抽水蓄能电站 TBM 开挖解决方案研究

吕永航（中国水利水电建设工程咨询西北有限公司， 陕西 西安710061）

1 掘进机发展概述

隧道掘进机（Tunel Boring Machine，TBM），是利用回转刀具破岩和掘进来开挖隧道断面的一种新型、先进的施工机械。1846年意大利人 Maus 发明了 TBM。1851年美国人威尔逊开发了一台重量达75t 的 TBM，在Hooac花岗岩隧道开挖中试验，只挖了10ft（3.048m），机器就不动了。1881年波蒙特开发了气压式 TBM，成功应用于英吉利海峡海底隧道直径为2.1m 勘探洞的开挖。1952年美国罗宾斯公司研制出了现代意义上的第一台软岩 TBM，1956年又研制出中硬岩 TBM，应用于美国 Oahe 大坝导流隧洞，标志着 TBM 从此应用于水电项目。20世纪中期，欧洲水电建设蓬勃发展，促进了 TBM 的推广与应用，针对工程中遇到的问题，TBM 技术不断得到创新。1972年针对不良地质条件的、可进行管片安装的 TBM 问世。1990年罗宾斯公司开发了直径0.48m 的刀盘，使得 TBM 在单轴抗压强度100MPa ～300MPa 的硬岩中掘进成为可能，从而形成了一种掘进与衬砌不再是先后工序的全新概念，即护盾 TBM。我国从20世纪60年代开始研发掘进机。90年代末，我国在实施西康铁路秦岭隧道工程中，使用了由中铁隧道局研发的两台开敞式隧道掘进机，以两头掘进的方案开挖出长度为18460m 的隧洞。该掘进机主要参数如下：型号TB880E，开挖直径8.8m，掘进速度3.5m/h，最高月/日进尺574m/41.3m。掘进机设计制造的国产化使得掘进机在我国公路、铁路、城市轨道交通和水利工程等领域得到广泛应用，已经为工程建设领域所熟知。

2 全断面掘进机工作特性

隧道掘进机一般分为两种，即全断面掘进机（TBM）和壁式掘进机（Boom-Type Roadheader）。壁式掘进机又被称作部分断面掘进机，是一种集切削岩石、自动行走、装载石渣等多功能于一体的高效联合作业机械。

过去，掘进机的技术名称在我国很不统一，各行业均以习惯称呼。GB4052—1983《全断面岩石掘进机名词术语》将 TBM 统一称为全断面掘进机。全断面掘进机又分为开敞式掘进机和护盾式掘进机，前者一般被称为 TBM，后者一般被称为盾构机。开敞式掘进机分为单/双撑靴式，适应于硬岩，其轨道安装在仰拱块上，顶推反力与刀盘扭矩由围岩坚硬壁面提供。盾构机分为单/双护盾式，单护盾式适用于劣质地层，双护盾式软硬岩都可适用，其轨道安装在管片上，顶推反力由反力架和尾部安装的衬砌管片提供。全断面掘进机结构上一般分为主机、连接桥、后配套及附属设备，各部分分别由相应的液压、电气等控制系统完成相应的作业。主机由刀盘、刀盘护盾、内外机架、后支撑、通风管道、推进油缸、钢拱架安装器锚杆钻机及电器变速系统组成，完成掘进机的掘进、换步、支护、出渣作业。连接桥由主机、除尘系统、注浆系统、通风管路、仰拱吊机、材料吊机、钢拱架运输小车组成，链接主机与后配套，完成除尘、出渣、仰拱铺设、材料运输作业。后配套由后配套桥、液压系统、电气系统、供排水系统、通风管路、维护系统、空压机锚喷支护设备组成，完成向主机供电供气，锚喷支护，停放矿车，材料、渣土运输作业。附属设备有电缆、风管、进水阀、通风管路、出渣设备、翻车机，主要完成出渣、材料运输、通风及翻车作业。

全断面掘进机的主要优点如下：自动化程度高，开挖洞壁光滑美观，对围岩的扰动小，施工人员在局部或整体的护盾下工作较安全，是常规钻爆法开挖进度的4～6倍。其的主要缺点是：一次性购置费用高，短距离不能发挥其优越性，不经济，对断面、围岩地质条件变化适应性差。

3 TBM 在抽水蓄能电站硐室开挖应用中的难题

3.1 隧洞开挖技术发展

隧洞开挖技术经历了从钢钎大锤、手风钻、凿岩台车时代，发展到现在的 TBM 时代。长大隧洞 TBM 施工技术，安全、高效且经济。在交通工程领域，TBM 越来越得到广泛应用，即使在地质条件复杂的情况下也能开展施工作业。抽水蓄能电站地质条件相对较好，一般以 II～III 类围岩为主，含少量 IV～V 类及不良地质段，可以选用开敞式掘进机进行初期支护，然后再进行二次衬砌，即用复合式衬砌结构。在开敞式 TBM 上，地质超前钻机安装在刀盘后部主机顶部平台上，不仅可进行掌子面前方30m 超前钻孔，而且还能预报前方地质情况；同时，超前钻机还具备注浆和安装管棚的功能，使掘进机具有加固前方地层的能力。紧靠刀盘的后部设有拱架安装器，安装钢拱架进度快；后配套的锚喷等辅助设备，支护效果及时，能较好地适应地质条件的变化，采取有效措施后也可应用于软岩隧道的开凿。

3.2 TBM 在抽水蓄能电站应用的难点

抽水蓄能电站发电水头高，输水发电系统硐室群深埋于地下，地下硐室总长度约30km，引水系统多为竖斜井布置，还有调压井、通风竖井、闸门井，这些竖斜井的开挖施工条件差，环境恶劣，安全风险高。尾水系统、安全通风洞、进厂交通洞、各施工支洞等，其数量甚至多达近百条；隧道长度相对较短，一般在1km～2km。排水廊道系统一般分布在四个不同的高程上，洞径小、转弯半径小；主厂房、主变室、尾水闸门室，三大硐室平行布置，断面巨大，处于发电关键线路上。此外，施工中还要受到TBM 安装及运行条件的制约，例如：TB880E 长256m、总重1500t；露天安装场地260m×50m；TBM 安装工期3～5个月；国产现有 TBM 最小转弯半径500m，即使采用爬坡能力达到 －25°～＋18° 的大坡度 TBM，也无法满足斜井的施工条件；等等。TBM 掘进机的这些特性表明，TBM 作业并不适合抽水蓄能电站地下硐室的施工条件。

综上所述，竖井和地下厂房三大硐室目前还不适合采用TBM 作业。如，江苏溧阳抽蓄电站，其额定水头263m，装机容量6×25MW，采用一洞三机布置方案，地下输水系统总长度27km，除引水竖井、调压井等竖井开挖外，平硐开挖长度20km 以上，开挖断面尺寸3.5m～12m，最长单一洞室开挖长度仅1300m。根据我国以往 TBM 的应用，最初大于10000m 的硐室开挖是经济的，但随着 TBM 设备国产化和施工人工费单价的提高，现在对于大于5000m 的隧洞，一般采用 TBM 施工法在经济上是可行的。

在采用传统的钻爆法施工时，竖井开挖虽然较容易，但相比竖井，抽蓄电站引水长斜井因洞线短，尤其是高压引水洞线缩短而投资较省，因此，从经济方面考虑，长斜井应得到广泛应用。为了解决深长竖斜井施工安全和工期风险，现在采用爬罐、反井钻机，以及近年来刚刚采用的定向钻＋反井钻机法（如黑龙江荒沟的 TRC3000型钻机和吉林敦化的 BMC500型钻机）和由此组合的各种正反井开挖方法。为了防止堵井，斜井倾角55° 被认为是不堵井的临界角度，如此大倾角的 TBM 在我国还没有应用先例。抽水蓄能电站各地下硐室洞线短、断面尺寸大小多变，且转弯半径较小（一般为50m）并伴有大坡度或斜井隧洞，如何解决这些影响因素以发挥 TBM 的技术优势，是推广应用TBM 过程中所要面对的主要问题。

4 抽水蓄能电站 TBM 开挖解决方案

4.1 发挥工程设计单位的龙头作用

（1）硐室开挖断面设计应按照输水系统、交通通风、排水系统硐室进行分类，以“就大不就小”为原则，统一开挖断面；一个电站的 TBM 设备选型，应控制在3台以内，以确保经济可行性。

（2）竖斜井设计应将输水、斜井竖井（主要是引水系统）改为长缓斜井，其最大倾角25°，坡比约为1∶3。通过对已建抽水蓄能电站的统计分析不难得出，除了超高水头和极小的距高比条件以外，采用长缓斜井在多数电站上是可行的。我们通常认为，距高比在10以内的地形比较经济，距高比在3～5之间则是最经济理想的地形，但很小的距高比带来上下库连接路的施工困难，投资剧增，对环境的破坏甚至是不可恢复的。环保压力日益增大，严重制约了抽水蓄能电站选点规划和工程建设。同时，竖斜井硐室不仅安全风险大、工期长，而且工程全生命周期运行维护困难。因此，采用长缓斜井可为 TBM 作业创造条件，也能解决长期困扰工程建设者的众多难题。

（3）硐室平面布置包括转弯半径设计，应从有利于TBM 的安装、转向和移动上考虑，以减少安拆次数，节约工期。若采用洞内或安装井安装，则在设计上应考虑竖井、步进洞开挖尺寸和支护结构。

4.2 投资方或承包商与设备制造厂联合

投资方或承包商可以与设备制造厂联合研制适合抽水蓄能电站工程特性的 TBM，这种做法已在铁路隧道系统中取得了很好的应用效果，极大地促进了我国 TBM 的设计、制造和应用，提高了机械化施工水平，锻炼培养了一大批专业人才队伍。例如，我国大坡度掘进机爬坡能力已提高到 －25°～＋18°，该掘进机设计加强了行走部，增加了爬坡驱动力，顶支撑及后支撑两侧在大坡度隧洞工作时，能增加机体稳定性；行走部采用防滑履带板和后支撑腿的防滑处理，可以防止机体下滑；后支撑限位装置可以保证掘进机即使在行走路线偏移的情况下，第一运输驱动装置也不会直接撞在隧洞上。目前，我国已经能够制造出最大直径达14m的掘进机和可变断面掘进机。随着我国掘进机制造技术的进步和掘进机市场需求的扩大，我们相信，斜井掘进机也将应运而生，掘进机的运输、安拆也会更加便利。

4.3 施工组织设计方面

过去，为了确保三大硐室的排水系统能够满足人工开挖条件，其断面尺寸一般不小于2m。近年来，考虑到人工成本高及便于装载机作业，开挖断面多已增大至3.5m，排水洞转弯半径很小，不适合采用 TBM 作业，但可选用臂式掘进机开挖。臂式掘进机运行灵活，还可用于其他短小硐室，如主变交通洞、调压井通风洞、引水支管，母线洞的开挖，以提高设备利用率。

输水系统和其他平硐可选用两台不同开挖断面的开敞式 TBM，目前，除了以 V 类围岩为主的极差地质条件以外，开敞式 TBM 所具备的能力应当能够满足此应用要求。由于筹建期项目安全兼通风洞处于关键线路上，洞脸开挖完成后，即可依次安装门机，TBM 的主机、连接桥、后配套及附属设备。抽蓄电站大多位于高山峡谷，安全通风洞进口平台作为 TBM 安装场往往是不够的，洞内安装需要预先开挖一段隧洞，并采用步进法安装。安全通风洞（洞长1000m～2000m）用 TBM 开挖支护约在12个月内完成，随后拆除、再次安装，进行进场交通洞开挖。满足交通需要的硐室底板二次开挖，一般采用传统的钻爆法，也可以采用电锯切割法，如建造沂蒙抽水蓄能电站地下厂房所用的方法，且能达到光洁如镜的切割效果。考虑到施工进度，通常需要开凿施工支洞，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 施工条件下可以进行优化，在没有压力钢管安装运输时甚至可以考虑取消，这将大大节约投资。

输水系统的开挖，可按照机组投产发电先后顺序进行，即从下库进出水口开始，先尾水洞再引水洞，其制约因素主要来自于安装的场地、次数和条件。规划合理的安装场地，选择先进的安装方法，确保最短的施工工期，是施工组织设计研究的重点。例如，可选择将尾水进出水口作为尾水洞TBM 的安装场，也可将尾水闸门井作为始发井。

抽水蓄能电站上下水库的连接公路路线长、施工难度大，工期一般为24个月左右，影响引水系统开工日期，是抽水蓄能电站较同等规模常规水电站工期长的原因之一。TBM 爬坡坡度较大，长缓斜井下坡开挖难度较大，若在上下库连接公路完成后从上库进出水口开挖，则工期太长；若将尾水洞 TBM 安拆至引水下平段，则在主厂房内无法布置始发井。唯一可以考虑的是：从尾水肘管起坡开挖施工支洞至引水下平段或引水岔管上游段具备 TBM 继续引水洞开挖条件，TBM 从上水库进、出水口出洞并拆除，经上下库连接公路运输至尾水洞安装场，准备第二条尾水洞、引水洞作业，以此类推，直至完成。各引水支管钻爆开挖安排在 TBM 施工支洞封堵后进行。

5 结 语

相对于常规水电站，抽水蓄能电站在设计布置方面，其标准化和规范化程度较高。考虑到节日放假因素，地下工程开挖关键线路从安全通风洞到主厂房的总工期一般为54个月左右，若是特高水头或寒冷地区，如吉林敦化抽水蓄能电站，则开挖工期会有所延长，甚至引水系统会演变为关键线路。本文初步探讨了抽水蓄能电站地下硐室 TBM 开挖的可行性。对比抽水蓄能电站硐室开挖总长度和 TBM 一次设备购置费，再经断面设计分类统一优化后表明，TBM 开挖在经济上是可行的。与铁路隧道开挖相比，实施抽水蓄能电站项目的不利因素在于每条洞线路短、安拆次数多，但现有的TBM 在安拆及作业工期仍较传统钻爆法工期优势明显。由此可见，TBM 在抽水蓄能电站的开挖建设上具有推广应用价值，希望引起相关专业人员的共同关注，尽早付诸实践，以便尽早积累总结经验，推进 TBM 设备的研发和制造，以提高抽水蓄能电站地下硐室群的机械化施工水平。