抽水蓄能电站高压管道斜井采用TBM施工的工程布置方案研究

2020-03-12刘永奇王小军刘晓楠

水力发电 2020年12期

刘永奇，张杰，王小军，刘晓楠

(1.国家电网有限公司，北京100031；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024；3.国网新源控股有限公司，北京100761)

1 抽水蓄能电站高压管道斜井施工现状及布置特点

抽水蓄能电站高压管道斜井一般布置在引水调压室(或引水闸门井)和地下厂房之间，高压管道斜井一般高差达350～700 m，斜井角度通常在50°～60°。国内抽水蓄能电站高压管道斜井开挖普遍采用“反井钻法”或“爬罐法”施工，这2种施工方法存在着机械化程度低、劳动力投入大、施工工期长、安全风险高、作业环境差等问题。受施工工艺限制，一般当单级斜井超过400 m时，高压管道需设置中平段。同时根据经济管径比选成果，为了降低工程投资，采用钢板衬砌的高压管道主管通常采用变直径，其开挖洞径相应随管径变化，一般根据外包混凝土厚度，开挖洞径比管径大1～1.2 m。单条高压管道斜井长度一般小于1.5 km[1]。抽水蓄能电站高压管道斜井典型布置如图1所示。

图1 抽水蓄能电站高压管道斜井典型布置纵剖面示意

2 TBM施工技术发展应用情况及特点

TBM(Tunnel Boring Machine)是隧道掘进机的简称。世界第一台TBM(罗宾斯制造)自1953年问世以来，全断面隧道掘进机制造行业快速发展。1985年中国引进国外设备，经过30多年发展，目前TBM设备已经能够完全国内独立设计、制造，并已进入欧洲市场。

TBM施工技术在国内水电、水利、铁路、市政等工程领域已得到广泛应用，但在抽水蓄能电站中应用较少[2]。在水电工程中，TBM施工技术在天生桥、锦屏二级、那邦水电站平洞开挖中有过应用。在抽水蓄能电站中，国外1968年已开始应用TBM进行平洞和斜井的开挖，且应用案例较多[3]，斜井应用如表1所示。目前，国内仅在WD抽水蓄能电站排水廊道(平洞)开挖施工中应用了TBM，高压管道斜井尚无采用TBM开挖的实例。

表1 国外高压管道斜井TBM施工的典型实例

目前，较为成熟的TBM施工技术具有以下特点：①TBM分为平洞型和斜井型，斜井TBM和平洞TBM无法简单通用；②斜井TBM可实现单级长度1 000 m以内斜井的开挖；③同一台TBM可以通过调整边刀型式改变开挖洞径，但直径调整余地不大，一般在20 cm以内；④斜井TBM可进行30°～60°的斜井开挖；⑤斜井TBM施工精度较高，可满足设计要求；⑥斜井TBM施工速度比传统开挖快、且安全性更高。

3 适应TBM施工的高压管道斜井布置及开挖洞径设计方案

3.1 适应TBM施工的高压管道斜井布置

高压管道斜井受引水调压室(或引水闸门井)和地下厂房位置的限制，施工布置范围基本限定。考虑到TBM施工特点，为适应TBM施工，传统高压管道立面布置需作出调整，即取消高压管道中平段，将高压管道上平段与下平段通过单级斜井相连。同时为了适应TBM组装、拆卸要求，在下平段起始点设置TBM组装场地和始发洞段，在上平段末端设置TBM拆卸场地。适应TBM施工的典型高压管道斜井布置如图2所示。

图2 适应TBM施工的典型高压管道斜井布置示意

3.2 洞径调整方案比较

为适应TBM施工，高压管道斜井需采用统一的开挖洞径，而确定高压管道斜井开挖洞径有2种方案：①方案1，内径变化方案，即高压管道斜井开挖洞径统一按照最大管径外侧加1.0～1.2 m作为整个斜井的开挖洞径，内径按照传统方式变化1～2次；②方案2，内径不变方案，即在输水系统水头损失变化不大、过渡过程计算满足设计要求的情况下，将高压管道斜井的管径统一，开挖洞径按照管径外侧加1.0～1.2 m作为整个高压管道的开挖洞径。

以FN抽水蓄能电站高压管道斜井洞径调整为例，对适应TBM施工的2种方案和传统布置方案进行对比分析。

(1)适应TBM施工的布置方案。为方便TBM施工，高压管道立面采用单斜井布置，设有上平段、斜井段、下平段。高压管道采用钢板衬砌，2条主管平行布置，平面走向为NW315°，斜井角度35°，洞轴线间距48 m，高压管道主管长956 m。在下平段起始点设置TBM组装场地和始发洞段，在上平段末端设置TBM拆卸场地。考虑到TBM设备不宜变径，拟定2个方案均以开挖洞径不变为原则。方案1的开挖洞径为7.6 m，斜井段钢衬内径6.4 m→5.6 m→4.8 m，随着钢衬内径的变化，回填混凝土厚度相应变化。方案2的开挖洞径为7.0 m，斜井段钢衬内径整体取不变值5.8 m。

(2)传统布置方案。为适应传统反井钻(爬罐)施工，高压管道采用一管两机双斜井布置方式，由主管、岔管和支管组成。高压管道主管分为上平段、上斜井、中平段、下斜井和下平段。高压管道采用钢板衬砌，2条主管平行布置，平面走向为NW315°，斜井角度55°，洞轴线间距为48 m，高压管道主管长1 046 m。

经过技术比较，方案1、方案2和传统方案的Tw值、水头损失差异不大，均满足设计要求，计算结果如表2所示。3种方案均为可行方案。

表2 高压管道斜井TBM施工方案Tw值及水损比较

经过投资比较，方案2比方案1投资节省3 600万元，方案2比传统方案投资高2 400万元。由此可知，在满足过渡过程计算要求和水头损失变化不大的情况下，可以将高压管道斜井的管径取为一致，这样在采用TBM设备施工时，投资较省。

4 拟建工程高压管道斜井TBM应用研究

4.1 拟建工程高压管道斜井特点

从FN抽水蓄能电站高压管道管径调整研究看，投资费用主要受TBM摊销影响，在单个工程高压管道斜井中应用TBM开挖比采用传统钻爆法开挖投资大。为提高TBM使用率，降低设备摊销费，对国网新源控股有限公司拟开工建设的10个高压管道斜井工程进行分析研究。

10个工程高压管道斜井特点如表3所示。由表3可知：

表3 10个拟建工程高压管道斜井特点

(1)10个工程高压管道均为钢板衬砌，回填混凝土厚度一般为0.6 m。

(2)高压管道均布置有2级斜井，除PJ外，单级斜井长度均不超过370 m。高压管道均有1～2次变径。

(3)400～500 m水头段的NH、YQ、ZR、HM、FN，高压管道管径非常接近，管径差距在20 cm以内。600 m以上水头段的PJ和LN，高压管道管径非常接近。由此400 m以上水头高压管道管径存在归并的可能。

4.2 拟建工程高压管道通用管径分析

4.2.1高压管道立面布置调整及管径归并

(1)调整原则。①引水调压井(引水闸门井)及引水岔管位置不变；②斜井按照单斜井布置；③调整后的Tw值和水头损失应于原方案差异不大；④斜井钢衬起点维持不变。

(2)布置调整。按照上述原则对各工程调整后，高压管道立面布置与图2类似。

4.2.2调整后管径归并

根据调整后的高压管道斜井布置，对各个工程管径按照Tw值满足要求和水头损失差异不大原则，尽量归并统一。经过试算，各工程计算成果如表4所示。

表4 拟建工程高压管道斜井调整结果汇总

由表3、4可知，高压管道单级斜井的立面布置可以满足TBM开挖施工要求。拟建的10个工程高压管道斜井中，有8个工程可以将管径统一为5.8 m，开挖洞径可统一归并到7.0 m。管径调整对Tw值影响很小，部分工程甚至有所降低；对水头损失影响不大于1 m，满足设计要求。为适应TBM开挖，NSS电站可将高压管道斜井管径调整至5.6 m，如果统一为5.8 m直径，会造成投资增加，不经济，因此不建议调整。YX电站可将高压管道斜井管径调整至6.0 m，但考虑到Tw值已经超过2.1 s，如果统一为5.8 m，对电站过渡过程计算不利，因此不建议调整。