洛寧抽水蓄能電站引水斜井TBM施工關鍵技術研究

張學清，王炳豹，殷 康，杜 藏

(1.河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南 洛陽 471700；2.水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410014；3.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引 言

目前，國內開工建設的抽水蓄能電站引水系統(tǒng)普遍選擇多級斜井或者豎井布置方案，斜井一般設計參數為傾角45°～60°，開挖直徑6～10 m，采用反井鉆機開挖，形成溜渣孔后用鉆爆法擴挖，最大施工長度約400 m，該施工方法存在開挖成洞的平整性差，超挖和欠挖問題普遍，施工速度慢，安全性差等問題[1]。

TBM施工技術在國內水電、水利、鐵路、市政等工程領域已得到廣泛應用，但主要是用于平洞開挖，國外TBM技術應用于斜井開挖的成功案例較多。斜井TBM施工始于1968年，目前全球共有85個斜井項目采用了TBM施工，其中有60余個應用于抽水蓄能電站的調壓井項目。國內目前抽水蓄能電站采用TBM施工技術應用主要是在排水廊道，引水斜井尚無實施案例[2-3]。通過TBM技術施工引水斜井，可以優(yōu)化引水系統(tǒng)布置，縮短引水系統(tǒng)長度，在同等調節(jié)保證設計條件下，廠房位置可以適當向下游移動，可縮短水電站廠房輔助洞室長度，利于縮短廠房勘探平洞長度，提前探明廠房位置地質條件。此外，TBM施工技術作為一種機械化智能化施工技術手段，有利于安全文明施工，在抽水蓄能電站及其地下洞室群中有著廣泛的應用前景。目前，河南洛寧抽水蓄能電站正在積極開展TBM施工技術用于引水斜井開挖的有關前期工作。

1 工程概況

洛寧抽水蓄能電站位于河南省洛陽市洛寧縣城東南的澗口鄉(xiāng)境內，工程開發(fā)任務主要是承擔河南電網的調峰填谷、調頻調相、緊急事故備用、黑啟動和新能源消納等。電站裝機容量為1 400 MW，電站發(fā)電額定水頭為604.00 m，連續(xù)滿發(fā)小時數為6 h，設計年發(fā)峰荷電量11.91億kW·h，年抽水耗用低谷電量15.88億kW·h，電站的供電范圍為河南電網?？裳性O計階段引水系統(tǒng)采用“1洞2機”布置，引水立面采用兩級斜井方案，引水上平洞長1 711 m，洞徑6.5 m，上斜井直線段長267 m，洞徑6.5 m，中平洞長424 m，洞徑6.5/5.6 m，下斜井直線段長272 m，洞徑5.6 m，引水隧洞上平洞末端設2號施工支洞，中平洞設置3號施工支洞，引水下平洞設置4號施工支洞。

2 工程地質情況

工程區(qū)位于華北地臺的華熊臺緣坳陷中部。經歷了漫長的地質構造演化，并遭受多期的構造變動，工程區(qū)存在一些發(fā)育不充分且規(guī)模較小的斷層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，以陡傾角為主，緩傾角節(jié)理不發(fā)育，節(jié)理規(guī)模一般較小，斷層、蝕變和節(jié)理裂隙較為發(fā)育。

根據前期勘察設計階段資料，電站引水系統(tǒng)出露的基巖地層主要為燕山晚期花崗巖類侵入巖體，第四系松散地層主要為沖洪積、殘坡積、崩坡積等作用形成的堆積物，花崗巖的組成主要為長石(55%～78%)和石英(15%～40%)。

引水系統(tǒng)沿線地下水類型主要是基巖裂隙水，主要向沿線大魚溝、趙溝及白馬澗排泄。洞室圍巖類別以Ⅱ～Ⅲ類為主，微新巖體單軸飽和抗壓強度為80～100 MPa，廠區(qū)應力場以自重應力為主導。最大主應力介于13.45～18.77 MPa之間，測試部位屬中～低地應力區(qū)，引水斜井沿線埋深為229～647 m，通過自重應力場模擬洞室圍巖地應力場，豎向地應力變化范圍為6～17 MPa。

3 關鍵技術研究

通過分析工程特點及相關地質條件，可以梳理得出引水斜井采用TBM施工主要存在的關鍵技術問題為：①引水斜井布置方案；②引水斜井開挖尺寸擬定及其適用性；③引水斜井開挖支護設計原則。

3.1 引水斜井布置方案

3.1.1 TBM設備選擇和傾角擬定

針對斜井項目，國外使用最多的是敞開式TBM，直徑范圍通常在3～5.8 m；其次是擴孔式TBM，最大直徑可達到10 m；護盾式TBM應用相對較少，目前使用的最大直徑是4.88 m。在現有案例中，全斷面斜井TBM直徑最大達到了8 m，最小在2 m左右，可實現的最大坡度達到了116%。具體應用案例見表1。由表1可知，當斜井直徑超過7 m時，一般采用擴孔式TBM(傾角大于37°)或者自上而下的全斷面TBM(傾角小于30°)；當斜井直徑小于7 m時，一般采用全斷面TBM(自下而上開挖)，傾角最陡角度為48°。

表1 國外抽水蓄能電站引水斜井TBM應用案例

表2為不同開挖方式的主要性能指標對比。表2主要對比了2種開挖方式，一種是采用全斷面斜井TBM，單臺設備一次開挖至設計斷面；另一種是采用導孔TBM+擴孔TBM，導孔TBM由下至上開挖完成后，擴孔TBM由上至下二次開挖至設計斷面。由表2可知，采用導孔TBM+擴孔TBM方式設備造價高，設備拆機轉場復雜，而全斷面TBM設備費用較低，掘進總線路較短，投資較省，施工綜合進度更快。

表2 全斷面TBM設備和導孔TBM+擴孔TBM設備主要性能指標對比

圖1為斜井出渣軌道溜渣試驗。對試驗渣料從不同傾角的溜渣軌道(傾角26°～44°)進行自溜渣試驗，對溜渣質量、渣料粒徑進行分級統(tǒng)計，并計算溜渣時間、分析流速，試驗結果如圖1b所示。由圖1b表明，渣料自溜的臨界傾角為28°，即當傾角>30°時，渣料具備自溜條件，當傾角≤26°時，渣料不具備自溜條件，需采取輔助措施。

圖1 斜井出渣軌道溜渣試驗

結合洛寧抽水蓄能電站的工程地質特點，將TBM開挖洞渣料假定為表面粗糙的硬質巖，出渣軌道(U形鋼槽)滑面假定為擋土墻，根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》，摩擦系數μ取值為0.65～0.75，取平均值后對應傾角角度為35°。

目前國外自下而上采用TBM施工的引水斜井最大開挖直徑為6.6 m，傾角為48°。因此，國內首次應用TBM設備開挖斜井，傾角宜在35°～48°。

3.1.2 引水斜井布置方案

目前引水系統(tǒng)斜井采用TBM開挖主要有2種斜井布置方案。一種是根據電站引水系統(tǒng)立面布置特點，通過調整設計方案適應現有較為成熟的TBM施工技術，將引水上下斜(豎)井和平洞，調整為一級斜井布置，開挖斷面進行統(tǒng)一，采用自下而上開挖，下平洞設置組裝和始發(fā)洞室，上平洞設置接收洞室；另一種是采用可變徑TBM施工，引水隧洞平、立面布置不變，斜井角度和開挖直徑保持不變，上下斜井開挖斷面統(tǒng)一，TBM從下斜井掘進到中平洞變徑后再進行中平洞和上斜井開挖。2種布置方案見圖2。

圖2 引水斜井TBM施工布置方案

2種斜井布置方案各有優(yōu)缺點，考慮到現有斜井TBM設備技術要求，并結合洛寧抽水蓄能電站的工程特點，洛寧抽水蓄能電站引水斜井最終設計方案采用方案1。引水斜井布置方案優(yōu)化調整后，1號引水主洞斜井段長約928 m，傾角約為36°；2號引水主洞斜井段長873 m，傾角約為39°。

3.2 引水斜井開挖尺寸擬定及其適用性

3.2.1 引水斜井開挖尺寸擬定的原則

根據NB/T 10391—2020《水工隧洞設計規(guī)范》，斜井TBM開挖斷面應為圓形，斷面尺寸根據隧洞功能要求、支護及襯砌厚度、圍巖變形量，并考慮掘進誤差、刀頭磨損等因素綜合確定，且應滿足掘進機設備開挖的最小尺寸要求。同時結合洛寧抽水蓄能電站的特點擬定如下設計原則：①不變徑開挖，TBM開挖斷面尺寸應具有一定的適用性。②壓力管道水流慣性時間常數Tw值應滿足調節(jié)保證設計要求。③斜井長度較短時，TBM施工引水斜井開挖洞徑按照Ⅳ類圍巖開挖尺寸進行確定；斜井長度較長時，TBM施工引水斜井的開挖洞徑按照Ⅲ類圍巖開挖尺寸進行確定。

在工程的可行性研究設計階段，引水系統(tǒng)高壓洞段采用鋼筋混凝土和鋼板襯砌。受洛寧抽水蓄能電站目前的場內運輸條件限制，引水斜井鋼襯段最大內徑不宜超過5.6 m，與可行性研究設計階段保持一致，同時，引水系統(tǒng)采用一級斜井布置方案，引水主洞長度減小了約110 m，為保證壓力管道水流慣性時間常數Tw值以及水頭損失與招標設計階段推薦方案基本保持一致，引水斜井混凝土襯砌段內徑可小于原招標設計方案6.5 m，但不宜小于5.6 m。

考慮到洛寧抽水蓄能電站引水斜井長度較短(<1 000 m)，TBM施工引水斜井開挖洞徑按照Ⅳ類圍巖開挖尺寸進行確定，同時應保證引水斜井壓力鋼管安裝空間需要。

采用鉆爆法施工時，5.6 m內徑鋼襯段最大開挖直徑為7.36 m(Ⅳ類圍巖)，最小開挖直徑為7.0 m(Ⅱ類圍巖)。采用TBM設備施工，設計開挖斷面7.2 m，考慮TBM設備擴挖能力，最大開挖直徑可以達到7.3 m。圖3采用TBM施工時鋼板襯砌段鋼管安裝及TBM施工圍巖錨桿支護示意。由圖3可知，壓力鋼管安裝施工條件與鉆爆法施工條件基本相當，Ⅱ、Ⅲ類圍巖段安裝條件更優(yōu)。

圖3 鋼板襯砌段鋼管安裝及TBM施工錨桿支護示意

根據GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規(guī)范》表7.3.10有關于規(guī)定，對于埋深小于500 m的隧洞，Ⅲ類圍巖隧洞、洞室周邊允許相對收斂值(拱頂位移實測值與隧道寬度之比)最小值為0.4%。隨著圍巖類別和洞室埋深增加，洞室允許相對收斂值是增加的，考慮到洛寧引水斜井圍巖類別主要是Ⅱ、Ⅲ類，因此以埋深300～500 m的Ⅲ類隧洞允許相對收斂值的下限作為引水斜井圍巖變形量的控制值，即2.88 cm(0.4%)。綜合考慮洞室圍巖變形對襯砌結構的影響，掘進誤差、刀頭磨損，洛寧抽水蓄能電站引水斜井TBM設備直徑為7.23 m；對于Ⅳ類圍巖、埋深較大洞段，TBM設備的擴挖能力應滿足引水斜井設計的要求。

3.2.2 斜井開挖尺寸的適用性

通過搜集整理各抽水蓄能電站發(fā)電水頭、裝機容量、額定流速、引水隧洞直徑及流速，進行統(tǒng)計分析，初步擬定得到TBM施工下高壓管道的經濟流速；通過統(tǒng)計不同水頭段高壓管道設計Tw值及其變化規(guī)律、根據擬定高壓管道經濟流速，計算不同水頭的電站高壓管道直徑及長度。統(tǒng)計表明，鋼筋混凝土襯砌的隧洞，引水、尾水隧洞經濟流速為3～5 m/s，高壓隧洞經濟流速為4～7 m/s，鋼管道經濟流速更大，一般在5～11 m/s?？紤]到TBM施工開挖斷面尺寸統(tǒng)一，并適當提高壓力管道經濟流速，初步擬定TBM施工斜井后斷面流速為5.8 m/s。

結合洛寧抽水蓄能電站的調節(jié)保證設計性能，發(fā)現水頭越高，允許Tw值越小，壓力管道長度越長。根據初步擬定的TBM施工下斜井斷面流速(5.8 m/s)以及壓力管道運行Tw值，對不同水頭和不同裝機容量下TBM施工的斜井開挖直徑和壓力管道長度進行計算，計算結果見表3。

表3 不同水頭、不同裝機容量TBM施工斜井開挖直徑計算結果

由表3可知，當電站額定水頭在500 m以上時，斜井開挖直徑至少要達到7.06 m?？紤]到洛寧抽水蓄能電站目前TBM施工下斜井開挖直徑為7.2 m，其推廣適用性較廣。因此，對于400 m水頭段抽水蓄能電站，結合電站調節(jié)保證設計，對輸水系統(tǒng)進行設計優(yōu)化，以滿足7.2 m開挖直徑的要求。此外，TBM設備改造能力也能適應400 m水頭段抽水蓄能電站的引水斜井施工。對于300 m水頭段抽水蓄能電站，引水系統(tǒng)立面采用一級斜井(豎井)布置方式，斜井長度一般小于400 m，應用TBM施工經濟性較差，不推薦采用TBM施工。

圖4為不同經濟流速、不同額定水頭引水斜井過流斷面開挖直徑擬合曲線。由圖4可知，引水斜井經濟流速不同，引水斜井開挖直徑差異較大，考慮到TBM施工引水斜井投資較高，建議適當提高經濟流速，以降低TBM施工引水斜井的開挖直徑和工程建設成本，同時提高7.2 m直徑的TBM設備的適用性。

圖4 不同經濟流速、不同額定水頭引水斜井過流斷面開挖直徑擬合曲線

3.3 引水斜井開挖支護原則

3.3.1 基于TBM施工的圍巖分類系統(tǒng)

目前國內圍巖分類主要依據設計前的地質勘探，分析影響圍巖的各種因素，分析各種因素下的圍巖的穩(wěn)定性情況，并綜合得出圍巖分類。傳統(tǒng)的圍巖分類方法主要是依據巖體力學指標體系來進行分類和研究，主要的評價指標包括構造影響程度、結構面發(fā)育情況和組合狀態(tài)、巖體完整性、巖石強度以及巖體強度應力比等。目前國內圍巖分類系統(tǒng)評價指標中尚未引入施工方法的影響[4-5]。

相關學者研究比較了鉆爆法開挖和TBM開挖對圍巖擾動的影響，認為鉆爆法開挖時，炸藥爆炸會造成巖石裂紋區(qū)，即直接影響區(qū)(開挖面附近的第1影響區(qū))，而TBM開挖時就沒有這一裂紋區(qū)。無論采用哪種方法進行施工， 都會對圍巖產生一種內應力重新分配而圍巖仍完整穩(wěn)定的區(qū)域。但當TBM開挖時，巖體中儲存的變形能是逐步釋放的，圍巖應力應變曲線的連續(xù)性和過渡性較好， 而采用鉆爆法開挖時， 開挖邊界上的地應力瞬間動態(tài)釋放， 位移和應力都不連續(xù)， 因此TBM開挖時的第2影響區(qū)(第1影響區(qū)外圍)比鉆爆開挖時小， 圍巖支護成本明顯降低[6]。

3.3.2 常規(guī)斜井TBM設備支護能力

采用TBM，施工開挖時的設備支護方案為頂拱180°采用掛網和系統(tǒng)錨桿支護(錨桿長度不超過3.5 m，與巖壁的法向夾角30°～35°)，頂拱270°采用噴混凝土支護，可以全斷面采用型鋼拱架支護。通過增加錨桿鉆機后可實現頂拱270°掛網和系統(tǒng)錨桿支護。

3.3.3 常規(guī)鉆爆法施工斜井支護要求

根據NB/T 10391—2020《水工隧洞設計規(guī)范》要求，Ⅰ類、Ⅱ類圍巖，開挖洞徑(洞寬)小于5 m的隧洞可不支護，5～10 m時宜采用噴混凝土支護，大于10 m的隧洞宜采用錨噴支護。遇有局部不穩(wěn)定塊體時應采用隨機錨桿或錨桿束加固。Ⅲ類圍巖宜采用掛網錨噴支護；Ⅳ類圍巖宜進行鋼筋混凝土襯砌，根據隧洞規(guī)模和地質條件，經分析也可采用錨噴、掛網或鋼支撐等聯(lián)合支護；V類圍巖應進行鋼筋混凝土或其他永久襯砌。在建類似工程斜井初期支護參數如表4所示。

表4 在建類似工程斜井初期支護參數

綜合考慮TBM施工方法對圍巖分類評價體系的影響、TBM設備支護能力、規(guī)程規(guī)范要求以及參考類似工程經驗，初擬洛寧抽水蓄能電站引水斜井TBM開挖初期支護參數如表5所示(頂拱240°范圍)。

表5 初擬抽水蓄能電站引水斜井TBM開挖初期支護參數(頂拱240°范圍)

4 結 論

采用TBM技術進行引水斜井施工，可以優(yōu)化引水系統(tǒng)布置，縮短引水系統(tǒng)長度，同等調節(jié)保證設計條件下，廠房位置可以適當向下游移動，可縮短水電站廠房輔助洞室長度，利于縮短廠房勘探平洞長度，提前探明廠房位置地質條件。此外，TBM施工技術作為一種機械化智能化施工技術手段，有利于安全文明施工，在抽水蓄能電站及其地下洞室群中有著廣泛的應用前景。

綜合考慮到斜井TBM開挖出渣效率和TBM設備掘進的安全性，洛寧抽水蓄能電站引水斜井傾角宜在35°～48°之間，當引水斜井傾角為36°～39°時TBM設備適用性較好。

當電站額定水頭在500 m以上時，斜井開挖直徑至少要達到7.06 m，考慮到洛寧抽水蓄能電站目前TBM施工下斜井開挖直徑為7.2 m，其推廣適用性較廣。對于400 m水頭段抽水蓄能電站，可以適當提高引水斜井流速，結合電站調節(jié)保證設計，對輸水系統(tǒng)進行設計優(yōu)化，以滿足7.2 m開挖直徑的要求。此外，TBM設備改造能力也能適應400 m水頭段抽水蓄能電站的引水斜井施工。對于300m水頭段抽水蓄能電站，引水系統(tǒng)立面一般采用一級豎井或一級斜井布置方式，引水斜井長度一般小于400 m，引水斜井應用TBM施工經濟性較差，不推薦采用TBM施工。

在確定洛寧抽水蓄能電站引水斜井初期支護參數時，應綜合考慮TBM施工方法對圍巖分類評價體系的影響、TBM設備支護能力以及參考類似工程經驗。此外，考慮到引水斜井后期需要進行鋼筋混凝土或鋼板襯砌，初期支護參數應根據工程的具體情況適當予以減小。