斜井隧道掘进机在抽水蓄能电站施工中的应用

徐艳群 ，尚海龙 ，刘传军

（1.山东文登抽水蓄能有限公司，山东省文登市 264421；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

目前抽水蓄能电站压力管道斜井工程一般采用爬管或反井钻施工法，随着党的“十八大”以来国家对工程建设要求的提高，工程施工过程中的安全、质量、环境保护等要求在逐步加强，其中安全生产工作更是备受重视，已经成为我国经济社会的重要基础和保障，为此国家也制定了一系列的规章制度来为安全生产保驾护航，从制度上要求工程建设中大力推进依法治安和科技强安，以加快安全生产基础保障能力建设，推动了安全生产形势持续稳定好转。在当前需要加强安全生产管理的客观条件下，TBM作为目前隧洞开挖中安全、高效、可靠的施工设备，提供了改变目前抽水蓄能电站施工方法的可能性，并且符合目前加快淘汰落后工艺、技术、装备和产能的产业政策，也有利于降低安全生产风险，提高工程建设本质安全水平。

1 日本抽水蓄能电站斜井TBM施工情况

国外抽水蓄能电站项目众多，其中斜井TBM在日本抽水蓄能电站施工中的应用最具特点，以下对日本斜井TBM的应用情况作一介绍。

1.1 下乡抽水蓄能电站

下乡抽水蓄能电站总装机容量1000MW，安装4台单机输出250MW的发电机，斜井段长485m，坡度37°，斜井段开挖从下水平部位先采用开挖直径3.3 m的隧洞掘进机（TBM）由下至上开挖导洞，导洞贯通后，把导洞作为出渣洞使用[1]。然后由上向下用TBM扩挖成直径5.8m的断面。1979年5月12日开始掘进，经过1年半完成斜井导井开挖，月平均进尺106m。

1.2 盐原抽水蓄能电站

盐原抽水蓄能电站总装机容量900MW，安装 3台单机输出300MW的发电机，压力管道全长594m，由上水平段，斜井段和下水平段组成，地层为第三纪盐谷层群，由流纹岩、凝灰岩和泥岩，部分地段有玢岩侵入体[2]。其中斜井段长460m，坡度达52.5°，斜井段开挖从下水平部位先采用开挖直径2.3m的隧洞掘进机（TBM）由下至上开挖导洞，导洞贯通后，把导洞作为出渣洞使用，然后采用常规的全断面扩大开挖法由上至下开挖。

东京电力公司于1989年1~6月完成了盐原抽水蓄能电站倾角52.5°、长度438m、Φ2.3m的导洞开挖。导洞TBM施工最高月进尺104m，平均月进尺68m。

1.3 葛野川抽水蓄能电站

葛野川抽水蓄能电站总装机容量1600MW，安装 4台单机输出400MW的发电机[3]，压力管道全长2.0，包括上部斜井（全长167m，坡度48°）和下部斜井（全长768m，坡度52.5°），上部斜井用反井钻机施工方法进行导洞挖掘、钻爆法进行扩挖；下斜井，通过TBM施工导洞，导洞直径2.7m，导洞施工完成后采用扩挖TBM进行全断面扩挖。

压力管道途经地区位于山梨县东部大菩萨岭的东南方，地质由属于中生代白垩纪后期到新生代古第三期之间沉积的四万十层“小佛层群”的泥岩和砂岩混合层构成[3]。

1996年1~7月完成葛野川抽水蓄能电站倾角52.5°、长度745m、直径2.7m导洞开挖，随之在1997年5月~1998年1月完成直径7m断面扩挖（扩挖TBM施工）。导洞TBM施工最高月进尺166m，平均月进尺115m。

1.4 神流川抽水蓄能电站

神流川抽水蓄能电站总装机容量1200MW，安装 4台单机输出300MW的发电机，水道系统全长2.8km，其中引水斜井直径为6.6m，倾斜度48°，斜井长935m，采用“全断面斜井TBM施工法”施工。斜井沿线为第三纪侵入的安山岩石以及侵入砾岩，斜井上部地层中分布着一部分蛇纹岩，中间部分呈现泥质岩基质（泥岩以及细粒砂岩）[4]。

1999年11月~2001年4月完成神流川抽水蓄能电站倾角48°、长度935 m、Φ6.6 m的全断面TBM开挖，最高月进尺115.5m，平均月进尺71m[5]。

1.5 小丸川抽水蓄能电站

小丸川抽水蓄能电站总装机容量1200MW，安装 4台单机输出300MW的发电机，水道系统全长2.8km，其中引水斜井直径为6.1m，倾斜度48°，斜井长988m，采用TBM施工导洞，导洞直径2.7m，导洞施工完成后采用扩孔TBM进行全断面扩挖。斜井沿线岩石主要为砂岩和页岩[6]。

2003年3月~2007年8月完成小丸川抽水蓄能电站两条斜井开挖，平均月进尺34m。

2 国内抽水蓄能电站应用分析

目前斜井施工主要采用反井钻施工，根据目前国内反井钻的设备性能来看，常用的LM系列的反井钻机施工斜井长度不超过300m，超过300m则达不到孔斜控制要求，对于400m以内的斜井需采用国内研制的定向钻机或国外进口设备（如澳大利亚产TR-3000型或其他国外同类设备）进行施工，否则孔斜率偏差很大。此外，如果斜井长度再增加，例如达到500m，随着斜井的长度的进一步增加对反井钻钻杆质量（强度、刚度等）要求更高，而且斜井长度越长钻杆穿越的地层岩性越多则影响钻进精度的因素更多，其孔斜偏差随机性会更大，最终导孔误差会增加更大。

此外，根据目前国内已经完工的抽水蓄能电站来看，引水系统施工如果组织管理不当，往往会造成整个工程发电工期滞后。由此可以看出，引水系统采用目前现有的施工技术手段，其施工进度的保证率不高。

总之，反井钻对于斜井直线长度在300m以内的斜井采用反井钻已无技术问题；对于300～400m斜井目前主要采用国外进口钻机（如澳大利亚产TR-3000型）进行施工，已有成功案例；对于400m以上斜井开挖目前国内一般采用中部增加施工支洞分段施工的方案，即按照长洞短打的原则施工。然而，根据日本抽水蓄能电站长斜井施工情况分析，其主要采用TBM法进行长斜井施工。

以下根据国外斜井施工实例，结合文登抽水蓄能电站的引水系统地质情况研究TBM在抽水蓄能电站斜井的应用方案。

2.1 压力管道设计

文登抽水蓄能电站枢纽工程由上水库、下水库、水道系统、地下厂房、开关站及出线场等部分组成，工程区出露基岩主要为晚元古代晋宁期二长花岗岩（ηγ23），中生代印支期黑云角闪（或角闪黑云）石英二长岩（ηo51）及石英正长岩（ξo51），岩体整体性较好。

按照常规“反井钻法”施工法布置引水系统压力管道，其压力管道须分上、下斜井两部分，上下斜井之间布置中平段，上斜井直线段长212m，中平段长336m，下斜井直线段长348m。并且为施工上、下斜井还须在压力管道中平段设置施工支洞及其施工辅助道路以满足斜井施工的需要，布置方案见图1、图2。

图1 常规施工方案压力管道平面布置图Figure 1 Plane layout of pressure pipeline for conventional construction scheme

图2 常规施工方案压力管道剖面布置图Figure 2 Section layout of pressure pipeline for conventional construction scheme

如按照“TBM法”施工来布置压力管道，则可取消压力管道中平段，将压力管道上、下斜井两部分合并为一条长斜井，引水压力管道布置见图3、图4。

图3 压力管道长斜井方案平面布置图Figure 3 Plane layout plan of long inclined well for pressure pipeline

图4 压力管道长斜井方案图Figure 4 Scheme for long inclined well in pressure pipeline

2.2 压力管道斜井施工

常规高压管道布置方案，上斜井和下斜井施工利用中平段作为施工通道采用反井钻施工导井，导井施工完成后再自上而下扩挖成洞。

TBM法斜井布置方案，根据日本抽水蓄能电站斜井施工情况分析，其主要应用斜井TBM进行导井施工，然后再辅助人工扩挖的方案。本次基于TBM设备可靠性和设备费用考虑，斜井开挖也采用斜井TBM施工导井，人工扩挖的方案。

通过对文登高压管道施工进度分析，方案一，斜井分为上下两段，上下斜井均采用反井钻施工导洞法+人工扩挖，从通风洞开挖至厂房端墙至首台机引水系统支洞封堵完成，总工期38个月，从通风洞开挖至厂房端墙至机组调试开始，总工期45个月，则引水系统施工工期满足首台机发电施工要求。

方案二，斜井采用TBM施工导洞，从通风洞开挖至厂房端墙至首台机引水系统封堵完成，总工期43个月，从通风洞开挖至厂房端墙至机组分部调试开始，总工期45个月，则引水系统施工工期满足首台机发电施工要求。

虽然方案二采用斜井TBM施工将延长引水系统工期5个月，但对首台机组发电工期没有影响。

2.3 压力管道斜井经济性分析

2.3.1 编制依据

以文登抽水蓄能电站可行性研究阶段概算投资为基础，价格水平为2013年3季度，主要编制依据：

（1）项目划分、费用标准按可再生定额〔2008〕5号文颁布的《水电工程设计概算编制规定（2007年版）》及《水电工程设计概算费用标准（2007年版）》计取。

（2）可再生定额〔2009〕22号文关于颁布《水电工程设计概算编制规定（2007年版）》第1号修改单的通知。

（3）可再生定额〔2008〕5号文颁布的《水电建筑工程概算定额（2007年版）》；原国家经济贸易委员会公告2003年第38号《水电设备安装工程概算定额（2003年版）》；水电规造价〔2004〕0028号《水电施工机械台时费定额（2004年版）》。

（4）补充的TBM单价计算以水利部水总〔2014〕429号文《关于发布〈水利工程设计概（估）算编制规定〉的通知》为主要编制原则。

（5）补充的TBM开挖及相关台时费部分单价执行水利部水总〔2007〕118号文颁布的《水利工程概预算补充定额（掘进机施工隧洞工程）》及水利部水总〔2002〕116号文颁布的《水利建筑工程概算定额》《水利工程施工机械台时费定额》。

（6）国家及山东省现行相关政策及文件。

（7）现阶段各专业提供的设计资料及工程图纸。

2.3.2 斜井TBM设备台时费计算基本假定

（1）经询价，斜井2.53m直径的TBM设备总价为2000万元/台。

（2）设备使用情况拟定，方案一，设备寿命期总运行公里数拟定为3.5km；方案二，设备寿命期总运行公里数拟定为10km；方案三，设备寿命期总运行公里数拟定为20km；方案四，设备寿命期总运行公里数拟定为30km。

（3）TBM设备刀具消耗只与掘进工作量有关，与设备老化无关。

（4）设备残值率参考《全国统一施工机械台班费用编制规则》中的掘进机械的残值率为5%。

（5）折旧费根据以上假定计算得出。

（6）修理及替换设备费按《水利工程概预算补充定额（掘进机施工隧洞工程）》中敞开式TBM设备（直径2.5m）修理及替换设备费与折旧费的比例推算，运行公里数低于30km的按比例折减该费用。

（7）机械台时二类费用参照定额计算。

2.3.3 采用TBM开挖斜井编制方法

斜井直径2.5m石方开挖选取《水利工程概预算补充定额（掘进机施工隧洞工程）》中敞开式TBM掘进隧洞开挖直径4m章节下的单轴抗压强度100~150MPa的定额内插计算，石方运输距离为洞内1.8km，洞外3km。斜井TBM按总运行公里数30km摊销。

2.3.4 费用比较分析

以文登抽水蓄能电站斜井工程为例对“反井钻法”和“TBM法”的施工费用分别测算后，采用“反井钻法”施工其工程费用约为3279.8万元，采用“TBM法”施工其工程费用约为5342.7万元，采用“TBM法”施工后斜井工程费用增加约2062.9万元。

3 结论

斜井TBM作为目先进的斜井隧道施工设备，具有安全性能高、施工效率高、掘进速度快等特点，虽然采用斜井TBM施工增加了工程费用，但降低了斜井施工难度和风险，提高了施工安全性，且有利于优化抽水蓄能电站水道系统布置。随着国内TBM设计制造技术进一步成熟和应用范围的进一步扩大，TBM施工技术的技术经济性会更好。