抽水蓄能電站引水系統(tǒng)采用可變徑TBM施工的布置研究

岳金文，朱靜萍，楊 朝，童 慧，任 鑫，張祥富，耿必君

(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)

0 引 言

抽水蓄能是目前技術(shù)最為成熟的大規(guī)模儲能方式，對優(yōu)化電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)、緩解電網(wǎng)調(diào)節(jié)壓力、提高當(dāng)?shù)仫L(fēng)電光伏等新能源消納具有重要作用。我國進(jìn)入“十四五”時期，國家對抽水蓄能電站的需求更加強(qiáng)烈。為了更好地完成中國二氧化碳排放的承諾目標(biāo)，國內(nèi)抽水蓄能項目正處在開發(fā)的快車道，其建設(shè)呈井噴之勢[1]。

抽水蓄能電站具有高水頭的特點(diǎn)，在引水系統(tǒng)的選擇上，目前開工建設(shè)的電站普遍選擇多級斜井的布置方案，施工方法常采用反井鉆開挖導(dǎo)井，然后鉆爆法正向擴(kuò)挖。上述施工方法存在著施工質(zhì)量控制難度大、開挖進(jìn)度慢、施工安全風(fēng)險大、施工作業(yè)面環(huán)境差等問題，已經(jīng)成為工程建設(shè)的制約因素[2]。

目前，TBM施工技術(shù)已成功應(yīng)用于國內(nèi)外重大水利、鐵路、地鐵等施工[3]。而在大坡度斜井TBM應(yīng)用方面，國內(nèi)尚無相關(guān)實(shí)施案例。國外已有80多個斜井項目成功應(yīng)用TBM進(jìn)行施工[4- 6]，斜井TBM的施工方法和安全性得到了充分驗證。若采用TBM進(jìn)行抽水蓄能電站的斜井施工，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的可能性，從而優(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。

1 可變徑TBM技術(shù)的研究意義

本文立足于抽水蓄能電站引水系統(tǒng)采用可變徑TBM施工的布置研究，有兩方面意義：

(1)對于抽水蓄能電站群、洞室群而言，可變徑TBM的適用范圍更廣。在碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)下，近幾年開工建設(shè)的抽水蓄能項目在現(xiàn)有基礎(chǔ)上將會大幅增加，將會形成“抽水蓄能電站群”和“地下洞室群”的態(tài)勢。這一背景為可變徑TBM的應(yīng)用提供了較為有利的應(yīng)用環(huán)境。在“抽水蓄能電站群”的概念下，不同水頭、不同流量電站引水斜井的經(jīng)濟(jì)洞徑將有所不同，若TBM可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的變徑，對電站引水斜井的開挖直徑的適應(yīng)性將大大提高；在“地下洞室群”的概念下，同一電站中除引水斜井以外，引水平洞、尾水洞、施工支洞、電纜廊道等大部分地下洞室開挖斷面均在6～8 m左右，可變徑TBM的變徑能力基本可以覆蓋這一直徑范圍，具備應(yīng)用于同一電站內(nèi)多處地下洞室開挖條件?？傊勺儚綄O大地提高TBM的適用范圍，提高設(shè)備攤銷里程，降低建設(shè)成本，應(yīng)用前景較為廣闊。

(2)可變徑TBM技術(shù)可優(yōu)化引水斜井的施工方案設(shè)計。目前，針對TBM施工下的斜井設(shè)計方案，研究方向一般是將兩級斜井合并為一級斜井的不變徑方案，主要目的是為了縮短引水系統(tǒng)長度，取消中部施工支洞，引水斜井的布置也更為靈活。同時該方案也帶來了引水系統(tǒng)布置調(diào)整較大、兩級斜井?dāng)嗝姹仨毥y(tǒng)一、長斜井襯砌施工困難和安全風(fēng)險增加等新難題。TBM可變徑、可變坡的施工性能能較好的解決這些問題，能較好的適應(yīng)原鉆爆法引水系統(tǒng)設(shè)計方案，保持兩級斜井布置，不增加斜井長度和施工安全風(fēng)險，兩級斜井洞徑可保持原設(shè)計不統(tǒng)一，較為經(jīng)濟(jì)。

2 引水系統(tǒng)布置方案

2.1 項目概況及可變徑TBM參數(shù)

某抽水蓄能電站引水系統(tǒng)由上平段、上斜井段、中平洞段、下斜井段和下平段組成。上平段為坡度5%，長50.375 m。后接傾角為50°的上斜井，垂直高差約358 m，轉(zhuǎn)彎半徑30 m，上斜井長度438.913 m。中平洞坡度5%，長245.501 m。下斜井傾角50°，轉(zhuǎn)彎半徑30 m，垂直高差約355 m，長433.260 m。下平洞與下斜井轉(zhuǎn)彎半徑采用30 m，水平布置，長50.504 m，其后經(jīng)對稱“Y”形鋼岔管與引水支洞相連。引水系統(tǒng)為兩級斜井，斜井長度均超過400 m，上斜井、中平洞、下斜井開挖尺寸分別為8、7.5、6.5 m，布置見圖1。

圖1 某抽水蓄能電站引水系統(tǒng)布置示意

該引水系統(tǒng)的布置有三大特點(diǎn)：①平洞短，對立面轉(zhuǎn)彎半徑要求高；②斜井長，施工難度大，工期長；③上下斜井開挖斷面不統(tǒng)一。這三大特點(diǎn)對TBM的應(yīng)用也提出了相應(yīng)的要求：①設(shè)備小型化，能適應(yīng)小轉(zhuǎn)彎半徑的要求；②進(jìn)行斜井TBM的研發(fā)，同時需兼顧平洞施工能力，實(shí)現(xiàn)可變坡；③適應(yīng)開挖斷面的變化，TBM要實(shí)現(xiàn)變徑。

從TBM設(shè)備適應(yīng)抽水蓄能電站引水系統(tǒng)布置的角度出發(fā)，提出并設(shè)計了可變徑、可變坡TBM設(shè)備，其主要的設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 TBM設(shè)備主要參數(shù)

2.2 方案擬定

某抽水蓄能電站原引水隧洞水平距離約1 090 m，引水上平洞與下平洞高差約726 m。采用TBM施工，可采用一級長斜井的布置方式和兩級斜井的布置方式。

(1)方案1。考慮采用TBM施工時，由于TBM設(shè)備施工不限制斜井長度，因此首選將引水上斜井、中平洞和下斜井調(diào)整為一級斜井布置(見圖2)?？紤]到水力條件及開挖回填工程量，在斜井中部進(jìn)行變徑，開挖直徑由6.5 m變徑為8.0 m，考慮到對開挖斷面的適應(yīng)性，擬采用可變徑TBM進(jìn)行施工。

圖2 一級斜井布置型式

(2)方案2。由于在一級長斜井布置形式下，斜井長度超1 000 m，在鋼管安裝、混凝土回填、混凝土襯砌等施工上帶來了新的技術(shù)難點(diǎn)，為解決這些問題，利用TBM設(shè)備可變徑、可變坡性能，適應(yīng)引水系統(tǒng)兩級斜井布置形式(見圖1)。

2.3 方案比較

2.3.1 引水系統(tǒng)特征參數(shù)比較

TBM施工一級斜井方案與TBM施工兩級斜井方案的引水系統(tǒng)特征參數(shù)比較見表2。

表2 兩方案輸水系統(tǒng)特征參數(shù)對比表

2.3.2 地形地質(zhì)條件

兩個方案輸水系統(tǒng)平面位置相同，地形地質(zhì)條件相同，區(qū)別僅在于因為立面布置方式不同，隧洞各部位埋深有所差異。因此兩個方案從地形地質(zhì)條件角度而言條件相當(dāng)，基本無優(yōu)劣之分。

2.3.3 輸水系統(tǒng)水力學(xué)條件

從水力學(xué)角度而言，兩個方案都是可行的，一級斜井方案轉(zhuǎn)彎較少或較緩，水流較為順暢，水頭損失相對較小，因此一級斜井方案略優(yōu)。從對機(jī)組的調(diào)速性能的影響而言，兩個方案Tw值差別較小，均位于調(diào)速性能好的區(qū)域。

2.3.4 施工程序

兩個方案的主要區(qū)別在于是否設(shè)中平段。

(1)方案1。引水斜井采用全斷面自下而上TBM施工，在下平洞組裝調(diào)試及始發(fā)，立面轉(zhuǎn)彎通過下彎段進(jìn)入斜井掘進(jìn)，在斜井中部由6.5 m變徑至8.0 m，完成上部斜井掘進(jìn)，從上平洞接收洞室拆機(jī)運(yùn)出。根據(jù)目前可變徑的TBM設(shè)備要求，斜井下半段6.5 m的隧洞開挖完后，在斜井中部變徑處需設(shè)一段平洞作為TBM設(shè)備的變徑洞室，考慮利用②施工支洞端部進(jìn)行擴(kuò)挖，變徑洞室斷面要求為20 m×10 m×13 m，TBM在變徑洞室變徑到8.0 m后，二次始發(fā)進(jìn)行斜井上半段的施工。

(2)方案2。在下平洞組裝調(diào)試及始發(fā)，立面轉(zhuǎn)彎通過下彎段進(jìn)入下斜井掘進(jìn)，開挖直徑為6.5 m；完成下斜井掘進(jìn)后進(jìn)入中平洞，中平洞內(nèi)布置變徑洞室，設(shè)備變徑為8.0 m直徑；從中平洞掘進(jìn)至上斜井，完成上斜井的開挖施工；自上平洞拆機(jī)運(yùn)出。

方案1需在斜井中部②施工支洞端部布置變徑及始發(fā)洞室，洞室位于三角區(qū)，形狀不規(guī)則，為滿足最小斷面要求，開挖回填規(guī)模較大，且布置上不順暢，需在斜井中部進(jìn)行二次始發(fā)(見圖3)。方案2利用中平洞布置變徑洞室，布置上較為順暢，二次始發(fā)位于平洞部位，難度較小，所需空間也較小，可有效降低變徑洞室及始發(fā)洞室規(guī)模。

圖3 ②施工支洞端部變徑洞室布置示意

2.3.5 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，高水頭抽水蓄能電站引水系統(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，若兩級斜井變?yōu)橐患壭本?，則出現(xiàn)了同一條斜井中，上部采用混凝土襯砌、下部采用鋼襯的情況。

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，若采用一級長斜井方案，則斜井長度較長(1 000 m級)，從上平洞進(jìn)行鋼管安裝的難度將顯著提高，施工工效也將大幅降低。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，超長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，但是一級長斜井條件下，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。

同時由于取消了中平洞，以上施工均位于同一超長斜井之中，施工干擾大、安全隱患高。

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，需在斜井中部保留施工工作面，因此，兩級斜井布置下中平洞的保留，可有效降低斜井長度，降低鋼襯、混凝土回填、混凝土襯砌施工難度，同時可為下部鋼襯施工與上部混凝土襯砌同時施工提供條件。而兩級斜井的布置，也為可變徑TBM的施工，提供了更好的布置上的條件。

在襯砌施工難度、施工干擾、施工進(jìn)度控制等方面，方案2優(yōu)勢較為明顯。

2.4 推薦方案

綜上所述，2個方案在隧洞長度、水頭損失對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行有利等方面，一級斜井方案略有優(yōu)勢、但無本質(zhì)差別。在變徑洞室的布置上，方案2的布置更為順暢，施工難度小、工程量較省。在后續(xù)襯砌施工方面，方案2可有效降低斜井長度，后續(xù)襯砌施工技術(shù)成熟有保障，工期可控。

因此，采用TBM施工引水斜井時，推薦兩級斜井的立面布置方案，相應(yīng)的，需采用可變徑TBM技術(shù)以適應(yīng)該布置方案。

3 結(jié) 語

(1)抽水蓄能引水斜井采用TBM施工時，兩級斜井布置可控制斜井長度，降低開挖、支護(hù)、襯砌等施工難度及安全風(fēng)險，對原鉆爆法工藝下的設(shè)計方案調(diào)整較小，鋼管安裝、混凝土襯砌等施工技術(shù)成熟有保障，施工工期更為可控，該布置方案優(yōu)勢明顯、可靠度高。

(2)考慮到斜井TBM的可變徑、可變坡性能，對引水系統(tǒng)的適應(yīng)性更強(qiáng)，也可應(yīng)用至類似斷面范圍的平洞和斜井項目中，可擴(kuò)大TBM設(shè)備攤銷范圍，降低設(shè)備成本，應(yīng)用前景較廣。