TBM在抽水蓄能電站施工中的應用探討

李富春，尚海龍，徐艷群，劉傳軍

（1.山東文登抽水蓄能有限公司，山東省威海市 264421；2.中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

目前抽水蓄能電站隧洞開挖仍普遍采用“鉆爆法”施工，“鉆爆法”是應用于20世紀五六十年代的隧洞開挖技術(shù)，其施工組織簡單，開挖造價相對較低，但其施工環(huán)境差，勞動強度大，需要人力多，安全隱患大，施工速度慢。壓力管道長斜井導井開挖技術(shù)受反井鉆機精度影響，長斜井一般設(shè)計長度不超過400m，制約了抽水蓄能電站水道系統(tǒng)的設(shè)計水平。TBM作為目前隧洞開挖中安全、高效、可靠的施工設(shè)備，具有改變當前抽水蓄能電站施工技術(shù)應用的巨大潛力；國內(nèi)TBM設(shè)備制造水平的發(fā)展及設(shè)備價格的下降，也為TBM在抽水蓄能電站施工中的應用創(chuàng)造了條件。目前全國有近20座1000MW級以上的抽水蓄能電站正在建設(shè)，“十三五”期間，新開工60000MW。在抽水蓄能電站建設(shè)高峰期，推行TBM在抽水蓄能電站隧洞開挖中的應用，可以更好地壓縮工期、提高安全保障性，促進抽水蓄能電站設(shè)計和施工變革的同時，助力TBM制造水平更快發(fā)展。本文通過對國外抽水蓄能電站施工案例的分析，為TBM在我國抽水蓄能電站中的應用提供了技術(shù)參考。

1 TBM技術(shù)在日本抽水蓄能電站中的應用

日本是全球抽水蓄能工程建設(shè)領(lǐng)域應用TBM最為廣泛的國家之一。20世紀70年代，隨著日本經(jīng)濟的快速增長，其國內(nèi)抽水蓄能電站需求不斷增加。為適應嚴格的環(huán)境保護規(guī)定和施工人員職業(yè)健康要求，1979年在下鄉(xiāng)抽水蓄能電站建設(shè)中引進斜井TBM技術(shù)[7]。隨著日本TBM設(shè)計制造企業(yè)以及施工企業(yè)對TBM技術(shù)的引進、消化和吸收，到1989年日本已具備了設(shè)計制造斜井TBM的能力，并成功應用于鹽原抽水蓄能電站引水高壓管道斜井施工，其后在葛野川、神流川、小丸川抽水蓄能電站建設(shè)期間TBM長斜井施工技術(shù)被廣泛使用。

通過統(tǒng)計分析，日本TBM現(xiàn)階段主要應用于引水系統(tǒng)高壓管道斜井段，其應用長度范圍在400～900m內(nèi)，斜井與水平面夾角在37°～52.5°，各電站應用TBM施工的引水高壓管道斜井特性見表1。

表1 TBM應用特性表Table 1 TBM Application characteristics table

日本在抽水蓄能電站引水高壓管道斜井施工中應用TBM主要有兩種方式。第一種方式是利用小斷面TBM（直徑2.3～3.3m）開挖導井，導井開挖完成后再利用人工或者TBM進行二次擴挖；第二種方式是利用大斷面TBM（直徑6.6m）一次開挖成洞。無論開挖導井還是一次擴挖成洞，均采用自下而上的方式掘進。采用小斷面TBM開挖導洞因為需要二次擴挖，整個引水壓力管道施工工期較長；采用大斷面TBM一次開挖成洞因不需要二次擴挖，引水壓力管道開挖工期相對較短。但日本TBM應用方式主要取決于施工前地質(zhì)條件的掌握情況[3]，對于引水壓力管道沿線地質(zhì)條件不是很確定的情況下采用小斷面TBM開挖導洞，通過開挖洞掌握引水壓力管道沿線的地質(zhì)情況，以此來安排后續(xù)擴挖的施工方案，如鹽原抽水蓄能電站、葛野川抽水蓄能電站、小丸川抽水蓄能電站；對于引水壓力管道沿線地質(zhì)條件掌握地非常清楚的情況下則采用TBM全斷面一次開挖[5]，如神流川抽水蓄能電站。

TBM技術(shù)在日本抽水蓄能電站的廣泛應用不僅降低了工程建設(shè)過程中對環(huán)境的負面影響，改善了作業(yè)條件，提高了施工效率和質(zhì)量，更是帶動了其國內(nèi)TBM制造行業(yè)，引發(fā)了抽水蓄能電站設(shè)計、施工的技術(shù)變革，使日本在TBM領(lǐng)域由引進學習者變成了技術(shù)引領(lǐng)者，并成就了日本抽水蓄能電站在世界范圍內(nèi)的領(lǐng)先地位。

2 TBM技術(shù)在我國抽水蓄能電站的應用條件

2.1 國內(nèi)TBM設(shè)計制造水平發(fā)展的需要

自1985年從美國羅賓斯公司引進了直徑為10.8m的掘進機以來，我國硬巖TBM的應用及隧道施工技術(shù)正在各工程領(lǐng)域內(nèi)迅猛提升[2]。通過對我國TBM的分類統(tǒng)計，可以看出我國TBM的發(fā)展由國外承包商和制造商在中國承擔TBM工程、到我國自主施工階段、再到聯(lián)合設(shè)計制造和自主施工階段、正在朝著自主研發(fā)和自主施工及整機再制造的全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展階段邁進[1]。近年來我國的TBM設(shè)備還出口海外（中鐵工程裝備集團有限公司設(shè)計制造的護盾式TBM已出口國外用于黎巴嫩大貝魯特供水隧道），施工隊伍也開始在國外承擔TBM工程（如中國電建集團承建的厄瓜多爾水電站項目）。

當前，我國TBM設(shè)計制造水平已經(jīng)打破國外壟斷，具備自主研發(fā)、設(shè)計、加工制造的能力，并掌握了核心技術(shù)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。TBM加工制造和創(chuàng)新能力已經(jīng)接近世界著名TBM制造商，具備在國際TBM設(shè)備供應市場同臺競技的能力。同時我國TBM施工技術(shù)水平已非常成熟可靠，工程應用領(lǐng)域涉及水利、電力、市政、公路、鐵路等各個領(lǐng)域。隨著各領(lǐng)域的大規(guī)模工程應用，TBM施工技術(shù)創(chuàng)新積累的步伐也大大加快，逐步形成了由國家有關(guān)部門牽頭，以工程為背景，國內(nèi)施工企業(yè)、大型機械制造企業(yè)與高等院校聯(lián)合攻關(guān)研發(fā)的TBM產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路，未來國內(nèi)TBM設(shè)計制造水平將會加速發(fā)展。

2.2 國內(nèi)抽水蓄能電站施工技術(shù)發(fā)展的需要

目前國內(nèi)抽水蓄能電站引水壓力管道斜井導井施工主要采用反井鉆施工。從國內(nèi)反井鉆的設(shè)備性能來看，常用的LM系列反井鉆機施工斜井長度不宜超過300m，超過300m則難以達到設(shè)計孔斜控制要求；國內(nèi)研制的定向鉆機或國外進口設(shè)備（如澳大利亞產(chǎn)TR-3000型或其他國外同類設(shè)備）對于400m以內(nèi)的斜井基本可以滿足斜井孔斜控制要求，但施工過程中機械故障發(fā)生頻率較高。斜井直線長度達到500m以上，對反井鉆鉆桿質(zhì)量（強度、剛度等）要求更高，且斜井長度越長鉆桿穿越的地層巖性越多其孔斜偏差隨機性會更大，反井鉆幾乎很難完成500m以上滿足孔斜要求長斜井導井開挖。

此外，根據(jù)目前國內(nèi)已經(jīng)完工的抽水蓄能電站來看，引水系統(tǒng)施工如果施工管理不當，往往會造成整個工程發(fā)電工期滯后。對于超過400m以上的引水壓力管道斜井采用目前現(xiàn)有的施工技術(shù)手段，其施工質(zhì)量和進度的保證率都不高。TBM導向精度高、安全可靠、風險可控，應用于國內(nèi)抽水蓄能電站的引水壓力管道長斜井，不僅可提升施工技術(shù)，更能優(yōu)化電站水道系統(tǒng)設(shè)計，減小管線長度。

2.3 國內(nèi)抽水蓄能電站建設(shè)環(huán)境變化的需要

當前，我國對環(huán)境保護和安全生產(chǎn)的需求越來越迫切。全社會正在形成節(jié)約資源和保護環(huán)境，切實落實安全生產(chǎn)責任，筑牢安全防線，加快淘汰落后工藝技術(shù)和裝備的空間格局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式、生活方式。此外隨著我國人口總量變化，勞動年齡人口數(shù)量和質(zhì)量的“雙變”已經(jīng)對我國各行各業(yè)的升級轉(zhuǎn)型形成倒逼之勢。其中勞動力供給的減少導致人工成本上升，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和技術(shù)替代勞動力已成為必然趨勢。

TBM技術(shù)可以減少工程建設(shè)對環(huán)境負面影響的同時，降低安全事故的發(fā)生概率，提高勞動作業(yè)人員的安全保護能力，降低工程管理者的管理風險，穩(wěn)步提升工程建設(shè)的質(zhì)量和進度，是解決抽水蓄能電站大規(guī)模洞室群開挖造成的環(huán)境破壞、安全隱患和成本增長的有效途徑。

3 工程應用探討

根據(jù)TBM在國外抽水蓄能電站的應用分析，結(jié)合國內(nèi)外TBM設(shè)計制造水平，以某抽水蓄能電站為例對TBM的應用進行探討。

3.1 TBM施工工藝下的樞紐布置優(yōu)化

某抽水蓄能電站樞紐工程由上水庫、下水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房、開關(guān)站及出線場等部分組成，工程區(qū)出露基巖主要為晚元古代晉寧期二長花崗巖（ηγ23），中生代印支期黑云角閃（或角閃黑云）石英二長巖（ηo51）及石英正長巖（ξo51），巖體整體性較好。原地下廠房通風洞和交通洞洞口按照同側(cè)相鄰的方式布置。引水系統(tǒng)長度1379m，其中引水系統(tǒng)壓力管道斜井分上、下斜井兩部分，上下斜井之間布置中平段，上斜井直線段長212m，下斜井直線段長348m。

按照目前3km以上的隧洞也可以應用TBM施工的經(jīng)驗分析，該抽水蓄能電站通風洞、交通洞總長3024m，以在交通洞、通風洞開挖中應用TBM為標準，對該電站交通洞、通風洞調(diào)整為分開布置，轉(zhuǎn)彎半徑按照大于TBM最小轉(zhuǎn)彎半徑（R=300～400m）的原則設(shè)計。按照在引水壓力管道應用TBM施工技術(shù)，調(diào)整斜井布置，取消壓力管道中平段，取消為施工上、下斜井設(shè)置的中平段施工支洞及到其洞口的施工道路。調(diào)整前、后布置見圖1和圖2，調(diào)整前后引水壓力管道剖面見圖3和圖4。

圖1 調(diào)整前布置圖Figure 1 Layout before adjustment

圖2 調(diào)整后布置圖（可應用TBM施工）Figure 2 Layout after adjustment（Applicable TBM Construction）

圖3 調(diào)整前斜井布置圖Figure 3 Layout of inclined shaft before adjustment

圖4 調(diào)整后斜井布置方案（可應用TBM施工）Figure 4 Layout of inclined shaft after adjustment（Applicable TBM Construction）

3.2 TBM施工應用優(yōu)勢分析

該抽水蓄能電站通風洞、交通洞及引水壓力管道斜井布置方式調(diào)整后，可以分別使用國內(nèi)廠家設(shè)計制造的平洞TBM和斜井TBM進行施工，對比分析常規(guī)施工法和TBM施工法，應用TBM施工的主要優(yōu)點如下：

（1）交通洞、通風洞可以實現(xiàn)快速掘進，關(guān)鍵線路工期被壓縮。交通洞、通風洞在抽水蓄能電站建設(shè)過程中，往往處于工程施工的關(guān)鍵線路上，影響著工程建設(shè)工期。以該項目為例，通風洞全長1487m，交通洞全長1537m，采用常規(guī)“鉆爆法”施工，按照月平均開挖支護80m的速度計算，其正常開挖支護工期需18個月；應用TBM施工后，按照TBM月平均600m（含支護）的掘進速度計算，通風洞、交通洞開挖支護工期約5個月，再考慮TBM洞外安裝、輔助洞室開挖等輔助時間后，通風洞、交通洞開挖支護總工期約10個月。

（2）引水壓力管道斜井布置，不再受施工設(shè)備的限制。當前國內(nèi)引水壓力管道斜井主要采用“反井鉆法”或“爬罐法”施工，反井鉆和爬罐受設(shè)備性能條件限制，工作長度不超過400m，因此引水壓力管道斜井布置中，需要通過增加中平段，把斜井直線長度控制在400m以內(nèi)，此外還需在引水中平段增加施工支洞以及通往施工支洞的連接公路。根據(jù)國外抽水蓄能電站實例分析，采用TBM施工，引水系統(tǒng)中部不需要布置中平段，也不需要為方便斜井施工，再增加施工支洞及施工道路。由此，應用TBM施工，抽水蓄能電站引水壓力管道斜井布置，也可不受施工技術(shù)的限制，設(shè)計中只需考慮水能利用和地質(zhì)地形條件的因素即可。

（3）勞動安全保障性高，從而解決安全隱患降低的環(huán)境影響。TBM施工只需要3至5名專業(yè)技術(shù)人員遠離開挖面，通過遠程操控即可實現(xiàn)隧道開挖，作業(yè)面不需要大量的勞動力，不僅大大改善了從業(yè)人員作業(yè)環(huán)境，而且從源頭杜絕了安全生產(chǎn)事故危及施工人員，減少了施工作業(yè)面數(shù)量，提高了施工管理針對性，更有利于施工現(xiàn)場安全管理。此外，TBM施工作業(yè)空間內(nèi)無鉆孔噪聲、無爆破煙塵毒氣，其施工過程環(huán)境友好度高。

3.3 TBM施工應用制約因素分析

TBM施工技術(shù)提高了抽水蓄能電站隧洞施工的機械化和自動化水平，但一些因素制約了其在施工過程中的應用：

（1）TBM設(shè)備購置費高，需要的一次性投入大。TBM作為一種專用施工設(shè)備，購置費用較高，按照目前國內(nèi)的價格水平來看，直徑8m的TBM設(shè)備購置費用在1億元左右，這相對于其他隧洞開挖設(shè)備，大大增加了工程前期一次性投入。

（2）TBM施工受地質(zhì)條件影響因素大。TBM雖然施工速度快，但其設(shè)備體型大，對地質(zhì)條件的適應性不如“鉆爆法”好。TBM施工遇到諸如斷層破碎帶、高應力地層、地下水、巖溶地層等不良地質(zhì)條件時，施工速度會大大降低，往往會停機采用輔助工程措施，對不良地質(zhì)段進行加固處理后才能正常掘進。

（3）施工保障系統(tǒng)要求高。TBM整體由主機和后配套以及連接橋組成，是由幾十個獨立的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個有機整體，綜合了機械、電氣、傳感監(jiān)控、工程支護、智能控制等多學科內(nèi)容。要保證TBM連續(xù)快速的施工，各系統(tǒng)之間需相互協(xié)調(diào)，任何一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障，都會影響TBM設(shè)備的正常掘進。因此TBM施工過程中需要每天對TBM設(shè)備本身，以及掘進施工配套的通風、供水、排水、供電、物料運輸、出渣等設(shè)施進行檢查維護。

（4）增加工程造價。采用TBM施工其工程投資增加較多。以本工程為例通過對工程投資測算，采用“鉆爆法”施工其工程總投資85.67億元，采用TBM施工法工程總投資為87.66億元，工程總投資增加約2億元。

綜上所述，TBM作為目前最為先進的隧道施工技術(shù)，具有安全性能高、施工效率高、掘進速度快等特點，雖然其應用對工程投資影響較大，但能縮短工程建設(shè)期半年以上，且有利于優(yōu)化水道系統(tǒng)斜井布置，因此有必要拓展TBM技術(shù)在國內(nèi)抽水蓄能電站中的應用。隨著TBM技術(shù)在我國的日趨成熟，設(shè)備價格將大幅下降，不再成為制約其應用的因素。

4 結(jié)論

TBM作為目前最為先進的隧道施工技術(shù)，具有安全性能好、施工效率高、環(huán)境友好等特點。本文通過對TBM技術(shù)在日本抽水蓄能電站的應用參數(shù)分析，認為TBM應用于抽水蓄能電站引水壓力管道長斜井段收效顯著。綜合當前國內(nèi)TBM制造水平、抽水蓄能電站施工技術(shù)水平，以及環(huán)境與生產(chǎn)安全要求等，認為我國有條件并應該推廣TBM在抽水蓄能電站中的應用。結(jié)合工程實例，提出了TBM應用于抽水蓄能電站對樞紐布置的影響，并闡述了其優(yōu)點和制約因素。當前正處于抽水蓄能電站建設(shè)高峰期，TBM技術(shù)應用于我國抽水蓄能電站工程，不僅可壓縮工期、提高安全保障性，更能促進抽水蓄能電站設(shè)計和施工的變革，助力TBM制造水平更快發(fā)展。本文為TBM在抽水蓄能電站中的應用，提供了較好的參考和指導意義。