抽水蓄能電站地下洞室開挖設(shè)備選型及TBM技術(shù)研究

王洪玉，劉金祥，荊岫巖，賈連輝，潘福營，于慶增

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京100761；2.中鐵電建重型裝備制造有限公司，昆明650000；3.國家電網(wǎng)有限公司，北京100033；4.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，鄭州450000）

據(jù)調(diào)研，全國“十三五”期間新開工抽水蓄能電站（以下簡稱“抽蓄電站”）裝機(jī)功率達(dá)到60 000 MW 左右，預(yù)計2025年將達(dá)到約90 000 MW。隨著我國新興能源的大規(guī)模開發(fā)利用，抽水蓄能電站的配置由過去單一的側(cè)重于用電負(fù)荷中心逐步能源基地、送出端和落地端等多方面發(fā)展。新能源的迅速發(fā)展需要加速抽水蓄能電站建設(shè)，目前在建的抽水蓄能電站有二十多座［1］。

抽蓄電站工程主要由上水庫、下水庫、引水系統(tǒng)、地下廠房、地下洞室群等構(gòu)成，地下洞室群包括進(jìn)廠交通洞、通風(fēng)安全洞、自流排水洞、排水廊道、主副廠房、主變洞、尾閘室及其附屬洞室、尾水隧洞、尾水調(diào)壓室及其附屬洞室、泄洪排沙洞等（以下簡稱平洞）和引水斜井（以下簡稱斜井）。地下洞室數(shù)量近百條，長度約30 km。

抽蓄電站工程的特點(diǎn)：①圍巖完整性好，巖石致密堅硬，以Ⅱ、Ⅲ類為主；②隧洞直徑大小皆有（大至10 m 以上，小至3 m左右）；③長距離大坡度斜井（坡度60°，長度接近1 km，且需要轉(zhuǎn)換）；④超小曲線連續(xù)轉(zhuǎn)彎（R30 m，口字形）；⑤大直徑深豎井開挖。

1 世界抽蓄電站施工現(xiàn)狀

1.1 國外施工現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代以后，國外抽蓄電站得到了快速發(fā)展。歐洲抽水蓄能電站平洞施工通常采用鉆爆法，也有采用全斷面掘進(jìn)機(jī)TBM 的案例。瑞士瓦萊州的Nant de Drance 抽蓄電站采用海瑞克公司的直徑9.45 m 開敞式隧道掘進(jìn)機(jī)開挖地下基礎(chǔ)隧洞［2］。日本抽蓄電站平洞采用多臂臺車為主要施工機(jī)械。

國外抽蓄電站斜井的施工多采用TBM 設(shè)備，技術(shù)比較成熟，在抽蓄電站工程中采用斜井TBM 的成功案例有近百個，其中德國維爾特公司提供了超過50%的斜井TBM。施工工藝為導(dǎo)井TBM（自下而上）+擴(kuò)挖TBM（自上而下），導(dǎo)井TBM 直徑一般在3 m 左右，通過擴(kuò)挖TBM 二次開挖到達(dá)斜井?dāng)嗝娉叽?。瑞士的Corbes-Le Chatelard 壓力斜井項(xiàng)目、Kraftwerk Limmern 水電站項(xiàng)目、日本鹽原、神流川等項(xiàng)目都是斜井TBM 在抽水蓄能電站的成功應(yīng)用。

1.2 國內(nèi)施工現(xiàn)狀

國內(nèi)從20世紀(jì)60年代末開始抽水蓄能電站建設(shè)，經(jīng)過近60年的發(fā)展，平洞和斜井開挖目前普遍采用“鉆爆法”施工，施工進(jìn)度較慢（每月70～100 m）。平洞開挖主要機(jī)械設(shè)備有手風(fēng)鉆、架子鉆、多臂臺車；斜井開挖設(shè)備有爬罐、反井鉆機(jī)等。

近年來，受全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（以下簡稱“TBM”）技術(shù)的不斷進(jìn)步，在鐵路、公路、水利、城市地鐵等工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用，包括斜井TBM 在煤礦領(lǐng)域也有應(yīng)用案例［3-7］。基于此，抽蓄電站領(lǐng)域的專家學(xué)者也在積極推進(jìn)TBM 工法在地下洞室施工方面的研究。徐艷群［8］等總結(jié)了國外抽水蓄能電站施工斜井TBM 的經(jīng)驗(yàn)，以文登電站斜井為例對反井鉆法和TBM 法施工費(fèi)用進(jìn)行測算；張軍［9］等進(jìn)行了抽水蓄能電站引水斜井開挖采用TBM 技術(shù)的研究；山東文登抽水蓄能電站上層排水廊道試驗(yàn)段首次采用中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司研制的超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM掘進(jìn)，取得成功［10］。這些研究和實(shí)踐集中在斜井TBM及小洞徑TBM 方面，沒有針對抽水蓄能電站地下洞室開挖機(jī)械設(shè)備選型方面和抽水蓄能TBM關(guān)鍵技術(shù)的研究。

2 抽蓄電站地下洞室開挖機(jī)械設(shè)備選型原則及流程

抽蓄電站地下洞室開挖機(jī)械設(shè)備選型主要由地質(zhì)條件和使用要求決定。在抽蓄電站地下洞室設(shè)計過程中，首先應(yīng)對抽蓄電站機(jī)械設(shè)備進(jìn)行選型，做到配套合理、充分發(fā)揮設(shè)備的綜合效能。

抽蓄電站地下洞室機(jī)械設(shè)備選型遵循以下原則：①大型機(jī)械設(shè)備地質(zhì)適應(yīng)性原則；②大型機(jī)械設(shè)備施工條件適用性原則；③機(jī)械設(shè)備先進(jìn)性、安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一原則；④環(huán)境保護(hù)（非爆開挖）“一票否決制”原則。

3 抽蓄電站地下洞室開挖機(jī)械設(shè)備選型及采用TBM工法的可行性

根據(jù)圖1的抽水蓄能電站機(jī)械設(shè)備選型流程圖，對TBM 掘進(jìn)機(jī)、懸臂掘進(jìn)機(jī)、多臂臺車、反井鉆機(jī)等地下隧洞開挖設(shè)備進(jìn)行調(diào)研，通過工程地質(zhì)條件、施工條件、施工管理、文明施工、社會效益、經(jīng)濟(jì)性等方面討論TBM技術(shù)的可行性。

3.1 TBM適應(yīng)性分析

（1）工程地質(zhì)條件。TBM 掘進(jìn)機(jī)、懸臂掘進(jìn)機(jī)、多臂臺車、反井鉆機(jī)等設(shè)備適用的工程地質(zhì)條件如表1所示。從圍巖類別、巖石強(qiáng)度、埋深、洞徑斷面、洞徑長度、坡度、轉(zhuǎn)彎半徑等工程地質(zhì)條件分析，TBM 掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)抽水蓄能電站的工程地質(zhì)條件。

表1 各類機(jī)械設(shè)備適應(yīng)的工程地質(zhì)條件Tab.1 Engineering geological conditions of various mechanical equipment

（2）施工條件。由于抽水蓄能電站廠房后期需運(yùn)輸大型發(fā)電設(shè)備，一般都具備道路運(yùn)輸條件、供水、供電條件；TBM 掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)抽水蓄能電站的施工條件。

（3）施工管理。TBM 施工作業(yè)人員可在盾體保護(hù)下作業(yè)，開挖直徑由TBM 刀盤、刀具保證，克服了鉆爆法機(jī)械超挖、欠挖及洞室圍巖擾動問題，施工安全和質(zhì)量比鉆爆法（懸臂掘進(jìn)機(jī)、多臂臺車、反井鉆機(jī)）施工完全有保證。TBM 在施工初期及末期需要組裝和拆機(jī)影響施工進(jìn)度，但TBM 施工正常掘進(jìn)時可連續(xù)施工，開挖效率可以得到保證；鉆爆法施工安全管理成本較高且易受到爆破管制的限制，開挖進(jìn)度存在不確定性，TBM 開挖綜合效率是鉆爆法的4～6 倍［1］。從施工管理角度，抽水蓄能電站領(lǐng)域TBM工法優(yōu)于傳統(tǒng)鉆爆法。

（4）社會效益。TBM 法施工是非爆工法，利于環(huán)境保護(hù)和勞動力保護(hù)，符合當(dāng)前綠色施工的新要求。鉆爆法現(xiàn)場施工作業(yè)人員較多，勞動力流動性較大、專業(yè)技能水平不高，抽水蓄能電站領(lǐng)域施工向少人化、智能化方向發(fā)展，應(yīng)用TBM 施工技術(shù)是社會發(fā)展的必然趨勢。從社會效益方面，TBM 工法要優(yōu)于傳統(tǒng)鉆爆法。

（5）經(jīng)濟(jì)性。TBM 屬定制設(shè)備，一次性固定資產(chǎn)投入大，相比鉆爆設(shè)備（懸臂掘進(jìn)機(jī)、多臺車、反井鉆機(jī)）沒有成本優(yōu)勢，但可通過提前規(guī)劃設(shè)計，統(tǒng)一電站隧洞斷面，通過“多站連打”來分?jǐn)傇O(shè)備成本，實(shí)現(xiàn)TBM設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

3.2 抽蓄電站TBM應(yīng)用

山東文登上、中、下層排水廊道首次試驗(yàn)采用φ3.53 m 的TBM 施工，總長約2.4 km，圍巖以花崗巖為主，單周飽和抗壓強(qiáng)度140 MPa 以上，平均進(jìn)尺每月約300 m，施工人員減少10 人，工期節(jié)省兩個月以上，施工管理難度降低。

TBM 法施工洞壁光滑，擾動小，成洞質(zhì)量遠(yuǎn)高于鉆爆法，如圖2所示。

鉆爆法每延米成本約6 000 元，TBM 法（試驗(yàn)段設(shè)備費(fèi)按6 km 折舊，但TBM 壽命可達(dá)15 km 以上）每延米成本約1 萬元，TBM 法掘進(jìn)成本高，但通過連續(xù)施工多個抽蓄電站，增加掘進(jìn)里程，降低設(shè)備折舊分?jǐn)傎M(fèi)用來降低TBM的掘進(jìn)成本。

4 抽蓄電站TBM關(guān)鍵技術(shù)

綜合上述分析，擬對現(xiàn)階段采用TBM 工法具有較大優(yōu)勢的部分隧洞開展TBM 技術(shù)研究，主要包括進(jìn)廠交通洞＆通風(fēng)安全洞、排水廊道和引水斜井，該三類隧洞具有各自的特點(diǎn)，且進(jìn)廠交通洞＆通風(fēng)安全洞為地下洞室施工的關(guān)鍵線路。以下分別針對該三類隧洞進(jìn)行TBM關(guān)鍵技術(shù)研究。

4.1 交通洞＆通風(fēng)安全洞TBM關(guān)鍵技術(shù)

4.1.1 工程特點(diǎn)

河北省撫寧抽蓄電站隧洞巖性以混合花崗巖與鉀長花崗巖為主，單軸飽和抗壓強(qiáng)度150 MPa，最小轉(zhuǎn)彎半徑R90 m。交通洞＆通風(fēng)安全洞線路規(guī)劃如圖3所示。

4.1.2 TBM選型

交通洞及通風(fēng)安全洞以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，開挖洞徑在9 m左右，敞開式和護(hù)盾式TBM 都可滿足地質(zhì)條件。但隧洞線路要求TBM 具有＜R100 m 的轉(zhuǎn)彎能力，要求的轉(zhuǎn)彎半徑約為10 倍洞徑。敞開式TBM 主機(jī)較長，受結(jié)構(gòu)限制，最小轉(zhuǎn)彎半徑為40倍洞徑，約R300～R500 m。護(hù)盾式TBM 盾體之間通過油缸鉸接，具備實(shí)現(xiàn)小轉(zhuǎn)彎的可行性。交通洞及通風(fēng)安全洞TBM 選型為一種新型TBM結(jié)構(gòu)。

4.1.3 TBM關(guān)鍵技術(shù)

（1）大直徑小轉(zhuǎn)彎TBM 主機(jī)設(shè)計技術(shù)。大直徑小轉(zhuǎn)彎TBM主機(jī)結(jié)合敞開式TBM 和雙護(hù)盾TBM 的共同優(yōu)勢，設(shè)計的一種新型TBM（見圖4），其結(jié)合雙護(hù)盾TBM 與敞開式TBM 技術(shù)特點(diǎn)，主機(jī)采用雙護(hù)盾TBM 主機(jī)設(shè)計，支護(hù)系統(tǒng)采用敞開式TBM錨網(wǎng)噴支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計，不僅實(shí)現(xiàn)了小轉(zhuǎn)彎掘進(jìn)，且無需安裝管片，同時在不良圍巖時又具備錨噴支護(hù)能力。新型TBM 主機(jī)由刀盤、前盾、鉸接推進(jìn)油缸、支撐盾及撐靴組成。

（2）小曲線TBM 主機(jī)姿態(tài)控制技術(shù)。小曲線TBM 主機(jī)姿態(tài)控制如圖5所示，在掘進(jìn)時撐靴撐緊洞壁，根據(jù)隧道設(shè)計的小曲線轉(zhuǎn)彎半徑曲率，計算出一次掘進(jìn)換步周期內(nèi)各油缸的伸長量；通過控制油缸動作實(shí)現(xiàn)極小曲線轉(zhuǎn)彎，同時由TBM 的激光導(dǎo)向系統(tǒng)對主機(jī)的位姿進(jìn)行實(shí)時檢測，實(shí)時修正各油缸的伸長量，達(dá)到步進(jìn)距離后收回?fù)窝?，支撐盾及后配套系統(tǒng)在油缸回收力的作用下向前步進(jìn)，完成一個小曲線轉(zhuǎn)彎周期的掘進(jìn)。

（3）隧洞出渣技術(shù)。為保證出渣的連續(xù)性，出渣方案為渣車出渣，在TBM 后配套段尾部設(shè)計旋轉(zhuǎn)平臺和左右移動溜渣槽，兩輛渣車左右并列停放。當(dāng)空渣車進(jìn)洞后，在旋轉(zhuǎn)平臺處進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)掉頭（見圖6），然后后退至接渣工位，接渣完成后，再直接開出洞外。旋轉(zhuǎn)平臺通過鋼絲繩與設(shè)備連接，隨設(shè)備一起前移。

4.1.4 工程應(yīng)用

撫寧抽蓄電站位于秦皇島療養(yǎng)地區(qū)，每年有6～7 個月時間禁止爆破作業(yè)，對施工進(jìn)度影響較大。根據(jù)環(huán)境保護(hù)（非爆開挖）“一票否決制”原則，優(yōu)先采用TBM 法施工，但受工程條件限制傳統(tǒng)TBM 無法滿足要求?；谏鲜龅年P(guān)鍵技術(shù)，解決了TBM小半徑轉(zhuǎn)彎及導(dǎo)向難題，交通洞短距離掘進(jìn)采用此出渣技術(shù)比傳統(tǒng)TBM常規(guī)的皮帶機(jī)出渣方式經(jīng)濟(jì)性提高30%。

4.2 排水廊道TBM選型及關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 TBM選型

排水廊道地質(zhì)條件以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，其要求轉(zhuǎn)彎半徑更小，僅有8 倍洞徑（約R30 m），TBM 選型為緊湊型的護(hù)盾式TBM。

4.2.2 TBM關(guān)鍵技術(shù)

（1）V型推進(jìn)系統(tǒng)。TBM 主機(jī)采用V型推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計，取消扭矩油缸，擴(kuò)大轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下盾體的調(diào)節(jié)能力，實(shí)現(xiàn)R30 m的超小轉(zhuǎn)彎半徑施工，如圖7所示。

（2）緊湊型后配套設(shè)計。TBM 整機(jī)由主機(jī)和后配套組成，主控室與TBM 分開布置，縮短整機(jī)長度。皮帶機(jī)設(shè)計采用短皮帶架設(shè)計，浮動式結(jié)構(gòu)，皮帶架沿上下、左右可調(diào)節(jié)。TBM 后配套斷面如圖8所示。

4.2.3 工程應(yīng)用

山東文登排水廊道隧洞呈螺旋形設(shè)計，隧洞長度較短，并且TBM 需多次拆裝機(jī)和轉(zhuǎn)場運(yùn)輸，通過上述關(guān)鍵技術(shù)，TBM 整機(jī)總長約35 m，主機(jī)長度7 m，后配套比常規(guī)TBM 長度縮小了80%，極大了拆提高了拆裝機(jī)和轉(zhuǎn)場運(yùn)輸時的效率，總工期比采用鉆爆法減少2個月。

4.3 斜井TBM選型及關(guān)鍵技術(shù)

4.3.1 工程特點(diǎn)及TBM選型

洛寧抽水蓄能電站引水斜井地質(zhì)以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，隧洞坡度大于80%，采用錨噴支護(hù)。綜合引水斜井工程地質(zhì)條件，采用具有安全防溜車功能的斜井TBM。

4.3.2 TBM關(guān)鍵技術(shù)

（1）大坡度掘進(jìn)可靠性、安全性。直徑＞7 m，隧道傾角39°的斜井TBM 在國內(nèi)還沒有應(yīng)用案例，相對于平洞掘進(jìn)，對TBM掘進(jìn)及人員作業(yè)的安全性提出了較高要求，需要采用雙重安全防溜車（ABS）裝置。ABS 裝置主要克服自身、TBM 主機(jī)及后配套重力下滑分量的作用，通過相關(guān)案例分析，安全系數(shù)應(yīng)大于3.5。同時ABS裝置配備了獨(dú)立的液壓動力裝置，并且采用帶自鎖功能的蓄能器撐緊油缸，即使在意外斷電情況下也可以提供充分的壓緊力。

雙重ABS裝置的安全設(shè)計需滿足下式：

式中：S為ABS 的安全系數(shù)；FHt為ABS 裝置產(chǎn)生的摩擦力；FAb為整機(jī)向下的分力；Fz為液壓絞車最大拉力；F為ABS裝置的撐緊力；μ為撐靴與洞壁的摩擦系數(shù)；GM為主機(jī)重量；GR為防溜裝置重量；GN為后配套重量；α為隧道傾角；μg為后配套滑車裝置與洞壁之間的摩擦系數(shù)；g為重力系數(shù)；β為滑車受力點(diǎn)與隧道垂線的夾角（見圖9和圖10）。

以洛寧斜井TBM 項(xiàng)目為例，設(shè)計參數(shù)如下：主機(jī)重量GM=5 500 kN；防溜裝置重量GR=1 500 kN；后配套重量GN=1 500 kN；后配套滑車裝置與洞壁之間的最小摩擦系數(shù)μg=0.35；隧道傾角α=39°；滑車受力點(diǎn)與隧道垂線的夾角β=27.6°；液壓絞車最大拉力Fz=260 kN；ABS 裝置的撐緊力F=24 531 kN（防溜裝置油缸提供，缸徑250@250 bar），經(jīng)計算，S=3.75，滿足使用要求。

（2）大坡度物料運(yùn)輸。運(yùn)輸材料包括支護(hù)材料（如工字鋼、噴混凝土材料、混凝土等）、設(shè)備配件、耗材等，采用液壓絞車方式運(yùn)輸。液壓絞車布置在斜井底部位置，需應(yīng)根據(jù)斜井長度、斷面大小、運(yùn)輸能力、運(yùn)輸干擾程度、污染情況、隧道基底形式等因素進(jìn)行設(shè)計。液壓絞車提升系統(tǒng)運(yùn)行速度要穩(wěn)定，且需要滿足掘進(jìn)速度要求，鋼絲繩的牽引力按照GB/T29086-2012《鋼絲繩安全使用和維護(hù)》標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼絲繩設(shè)計不低于6倍的安全系數(shù)。

4.3.3 工程應(yīng)用

洛寧抽蓄電站位于洛寧縣，若采用反井鉆機(jī)開挖引水斜井，受反井鉆機(jī)單次最大開挖300～400 m能力的限制，需分上斜井、中平洞、下斜井三段開挖總長約1 300 m，并需設(shè)置3條出渣施工支洞，同時存在施工安全隱患。根據(jù)機(jī)械設(shè)備先進(jìn)性、安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一原則，規(guī)劃采用斜井TBM 開挖，優(yōu)化施工線路縮短至為920 m，減少兩條施工支洞。采用上述關(guān)鍵技術(shù)對傳統(tǒng)TBM 增加安全裝置和物料運(yùn)輸裝置，斜井TBM 掘進(jìn)可達(dá)每月200 m，預(yù)計節(jié)省3個月的工期。

5 結(jié) 論

現(xiàn)階段抽蓄電站地下隧洞開挖仍主要采用鉆爆法施工，隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，抽蓄電站有提高施工管理水平，采用智能化、少人化大型機(jī)械設(shè)備的需求，對大型機(jī)械設(shè)備施工的機(jī)械化程度、可靠性、自動化等方面有更高要求。

抽蓄電站地質(zhì)條件、施工條件均較好，TBM 設(shè)備具備使用條件，但抽蓄電站工程條件與傳統(tǒng)的鐵路、引水隧洞區(qū)別較大，傳統(tǒng)TBM需要依據(jù)具體工程條件開展針對性的選型設(shè)計。

隨著中鐵工程裝備TBM 在山東文登抽蓄電站排水廊道應(yīng)用成功，具有高質(zhì)、高效、少人化的優(yōu)勢。抽蓄地下隧洞工程已經(jīng)具備采用TBM 機(jī)械化開挖的條件，下一步TBM 需要繼續(xù)做好與多個抽蓄電站工程的深度融合，加強(qiáng)TBM 關(guān)鍵技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)“多站聯(lián)打”，加速TBM技術(shù)推廣。