由于洞室洞徑小、埋深大，存在施工效率低、施工環(huán)境差、安全風(fēng)險(xiǎn)大、質(zhì)量不易控制等問(wèn)題，使用TBM進(jìn)行排水系統(tǒng)施工在安全和質(zhì)量上有較大優(yōu)勢(shì)。抽水蓄能電站排水系統(tǒng)使用TBM 施工，需要解決以下三個(gè)問(wèn)題：

布置方案研究。為使TBM 施工更加經(jīng)濟(jì)，排水系統(tǒng)隧洞應(yīng)盡可能多的連通起來(lái)，需研究如何一次性完成廠房三層排水廊道施工的問(wèn)題。為進(jìn)一步發(fā)揮TBM 長(zhǎng)距離連續(xù)掘進(jìn)的優(yōu)勢(shì)，具備條件的電站，可考慮自流排水洞、廠房排水廊道、下平洞排水廊道連續(xù)掘進(jìn)施工，具體施工方式需結(jié)合其它洞室的布置方案進(jìn)行綜合考慮。同時(shí)為滿足TBM 出渣要求，還需盡可能降低縱坡以匹配出渣方式及出渣設(shè)備對(duì)坡度的適應(yīng)能力。

圖2 某電站排水系統(tǒng)TBM 施工布置示意圖

設(shè)備小型化，小轉(zhuǎn)彎半徑要求。廠房排水系統(tǒng)呈螺旋形空間立體布置，每層廊道大致呈矩形，轉(zhuǎn)彎半徑一般在30～40m，轉(zhuǎn)彎半徑小，急轉(zhuǎn)彎位置多，需對(duì)TBM 進(jìn)行小轉(zhuǎn)彎針對(duì)性設(shè)計(jì)，對(duì)TBM設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)彎施工參數(shù)控制提出了全新要求。各抽水蓄能電站排水隧洞斷面尺寸變化不大，用于排水洞施工的TBM 具有廣泛的工程適應(yīng)性，可在本工程內(nèi)或不同工程見(jiàn)轉(zhuǎn)場(chǎng)使用，故要求TBM 設(shè)備盡可能短小、緊湊、方便快速拆裝。常規(guī)TBM長(zhǎng)度達(dá)到300m，而排水系統(tǒng)TBM 設(shè)備整機(jī)長(zhǎng)度應(yīng)盡量控制在50m 以?xún)?nèi)。如何實(shí)現(xiàn)高效率、高設(shè)備完好性條件下的TBM 緊湊設(shè)計(jì)是工程面臨的挑戰(zhàn)。

初期支護(hù)。采用TBM 施工，Ⅲ類(lèi)及以下圍巖穩(wěn)定性較好的洞段支護(hù)工程量較鉆爆法可大幅減少。然而針對(duì)Ⅳ類(lèi)及以上圍巖及斷層破碎帶等不良地質(zhì)條件下，支護(hù)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)關(guān)注。由于設(shè)備小型化要求，小斷面TBM 無(wú)法搭載過(guò)于復(fù)雜的初期支護(hù)設(shè)備，若采用人工輔助支護(hù)，既無(wú)法保證支護(hù)的及時(shí)性又降低施工效率。如何進(jìn)行排水隧洞初期支護(hù)設(shè)計(jì)，既能保證施工安全又便于施工，也是一大難點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)階段抽水蓄能項(xiàng)目地下隧洞采用TBM 施工，在純經(jīng)濟(jì)性方面往往無(wú)法與鉆爆法比肩，采用TBM 施工應(yīng)從安全、質(zhì)量、環(huán)保、施工進(jìn)度等各方面綜合效益出發(fā)，進(jìn)行全面技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，充分發(fā)揮TBM 技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

抽蓄地下隧洞進(jìn)行TBM 試點(diǎn)或推廣應(yīng)用的思路應(yīng)著力于解決傳統(tǒng)施工方法的痛點(diǎn)及難點(diǎn)，各個(gè)應(yīng)用方向應(yīng)有不同的著力點(diǎn)。其中，通風(fēng)洞和交通洞應(yīng)用TBM 施工有利于縮短籌建期施工工期，提前進(jìn)行廠房施工，為項(xiàng)目提前投產(chǎn)發(fā)電創(chuàng)造有利條件；利用TBM 進(jìn)行引水系統(tǒng)斜井的開(kāi)挖，使引水系統(tǒng)的立面設(shè)計(jì)更為靈活，可減少引水隧洞長(zhǎng)度、改善水力學(xué)條件、節(jié)約工程量，對(duì)斜井施工質(zhì)量和安全控制也有本質(zhì)上的提升，對(duì)引水斜井的設(shè)計(jì)和施工具有較大的技術(shù)創(chuàng)新意義；利用TBM 進(jìn)行排水系統(tǒng)的開(kāi)挖，從根本上改變了小斷面平洞采用鉆爆法施工時(shí)機(jī)械化程度低、通風(fēng)散煙條件差、施工作業(yè)環(huán)境差的問(wèn)題，可極大改善該部位現(xiàn)場(chǎng)施工人員的職業(yè)健康環(huán)境。

以上部位采用TBM 施工，在改善施工作業(yè)環(huán)境、設(shè)計(jì)施工技術(shù)突破、節(jié)約工程工期上各有特點(diǎn)。抽水蓄能項(xiàng)目地下隧洞的TBM 應(yīng)用，需針對(duì)不同部位做具體分析，解決其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，論證其合理性及可行性。