抽水蓄能电站地下洞室开挖设备选型及TBM技术研究

2021-07-03王洪玉刘金祥荆岫岩贾连辉潘福营于庆增

中国农村水利水电 2021年6期

王洪玉，刘金祥，荆岫岩，贾连辉，潘福营，于庆增

（1.国网新源控股有限公司，北京100761；2.中铁电建重型装备制造有限公司，昆明650000；3.国家电网有限公司，北京100033；4.中铁工程装备集团有限公司，郑州450000）

据调研，全国“十三五”期间新开工抽水蓄能电站（以下简称“抽蓄电站”）装机功率达到60 000 MW 左右，预计2025年将达到约90 000 MW。随着我国新兴能源的大规模开发利用，抽水蓄能电站的配置由过去单一的侧重于用电负荷中心逐步能源基地、送出端和落地端等多方面发展。新能源的迅速发展需要加速抽水蓄能电站建设，目前在建的抽水蓄能电站有二十多座［1］。

抽蓄电站工程主要由上水库、下水库、引水系统、地下厂房、地下洞室群等构成，地下洞室群包括进厂交通洞、通风安全洞、自流排水洞、排水廊道、主副厂房、主变洞、尾闸室及其附属洞室、尾水隧洞、尾水调压室及其附属洞室、泄洪排沙洞等（以下简称平洞）和引水斜井（以下简称斜井）。地下洞室数量近百条，长度约30 km。

抽蓄电站工程的特点：①围岩完整性好，岩石致密坚硬，以Ⅱ、Ⅲ类为主；②隧洞直径大小皆有（大至10 m 以上，小至3 m左右）；③长距离大坡度斜井（坡度60°，长度接近1 km，且需要转换）；④超小曲线连续转弯（R30 m，口字形）；⑤大直径深竖井开挖。

1 世界抽蓄电站施工现状

1.1 国外施工现状

20世纪60年代以后，国外抽蓄电站得到了快速发展。欧洲抽水蓄能电站平洞施工通常采用钻爆法，也有采用全断面掘进机TBM 的案例。瑞士瓦莱州的Nant de Drance 抽蓄电站采用海瑞克公司的直径9.45 m 开敞式隧道掘进机开挖地下基础隧洞［2］。日本抽蓄电站平洞采用多臂台车为主要施工机械。

国外抽蓄电站斜井的施工多采用TBM 设备，技术比较成熟，在抽蓄电站工程中采用斜井TBM 的成功案例有近百个，其中德国维尔特公司提供了超过50%的斜井TBM。施工工艺为导井TBM（自下而上）+扩挖TBM（自上而下），导井TBM 直径一般在3 m 左右，通过扩挖TBM 二次开挖到达斜井断面尺寸。瑞士的Corbes-Le Châtelard 压力斜井项目、Kraftwerk Limmern 水电站项目、日本盐原、神流川等项目都是斜井TBM 在抽水蓄能电站的成功应用。

1.2 国内施工现状

国内从20世纪60年代末开始抽水蓄能电站建设，经过近60年的发展，平洞和斜井开挖目前普遍采用“钻爆法”施工，施工进度较慢（每月70～100 m）。平洞开挖主要机械设备有手风钻、架子钻、多臂台车；斜井开挖设备有爬罐、反井钻机等。

近年来，受全断面岩石隧道掘进机（以下简称“TBM”）技术的不断进步，在铁路、公路、水利、城市地铁等工程建设中广泛应用，包括斜井TBM 在煤矿领域也有应用案例［3-7］。基于此，抽蓄电站领域的专家学者也在积极推进TBM 工法在地下洞室施工方面的研究。徐艳群［8］等总结了国外抽水蓄能电站施工斜井TBM 的经验，以文登电站斜井为例对反井钻法和TBM 法施工费用进行测算；张军［9］等进行了抽水蓄能电站引水斜井开挖采用TBM 技术的研究；山东文登抽水蓄能电站上层排水廊道试验段首次采用中铁工程装备集团有限公司研制的超小转弯半径TBM掘进，取得成功［10］。这些研究和实践集中在斜井TBM及小洞径TBM 方面，没有针对抽水蓄能电站地下洞室开挖机械设备选型方面和抽水蓄能TBM关键技术的研究。

2 抽蓄电站地下洞室开挖机械设备选型原则及流程

抽蓄电站地下洞室开挖机械设备选型主要由地质条件和使用要求决定。在抽蓄电站地下洞室设计过程中，首先应对抽蓄电站机械设备进行选型，做到配套合理、充分发挥设备的综合效能。

抽蓄电站地下洞室机械设备选型遵循以下原则：①大型机械设备地质适应性原则；②大型机械设备施工条件适用性原则；③机械设备先进性、安全性、可靠性、经济性统一原则；④环境保护（非爆开挖）“一票否决制”原则。

3 抽蓄电站地下洞室开挖机械设备选型及采用TBM工法的可行性

根据图1的抽水蓄能电站机械设备选型流程图，对TBM 掘进机、悬臂掘进机、多臂台车、反井钻机等地下隧洞开挖设备进行调研，通过工程地质条件、施工条件、施工管理、文明施工、社会效益、经济性等方面讨论TBM技术的可行性。

3.1 TBM适应性分析

（1）工程地质条件。TBM 掘进机、悬臂掘进机、多臂台车、反井钻机等设备适用的工程地质条件如表1所示。从围岩类别、岩石强度、埋深、洞径断面、洞径长度、坡度、转弯半径等工程地质条件分析，TBM 掘进机适应抽水蓄能电站的工程地质条件。

表1 各类机械设备适应的工程地质条件Tab.1 Engineering geological conditions of various mechanical equipment

（2）施工条件。由于抽水蓄能电站厂房后期需运输大型发电设备，一般都具备道路运输条件、供水、供电条件；TBM 掘进机适应抽水蓄能电站的施工条件。

（3）施工管理。TBM 施工作业人员可在盾体保护下作业，开挖直径由TBM 刀盘、刀具保证，克服了钻爆法机械超挖、欠挖及洞室围岩扰动问题，施工安全和质量比钻爆法（悬臂掘进机、多臂台车、反井钻机）施工完全有保证。TBM 在施工初期及末期需要组装和拆机影响施工进度，但TBM 施工正常掘进时可连续施工，开挖效率可以得到保证；钻爆法施工安全管理成本较高且易受到爆破管制的限制，开挖进度存在不确定性，TBM 开挖综合效率是钻爆法的4～6 倍［1］。从施工管理角度，抽水蓄能电站领域TBM工法优于传统钻爆法。

（4）社会效益。TBM 法施工是非爆工法，利于环境保护和劳动力保护，符合当前绿色施工的新要求。钻爆法现场施工作业人员较多，劳动力流动性较大、专业技能水平不高，抽水蓄能电站领域施工向少人化、智能化方向发展，应用TBM 施工技术是社会发展的必然趋势。从社会效益方面，TBM 工法要优于传统钻爆法。

（5）经济性。TBM 属定制设备，一次性固定资产投入大，相比钻爆设备（悬臂掘进机、多台车、反井钻机）没有成本优势，但可通过提前规划设计，统一电站隧洞断面，通过“多站连打”来分摊设备成本，实现TBM设备的技术经济性。

3.2 抽蓄电站TBM应用

山东文登上、中、下层排水廊道首次试验采用φ3.53 m 的TBM 施工，总长约2.4 km，围岩以花岗岩为主，单周饱和抗压强度140 MPa 以上，平均进尺每月约300 m，施工人员减少10 人，工期节省两个月以上，施工管理难度降低。

TBM 法施工洞壁光滑，扰动小，成洞质量远高于钻爆法，如图2所示。

钻爆法每延米成本约6 000 元，TBM 法（试验段设备费按6 km 折旧，但TBM 寿命可达15 km 以上）每延米成本约1 万元，TBM 法掘进成本高，但通过连续施工多个抽蓄电站，增加掘进里程，降低设备折旧分摊费用来降低TBM的掘进成本。

4 抽蓄电站TBM关键技术

综合上述分析，拟对现阶段采用TBM 工法具有较大优势的部分隧洞开展TBM 技术研究，主要包括进厂交通洞＆通风安全洞、排水廊道和引水斜井，该三类隧洞具有各自的特点，且进厂交通洞＆通风安全洞为地下洞室施工的关键线路。以下分别针对该三类隧洞进行TBM关键技术研究。

4.1 交通洞＆通风安全洞TBM关键技术

4.1.1 工程特点

河北省抚宁抽蓄电站隧洞岩性以混合花岗岩与钾长花岗岩为主，单轴饱和抗压强度150 MPa，最小转弯半径R90 m。交通洞＆通风安全洞线路规划如图3所示。

4.1.2 TBM选型

交通洞及通风安全洞以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，开挖洞径在9 m左右，敞开式和护盾式TBM 都可满足地质条件。但隧洞线路要求TBM 具有＜R100 m 的转弯能力，要求的转弯半径约为10 倍洞径。敞开式TBM 主机较长，受结构限制，最小转弯半径为40倍洞径，约R300～R500 m。护盾式TBM 盾体之间通过油缸铰接，具备实现小转弯的可行性。交通洞及通风安全洞TBM 选型为一种新型TBM结构。

4.1.3 TBM关键技术

（1）大直径小转弯TBM 主机设计技术。大直径小转弯TBM主机结合敞开式TBM 和双护盾TBM 的共同优势，设计的一种新型TBM（见图4），其结合双护盾TBM 与敞开式TBM 技术特点，主机采用双护盾TBM 主机设计，支护系统采用敞开式TBM锚网喷支护系统设计，不仅实现了小转弯掘进，且无需安装管片，同时在不良围岩时又具备锚喷支护能力。新型TBM 主机由刀盘、前盾、铰接推进油缸、支撑盾及撑靴组成。

（2）小曲线TBM 主机姿态控制技术。小曲线TBM 主机姿态控制如图5所示，在掘进时撑靴撑紧洞壁，根据隧道设计的小曲线转弯半径曲率，计算出一次掘进换步周期内各油缸的伸长量；通过控制油缸动作实现极小曲线转弯，同时由TBM 的激光导向系统对主机的位姿进行实时检测，实时修正各油缸的伸长量，达到步进距离后收回撑靴，支撑盾及后配套系统在油缸回收力的作用下向前步进，完成一个小曲线转弯周期的掘进。

（3）隧洞出渣技术。为保证出渣的连续性，出渣方案为渣车出渣，在TBM 后配套段尾部设计旋转平台和左右移动溜渣槽，两辆渣车左右并列停放。当空渣车进洞后，在旋转平台处进行180°旋转掉头（见图6），然后后退至接渣工位，接渣完成后，再直接开出洞外。旋转平台通过钢丝绳与设备连接，随设备一起前移。

4.1.4 工程应用

抚宁抽蓄电站位于秦皇岛疗养地区，每年有6～7 个月时间禁止爆破作业，对施工进度影响较大。根据环境保护（非爆开挖）“一票否决制”原则，优先采用TBM 法施工，但受工程条件限制传统TBM 无法满足要求。基于上述的关键技术，解决了TBM小半径转弯及导向难题，交通洞短距离掘进采用此出渣技术比传统TBM常规的皮带机出渣方式经济性提高30%。

4.2 排水廊道TBM选型及关键技术

4.2.1 TBM选型

排水廊道地质条件以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，其要求转弯半径更小，仅有8 倍洞径（约R30 m），TBM 选型为紧凑型的护盾式TBM。

4.2.2 TBM关键技术

（1）V型推进系统。TBM 主机采用V型推进系统设计，取消扭矩油缸，扩大转弯状态下盾体的调节能力，实现R30 m的超小转弯半径施工，如图7所示。

（2）紧凑型后配套设计。TBM 整机由主机和后配套组成，主控室与TBM 分开布置，缩短整机长度。皮带机设计采用短皮带架设计，浮动式结构，皮带架沿上下、左右可调节。TBM 后配套断面如图8所示。

4.2.3 工程应用

山东文登排水廊道隧洞呈螺旋形设计，隧洞长度较短，并且TBM 需多次拆装机和转场运输，通过上述关键技术，TBM 整机总长约35 m，主机长度7 m，后配套比常规TBM 长度缩小了80%，极大了拆提高了拆装机和转场运输时的效率，总工期比采用钻爆法减少2个月。

4.3 斜井TBM选型及关键技术

4.3.1 工程特点及TBM选型

洛宁抽水蓄能电站引水斜井地质以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，隧洞坡度大于80%，采用锚喷支护。综合引水斜井工程地质条件，采用具有安全防溜车功能的斜井TBM。

4.3.2 TBM关键技术

（1）大坡度掘进可靠性、安全性。直径＞7 m，隧道倾角39°的斜井TBM 在国内还没有应用案例，相对于平洞掘进，对TBM掘进及人员作业的安全性提出了较高要求，需要采用双重安全防溜车（ABS）装置。ABS 装置主要克服自身、TBM 主机及后配套重力下滑分量的作用，通过相关案例分析，安全系数应大于3.5。同时ABS装置配备了独立的液压动力装置，并且采用带自锁功能的蓄能器撑紧油缸，即使在意外断电情况下也可以提供充分的压紧力。

双重ABS装置的安全设计需满足下式：

式中：S为ABS 的安全系数；FHt为ABS 装置产生的摩擦力；FAb为整机向下的分力；Fz为液压绞车最大拉力；F为ABS装置的撑紧力；μ为撑靴与洞壁的摩擦系数；GM为主机重量；GR为防溜装置重量；GN为后配套重量；α为隧道倾角；μg为后配套滑车装置与洞壁之间的摩擦系数；g为重力系数；β为滑车受力点与隧道垂线的夹角（见图9和图10）。

以洛宁斜井TBM 项目为例，设计参数如下：主机重量GM=5 500 kN；防溜装置重量GR=1 500 kN；后配套重量GN=1 500 kN；后配套滑车装置与洞壁之间的最小摩擦系数μg=0.35；隧道倾角α=39°；滑车受力点与隧道垂线的夹角β=27.6°；液压绞车最大拉力Fz=260 kN；ABS 装置的撑紧力F=24 531 kN（防溜装置油缸提供，缸径250@250 bar），经计算，S=3.75，满足使用要求。

（2）大坡度物料运输。运输材料包括支护材料（如工字钢、喷混凝土材料、混凝土等）、设备配件、耗材等，采用液压绞车方式运输。液压绞车布置在斜井底部位置，需应根据斜井长度、断面大小、运输能力、运输干扰程度、污染情况、隧道基底形式等因素进行设计。液压绞车提升系统运行速度要稳定，且需要满足掘进速度要求，钢丝绳的牵引力按照GB/T29086-2012《钢丝绳安全使用和维护》标准要求，钢丝绳设计不低于6倍的安全系数。

4.3.3 工程应用

洛宁抽蓄电站位于洛宁县，若采用反井钻机开挖引水斜井，受反井钻机单次最大开挖300～400 m能力的限制，需分上斜井、中平洞、下斜井三段开挖总长约1 300 m，并需设置3条出渣施工支洞，同时存在施工安全隐患。根据机械设备先进性、安全性、可靠性、经济性统一原则，规划采用斜井TBM 开挖，优化施工线路缩短至为920 m，减少两条施工支洞。采用上述关键技术对传统TBM 增加安全装置和物料运输装置，斜井TBM 掘进可达每月200 m，预计节省3个月的工期。