抽水蓄能電站引水斜井TBM施工關(guān)鍵技術(shù)研究

張祥富，朱靜萍，楊 朝，童 慧，任 鑫，岳金文，鐘聚光

(1. 湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南 岳陽 471700； 2. 中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

截至2020年底，我國抽水蓄能電站裝機(jī)容量3 000萬kW，為實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，我國“十四五”及未來電力系統(tǒng)對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[1]。

抽水蓄能電站引水斜井具有斷面大、長度長、傾角陡等特點(diǎn)，其開挖通常采用反井鉆開挖導(dǎo)井、常規(guī)鉆爆法擴(kuò)挖的施工工藝，面臨的主要問題有：斜井施工長度受反井鉆設(shè)備施工能力限制，一般不宜超過400 m；導(dǎo)井開挖導(dǎo)向難度大，偏差不易控制；鉆爆法開挖的平整性差，超挖及欠挖問題普遍；通風(fēng)散煙條件差，施工速度慢，安全性差等。斜井的施工往往是抽水蓄能項目施工的重難點(diǎn)部位，也極易成為控制工期的關(guān)鍵線路，已經(jīng)成為工程建設(shè)的制約因素。

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)的大型長遂道的施工，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[2-3]。目前國內(nèi)大坡度斜井的TBM應(yīng)用與施工，尚無應(yīng)用先例，抽水蓄能項目中也鮮有TBM的應(yīng)用實施，僅在坡度小于20%(11°)的隧洞項目中，有較多的TBM應(yīng)用案例且技術(shù)成熟，但在國外已有80多個斜井項目成功應(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)時間，降低施工安全風(fēng)險，保護(hù)作業(yè)人員的安全；同時施工裝備及技術(shù)提升，也將反哺抽水蓄能電站設(shè)計，可考慮將多級短斜井合并成一級長斜井，減少引水系統(tǒng)的水力損失，優(yōu)化引水系統(tǒng)設(shè)計。因此研究斜井TBM施工對抽水蓄能電站設(shè)計、施工以及我國TBM技術(shù)的發(fā)展都有較大的技術(shù)創(chuàng)新意義[4]。

抽水蓄能項目大多位處深山峽谷，一般工程洞挖料均需考慮作為混凝土骨料使用，采用TBM開挖后，其開挖料可利用性問題凸顯。目前國內(nèi)已有相關(guān)工程開展了TBM開挖料的利用研究，如錦屏二級水電站進(jìn)行了TBM掘進(jìn)料作為料源加工人工骨料的技術(shù)研究。試驗中成品骨料的獲得率為21%～39%；骨料粒徑不良，片狀較多；小顆粒較多，石粉含量偏高；開挖料含水量較高，為5%～28%。以上各項指標(biāo)均不滿足規(guī)范要求。從質(zhì)量、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，錦屏二級水電站未采用TBM開挖料作為人工骨料料源?；讣淼拦こ虒BM洞挖料進(jìn)行的試驗研究表明，經(jīng)加工后粗骨料各項檢驗結(jié)果均能滿足規(guī)范要求，細(xì)骨料中石粉含量較高，需后續(xù)加工予以改進(jìn)，摻用TBM洞挖料加工粗骨料的混凝土拌合物滿足規(guī)范要求[5]，采用TBM洞挖料的噴混凝土拌合物性能較優(yōu)。總體來說，國內(nèi)關(guān)于TBM開挖料的利用研究成果較為離散，對其是否可用尚無統(tǒng)一定論。

抽水蓄能引水斜井在立面布置上，為方便鉆爆法工藝下開挖溜渣，斜井傾角一般布置為50°～60°，采用TBM施工之后，斜井傾角將會有較大調(diào)整，同時TBM開挖渣料特性也較鉆爆法有所不同，原有的設(shè)計經(jīng)驗不足以指導(dǎo)TBM施工下的立面設(shè)計，目前尚未有斜井TBM施工傾角設(shè)計與出渣可行性方面的研究[4]。

根據(jù)現(xiàn)階段抽水蓄能引水系統(tǒng)TBM施工通用化設(shè)計研究成果，引水斜井采用TBM施工之后，傳統(tǒng)的兩級斜井的立面布置需作出調(diào)整，即取消引水中平段將引水上平段與下平段通過單級斜井相連，同時也將取消相應(yīng)的施工支洞。但是通用設(shè)計中僅考慮了開挖施工不需要設(shè)計中部施工通道，并未考慮施工支洞取消后對后續(xù)襯砌施工的影響，以及由此帶來的施工難度、施工工期上的問題。

目前，國內(nèi)抽水蓄能項目正針對引水斜井進(jìn)行大量的應(yīng)用研究及試點(diǎn)，針對其開挖料可利用性、開挖出渣可行性、施工通道布置等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行研究，關(guān)系著TBM應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)合理性，甚至將影響其應(yīng)用成敗，具有重要的現(xiàn)實意義。

本文將基于現(xiàn)階段TBM設(shè)備性能及抽水蓄能電站引水斜井通用TBM設(shè)計方案，針對以上關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行闡述和分析，以期為抽蓄項目斜井TBM應(yīng)用和推廣，提供參考和思路[4]。

1 引水斜井TBM應(yīng)用方案

在現(xiàn)有施工工藝條件下，抽水蓄能電站引水系統(tǒng)斜井在布置上，受反井鉆設(shè)備施工能力的限制，單級斜井長度一般不超過400 m，高水頭電站較多采用三級平洞+兩級斜井的布置方式；斜井傾角需為自行溜渣創(chuàng)造條件，布置角度一般在45°～60°之間。若斜井采用TBM施工，斜井角度可在10°～60°之間，比較經(jīng)濟(jì)的斜井角度為30°～60°(可自行溜渣)；若采用TBM施工，一般將三級平洞+兩級斜井布置為一級長斜井方案，單級斜井長度可以達(dá)到800～1 000 m。

圖1 適應(yīng)TBM施工的引水斜井縱剖面圖

2 引水斜井TBM施工關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 TBM開挖料試驗研究

TBM進(jìn)行隧洞開挖時，破巖原理為利用TBM旋轉(zhuǎn)刀頭擠壓切削破巖，刀盤采用噴水冷卻，因此，TBM開挖渣料形狀多呈片狀，石粉含量較高，含水率也較高。石渣顆粒較細(xì)、石粉含量較大、呈片狀、料塊隱裂隙多、對母巖強(qiáng)度有損傷等這些因素，都可能影響開挖渣料性能和利用價值。

為開展TBM開挖料的利用研究，我單位進(jìn)行了針對性TBM洞挖渣料試驗。

2.1.1 TBM洞挖渣料試驗

試驗選取青島地鐵4號線項目TBM洞挖渣料，圍巖為Ⅲ類～Ⅳ類花崗巖，進(jìn)行了TBM開挖渣料級配分析和骨料軋制試驗、混凝土配合比設(shè)計及性能試驗。

篩分試驗及骨料軋制試驗結(jié)果表明：

1)TBM洞挖渣料中有用料占比為92.1%(包含粒徑大于5 mm顆粒表面的裹粉)；

2)TBM洞挖渣料中粒徑為20～40 mm、5～20 mm、5～10 mm的顆粒形狀規(guī)則，針片狀顆粒含量1%～2%；

3)TBM洞挖渣料中粒徑小于5 mm的顆粒(石屑)占比7.9%，石屑的顆粒級配和石粉含量不滿足標(biāo)準(zhǔn)對人工砂的技術(shù)要求；

4)TBM洞挖渣料軋制人工砂的成砂率為79.4%，所軋制的人工砂顆粒級配良好，細(xì)度模數(shù)2.78；

5)TBM洞挖渣料人工骨料除粗骨料含泥量略高外(也稱為裹粉量，可通過水洗處理后滿足標(biāo)準(zhǔn)要求)，其它品質(zhì)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

混凝土配合比設(shè)計及性能試驗表明：TBM洞挖渣料人工骨料可配制C30W8泵送混凝土、C25W8噴射混凝土、C10回填灌漿混凝土，各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2.1.2 TBM洞挖料利用分析

關(guān)于TBM洞挖料的試驗數(shù)量不多，成果差異較大，對于其可利用性尚無統(tǒng)一定論。宏觀上判斷TBM開挖料作為砂石骨料料源的可利用性，與母巖的巖性、強(qiáng)度、完整性等較為相關(guān)：當(dāng)母巖完整性及強(qiáng)度均較高時，TBM依靠擠壓破巖，開挖料石粉含量較高；當(dāng)母巖完整性及強(qiáng)度適中時，開挖料形狀較為規(guī)則，骨料的獲得率也將大幅提高。與鉆爆法開挖料加工的骨料相比，TBM開挖料生產(chǎn)的骨料存在級配及粒型不良的概率較大，可通過調(diào)整混凝土配合比、優(yōu)化水泥和減水劑等原材料及外加劑的摻量等方式，使混凝土拌合物的各項指標(biāo)滿足相應(yīng)要求。是否利用TBM洞挖料加工骨料，是一個技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題，需要根據(jù)具體的可利用率、摻配或工藝改良的難度和費(fèi)用等進(jìn)行綜合的經(jīng)濟(jì)評價。

總體來說，TBM洞挖料作為人工砂、噴混凝土骨料、豆礫石填充灌漿混凝土骨料料源，是較為可行的利用方案。從綜合利用的角度，可考慮作為工程級配碎石、道路墊層等的填筑用料，石粉可作為瀝青混凝土填充料、仿石涂料等原料。其作為砂石骨料的可行性，需針對具體項目應(yīng)用情況，再行開展專題研究[5]。

2.2 TBM出渣

關(guān)于TBM出渣，針對不同的施工工藝，有不同的出渣方式，TBM若采用自上而下施工，則需吊運(yùn)出渣，若采用導(dǎo)井+擴(kuò)孔式施工，則從導(dǎo)井中溜渣，若采用自下而上施工，則采用溜渣方式。本文主要針對自下而上施工工藝，分析溜渣可行性及相關(guān)輔助措施。

文登抽水蓄能電站利用排水廊道的TBM開挖料進(jìn)行了溜渣試驗研究。試驗根據(jù)幾何相似的原則搭建了出渣試驗臺模型(圖2)，其中溜渣槽的角度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整[6]。

圖2 出渣試驗臺搭建

山東文登抽蓄電站排水廊道沿線圍巖為Ⅰ類～Ⅱ類二長花崗巖和石英二長巖，巖石單軸抗壓強(qiáng)度100～150 MPa。其TBM開挖料含水率1.2%～1.5%，對開挖料進(jìn)行篩分后，TBM洞挖渣料中粒徑為40 mm以上、20～40 mm、10～20 mm、10 mm以下的顆粒含量分別為30%、14%、12%、44%。

利用TBM開挖料針對不同溜渣傾角進(jìn)行敏感性試驗。試驗結(jié)果表明，溜渣傾角大于等于28°時，開挖料可自行溜渣，小于等于26°時，開挖料不具備自溜條件，需采取輔助措施。統(tǒng)計結(jié)果見表1。

考慮到文登抽水蓄能排水廊道部位巖石母巖強(qiáng)度較高、完整性好，TBM開挖料石粉含量偏高，對溜渣有不利影響，屬于較不利工況，其結(jié)論推廣應(yīng)用到一般地質(zhì)條件的抽水蓄能項目，結(jié)果較為保守，留有安全余度，具備一定的參考意義。

對于采用TBM施工的抽蓄斜井部位，推薦傾角大于30°，以利于自重溜渣，同時考慮環(huán)保要求及污水處理難度，不建議采用水力輔助溜渣的措施，而推薦采用溜渣鋼板、螺旋輸送機(jī)、高頻振動器、人工清渣等方式防止渣料堆積，確保出渣順暢。

2.3 斜井襯砌施工

襯砌是壓力隧洞的重要組成部分，一般包括不襯砌、混凝土襯砌和鋼襯等類型。目前，較高水頭的引水系統(tǒng)不襯砌較為少見，一般在低水頭段采用混凝土襯砌、高水頭段采用鋼襯。當(dāng)采用TBM施工后，兩級斜井變?yōu)橐患壭本?，則出現(xiàn)了同一條斜井中，上部是混凝土襯砌、下部是鋼襯的情況。同時由于取消了中平洞，中平洞施工支洞一般也隨之取消。

下部鋼襯施工，一般采用場外制作6 m大管節(jié)，利用卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行吊裝，由于TBM引水斜井長度較長(800～1 000 m)，鋼管安裝的難度將極大提高，施工工效也將顯著降低。同時鋼管混凝土回填施工也難度較大，小灣水電站400 m級、傾角32°斜井的混凝土溜槽入倉已屬國內(nèi)較為先進(jìn)的水平，TBM斜井混凝土入倉將成為制約施工的一大難題。

上部混凝土襯砌施工，從施工質(zhì)量、效率等方面考慮，推薦采用滑膜施工，但是TBM長斜井條件下，混凝土襯砌起點(diǎn)位于斜井中部，滑膜就位難度較大，也是制約施工的關(guān)鍵點(diǎn)。

斜井的施工程序為：開挖施工→鋼襯施工→混凝土襯砌施工，由于鋼襯及混凝土襯砌需依次施工，往往導(dǎo)致整條引水斜井工期過長，成為制約整個工程的關(guān)鍵線路[7]。

為解決鋼管安裝、混凝土入倉及混凝土襯砌滑膜就位等難題，同時也為優(yōu)化斜井施工程序，縮短斜井施工工期，需保留斜井中部施工支洞，將支洞端點(diǎn)布置于鋼襯起點(diǎn)上方，作為鋼襯、混凝土回填、混凝土襯砌的施工通道，同時為下部鋼襯施工與上部混凝土襯砌施工同時開展，提供條件。

在保留施工支洞的前提下，鋼管安裝、混凝土回填、混凝土襯砌等施工技術(shù)均成熟有保障，可有效解決TBM施工條件下長斜井帶來的施工技術(shù)難點(diǎn)及施工工期上的延長。

3 結(jié) 語

1)與鉆爆法開挖料加工的骨料相比，TBM開挖料生產(chǎn)的骨料存在級配及粒型不良的概率較大，可通過摻配、調(diào)整配合比等方式改善。是否利用TBM洞挖料加工骨料，需要根據(jù)具體的可利用率、摻配或工藝改良的難度和費(fèi)用等進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)評價。

TBM洞挖料作為人工砂、噴混凝土骨料、豆礫石填充灌漿混凝土骨料料源，是較為可行的。也可考慮工程級配碎石、道路墊層填筑用料、制作石粉等綜合利用方案。

2)引水斜井依靠自重溜渣的臨界傾角為28°，大于等于28°傾角時，渣料具備自溜條件，小于等于26°時，渣料不具備自溜條件，需采取輔助措施。對于采用TBM施工的抽蓄斜井部位，推薦斜井設(shè)計傾角大于30°。

3)抽水蓄能引水斜井采用TBM施工，當(dāng)斜井較長且上、下兩段襯砌型式不同時，建議保留中部施工支洞，作為鋼襯[8]、混凝土回填、混凝土襯砌的施工通道，同時為下部鋼襯施工與上部混凝土襯砌施工同時開展，提供條件。