抽水蓄能电站引水斜井TBM施工关键技术研究

张祥富，朱静萍，杨 朝，童 慧，任 鑫，岳金文，钟聚光

(1. 湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南 岳阳 471700； 2. 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

截至2020年底，我国抽水蓄能电站装机容量3 000万kW，为实现“碳达峰、碳中和”目标，我国“十四五”及未来电力系统对抽水蓄能电站的需求将更为强烈，抽水蓄能电站将保持较快发展态势[1]。

抽水蓄能电站引水斜井具有断面大、长度长、倾角陡等特点，其开挖通常采用反井钻开挖导井、常规钻爆法扩挖的施工工艺，面临的主要问题有：斜井施工长度受反井钻设备施工能力限制，一般不宜超过400 m；导井开挖导向难度大，偏差不易控制；钻爆法开挖的平整性差，超挖及欠挖问题普遍；通风散烟条件差，施工速度慢，安全性差等。斜井的施工往往是抽水蓄能项目施工的重难点部位，也极易成为控制工期的关键线路，已经成为工程建设的制约因素。

TBM施工技术作为目前最为先进的隧洞施工技术，已被广泛应用于铁路、水利等行业的大型长遂道的施工，在质量、工期、安全、环境保护与文明施工方面表现出了突出优势[2-3]。目前国内大坡度斜井的TBM应用与施工，尚无应用先例，抽水蓄能项目中也鲜有TBM的应用实施，仅在坡度小于20%(11°)的隧洞项目中，有较多的TBM应用案例且技术成熟，但在国外已有80多个斜井项目成功应用TBM进行施工，斜井TBM的施工方法和安全性也得到了充分验证。若采用TBM进行抽蓄斜井施工，既可显著提高施工效率，缩短引水系统建设时间，降低施工安全风险，保护作业人员的安全；同时施工装备及技术提升，也将反哺抽水蓄能电站设计，可考虑将多级短斜井合并成一级长斜井，减少引水系统的水力损失，优化引水系统设计。因此研究斜井TBM施工对抽水蓄能电站设计、施工以及我国TBM技术的发展都有较大的技术创新意义[4]。

抽水蓄能项目大多位处深山峡谷，一般工程洞挖料均需考虑作为混凝土骨料使用，采用TBM开挖后，其开挖料可利用性问题凸显。目前国内已有相关工程开展了TBM开挖料的利用研究，如锦屏二级水电站进行了TBM掘进料作为料源加工人工骨料的技术研究。试验中成品骨料的获得率为21%～39%；骨料粒径不良，片状较多；小颗粒较多，石粉含量偏高；开挖料含水量较高，为5%～28%。以上各项指标均不满足规范要求。从质量、技术、经济性等方面考虑，锦屏二级水电站未采用TBM开挖料作为人工骨料料源。桓集隧道工程对TBM洞挖料进行的试验研究表明，经加工后粗骨料各项检验结果均能满足规范要求，细骨料中石粉含量较高，需后续加工予以改进，掺用TBM洞挖料加工粗骨料的混凝土拌合物满足规范要求[5]，采用TBM洞挖料的喷混凝土拌合物性能较优。总体来说，国内关于TBM开挖料的利用研究成果较为离散，对其是否可用尚无统一定论。

抽水蓄能引水斜井在立面布置上，为方便钻爆法工艺下开挖溜渣，斜井倾角一般布置为50°～60°，采用TBM施工之后，斜井倾角将会有较大调整，同时TBM开挖渣料特性也较钻爆法有所不同，原有的设计经验不足以指导TBM施工下的立面设计，目前尚未有斜井TBM施工倾角设计与出渣可行性方面的研究[4]。

根据现阶段抽水蓄能引水系统TBM施工通用化设计研究成果，引水斜井采用TBM施工之后，传统的两级斜井的立面布置需作出调整，即取消引水中平段将引水上平段与下平段通过单级斜井相连，同时也将取消相应的施工支洞。但是通用设计中仅考虑了开挖施工不需要设计中部施工通道，并未考虑施工支洞取消后对后续衬砌施工的影响，以及由此带来的施工难度、施工工期上的问题。

目前，国内抽水蓄能项目正针对引水斜井进行大量的应用研究及试点，针对其开挖料可利用性、开挖出渣可行性、施工通道布置等关键技术问题进行研究，关系着TBM应用的经济合理性，甚至将影响其应用成败，具有重要的现实意义。

本文将基于现阶段TBM设备性能及抽水蓄能电站引水斜井通用TBM设计方案，针对以上关键技术问题进行阐述和分析，以期为抽蓄项目斜井TBM应用和推广，提供参考和思路[4]。

1 引水斜井TBM应用方案

在现有施工工艺条件下，抽水蓄能电站引水系统斜井在布置上，受反井钻设备施工能力的限制，单级斜井长度一般不超过400 m，高水头电站较多采用三级平洞+两级斜井的布置方式；斜井倾角需为自行溜渣创造条件，布置角度一般在45°～60°之间。若斜井采用TBM施工，斜井角度可在10°～60°之间，比较经济的斜井角度为30°～60°(可自行溜渣)；若采用TBM施工，一般将三级平洞+两级斜井布置为一级长斜井方案，单级斜井长度可以达到800～1 000 m。

图1 适应TBM施工的引水斜井纵剖面图

2 引水斜井TBM施工关键技术分析

2.1 TBM开挖料试验研究

TBM进行隧洞开挖时，破岩原理为利用TBM旋转刀头挤压切削破岩，刀盘采用喷水冷却，因此，TBM开挖渣料形状多呈片状，石粉含量较高，含水率也较高。石渣颗粒较细、石粉含量较大、呈片状、料块隐裂隙多、对母岩强度有损伤等这些因素，都可能影响开挖渣料性能和利用价值。

为开展TBM开挖料的利用研究，我单位进行了针对性TBM洞挖渣料试验。

2.1.1 TBM洞挖渣料试验

试验选取青岛地铁4号线项目TBM洞挖渣料，围岩为Ⅲ类～Ⅳ类花岗岩，进行了TBM开挖渣料级配分析和骨料轧制试验、混凝土配合比设计及性能试验。

筛分试验及骨料轧制试验结果表明：

1)TBM洞挖渣料中有用料占比为92.1%(包含粒径大于5 mm颗粒表面的裹粉)；

2)TBM洞挖渣料中粒径为20～40 mm、5～20 mm、5～10 mm的颗粒形状规则，针片状颗粒含量1%～2%；

3)TBM洞挖渣料中粒径小于5 mm的颗粒(石屑)占比7.9%，石屑的颗粒级配和石粉含量不满足标准对人工砂的技术要求；

4)TBM洞挖渣料轧制人工砂的成砂率为79.4%，所轧制的人工砂颗粒级配良好，细度模数2.78；

5)TBM洞挖渣料人工骨料除粗骨料含泥量略高外(也称为裹粉量，可通过水洗处理后满足标准要求)，其它品质指标均满足标准要求。

混凝土配合比设计及性能试验表明：TBM洞挖渣料人工骨料可配制C30W8泵送混凝土、C25W8喷射混凝土、C10回填灌浆混凝土，各项指标均满足规范要求。

2.1.2 TBM洞挖料利用分析

关于TBM洞挖料的试验数量不多，成果差异较大，对于其可利用性尚无统一定论。宏观上判断TBM开挖料作为砂石骨料料源的可利用性，与母岩的岩性、强度、完整性等较为相关：当母岩完整性及强度均较高时，TBM依靠挤压破岩，开挖料石粉含量较高；当母岩完整性及强度适中时，开挖料形状较为规则，骨料的获得率也将大幅提高。与钻爆法开挖料加工的骨料相比，TBM开挖料生产的骨料存在级配及粒型不良的概率较大，可通过调整混凝土配合比、优化水泥和减水剂等原材料及外加剂的掺量等方式，使混凝土拌合物的各项指标满足相应要求。是否利用TBM洞挖料加工骨料，是一个技术经济问题，需要根据具体的可利用率、掺配或工艺改良的难度和费用等进行综合的经济评价。

总体来说，TBM洞挖料作为人工砂、喷混凝土骨料、豆砾石填充灌浆混凝土骨料料源，是较为可行的利用方案。从综合利用的角度，可考虑作为工程级配碎石、道路垫层等的填筑用料，石粉可作为沥青混凝土填充料、仿石涂料等原料。其作为砂石骨料的可行性，需针对具体项目应用情况，再行开展专题研究[5]。

2.2 TBM出渣

关于TBM出渣，针对不同的施工工艺，有不同的出渣方式，TBM若采用自上而下施工，则需吊运出渣，若采用导井+扩孔式施工，则从导井中溜渣，若采用自下而上施工，则采用溜渣方式。本文主要针对自下而上施工工艺，分析溜渣可行性及相关辅助措施。

文登抽水蓄能电站利用排水廊道的TBM开挖料进行了溜渣试验研究。试验根据几何相似的原则搭建了出渣试验台模型(图2)，其中溜渣槽的角度可根据需要进行调整[6]。

图2 出渣试验台搭建

山东文登抽蓄电站排水廊道沿线围岩为Ⅰ类～Ⅱ类二长花岗岩和石英二长岩，岩石单轴抗压强度100～150 MPa。其TBM开挖料含水率1.2%～1.5%，对开挖料进行筛分后，TBM洞挖渣料中粒径为40 mm以上、20～40 mm、10～20 mm、10 mm以下的颗粒含量分别为30%、14%、12%、44%。

利用TBM开挖料针对不同溜渣倾角进行敏感性试验。试验结果表明，溜渣倾角大于等于28°时，开挖料可自行溜渣，小于等于26°时，开挖料不具备自溜条件，需采取辅助措施。统计结果见表1。

考虑到文登抽水蓄能排水廊道部位岩石母岩强度较高、完整性好，TBM开挖料石粉含量偏高，对溜渣有不利影响，属于较不利工况，其结论推广应用到一般地质条件的抽水蓄能项目，结果较为保守，留有安全余度，具备一定的参考意义。

对于采用TBM施工的抽蓄斜井部位，推荐倾角大于30°，以利于自重溜渣，同时考虑环保要求及污水处理难度，不建议采用水力辅助溜渣的措施，而推荐采用溜渣钢板、螺旋输送机、高频振动器、人工清渣等方式防止渣料堆积，确保出渣顺畅。

2.3 斜井衬砌施工

衬砌是压力隧洞的重要组成部分，一般包括不衬砌、混凝土衬砌和钢衬等类型。目前，较高水头的引水系统不衬砌较为少见，一般在低水头段采用混凝土衬砌、高水头段采用钢衬。当采用TBM施工后，两级斜井变为一级斜井，则出现了同一条斜井中，上部是混凝土衬砌、下部是钢衬的情况。同时由于取消了中平洞，中平洞施工支洞一般也随之取消。

下部钢衬施工，一般采用场外制作6 m大管节，利用卷扬机进行吊装，由于TBM引水斜井长度较长(800～1 000 m)，钢管安装的难度将极大提高，施工工效也将显著降低。同时钢管混凝土回填施工也难度较大，小湾水电站400 m级、倾角32°斜井的混凝土溜槽入仓已属国内较为先进的水平，TBM斜井混凝土入仓将成为制约施工的一大难题。

上部混凝土衬砌施工，从施工质量、效率等方面考虑，推荐采用滑膜施工，但是TBM长斜井条件下，混凝土衬砌起点位于斜井中部，滑膜就位难度较大，也是制约施工的关键点。

斜井的施工程序为：开挖施工→钢衬施工→混凝土衬砌施工，由于钢衬及混凝土衬砌需依次施工，往往导致整条引水斜井工期过长，成为制约整个工程的关键线路[7]。

为解决钢管安装、混凝土入仓及混凝土衬砌滑膜就位等难题，同时也为优化斜井施工程序，缩短斜井施工工期，需保留斜井中部施工支洞，将支洞端点布置于钢衬起点上方，作为钢衬、混凝土回填、混凝土衬砌的施工通道，同时为下部钢衬施工与上部混凝土衬砌施工同时开展，提供条件。

在保留施工支洞的前提下，钢管安装、混凝土回填、混凝土衬砌等施工技术均成熟有保障，可有效解决TBM施工条件下长斜井带来的施工技术难点及施工工期上的延长。

3 结 语

1)与钻爆法开挖料加工的骨料相比，TBM开挖料生产的骨料存在级配及粒型不良的概率较大，可通过掺配、调整配合比等方式改善。是否利用TBM洞挖料加工骨料，需要根据具体的可利用率、掺配或工艺改良的难度和费用等进行综合经济评价。

TBM洞挖料作为人工砂、喷混凝土骨料、豆砾石填充灌浆混凝土骨料料源，是较为可行的。也可考虑工程级配碎石、道路垫层填筑用料、制作石粉等综合利用方案。

2)引水斜井依靠自重溜渣的临界倾角为28°，大于等于28°倾角时，渣料具备自溜条件，小于等于26°时，渣料不具备自溜条件，需采取辅助措施。对于采用TBM施工的抽蓄斜井部位，推荐斜井设计倾角大于30°。

3)抽水蓄能引水斜井采用TBM施工，当斜井较长且上、下两段衬砌型式不同时，建议保留中部施工支洞，作为钢衬[8]、混凝土回填、混凝土衬砌的施工通道，同时为下部钢衬施工与上部混凝土衬砌施工同时开展，提供条件。