抽水蓄能電站 TBM 開挖解決方案研究

呂永航（中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司， 陜西 西安710061）

1 掘進(jìn)機(jī)發(fā)展概述

隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunel Boring Machine，TBM），是利用回轉(zhuǎn)刀具破巖和掘進(jìn)來開挖隧道斷面的一種新型、先進(jìn)的施工機(jī)械。1846年意大利人 Maus 發(fā)明了 TBM。1851年美國(guó)人威爾遜開發(fā)了一臺(tái)重量達(dá)75t 的 TBM，在Hooac花崗巖隧道開挖中試驗(yàn)，只挖了10ft（3.048m），機(jī)器就不動(dòng)了。1881年波蒙特開發(fā)了氣壓式 TBM，成功應(yīng)用于英吉利海峽海底隧道直徑為2.1m 勘探洞的開挖。1952年美國(guó)羅賓斯公司研制出了現(xiàn)代意義上的第一臺(tái)軟巖 TBM，1956年又研制出中硬巖 TBM，應(yīng)用于美國(guó) Oahe 大壩導(dǎo)流隧洞，標(biāo)志著 TBM 從此應(yīng)用于水電項(xiàng)目。20世紀(jì)中期，歐洲水電建設(shè)蓬勃發(fā)展，促進(jìn)了 TBM 的推廣與應(yīng)用，針對(duì)工程中遇到的問題，TBM 技術(shù)不斷得到創(chuàng)新。1972年針對(duì)不良地質(zhì)條件的、可進(jìn)行管片安裝的 TBM 問世。1990年羅賓斯公司開發(fā)了直徑0.48m 的刀盤，使得 TBM 在單軸抗壓強(qiáng)度100MPa ～300MPa 的硬巖中掘進(jìn)成為可能，從而形成了一種掘進(jìn)與襯砌不再是先后工序的全新概念，即護(hù)盾 TBM。我國(guó)從20世紀(jì)60年代開始研發(fā)掘進(jìn)機(jī)。90年代末，我國(guó)在實(shí)施西康鐵路秦嶺隧道工程中，使用了由中鐵隧道局研發(fā)的兩臺(tái)開敞式隧道掘進(jìn)機(jī)，以兩頭掘進(jìn)的方案開挖出長(zhǎng)度為18460m 的隧洞。該掘進(jìn)機(jī)主要參數(shù)如下：型號(hào)TB880E，開挖直徑8.8m，掘進(jìn)速度3.5m/h，最高月/日進(jìn)尺574m/41.3m。掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)制造的國(guó)產(chǎn)化使得掘進(jìn)機(jī)在我國(guó)公路、鐵路、城市軌道交通和水利工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)為工程建設(shè)領(lǐng)域所熟知。

2 全斷面掘進(jìn)機(jī)工作特性

隧道掘進(jìn)機(jī)一般分為兩種，即全斷面掘進(jìn)機(jī)（TBM）和壁式掘進(jìn)機(jī)（Boom-Type Roadheader）。壁式掘進(jìn)機(jī)又被稱作部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，是一種集切削巖石、自動(dòng)行走、裝載石渣等多功能于一體的高效聯(lián)合作業(yè)機(jī)械。

過去，掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)名稱在我國(guó)很不統(tǒng)一，各行業(yè)均以習(xí)慣稱呼。GB4052—1983《全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)名詞術(shù)語》將 TBM 統(tǒng)一稱為全斷面掘進(jìn)機(jī)。全斷面掘進(jìn)機(jī)又分為開敞式掘進(jìn)機(jī)和護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)，前者一般被稱為 TBM，后者一般被稱為盾構(gòu)機(jī)。開敞式掘進(jìn)機(jī)分為單/雙撐靴式，適應(yīng)于硬巖，其軌道安裝在仰拱塊上，頂推反力與刀盤扭矩由圍巖堅(jiān)硬壁面提供。盾構(gòu)機(jī)分為單/雙護(hù)盾式，單護(hù)盾式適用于劣質(zhì)地層，雙護(hù)盾式軟硬巖都可適用，其軌道安裝在管片上，頂推反力由反力架和尾部安裝的襯砌管片提供。全斷面掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)上一般分為主機(jī)、連接橋、后配套及附屬設(shè)備，各部分分別由相應(yīng)的液壓、電氣等控制系統(tǒng)完成相應(yīng)的作業(yè)。主機(jī)由刀盤、刀盤護(hù)盾、內(nèi)外機(jī)架、后支撐、通風(fēng)管道、推進(jìn)油缸、鋼拱架安裝器錨桿鉆機(jī)及電器變速系統(tǒng)組成，完成掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)、換步、支護(hù)、出渣作業(yè)。連接橋由主機(jī)、除塵系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、通風(fēng)管路、仰拱吊機(jī)、材料吊機(jī)、鋼拱架運(yùn)輸小車組成，鏈接主機(jī)與后配套，完成除塵、出渣、仰拱鋪設(shè)、材料運(yùn)輸作業(yè)。后配套由后配套橋、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、通風(fēng)管路、維護(hù)系統(tǒng)、空壓機(jī)錨噴支護(hù)設(shè)備組成，完成向主機(jī)供電供氣，錨噴支護(hù)，停放礦車，材料、渣土運(yùn)輸作業(yè)。附屬設(shè)備有電纜、風(fēng)管、進(jìn)水閥、通風(fēng)管路、出渣設(shè)備、翻車機(jī)，主要完成出渣、材料運(yùn)輸、通風(fēng)及翻車作業(yè)。

全斷面掘進(jìn)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：自動(dòng)化程度高，開挖洞壁光滑美觀，對(duì)圍巖的擾動(dòng)小，施工人員在局部或整體的護(hù)盾下工作較安全，是常規(guī)鉆爆法開挖進(jìn)度的4～6倍。其的主要缺點(diǎn)是：一次性購(gòu)置費(fèi)用高，短距離不能發(fā)揮其優(yōu)越性，不經(jīng)濟(jì)，對(duì)斷面、圍巖地質(zhì)條件變化適應(yīng)性差。

3 TBM 在抽水蓄能電站硐室開挖應(yīng)用中的難題

3.1 隧洞開挖技術(shù)發(fā)展

隧洞開挖技術(shù)經(jīng)歷了從鋼釬大錘、手風(fēng)鉆、鑿巖臺(tái)車時(shí)代，發(fā)展到現(xiàn)在的 TBM 時(shí)代。長(zhǎng)大隧洞 TBM 施工技術(shù)，安全、高效且經(jīng)濟(jì)。在交通工程領(lǐng)域，TBM 越來越得到廣泛應(yīng)用，即使在地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下也能開展施工作業(yè)。抽水蓄能電站地質(zhì)條件相對(duì)較好，一般以 II～I(xiàn)II 類圍巖為主，含少量 IV～V 類及不良地質(zhì)段，可以選用開敞式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行初期支護(hù)，然后再進(jìn)行二次襯砌，即用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。在開敞式 TBM 上，地質(zhì)超前鉆機(jī)安裝在刀盤后部主機(jī)頂部平臺(tái)上，不僅可進(jìn)行掌子面前方30m 超前鉆孔，而且還能預(yù)報(bào)前方地質(zhì)情況；同時(shí)，超前鉆機(jī)還具備注漿和安裝管棚的功能，使掘進(jìn)機(jī)具有加固前方地層的能力。緊靠刀盤的后部設(shè)有拱架安裝器，安裝鋼拱架進(jìn)度快；后配套的錨噴等輔助設(shè)備，支護(hù)效果及時(shí)，能較好地適應(yīng)地質(zhì)條件的變化，采取有效措施后也可應(yīng)用于軟巖隧道的開鑿。

3.2 TBM 在抽水蓄能電站應(yīng)用的難點(diǎn)

抽水蓄能電站發(fā)電水頭高，輸水發(fā)電系統(tǒng)硐室群深埋于地下，地下硐室總長(zhǎng)度約30km，引水系統(tǒng)多為豎斜井布置，還有調(diào)壓井、通風(fēng)豎井、閘門井，這些豎斜井的開挖施工條件差，環(huán)境惡劣，安全風(fēng)險(xiǎn)高。尾水系統(tǒng)、安全通風(fēng)洞、進(jìn)廠交通洞、各施工支洞等，其數(shù)量甚至多達(dá)近百條；隧道長(zhǎng)度相對(duì)較短，一般在1km～2km。排水廊道系統(tǒng)一般分布在四個(gè)不同的高程上，洞徑小、轉(zhuǎn)彎半徑小；主廠房、主變室、尾水閘門室，三大硐室平行布置，斷面巨大，處于發(fā)電關(guān)鍵線路上。此外，施工中還要受到TBM 安裝及運(yùn)行條件的制約，例如：TB880E 長(zhǎng)256m、總重1500t；露天安裝場(chǎng)地260m×50m；TBM 安裝工期3～5個(gè)月；國(guó)產(chǎn)現(xiàn)有 TBM 最小轉(zhuǎn)彎半徑500m，即使采用爬坡能力達(dá)到 －25°～＋18° 的大坡度 TBM，也無法滿足斜井的施工條件；等等。TBM 掘進(jìn)機(jī)的這些特性表明，TBM 作業(yè)并不適合抽水蓄能電站地下硐室的施工條件。

綜上所述，豎井和地下廠房三大硐室目前還不適合采用TBM 作業(yè)。如，江蘇溧陽(yáng)抽蓄電站，其額定水頭263m，裝機(jī)容量6×25MW，采用一洞三機(jī)布置方案，地下輸水系統(tǒng)總長(zhǎng)度27km，除引水豎井、調(diào)壓井等豎井開挖外，平硐開挖長(zhǎng)度20km 以上，開挖斷面尺寸3.5m～12m，最長(zhǎng)單一洞室開挖長(zhǎng)度僅1300m。根據(jù)我國(guó)以往 TBM 的應(yīng)用，最初大于10000m 的硐室開挖是經(jīng)濟(jì)的，但隨著 TBM 設(shè)備國(guó)產(chǎn)化和施工人工費(fèi)單價(jià)的提高，現(xiàn)在對(duì)于大于5000m 的隧洞，一般采用 TBM 施工法在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

在采用傳統(tǒng)的鉆爆法施工時(shí)，豎井開挖雖然較容易，但相比豎井，抽蓄電站引水長(zhǎng)斜井因洞線短，尤其是高壓引水洞線縮短而投資較省，因此，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，長(zhǎng)斜井應(yīng)得到廣泛應(yīng)用。為了解決深長(zhǎng)豎斜井施工安全和工期風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)在采用爬罐、反井鉆機(jī)，以及近年來剛剛采用的定向鉆＋反井鉆機(jī)法（如黑龍江荒溝的 TRC3000型鉆機(jī)和吉林敦化的 BMC500型鉆機(jī)）和由此組合的各種正反井開挖方法。為了防止堵井，斜井傾角55° 被認(rèn)為是不堵井的臨界角度，如此大傾角的 TBM 在我國(guó)還沒有應(yīng)用先例。抽水蓄能電站各地下硐室洞線短、斷面尺寸大小多變，且轉(zhuǎn)彎半徑較?。ㄒ话銥?0m）并伴有大坡度或斜井隧洞，如何解決這些影響因素以發(fā)揮 TBM 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是推廣應(yīng)用TBM 過程中所要面對(duì)的主要問題。

4 抽水蓄能電站 TBM 開挖解決方案

4.1 發(fā)揮工程設(shè)計(jì)單位的龍頭作用

（1）硐室開挖斷面設(shè)計(jì)應(yīng)按照輸水系統(tǒng)、交通通風(fēng)、排水系統(tǒng)硐室進(jìn)行分類，以“就大不就小”為原則，統(tǒng)一開挖斷面；一個(gè)電站的 TBM 設(shè)備選型，應(yīng)控制在3臺(tái)以內(nèi)，以確保經(jīng)濟(jì)可行性。

（2）豎斜井設(shè)計(jì)應(yīng)將輸水、斜井豎井（主要是引水系統(tǒng)）改為長(zhǎng)緩斜井，其最大傾角25°，坡比約為1∶3。通過對(duì)已建抽水蓄能電站的統(tǒng)計(jì)分析不難得出，除了超高水頭和極小的距高比條件以外，采用長(zhǎng)緩斜井在多數(shù)電站上是可行的。我們通常認(rèn)為，距高比在10以內(nèi)的地形比較經(jīng)濟(jì)，距高比在3～5之間則是最經(jīng)濟(jì)理想的地形，但很小的距高比帶來上下庫(kù)連接路的施工困難，投資劇增，對(duì)環(huán)境的破壞甚至是不可恢復(fù)的。環(huán)保壓力日益增大，嚴(yán)重制約了抽水蓄能電站選點(diǎn)規(guī)劃和工程建設(shè)。同時(shí)，豎斜井硐室不僅安全風(fēng)險(xiǎn)大、工期長(zhǎng)，而且工程全生命周期運(yùn)行維護(hù)困難。因此，采用長(zhǎng)緩斜井可為 TBM 作業(yè)創(chuàng)造條件，也能解決長(zhǎng)期困擾工程建設(shè)者的眾多難題。

（3）硐室平面布置包括轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)計(jì)，應(yīng)從有利于TBM 的安裝、轉(zhuǎn)向和移動(dòng)上考慮，以減少安拆次數(shù)，節(jié)約工期。若采用洞內(nèi)或安裝井安裝，則在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮豎井、步進(jìn)洞開挖尺寸和支護(hù)結(jié)構(gòu)。

4.2 投資方或承包商與設(shè)備制造廠聯(lián)合

投資方或承包商可以與設(shè)備制造廠聯(lián)合研制適合抽水蓄能電站工程特性的 TBM，這種做法已在鐵路隧道系統(tǒng)中取得了很好的應(yīng)用效果，極大地促進(jìn)了我國(guó) TBM 的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用，提高了機(jī)械化施工水平，鍛煉培養(yǎng)了一大批專業(yè)人才隊(duì)伍。例如，我國(guó)大坡度掘進(jìn)機(jī)爬坡能力已提高到 －25°～＋18°，該掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)加強(qiáng)了行走部，增加了爬坡驅(qū)動(dòng)力，頂支撐及后支撐兩側(cè)在大坡度隧洞工作時(shí)，能增加機(jī)體穩(wěn)定性；行走部采用防滑履帶板和后支撐腿的防滑處理，可以防止機(jī)體下滑；后支撐限位裝置可以保證掘進(jìn)機(jī)即使在行走路線偏移的情況下，第一運(yùn)輸驅(qū)動(dòng)裝置也不會(huì)直接撞在隧洞上。目前，我國(guó)已經(jīng)能夠制造出最大直徑達(dá)14m的掘進(jìn)機(jī)和可變斷面掘進(jìn)機(jī)。隨著我國(guó)掘進(jìn)機(jī)制造技術(shù)的進(jìn)步和掘進(jìn)機(jī)市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，我們相信，斜井掘進(jìn)機(jī)也將應(yīng)運(yùn)而生，掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)輸、安拆也會(huì)更加便利。

4.3 施工組織設(shè)計(jì)方面

過去，為了確保三大硐室的排水系統(tǒng)能夠滿足人工開挖條件，其斷面尺寸一般不小于2m。近年來，考慮到人工成本高及便于裝載機(jī)作業(yè)，開挖斷面多已增大至3.5m，排水洞轉(zhuǎn)彎半徑很小，不適合采用 TBM 作業(yè)，但可選用臂式掘進(jìn)機(jī)開挖。臂式掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行靈活，還可用于其他短小硐室，如主變交通洞、調(diào)壓井通風(fēng)洞、引水支管，母線洞的開挖，以提高設(shè)備利用率。

輸水系統(tǒng)和其他平硐可選用兩臺(tái)不同開挖斷面的開敞式 TBM，目前，除了以 V 類圍巖為主的極差地質(zhì)條件以外，開敞式 TBM 所具備的能力應(yīng)當(dāng)能夠滿足此應(yīng)用要求。由于籌建期項(xiàng)目安全兼通風(fēng)洞處于關(guān)鍵線路上，洞臉開挖完成后，即可依次安裝門機(jī)，TBM 的主機(jī)、連接橋、后配套及附屬設(shè)備。抽蓄電站大多位于高山峽谷，安全通風(fēng)洞進(jìn)口平臺(tái)作為 TBM 安裝場(chǎng)往往是不夠的，洞內(nèi)安裝需要預(yù)先開挖一段隧洞，并采用步進(jìn)法安裝。安全通風(fēng)洞（洞長(zhǎng)1000m～2000m）用 TBM 開挖支護(hù)約在12個(gè)月內(nèi)完成，隨后拆除、再次安裝，進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)交通洞開挖。滿足交通需要的硐室底板二次開挖，一般采用傳統(tǒng)的鉆爆法，也可以采用電鋸切割法，如建造沂蒙抽水蓄能電站地下廠房所用的方法，且能達(dá)到光潔如鏡的切割效果?？紤]到施工進(jìn)度，通常需要開鑿施工支洞，如引水上、中、下施工支洞、尾水管施工支洞、尾水施工支洞等，但在 TBM 施工條件下可以進(jìn)行優(yōu)化，在沒有壓力鋼管安裝運(yùn)輸時(shí)甚至可以考慮取消，這將大大節(jié)約投資。

輸水系統(tǒng)的開挖，可按照機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電先后順序進(jìn)行，即從下庫(kù)進(jìn)出水口開始，先尾水洞再引水洞，其制約因素主要來自于安裝的場(chǎng)地、次數(shù)和條件。規(guī)劃合理的安裝場(chǎng)地，選擇先進(jìn)的安裝方法，確保最短的施工工期，是施工組織設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。例如，可選擇將尾水進(jìn)出水口作為尾水洞TBM 的安裝場(chǎng)，也可將尾水閘門井作為始發(fā)井。

抽水蓄能電站上下水庫(kù)的連接公路路線長(zhǎng)、施工難度大，工期一般為24個(gè)月左右，影響引水系統(tǒng)開工日期，是抽水蓄能電站較同等規(guī)模常規(guī)水電站工期長(zhǎng)的原因之一。TBM 爬坡坡度較大，長(zhǎng)緩斜井下坡開挖難度較大，若在上下庫(kù)連接公路完成后從上庫(kù)進(jìn)出水口開挖，則工期太長(zhǎng)；若將尾水洞 TBM 安拆至引水下平段，則在主廠房?jī)?nèi)無法布置始發(fā)井。唯一可以考慮的是：從尾水肘管起坡開挖施工支洞至引水下平段或引水岔管上游段具備 TBM 繼續(xù)引水洞開挖條件，TBM 從上水庫(kù)進(jìn)、出水口出洞并拆除，經(jīng)上下庫(kù)連接公路運(yùn)輸至尾水洞安裝場(chǎng)，準(zhǔn)備第二條尾水洞、引水洞作業(yè)，以此類推，直至完成。各引水支管鉆爆開挖安排在 TBM 施工支洞封堵后進(jìn)行。

5 結(jié) 語

相對(duì)于常規(guī)水電站，抽水蓄能電站在設(shè)計(jì)布置方面，其標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化程度較高。考慮到節(jié)日放假因素，地下工程開挖關(guān)鍵線路從安全通風(fēng)洞到主廠房的總工期一般為54個(gè)月左右，若是特高水頭或寒冷地區(qū)，如吉林敦化抽水蓄能電站，則開挖工期會(huì)有所延長(zhǎng)，甚至引水系統(tǒng)會(huì)演變?yōu)殛P(guān)鍵線路。本文初步探討了抽水蓄能電站地下硐室 TBM 開挖的可行性。對(duì)比抽水蓄能電站硐室開挖總長(zhǎng)度和 TBM 一次設(shè)備購(gòu)置費(fèi)，再經(jīng)斷面設(shè)計(jì)分類統(tǒng)一優(yōu)化后表明，TBM 開挖在經(jīng)濟(jì)上是可行的。與鐵路隧道開挖相比，實(shí)施抽水蓄能電站項(xiàng)目的不利因素在于每條洞線路短、安拆次數(shù)多，但現(xiàn)有的TBM 在安拆及作業(yè)工期仍較傳統(tǒng)鉆爆法工期優(yōu)勢(shì)明顯。由此可見，TBM 在抽水蓄能電站的開挖建設(shè)上具有推廣應(yīng)用價(jià)值，希望引起相關(guān)專業(yè)人員的共同關(guān)注，盡早付諸實(shí)踐，以便盡早積累總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，推進(jìn) TBM 設(shè)備的研發(fā)和制造，以提高抽水蓄能電站地下硐室群的機(jī)械化施工水平。