抽水蓄能電站引水斜井開挖采用TBM施工的研究

張 軍，李守巨，寧忠立，陸金琦，李怡婧

（1.遼寧清原抽水蓄能有限公司，遼寧省清原縣 113399；2.大連理工大學工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧省大連市 116024）

0 引言

我國抽水蓄能電站的建設(shè)與歐美、日本等發(fā)達國家相比起步較晚，但由于后發(fā)效應，起點卻較高，近年建設(shè)的幾座大型抽水蓄能電站已處于世界先進水平。廣州一、二期抽水蓄能電站總裝機容量2400MW，目前為世界上建成的最大抽水蓄能電站；建設(shè)中的河北豐寧一、二期抽水蓄能電站總裝機容量3600MW，建成后將是世界上最大的抽水蓄能電站；西龍池抽水蓄能電站單級可逆式水泵水輪機組最大揚程704m，僅次于日本葛野川和神流川抽水蓄能電站機組。

1 國內(nèi)抽水蓄能電站引水斜井施工現(xiàn)狀

引水斜井是抽水蓄能電站中重要的建筑物，其特點是傾角陡、直徑大、長度長，所以施工難度大。目前國內(nèi)抽水蓄能電站引水斜井一般的設(shè)計參數(shù)為：傾角45°～60°；開挖直徑6～10m；最大施工長度由于受施工能力限制控制在400m左右。近些年來，由于國內(nèi)抽水蓄能電站建設(shè)陸續(xù)開工建設(shè)，引水斜井施工技術(shù)取得了很大進步，采用爬罐開挖斜井導井長度超過400m（寶泉419m，敦化424m），采用反井鉆機開挖斜井導井長度超過300m（惠蓄310m，荒溝360m）。

目前，國內(nèi)引水斜井的開挖施工都是采用鉆爆法，其主要缺點是：施工導向和成洞體型不易控制；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。抽水蓄能電站的引水斜井高差較大，一般采用導井—擴挖法進行施工，導井的開挖目前常規(guī)做法是采用爬罐或反井鉆機施工。采用爬罐開挖導井，自下而上進行鉆爆，靠自重溜渣，導井最大月進尺可達到60～80m，但是隨著導井的延長，開挖速度降低明顯，通風散煙困難，掌子面作業(yè)環(huán)境差，安全問題突出。反井鉆機施工導井在上、下彎段之間高差不大于80m的短斜井中優(yōu)勢明顯，但當井深太長時，導孔偏斜控制較難，孔底最大偏差有時達到幾米，甚至超出設(shè)計輪廓線，且卡鉆現(xiàn)象時有發(fā)生，處理困難，地質(zhì)適應性差。國產(chǎn)反井鉆機限于性能，一般導井開挖長度不超過200m，進口反井鉆機一般導井開挖長度控制在300m左右。在完成導井后的擴挖過程中，對控制爆破技術(shù)要求高，如果最大石渣粒徑超過導井直徑三分之一的數(shù)量過多易造成堵井；爆破后人工扒渣效率低，特大斷面的斜井甚至需要二次擴挖；施工環(huán)境惡劣，粉塵、煙霧污染嚴重。而且與擴挖的提升系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)的規(guī)程規(guī)范不夠完善，斜井擴挖屬于安全風險高的施工項目，很難通過地方安全技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督部門的驗收或鑒定，要根據(jù)施工現(xiàn)場實際制定專項安全措施，由參建各方共同承擔安全責任。

2 引水斜井采用TBM掘進國外工程實例

將TBM（Tunnel Boring Machine，全斷面隧道掘進機）應用于引水斜井開挖在國內(nèi)還沒有先例，但是在國外已經(jīng)有不少成功的實例，為我國抽水蓄能電站引水斜井提供了可以借鑒的成功經(jīng)驗。斜井TBM施工技術(shù)已經(jīng)在日本、瑞士等國家應用于抽水蓄能電站引水斜井開挖施工（見表1），是目前最先進的斜井開挖方法。

采用TBM施工斜井的工法有：

（1）導井TBM（自下而上）+鉆爆法擴挖（自上而下）。

（2） 導井TBM（自下而上）+擴挖TBM（自上而下）。

（3）全斷面開挖TBM [自下而上（陡傾角）或自上而下（緩傾角）]。

神流川（Kanna-gawa）抽水蓄能電站引水斜井開挖使用的TBM如圖1所示。

圖1 日本神流川抽水蓄能電站使用的TBMFig.1 TBM of Kanna-gawa pumped storage power station in Japan

瑞士Limmern抽水蓄能電站引水斜井開挖采用的TBM如圖2所示。

圖2 Limmern抽水蓄能電站使用的撐靴式TBMFig.2 Gripper TBM of Limmern pumped storage power station

表1 國外抽水蓄能電站引水斜井采用TBM掘進若干實例Tab.1 Some examples of TBM tunneling in the diverision inclined shaft of an external punped storage power station

3 TBM結(jié)構(gòu)類型及掘進工藝

TBM是一種隧道掘進的大型專用工程機械。硬巖TBM適用于山嶺隧道硬巖掘進，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉆爆法，在相同的條件下，其掘進速度約為常規(guī)鉆爆法的4～10倍，最佳日進尺可達150m；具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟、有利于環(huán)境保護和勞動力保護等優(yōu)點，特別是高效快速可使工程提前完工，提前創(chuàng)造價值。TBM在掘進效率、建設(shè)周期、安全、圍巖穩(wěn)定、開挖精度和平整性等方面具有顯著優(yōu)勢，已越來越廣泛應用于深長隧道和礦山深部巷道建設(shè)中。

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和工作原理，TBM主要可分為撐靴式（又稱為敞開式）、單護盾式、雙護盾式、擴孔式和搖臂式等（圖3～圖5）。撐靴式（Gripper）TBM 只設(shè)有較短的護盾，其主機和后配套系統(tǒng)上安裝有支護設(shè)備，適用于巖石整體性比較好的隧洞。它依靠TBM水平撐靴支撐在巖壁上，通過撐靴與巖壁之間的摩擦力推進TBM前行。在TBM推進的過程中，可以平行進行隧洞的錨桿、掛鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土施工。

圖3 撐靴式TBMFig.3 Gripper TBM

圖4 單護盾式TBMFig.4 Single shield TBM

圖5 雙護盾式TBMFig.5 Double shield TBM

護盾式TBM可分為單護盾式和雙護盾式。當遇到軟硬巖石兼有的復雜地層時，可以采用雙護盾式TBM。單護盾掘進機只有一個護盾，大多用于軟巖和較為破碎巖層，因此不采用像撐靴式掘進機那樣的支撐板。在掘進隧洞時，掘進作業(yè)和隧洞管片安裝是在護盾的保護下進行的。由于不使用支撐靴板，掘進機的前推力是靠護盾尾部的推進油缸支撐在管片上獲得的。由于這類掘進機的掘進需靠襯砌管片來承受后坐力，因此在安裝襯砌管片時必須停止掘進，即機器的巖石開挖和管片襯砌的鋪設(shè)不能同時進行，從而限制了掘進速度。

雙護盾式TBM尤其適用于穿過斷層破碎帶的隧洞施工。其主機是在護盾的掩護之下進行掘進作業(yè)的，護盾包括前盾、伸縮護盾、撐靴護盾，其主機后部一般裝有襯砌管片安裝器。隨著TBM向前掘進，雙護盾TBM可同時進行管片安裝施工[10]。

在TBM掘進巖石隧洞時，有許多潛在的地質(zhì)風險會影響到TBM的安全施工，其中包括斷層破碎帶、涌水區(qū)段、洞壁的穩(wěn)定性、堅硬磨損性高的巖層和軟巖大變形巖層。研究表明，帶有雙護盾的TBM可能是比較理想的選擇，與單護盾TBM相比，雙護盾的TBM具有較高的靈活性，尤其是在復雜巖層中掘進隧洞。在充分認識隧洞掘進各個施工階段風險關(guān)聯(lián)性的同時，通過有效的風險辨識查出安全風險因素，并在相應的階段進行有效規(guī)避是至關(guān)重要的。

滾刀是安裝在TBM刀盤上用于破碎巖石的工具，而盤形滾刀是TBM上最常用滾刀形式。盤形滾刀在刀盤的推力和扭矩的作用下，實現(xiàn)對巖石的破碎作用。根據(jù)滾刀在刀盤上的安裝形式，可分為單刃盤形滾刀、雙刃盤形滾刀、成對盤形滾刀和三刃盤形滾刀，大量的工程實踐表明，單刃盤形滾刀（見圖6）的破巖效果最好。盤形滾刀刀刃角常見的角度為60°、75°、90°和120°等。刀刃角的選擇與巖石的力學性能相關(guān)，巖石越硬，刀刃角越小。TBM對所掘地層具有極強的針對性，其主軸推力、刀盤扭矩設(shè)計值和刀盤刀具選型布置方式在很大程度上由所掘地層巖石力學性質(zhì)決定。

圖6 單刃盤形滾刀Fig.6 Single blade disc cutter

盤形滾刀是TBM的核心部件之一，其性能的好壞直接影響到TBM的破巖性能，要求其具有良好的承載力特性、耐磨性，并且具有很好的沖擊韌性。目前常用的是直徑為432mm和483mm的盤形滾刀。大直徑盤形滾刀的特點在于允許較大的磨損量、具有較低的滾動阻力系數(shù)和允許使用較大的軸承，從而具有更大的承載能力。盤形滾刀刀圈部分直接與巖石接觸，是影響滾刀壽命的重要部件，其破巖能力與破巖效率直接影響整個TBM的掘進能力?？紤]到施工中地質(zhì)條件復雜多變，刀圈設(shè)計需滿足地質(zhì)適應性要求，屬于一種非標定制設(shè)計。

采用TBM掘進隧洞，先利用主撐靴對巖壁施加壓力，固定掘進機；然后靠中部主千斤頂推動刀頭切削巖石掘進，根據(jù)千斤頂?shù)男谐?，一般一次可掘進1～1.5m；再通過前撐靴與巖壁壓緊，放松主撐靴，縮回主千斤頂，把掘進機后部機體拉向前，這樣就完成一個掘進循環(huán)。TBM設(shè)備除主體部分外，其后還帶有若干個臺車，以設(shè)置控制室、噴混凝土和打錨桿的支護設(shè)備、防滑落的裝置、風水電油等輔助設(shè)備、出渣系統(tǒng)等。

采用TBM進行隧洞掘進，選擇合適的TBM型號是降低事故發(fā)生率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對當?shù)氐牡刭|(zhì)情況進行深入的勘查，選擇與地質(zhì)條件匹配的刀具等是降低事故發(fā)生率的首要條件。同時，在掘進施工過程中，技術(shù)員的操作不當、保養(yǎng)不當也是引發(fā)事故的重要原因。

應用超前地質(zhì)預報技術(shù)是TBM掘進信息化施工管理中的重要組成部分，尤其對于那些埋深大、長距離、含地層破碎帶工程，準確、及時的地質(zhì)預報具有十分重要的意義。由于隧道長度、埋深等各方面因素的影響，地質(zhì)條件越趨復雜，隧道施工中遇到的問題也會相應地增多，不可預料的地質(zhì)災害如涌水、塌方等成為困擾工程施工的主要難題。近十幾年來，隧道施工技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，為了保證在隧道施工時的安全和高效，根據(jù)巖土工程勘察及設(shè)計資料和已經(jīng)揭露的地質(zhì)情況，采用儀器設(shè)備和地質(zhì)數(shù)學方法，對隧道掌子面前方一定范圍內(nèi)圍巖級別變化、不良地質(zhì)做出預測，根據(jù)預測的結(jié)果優(yōu)化方案并指導施工，能夠有效地控制TBM施工事故的發(fā)生。

斷層破碎帶是隧洞圍巖失穩(wěn)和出現(xiàn)地質(zhì)災害的突出地段，容易引起塌方、大量涌水，甚至突發(fā)性涌水。因此，TBM對斷層破碎帶的掘進適應性尤為重要。若超前地質(zhì)預報顯示圍巖變形量大，TBM不能正常通過。停機利用TBM配置的超前鉆機和注漿設(shè)備加固地層，然后通過。同時，TBM高強度的結(jié)構(gòu)設(shè)計和足夠的推力、扭矩等能力儲備能保證TBM不易被變形的圍巖損壞或卡住。利用地質(zhì)雷達系統(tǒng)對斷層破碎帶進行超前地質(zhì)預報。利用紅外探水儀和TBM配置的超前鉆機探水。利用TBM配置的超前鉆機和注漿設(shè)備對地層進行超前加固，同時刀盤面板預留注漿孔的設(shè)計能滿足對掌子面加固的需要[10]。

4 引水斜井TBM掘進施工

常見的TBM掘進的巖石隧道接近水平或者坡度比較小。而對于傾角在50°左右的引水斜井，采用TBM進行施工遇到的困難將會更多。斜井TBM結(jié)構(gòu)圖見圖7。

圖7 斜井TBM結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The structure of TBM field assembly of inclined headrace tunnels

當采用TBM施工引水斜井時，需要根據(jù)巖層的強度、磨蝕性、節(jié)理分布、滲透性、含水性、遇水膨脹性等，對巖層的可TBM性進行評估，選擇合理的TBM方式（例如敞開式還是護盾式，單護盾還是雙護盾等）、刀盤的開口率、滾刀的形式、支護方式、掘進速度等。

對于堅硬巖石，可以采用敞開式TBM進行掘進，其掘進工作面和圍巖的穩(wěn)定性一般容易得到保證。而對于軟巖和破碎帶巖層，需要采用盾構(gòu)式TBM（可選單護盾或者雙護盾模式），有效控制掘進工作面和圍巖的穩(wěn)定性，將圍巖的變形控制在允許范圍內(nèi)。

施工中由于盾殼周圍巖體的變形，導致侵占開挖斷面和盾殼被卡住的現(xiàn)象，或多或少在使用過TBM的工程上都曾發(fā)生過?？ㄗ〉暮蠊瑹o論是對支撐式還是雙護盾式，僅依靠加大油缸推力都不能使TBM前移，因為變形的圍巖和管片的強度都不足以提供足夠的支撐反力，刀盤頂不住掌子面，將使前方的坍塌面無法控制。斷層破碎帶TBM的適應性問題，應該基于事先地質(zhì)勘探報告，進行有限元數(shù)值模擬分析，給施工方案的確定提供理論依據(jù)。

對于抽水蓄能電站引水斜井，最后都需要混凝土襯砌或安裝壓力鋼管。因此，對于巖層穩(wěn)定性較好的施工段，可以考慮裸洞或者錨噴支護作為臨時支護；對于巖層穩(wěn)定性一般的施工段，考慮錨噴支護作為臨時支護；對斷層破碎帶施工段，除了采用錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護之外，還需要結(jié)合地質(zhì)雷達、超前勘探等地質(zhì)資料，采用灌漿等加固方法，對巖層進行超前加固。

TBM施工引水斜井在安排施工進度時尚應考慮設(shè)備組裝、準備及解體撤出作業(yè)的影響。TBM設(shè)備組裝和準備需3～4個月，其解體撤出需1～2個月。斜井開始一段不能用TBM，而需采用常規(guī)鉆爆法施工，此段長度一般為50～60m。

5 結(jié)論

隨著TBM掘進技術(shù)的不斷完善，國內(nèi)抽水蓄能電站引水斜井開挖采用TBM進行施工已經(jīng)基本具備成熟的條件。采用TBM進行引水斜井掘進需要考慮以下因素：

（1）引水斜井傳統(tǒng)的鉆孔爆破開挖方法，具有效率低、速度慢和安全性差等固有的缺點；采用TBM掘進引水斜井將是一種具有競爭力的施工方法，可以使工人的作業(yè)安全和作業(yè)環(huán)境大大改善，提高成洞質(zhì)量；可以省去長斜井中部施工支洞。

（2）需要根據(jù)前期地質(zhì)勘查資料，并結(jié)合國外現(xiàn)有的施工經(jīng)驗，合理進行TBM設(shè)備選型，進行刀盤和滾刀對巖層地質(zhì)條件的適應性的評估。

（3）對于隧洞穿越的地層破碎帶、軟巖大變形巖層和涌水溶洞，需要結(jié)合前期地質(zhì)勘探資料和超前地質(zhì)鉆探技術(shù)，采取必要的超前加固措施，確保施工的安全性，避免掘進機卡機等事故發(fā)生。

（4）考慮到巖層物理力學性能和地質(zhì)條件的多變性、隨機性和不確定性，在項目論證期間，需要進行風險評估，并提出避險措施。

（5）與傳統(tǒng)的鉆孔爆破方法相對比，盡管TBM掘進隧洞具有明顯的優(yōu)勢，但是在引水斜井施工中，對于局部施工段鉆孔爆破方法可以作為輔助和補充。

（6）斜井TBM是專門的設(shè)備，與平洞TBM不同，平洞TBM不能直接用于陡傾角斜井施工?，F(xiàn)在國內(nèi)沒有采用斜井TBM施工的原因首先是沒有這種設(shè)備，需要自行研發(fā)或從國外引進，其次是受限于經(jīng)濟原因。目前，抽水蓄能電站引水斜井采用進口反井鉆機和人工鉆爆擴挖方法每米洞長（按6m直徑計）的綜合單價約為1.1萬元（導井直徑按2m計），而TBM購置價格為1.1億～1.3億元/套，如果單純比較TBM和鉆爆法的開挖單價，用TBM開挖長度僅幾百米的斜井不一定經(jīng)濟。但是，當斜井較長時，鉆爆法施工往往要設(shè)施工支洞及連接支洞的公路；同時可以考慮在指標接近的抽水蓄能電站應用同一套斜井TBM，增加攤銷次數(shù)來降低工程造價，TBM在經(jīng)濟上就可能有利。再考慮工期縮短、人員安全和環(huán)境條件改善等因素后，TBM方案可能會具有吸引力。

[1] 彭軍. 日本神流川抽水蓄能電站[J]. 水利水電快報，2004，25（12）：17-20.PENG Jun. Japanese Kanagawa storage power plant [J]. Water Conservancy and Hydropower Rapid Report，2004，25（12）：17-20.

[2] MARCO F，SUDIP G. Successful TBM drive in inclined pressure shaft under difficult ground conditions，a case study of hydropower project limmern，Switzerland[C]. Delhi：Proceedings of Indian Geotechnical Conference 2012：13-15.

[3] C.韋布.蘇格蘭格倫多水電站[J].水利水電快報，2007，28（22）：11-12.C. Webb，Scotland glendo hydropower station [J].Water Conservancy and Hydropower Rapid Report，2007，28（22）：11-12.

[4] 邱彬如，劉連希.抽水蓄能電站工程技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2008.QIU Binru，LIU Lianxi. Pumped storage power station engineering technology[M]. Beijing ：China Eectric Power Press，2008.

[5] 何川，盾構(gòu)/TBM施工煤礦長距離斜井的技術(shù)挑戰(zhàn)與展望[J].隧道建設(shè)，2014，34（4）：287-297.HE Chang. Challenges and prospectives of construction of longdistance inclined shafts of coal mines by shield /TBM[J]. Tunnel Construction，2014，34（4）：287-297.

[6] 唐躍志，姚滿. 查干淖爾煤礦大坡度斜井敞口式盾構(gòu)適應性設(shè)計探討 [J]. 鐵道建筑技術(shù)，2012，10，14-17.TANG Yuezhi，YAO Man. Analysis on applicability of large slope of open shield in chagannaoer coal mine[J]. Railway Construction Technology，2012，10，14-17.

[7] 王婷婷，邱彬如，靳亞東.應積極鼓勵支持抽水蓄能電站的發(fā)展[J].水力發(fā)電學報，2010，01：62-65.WANG Tingting，QIU Binru，JIN Yadong. Support and promote the development of pump-storage hydroplants[J]. Journal of Hydroelectric Engineering. 2010，01 ：62-65.

[8] 何川，封坤，方勇.盾構(gòu)法修建地鐵隧道的技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].西南交通大學學報，2015，50（1）：97-109.HE Chuan，F(xiàn)ENG Kun，F(xiàn)ANG Yong. Review and prospects on constructing technologies of metro tunnels using shield tunnelling method[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2015，50（1）：97-109.

[9] 雷升祥. 淺析煤礦長斜井TBM法綜合施工技術(shù)[J]. 鐵道建筑技術(shù)，2012，4，1-6.LEI Shengxiang. Analysis of comprehensive coal mine construction technology of long inclined shaft with TBM method[J]. Railway Construction Technology，2012，4，14-17.

[10] 喬平. 蒲石河抽水蓄能電站引水隧洞斜井滑模施工技術(shù)[J]. 中國水運，2010，12（2）：76-77.QIAO Ping. Pumped storage power station diversion tunnel inclined shaft slipform construction technology Pushihe pumped [J].China Water Transport，2010，12（2）：76-77.

[11] 曲海鋒，劉志剛，朱合華. 隧道信息化施工中綜合超前地質(zhì)預報技術(shù) [J]. 巖石力學與工程學報，2006，25（6）：1246-1341.QU Haifeng，LUI Zhigang，ZHU Hehua. Technique of synthetic geologic prediction ahead intunnel informational construction[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25（6）：1246-1341.

[12] 詹與，黃柏洪. 支撐式TBM與雙護盾式TBM在設(shè)計選型中的比較 [J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46（2）：68-72.ZHAN Yu，HUANG Baihong. Comparison of gripper TBM and double shield TBM for design and selection[J]. Modern Tunnelling Technology，2009，46（2）：68-72.

[13] KOUROSH S，MOSTAFA S，JAFAR K H. Geotechnical risk assessment based approach for rock TBM selection in difficult ground conditions[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2008，23：318-325.

[14] 李守巨，曹麗娟.掘進機掘進過程中的決策支持系統(tǒng)[J]. 信息技術(shù)，2011，10：39-43.LI Shouju，CAO Lijuan. Decision support system in shield tunneling[J]. Information Technology. 2011，10 ：39-43.

[15] ABDOLREZA Y C，SIAMAK H Y. Tunnel boring machine（TBM）selection using fuzzy multicriteria decision making methods[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2012，30：194-204.

[16] PILIP D，et al. Development of a new direct test method for estimating cutter life based on sievers J miniature drill test[J].Tunneling and Underground Space Technology，2007，22：106-116.

[17] SAFFET Y. Utilizing rock mass properties for predicting TBM performance in hard rock condition[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2008，23：326-339.

[18] ZHAO K，JANUTOLO M，BARLA G，CHEN G X，3D Simulation of TBM excavation in brittle rock associated with fault zones：The Brenner Exploratory Tunnel Case[J]. Engineering Geology，2014，181：93-111.

[19] 薛翊國，李術(shù)才，張慶松，等. 隧道信息化施工巖溶裂隙水超前地質(zhì)預報 [J]. 巖石力學，2008，29（12）：3360-3364.XUE Yiguo，LI Shucai，ZHANG Qingsong，et al. Geological prediction of Karst-fractured groundwater in tunnel informational construction[J]. Rock and Soil Mechanics，2008，29（12）：3360-3364.

[20] 上官子昌，李守巨，孫偉，等. 掘進機掘進工作面土壓力計算方法比較分析[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報，2011，41（增1）：111-114.SHANGGUAN Zichang，LI Shouju，SU Wei，et al.Comparison analysis for computing earth pressure acted on excavation face in shield tunneling[J]. Journal of Harbin Institute of Technology，2011，41（Sup1）：111-114.