基于TBM施工的抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞斷面研究

尚海龍，吳朝月，李 冰，潘福營，王 凱

(1.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761)

0 引言

抽水蓄能電站地下隧洞群規(guī)模大、項(xiàng)目繁多、工程量大，特別是地下隧洞斷面形式多樣，尺寸大小不一，比較適合鉆爆法施工，但鉆爆法開挖存在施工機(jī)械化程度低、勞動力投入大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工工期長、作業(yè)面環(huán)境差等不利因素。

目前,在公路、鐵路及水利工程的隧洞開挖中已廣泛應(yīng)用全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine，簡稱 TBM)。TBM施工技術(shù)具有安全環(huán)保、自動化程度高、節(jié)約勞動力、施工速度快等優(yōu)點(diǎn), 可以實(shí)現(xiàn)隧洞工程的全機(jī)械化施工,可顯著提升隧洞開挖的施工質(zhì)量、安全水平和工期保證率。

由于TBM設(shè)備開挖的洞徑尺寸可調(diào)整范圍很小(一般不超過30 cm)，單個(gè)抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞設(shè)計(jì)長度又有限(一般不超過2 km)，而根據(jù)水電工程已有研究成果[1]表明，TBM施工洞長為5～10 km才能與鉆爆法具有相同的經(jīng)濟(jì)合理性，因此，一般單座抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞施工時(shí)不具備單獨(dú)配置TBM設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。為了在抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞開挖中發(fā)揮TBM安全環(huán)保、高效快速等優(yōu)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)TBM多站連打，以降低隧洞開挖安全管理風(fēng)險(xiǎn)，提高抽水蓄能電站工程總體進(jìn)度保證率，需考慮通過提高TBM在多座抽水蓄能電站間的應(yīng)用洞長以提高其經(jīng)濟(jì)性。

目前，國內(nèi)對TBM施工技術(shù)已經(jīng)開展了廣泛的應(yīng)用研究。杜立杰[2]、荊留杰等[3]主要對TBM設(shè)備研制和應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)、大坡度、高海拔、不同直徑、不同機(jī)型、超長隧洞TBM施工方面取得的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)積累和施工新技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，預(yù)測了TBM未來發(fā)展趨勢并提出了改進(jìn)建議。鄧銘江等[4]提出對深埋超長距離輸水隧洞TBM獨(dú)頭掘進(jìn)、出碴、通風(fēng)等施工組織方面，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代化的科學(xué)手段進(jìn)行系統(tǒng)攻關(guān)。趙海雷等[5]、孫振川等[6]結(jié)合工程實(shí)踐，對敞開式TBM應(yīng)對灰?guī)r隧洞不良地質(zhì)段提出了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、鋼拱架、鋼筋排和噴射混凝土聯(lián)合及時(shí)支護(hù)等一系列施工方案和措施。宋法亮等[7]針對高地?zé)帷⒏叩貞?yīng)力、斷層破碎帶、高壓突涌水等地質(zhì)條件，研究提出了TBM超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、鋼筋排和鋼拱架聯(lián)合噴射混凝土及時(shí)支護(hù)、合理調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)的施工方案和措施。鄭孝福[8]以西秦嶺特長隧道TBM施工有軌運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行情況為例，對整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)置的方法和調(diào)整過程進(jìn)行了總結(jié)，提出臨時(shí)工程設(shè)計(jì)應(yīng)重視洞外車場布置，施工過程中對有軌運(yùn)輸系統(tǒng)要運(yùn)用信息化手段進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。文獻(xiàn)[9-12]對TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法在國內(nèi)外隧洞工程中的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹和分析，就TBM直徑及導(dǎo)洞位置進(jìn)行比選, 認(rèn)為TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法能達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、縮短工期的目的，同時(shí)結(jié)合錦屏二級電站施工實(shí)踐，認(rèn)為在極強(qiáng)巖爆工況下采用TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法具有良好的效果。在文登抽水蓄能電站中，通過對抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞和引水壓力管道方面進(jìn)行TBM方案研究，提出了引水壓力斜井和交通洞、通風(fēng)洞短洞長打的施工方案[13]。呂永航[14]對抽水蓄能電站應(yīng)用TBM的開挖方式進(jìn)行了探討，提出TBM在抽水蓄能電站的開挖建設(shè)上具有推廣應(yīng)用價(jià)值。劉長利[15]針對鐵路隧道TBM施工與斷面統(tǒng)一問題，提出了采用剛性接觸網(wǎng)、減小疏散通道寬度、縮小凈空有效面積等優(yōu)化隧道內(nèi)輪廓和斷面的方法。

國內(nèi)對TBM施工技術(shù)從整體發(fā)展到具體工程應(yīng)用、從設(shè)備結(jié)構(gòu)到施工配套均開展了深入的研究，但很少針對抽水蓄能電站的隧洞系統(tǒng)進(jìn)行具體的應(yīng)用研究。本文依托國內(nèi)擬建的抽水蓄能電站，對各擬建抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞進(jìn)行通用斷面研究。首先，分析國內(nèi)已建和擬建的鉆爆法施工抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞斷面尺寸范圍；然后，對控制交通洞斷面尺寸的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，并確定其控制條件；最后，基于TBM施工技術(shù)，優(yōu)化抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞運(yùn)輸功能，提出能同時(shí)滿足多個(gè)抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞功能的通用化斷面尺寸，為TBM在抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造條件，在發(fā)揮TBM技術(shù)優(yōu)勢的條件下，提高其應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性。

1 進(jìn)廠交通洞斷面特性

一般的抽水蓄能電站工程的進(jìn)廠交通洞斷面形式和尺寸主要受運(yùn)送輸水系統(tǒng)鋼管和機(jī)電設(shè)備等大件尺寸的限制，因此，斷面尺寸各不相同，比較適合于鉆爆法施工。如國內(nèi)已建的十三陵、敦化、洪屏等項(xiàng)目，其進(jìn)廠交通洞斷面均采用城門洞型，斷面尺寸由于考慮整體運(yùn)輸鋼岔管的需要也各不相同，具體見表1。

表1 國內(nèi)已建和在建抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞尺寸

本次研究的擬建抽水蓄能電站在已確定的進(jìn)廠交通洞設(shè)計(jì)方案(采用鉆爆法施工)中，進(jìn)廠交通洞斷面也采用城門洞型，其尺寸差異較大,無論是斷面形式還是尺寸以及單洞洞長均不滿足現(xiàn)有TBM設(shè)備的施工經(jīng)濟(jì)性需要，具體見表2。

表2 國內(nèi)擬建抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞尺寸(鉆爆法)

通過對上述已建、在建和擬建的抽水蓄能電站交通洞特性分析可知，各工程交通洞凈寬基本在7.5～8.5 m，凈高在7.0～9.0 m。其中，已建和在建工程中單機(jī)容量300 MW的大部分工程的交通洞凈寬在7.5～8.0 m，凈高在7.5～8.5 m，如西龍池、寶泉、洪屏、呼蓄、沂蒙。單機(jī)容量大于300 MW的工程除洛寧、渾源交通洞凈高尺寸較大外(8.8～9.0 m)，其他如平江、桐城工程交通洞凈寬尺寸均接近8.0 m，凈高尺寸接近8.5 m；裝機(jī)容量小于300 MW的工程項(xiàng)目交通洞凈寬均在7.5 m以內(nèi)，凈高在8.2 m以內(nèi)。

綜上分析，已建和在建單機(jī)容量300 MW的抽水蓄能工程的交通洞凈寬基本在7.5～8.0 m，凈高基本在7.5～8.5 m，均可滿足工程鋼岔管整體運(yùn)輸、機(jī)電設(shè)備運(yùn)輸和施工期車輛通行需要，同時(shí)該尺寸范圍也基本能滿足單機(jī)容量小于和大于300 MW的已建和在建工程的運(yùn)輸需要。

因此，對于擬建工程應(yīng)用TBM工法完成交通洞掘進(jìn)施工(含支護(hù))，完成后的交通洞如能形成凈寬在7.5～8.5 m、凈高在8.5 m左右的斷面，就基本可以滿足工程對進(jìn)廠交通洞功能的要求。

2 進(jìn)廠交通洞洞徑控制因素確定

2.1 控制因素分類

采用鉆爆法施工的抽水蓄能電站交通洞開挖斷面尺寸通常主要受重大件運(yùn)輸和施工車輛交通影響，并需考慮斷面形狀、初期支護(hù)和永久襯砌厚度的需要。因此，決定進(jìn)廠交通洞開挖尺寸的一般因素有鋼岔管運(yùn)輸、機(jī)電設(shè)備運(yùn)輸、施工車輛交通、斷面形狀、支護(hù)形式、路面結(jié)構(gòu)尺寸等。其中，鋼岔管運(yùn)輸是進(jìn)廠交通洞斷面尺寸的控制因素。

2.2 控制因素對比分析

基于TBM施工的進(jìn)廠交通洞，鋼岔管整體運(yùn)輸是否還可以作為其斷面尺寸的控制因素，需從斷面通用性、TBM設(shè)計(jì)制造和造價(jià)等方面進(jìn)行深入的研究。

為了便于對控制因素進(jìn)行對比分析，現(xiàn)以撫寧抽水蓄能電站為例，以是否整體運(yùn)輸鋼岔管作為基本分類開展研究。

2.2.1 方案擬定

撫寧抽水蓄能電站單機(jī)容量為300 MW，鋼岔管整體尺寸為7.6 m×6.6 m×6.2 m，鋼管運(yùn)輸尺寸為φ6.2 m×3.0 m，變壓器運(yùn)輸尺寸為3.6 m×4.0 m(寬×高)，施工車輛雙向交通尺寸為6.0 m×3.4 m。

對比方案按照鋼岔管是否整體運(yùn)輸?shù)脑瓌t擬定。

1)鋼岔管整體運(yùn)輸方案。鋼岔管為主要控制因素，并滿足除鋼岔管外的壓力鋼管、機(jī)電設(shè)備和施工車輛的運(yùn)輸和交通需要。

2)鋼岔管分片運(yùn)輸方案。機(jī)電設(shè)備為主要控制因素，并滿足除鋼岔管外的壓力鋼管、施工車輛的運(yùn)輸和交通需要。

2.2.2 鋼岔管整體運(yùn)輸方案

對于鋼岔管整體運(yùn)輸，進(jìn)廠交通洞斷面需首先滿足鋼岔管、機(jī)電設(shè)備等重大件的運(yùn)輸要求，其次滿足施工車輛的雙向通行要求。鋼岔管(整體運(yùn)輸)是重大件運(yùn)輸中的控制尺寸(6.6 m×6.2 m)，施工車輛雙向通行所要求的控制尺寸為6.0 m×3.4 m。

根據(jù)上述控制尺寸要求，并考慮到TBM開挖形成的隧洞斷面為圓形，在確定斷面尺寸時(shí)，可先用重大件運(yùn)輸控制尺寸6.6 m×6.2 m作為圓形設(shè)計(jì)斷面的控制尺寸，初步確定設(shè)計(jì)斷面，再用已初步確定的設(shè)計(jì)斷面，復(fù)核施工車輛交通控制尺寸是否滿足要求，如滿足要求即可將初定斷面作為確定設(shè)計(jì)斷面。

按照大件運(yùn)輸控制尺寸初步設(shè)計(jì)的斷面見圖1，在初步設(shè)計(jì)斷面中鋼岔管運(yùn)輸與洞壁的最小距離為45 cm，符合凈空高度大于水電工程重大件最大運(yùn)輸高度0.2 m的要求[16]；根據(jù)初步設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行車輛雙向通行復(fù)核(見圖2)，該斷面滿足施工期自卸汽車的雙向交通需要，由此確定整體運(yùn)輸鋼岔管條件下進(jìn)廠交通洞的斷面開挖直徑為10.6 m。

圖1 鋼岔管整體運(yùn)輸設(shè)計(jì)斷面(單位：cm)

圖2 施工車輛通行設(shè)計(jì)斷面1(單位：cm)

2.2.3 鋼岔管分片運(yùn)輸方案

對于鋼岔管分片運(yùn)輸，進(jìn)廠交通洞斷面需首先滿足除鋼岔管外的壓力鋼管、機(jī)電設(shè)備等重大件的運(yùn)輸要求，其次滿足施工車輛的雙向通行要求。進(jìn)廠交通洞運(yùn)輸重大件的尺寸分別為φ6.2 m×3.0 m和3.6 m×4.0 m(寬×高)，進(jìn)廠交通洞車輛雙向通行尺寸為6.0 m×3.4 m。

根據(jù)進(jìn)廠交通洞斷面為圓形的特點(diǎn)，在確定斷面尺寸時(shí)，先用重大件運(yùn)輸中的最大尺寸6.2 m×3.0 m作為進(jìn)廠交通洞設(shè)計(jì)斷面的控制尺寸，初步確定設(shè)計(jì)斷面，再用已初步確定的圓形斷面復(fù)核其他控制尺寸是否滿足要求，如滿足要求即可將初定尺寸作為確定設(shè)計(jì)尺寸。

按照控制尺寸6.2 m×3.0 m(鋼管)，初步設(shè)計(jì)的斷面見圖3，在初步設(shè)計(jì)斷面中鋼岔管運(yùn)輸與洞壁的最小距離為57 cm，符合凈空高度大于水電工程重大件最大運(yùn)輸高度0.2 m的要求[16]；根據(jù)初步設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行變壓器運(yùn)輸和車輛雙向通行復(fù)核(見圖4和圖5)，該斷面滿足變壓器運(yùn)輸和車輛雙向交通需要，由此確定分片運(yùn)輸鋼岔管條件下進(jìn)廠交通洞的斷面開挖直徑為9.5 m。

圖3 壓力鋼管運(yùn)輸設(shè)計(jì)斷面(單位：cm)

圖4 變壓器運(yùn)輸設(shè)計(jì)斷面(單位：cm)

圖5 施工車輛通行設(shè)計(jì)斷面2(單位：cm)

2.3 控制因素確定

就撫寧抽水蓄能電站而言，以鉆爆法施工確定的進(jìn)廠交通洞斷面為城門洞型，其最大開挖斷面尺寸為9.4 m×9.7 m；而以TBM施工的斷面為圓形，在滿足同等功能條件下，滿足鋼岔管整體運(yùn)輸需要的開挖直徑為10.6 m，滿足鋼岔管分片運(yùn)輸需要的開挖直徑為9.5 m。可見，采用分片運(yùn)輸鋼岔管，進(jìn)廠交通洞開挖洞徑可由10.6 m調(diào)整為9.5 m，減少開挖直徑1.1 m，TBM設(shè)備設(shè)計(jì)制造直徑也隨之減少1.1 m，這不僅可降低TBM設(shè)備的設(shè)計(jì)制造難度，還可降低設(shè)備造價(jià)，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都非常有利。

另外，從有利于不同抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞斷面的統(tǒng)一和滿足抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞常用基本功能方面考慮，在進(jìn)行抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞通用洞徑研究時(shí)，不再將鋼岔管整體運(yùn)輸作為進(jìn)廠交通洞斷面設(shè)計(jì)的控制因素。

總之，基于TBM施工的抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞，控制其通用斷面的一般因素為：斷面形狀、支護(hù)形式、路面結(jié)構(gòu)尺寸、施工車輛尺寸、機(jī)電設(shè)備運(yùn)輸尺寸、鋼管運(yùn)輸尺寸。其中，機(jī)電設(shè)備是進(jìn)廠交通洞斷面尺寸的控制因素。鋼岔管整體運(yùn)輸作為特殊功能需要，是否作為決定進(jìn)廠交通洞尺寸的決定性因素需要另外通過綜合比較確定。

3 基于TBM施工的進(jìn)廠交通洞通用斷面研究

本次以國內(nèi)擬建的抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞為研究對象，按照滿足施工期和運(yùn)行期進(jìn)廠交通洞常用功能需要的原則，基于TBM施工技術(shù)，主要從機(jī)電設(shè)備、壓力鋼管和施工車輛等所需的交通要求方面，對進(jìn)廠交通洞通用斷面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。

3.1 進(jìn)廠交通洞通用斷面設(shè)計(jì)方案擬定原則

1)針對TBM施工的抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞，確定的進(jìn)廠交通洞斷面應(yīng)盡量小，從而有利于減小TBM直徑。

2)進(jìn)廠交通洞斷面需滿足機(jī)電設(shè)備重大件以及輸水系統(tǒng)壓力鋼管運(yùn)輸需要，鋼岔管尺寸適宜時(shí)可考慮整體運(yùn)輸，尺寸較大的項(xiàng)目需分片運(yùn)輸至洞內(nèi)組裝。

3)進(jìn)廠交通洞斷面尺寸應(yīng)滿足抽水蓄能電站地下洞室施工期物料運(yùn)輸車輛雙向通行需要，車輛與隧洞洞壁之間安全距離不小于0.5 m。

4)TBM施工需滿足進(jìn)廠交通洞初期支護(hù)(掛網(wǎng)噴護(hù)或鋼支撐)厚度20 cm的需要，當(dāng)不良地質(zhì)段需要增加二次支護(hù)時(shí)，增加襯砌后的進(jìn)廠交通洞斷面尺寸需滿足機(jī)電設(shè)備大件通行以及施工期雙向交通需要。

5)進(jìn)廠交通洞路面需設(shè)置排水溝，不設(shè)置電纜溝。路面兩側(cè)設(shè)置排水溝時(shí)，路面總寬度不小于7.5 m；設(shè)置中心排水溝時(shí)，路面總寬度不小于6.5 m。

3.2 設(shè)計(jì)方案擬定

通過比較分析，基于TBM施工的進(jìn)廠交通洞不受整體運(yùn)輸鋼岔管的限制，進(jìn)廠交通洞通用洞徑設(shè)計(jì)方案從隧洞支護(hù)和路面設(shè)置要求方面考慮，有以下2種方案。

1)方案1——一次開挖成型設(shè)計(jì)方案。TBM全斷面開挖形成初期支護(hù)斷面，隧洞路面結(jié)構(gòu)通過回填形成。設(shè)計(jì)方案示意圖見圖6。

圖6 一次開挖成型設(shè)計(jì)方案示意圖

2)方案2——二次擴(kuò)挖底板仰拱設(shè)計(jì)方案。TBM全斷面開挖形成初期支護(hù)斷面后，隧洞路面結(jié)構(gòu)通過二次拉底擴(kuò)挖形成。設(shè)計(jì)方案示意圖見圖7。

圖7 二次擴(kuò)挖底板仰拱設(shè)計(jì)方案示意圖

3.3 通用斷面尺寸控制條件

根據(jù)擬定的2種方案，按照滿足機(jī)電設(shè)備大件運(yùn)輸和施工期主廠房車輛交通需要確定TBM開挖隧洞的最小直徑。

3.3.1 機(jī)電設(shè)備大件運(yùn)輸需要

抽水蓄能電站較重的大件設(shè)備主要有變壓器、進(jìn)水閥及頂蓋等。本次研究的典型項(xiàng)目的重大件參數(shù)見表3。通過對比分析，擬建的抽水蓄能電站工程中最重件為主變壓器，最寬件為蝸殼/座環(huán)，最長件為橋機(jī)大梁，最高件為定子機(jī)座和主變壓器。通過對擬建抽水蓄能工程中機(jī)電設(shè)備重大件尺寸的分析，進(jìn)廠交通洞的運(yùn)輸控制尺寸為6.7 m×3.5 m(寬×高)、6.0 m×4.5 m(寬×高)和3.8 m×4.5 m(寬×高)。

表3 擬建抽水蓄能電站工程的機(jī)電設(shè)備尺寸

3.3.2 施工期開挖運(yùn)輸需要

施工期交通洞出渣運(yùn)輸車輛選擇載重20 t的自卸汽車，車寬按照2.5 m控制，車輛間橫向間距1 m，車輛與洞壁距離0.5 m，路面按照雙向單車道設(shè)計(jì)，行車道寬度不小于6.5 m，路面需考慮設(shè)置排水溝。

進(jìn)行通用斷面設(shè)計(jì)時(shí)，出渣運(yùn)輸車輛總寬取2.5 m，總高取3.4 m；運(yùn)輸大件平板車高度取1.0 m，按照基本滿足運(yùn)輸總高度需要控制隧洞設(shè)計(jì)凈高。

3.4 進(jìn)廠交通洞通用斷面設(shè)計(jì)

3.4.1 一次開挖成型設(shè)計(jì)方案(方案1)

TBM全斷面開挖形成初期支護(hù)斷面,回填形成路面，其斷面設(shè)計(jì)同2.2.3節(jié)鋼岔管分片運(yùn)輸斷面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)凈斷面見圖8。

圖8 一次開挖成型方案設(shè)計(jì)凈斷面(單位：cm)

3.4.2 二次擴(kuò)挖底板仰拱設(shè)計(jì)方案(方案2)

TBM全斷面開挖形成初期支護(hù)斷面,拉底擴(kuò)挖形成路面，設(shè)計(jì)斷面示意圖見圖9—12。

圖9 二次擴(kuò)挖底板仰拱方案運(yùn)輸座環(huán)設(shè)計(jì)斷面(單位：cm)

3.5 設(shè)計(jì)斷面分析比較

一次開挖成型設(shè)計(jì)方案(方案1)，TBM施工完成后，可立即進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)的回填施工，后續(xù)無擴(kuò)挖施工；但是,該設(shè)計(jì)斷面最小開挖洞徑(9.5 m)較大，需要進(jìn)行二次支護(hù)施工，路面結(jié)構(gòu)回填工作量較大，形成的有效凈空尺寸(6.50 m×7.73 m)較小。

圖10 二次擴(kuò)挖底板仰拱方案運(yùn)輸變壓器設(shè)計(jì)斷面(單位：cm)

二次擴(kuò)挖底板仰拱設(shè)計(jì)方案(方案2)，設(shè)計(jì)斷面開挖洞徑(8.8 m)較小，通過二次擴(kuò)挖后形成的有效凈空尺寸(7.5 m×8.3 m)大；但是，該方案TBM施工完成后還需進(jìn)行二次擴(kuò)挖形成路面結(jié)構(gòu)，并需要進(jìn)行二次支護(hù)施工。

3.5.1 設(shè)計(jì)斷面特性對比

對2個(gè)設(shè)計(jì)斷面特性進(jìn)行對比分析(見表4)：方案2，以8.8 m直徑的TBM開挖進(jìn)廠交通洞，并采用二次拉底擴(kuò)挖形成的施工期交通斷面為7.5 m×8.3 m，該方案對于TBM開挖形成的斷面回填量少，并滿足所有擬建項(xiàng)目施工交通需要。從減少設(shè)備投資和降低回填工程費(fèi)用的角度考慮，方案2比較適合作為擬建工程的通用設(shè)計(jì)斷面；從擬建項(xiàng)目地質(zhì)條件特點(diǎn)和便于現(xiàn)場施工組織方面考慮，方案1可作為備選方案。

表4 最小設(shè)計(jì)斷面特性對比

圖11 二次擴(kuò)挖底板仰拱方案施工車輛通行設(shè)計(jì)斷面(單位：cm)

圖12 二次擴(kuò)挖底板仰拱方案設(shè)計(jì)凈斷面(單位：cm)

3.5.2 費(fèi)用對比

在抽水蓄能電站選址階段，已對地下隧洞進(jìn)行過詳細(xì)的勘察，通過鉆孔和探洞查明了地下廠房包括進(jìn)廠交通洞沿線區(qū)域的斷層裂隙等不良地質(zhì)條件，地下隧洞布置時(shí)已最大限度避開了不良地質(zhì)區(qū)域。同時(shí)，為適應(yīng)不同地質(zhì)條件下的支護(hù)要求，可在TBM設(shè)備中預(yù)留錨桿鉆機(jī)、拱架安裝器等支護(hù)設(shè)備的位置，根據(jù)不同電站地質(zhì)條件加裝。

本次研究的擬建抽水蓄能電站地下廠房及進(jìn)廠交通洞圍巖分類均為Ⅲ類及以上，適用于抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞TBM施工。根據(jù)抽水蓄能電站樞紐布置特點(diǎn)，進(jìn)廠交通洞最小轉(zhuǎn)彎半徑為70 m，最大縱坡10%，可變直徑不小于30 cm, TBM設(shè)備初步選型采用敞開式。按照以上特性經(jīng)過初步詢價(jià)，8.8 m直徑的敞開式TBM設(shè)備費(fèi)用為1.35億元，9.5 m直徑的敞開式TBM設(shè)備費(fèi)用為1.6億元；此外，兩者之間的主要差異在于，TBM掘進(jìn)完成后，8.8 m直徑進(jìn)廠交通洞需增加仰拱擴(kuò)挖，9.5 m直徑進(jìn)廠交通洞需增加仰拱回填。

經(jīng)分析，方案2單位長度8.8 m直徑的TBM隧洞掘進(jìn)后增加擴(kuò)挖費(fèi)用為756元，方案1單位長度9.5 m直徑的TBM隧洞掘進(jìn)后增加仰拱回填費(fèi)用為3 240元，方案2單位長度增加費(fèi)用較方案1減少2 484元，具體見表5。

表5 不同設(shè)計(jì)斷面單位長度增加費(fèi)用對比

4 基于TBM施工的進(jìn)廠交通洞掘進(jìn)線路

由于抽水蓄能電站隧洞圍巖均以Ⅲ類及以上圍巖為主，并且TBM掘進(jìn)完成后，對全洞段的地質(zhì)條件均已查明，進(jìn)行仰拱擴(kuò)挖時(shí)Ⅱ或Ⅲ類圍巖采用控制爆破，不良地質(zhì)段采用短進(jìn)尺、弱爆破開挖并進(jìn)行及時(shí)加固支護(hù)，其安全風(fēng)險(xiǎn)可控。此類擴(kuò)挖與臺階法開挖隧洞類似，施工技術(shù)已十分成熟，施工難度不大；另外，為減少對既有支護(hù)的影響也可采用切割法。

抽水蓄能電站地下廠房一般設(shè)計(jì)尺寸較大，長約200 m，寬約25 m，高約50 m，其中上部開挖施工通道為通風(fēng)洞，中下部開挖施工通道為進(jìn)廠交通洞，進(jìn)廠交通洞和通風(fēng)洞進(jìn)口均在地面。根據(jù)抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞和通風(fēng)洞布置特點(diǎn)，應(yīng)用于抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞施工的TBM，其安裝和拆卸分別在各自洞口外，安裝和拆卸場地均在TBM進(jìn)場或者出洞前準(zhǔn)備好，對隧洞開挖工期影響不大，其施工路徑為一進(jìn)一出的線性路徑，見圖13。

圖13 進(jìn)廠交通洞TBM掘進(jìn)路線圖

鉆爆法施工路徑則由各自隧洞進(jìn)口獨(dú)頭掘進(jìn)，進(jìn)廠交通洞和通風(fēng)洞TBM掘進(jìn)完成后的地下廠房開挖施工則與鉆爆法相同。抽水蓄能電站地下廠房的開挖順序?yàn)樽陨隙路謱娱_挖，首先利用通風(fēng)洞開挖地下廠房中上層，控制開挖總高度為16 m左右，一般施工工期為8～12月；中上層開挖完成后，再利用進(jìn)廠交通洞開挖地下廠房中下層，因此，進(jìn)廠交通洞TBM掘進(jìn)完成后，可利用地下廠房中上層開挖的施工時(shí)段進(jìn)行進(jìn)廠交通洞的仰拱開挖及路面施工。進(jìn)廠交通洞掘進(jìn)完成后的施工不會對抽水蓄能電站地下廠房的開挖造成影響，且進(jìn)廠交通洞后續(xù)工作的施工進(jìn)度符合抽水蓄能電站地下廠房總體開挖進(jìn)度需要。

5 結(jié)論與建議

1)抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞作為地下發(fā)電系統(tǒng)的主要通道，單座抽水蓄能電站的進(jìn)廠交通洞斷面和尺寸差異性較大，長度短，不利于TBM的應(yīng)用。

2)基于TBM施工的抽水蓄能電站的進(jìn)廠交通洞通過一次開挖成型或者二次擴(kuò)挖底板仰拱均可滿足進(jìn)廠交通洞功能需要，其中一次開挖成型需要的最小開挖直徑為9.5 m，二次擴(kuò)挖底板仰拱需要的最小開挖直徑為8.8 m。

3)通過對擬建抽水蓄能電站群的進(jìn)廠交通洞的設(shè)計(jì)洞徑分析，8.8 m的設(shè)計(jì)開挖洞徑相對于9.5 m的設(shè)計(jì)開挖洞徑，可以減少已開挖斷面的回填量，降低設(shè)備造價(jià)，有利于降低應(yīng)用TBM施工進(jìn)廠交通洞的費(fèi)用。

4)由于擬建電站建設(shè)管理方式和工程條件各具特點(diǎn)，進(jìn)廠交通洞斷面也可先根據(jù)各自特點(diǎn)按照一次開挖成型或者二次擴(kuò)挖底板仰拱的方式進(jìn)行分類后，再通過對比分析重新確定合適的尺寸，做到同類開挖方式下的斷面統(tǒng)一，達(dá)到實(shí)現(xiàn)多站連打、提高TBM施工經(jīng)濟(jì)性的目的。

5)對于采用TBM施工的擬建抽水蓄能電站，還需解決各個(gè)擬建項(xiàng)目的應(yīng)用時(shí)序問題，以保證TBM在各擬建工程之間有序轉(zhuǎn)移和銜接。

6)對于應(yīng)用TBM施工的抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞，建議開展支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)研究工作，建立相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系作為抽水蓄能電站隧洞TBM施工質(zhì)量控制和評定的依據(jù)。