斜井隧道掘進機在抽水蓄能電站施工中的應用

徐艷群 ，尚海龍 ，劉傳軍

（1.山東文登抽水蓄能有限公司，山東省文登市 264421；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

目前抽水蓄能電站壓力管道斜井工程一般采用爬管或反井鉆施工法，隨著黨的“十八大”以來國家對工程建設要求的提高，工程施工過程中的安全、質量、環境保護等要求在逐步加強，其中安全生產工作更是備受重視，已經成為我國經濟社會的重要基礎和保障，為此國家也制定了一系列的規章制度來為安全生產保駕護航，從制度上要求工程建設中大力推進依法治安和科技強安，以加快安全生產基礎保障能力建設，推動了安全生產形勢持續穩定好轉。在當前需要加強安全生產管理的客觀條件下，TBM作為目前隧洞開挖中安全、高效、可靠的施工設備，提供了改變目前抽水蓄能電站施工方法的可能性，并且符合目前加快淘汰落后工藝、技術、裝備和產能的產業政策，也有利于降低安全生產風險，提高工程建設本質安全水平。

1 日本抽水蓄能電站斜井TBM施工情況

國外抽水蓄能電站項目眾多，其中斜井TBM在日本抽水蓄能電站施工中的應用最具特點，以下對日本斜井TBM的應用情況作一介紹。

1.1 下鄉抽水蓄能電站

下鄉抽水蓄能電站總裝機容量1000MW，安裝4臺單機輸出250MW的發電機，斜井段長485m，坡度37°，斜井段開挖從下水平部位先采用開挖直徑3.3 m的隧洞掘進機（TBM）由下至上開挖導洞，導洞貫通后，把導洞作為出渣洞使用[1]。然后由上向下用TBM擴挖成直徑5.8m的斷面。1979年5月12日開始掘進，經過1年半完成斜井導井開挖，月平均進尺106m。

1.2 鹽原抽水蓄能電站

鹽原抽水蓄能電站總裝機容量900MW，安裝 3臺單機輸出300MW的發電機，壓力管道全長594m，由上水平段，斜井段和下水平段組成，地層為第三紀鹽谷層群，由流紋巖、凝灰巖和泥巖，部分地段有玢巖侵入體[2]。其中斜井段長460m，坡度達52.5°，斜井段開挖從下水平部位先采用開挖直徑2.3m的隧洞掘進機（TBM）由下至上開挖導洞，導洞貫通后，把導洞作為出渣洞使用，然后采用常規的全斷面擴大開挖法由上至下開挖。

東京電力公司于1989年1~6月完成了鹽原抽水蓄能電站傾角52.5°、長度438m、Φ2.3m的導洞開挖。導洞TBM施工最高月進尺104m，平均月進尺68m。

1.3 葛野川抽水蓄能電站

葛野川抽水蓄能電站總裝機容量1600MW，安裝 4臺單機輸出400MW的發電機[3]，壓力管道全長2.0，包括上部斜井（全長167m，坡度48°）和下部斜井（全長768m，坡度52.5°），上部斜井用反井鉆機施工方法進行導洞挖掘、鉆爆法進行擴挖；下斜井，通過TBM施工導洞，導洞直徑2.7m，導洞施工完成后采用擴挖TBM進行全斷面擴挖。

壓力管道途經地區位于山梨縣東部大菩薩嶺的東南方，地質由屬于中生代白堊紀后期到新生代古第三期之間沉積的四萬十層“小佛層群”的泥巖和砂巖混合層構成[3]。

1996年1~7月完成葛野川抽水蓄能電站傾角52.5°、長度745m、直徑2.7m導洞開挖，隨之在1997年5月~1998年1月完成直徑7m斷面擴挖（擴挖TBM施工）。導洞TBM施工最高月進尺166m，平均月進尺115m。

1.4 神流川抽水蓄能電站

神流川抽水蓄能電站總裝機容量1200MW，安裝 4臺單機輸出300MW的發電機，水道系統全長2.8km，其中引水斜井直徑為6.6m，傾斜度48°，斜井長935m，采用“全斷面斜井TBM施工法”施工。斜井沿線為第三紀侵入的安山巖石以及侵入礫巖，斜井上部地層中分布著一部分蛇紋巖，中間部分呈現泥質巖基質（泥巖以及細粒砂巖）[4]。

1999年11月~2001年4月完成神流川抽水蓄能電站傾角48°、長度935 m、Φ6.6 m的全斷面TBM開挖，最高月進尺115.5m，平均月進尺71m[5]。

1.5 小丸川抽水蓄能電站

小丸川抽水蓄能電站總裝機容量1200MW，安裝 4臺單機輸出300MW的發電機，水道系統全長2.8km，其中引水斜井直徑為6.1m，傾斜度48°，斜井長988m，采用TBM施工導洞，導洞直徑2.7m，導洞施工完成后采用擴孔TBM進行全斷面擴挖。斜井沿線巖石主要為砂巖和頁巖[6]。

2003年3月~2007年8月完成小丸川抽水蓄能電站兩條斜井開挖，平均月進尺34m。

2 國內抽水蓄能電站應用分析

目前斜井施工主要采用反井鉆施工，根據目前國內反井鉆的設備性能來看，常用的LM系列的反井鉆機施工斜井長度不超過300m，超過300m則達不到孔斜控制要求，對于400m以內的斜井需采用國內研制的定向鉆機或國外進口設備（如澳大利亞產TR-3000型或其他國外同類設備）進行施工，否則孔斜率偏差很大。此外，如果斜井長度再增加，例如達到500m，隨著斜井的長度的進一步增加對反井鉆鉆桿質量（強度、剛度等）要求更高，而且斜井長度越長鉆桿穿越的地層巖性越多則影響鉆進精度的因素更多，其孔斜偏差隨機性會更大，最終導孔誤差會增加更大。

此外，根據目前國內已經完工的抽水蓄能電站來看，引水系統施工如果組織管理不當，往往會造成整個工程發電工期滯后。由此可以看出，引水系統采用目前現有的施工技術手段，其施工進度的保證率不高。

總之，反井鉆對于斜井直線長度在300m以內的斜井采用反井鉆已無技術問題；對于300～400m斜井目前主要采用國外進口鉆機（如澳大利亞產TR-3000型）進行施工，已有成功案例；對于400m以上斜井開挖目前國內一般采用中部增加施工支洞分段施工的方案，即按照長洞短打的原則施工。然而，根據日本抽水蓄能電站長斜井施工情況分析，其主要采用TBM法進行長斜井施工。

以下根據國外斜井施工實例，結合文登抽水蓄能電站的引水系統地質情況研究TBM在抽水蓄能電站斜井的應用方案。

2.1 壓力管道設計

文登抽水蓄能電站樞紐工程由上水庫、下水庫、水道系統、地下廠房、開關站及出線場等部分組成，工程區出露基巖主要為晚元古代晉寧期二長花崗巖（ηγ23），中生代印支期黑云角閃（或角閃黑云）石英二長巖（ηo51）及石英正長巖（ξo51），巖體整體性較好。

按照常規“反井鉆法”施工法布置引水系統壓力管道，其壓力管道須分上、下斜井兩部分，上下斜井之間布置中平段，上斜井直線段長212m，中平段長336m，下斜井直線段長348m。并且為施工上、下斜井還須在壓力管道中平段設置施工支洞及其施工輔助道路以滿足斜井施工的需要，布置方案見圖1、圖2。

圖1 常規施工方案壓力管道平面布置圖Figure 1 Plane layout of pressure pipeline for conventional construction scheme

圖2 常規施工方案壓力管道剖面布置圖Figure 2 Section layout of pressure pipeline for conventional construction scheme

如按照“TBM法”施工來布置壓力管道，則可取消壓力管道中平段，將壓力管道上、下斜井兩部分合并為一條長斜井，引水壓力管道布置見圖3、圖4。

圖3 壓力管道長斜井方案平面布置圖Figure 3 Plane layout plan of long inclined well for pressure pipeline

圖4 壓力管道長斜井方案圖Figure 4 Scheme for long inclined well in pressure pipeline

2.2 壓力管道斜井施工

常規高壓管道布置方案，上斜井和下斜井施工利用中平段作為施工通道采用反井鉆施工導井，導井施工完成后再自上而下擴挖成洞。

TBM法斜井布置方案，根據日本抽水蓄能電站斜井施工情況分析，其主要應用斜井TBM進行導井施工，然后再輔助人工擴挖的方案。本次基于TBM設備可靠性和設備費用考慮，斜井開挖也采用斜井TBM施工導井，人工擴挖的方案。

通過對文登高壓管道施工進度分析，方案一，斜井分為上下兩段，上下斜井均采用反井鉆施工導洞法+人工擴挖，從通風洞開挖至廠房端墻至首臺機引水系統支洞封堵完成，總工期38個月，從通風洞開挖至廠房端墻至機組調試開始，總工期45個月，則引水系統施工工期滿足首臺機發電施工要求。

方案二，斜井采用TBM施工導洞，從通風洞開挖至廠房端墻至首臺機引水系統封堵完成，總工期43個月，從通風洞開挖至廠房端墻至機組分部調試開始，總工期45個月，則引水系統施工工期滿足首臺機發電施工要求。

雖然方案二采用斜井TBM施工將延長引水系統工期5個月，但對首臺機組發電工期沒有影響。

2.3 壓力管道斜井經濟性分析

2.3.1 編制依據

以文登抽水蓄能電站可行性研究階段概算投資為基礎，價格水平為2013年3季度，主要編制依據：

（1）項目劃分、費用標準按可再生定額〔2008〕5號文頒布的《水電工程設計概算編制規定（2007年版）》及《水電工程設計概算費用標準（2007年版）》計取。

（2）可再生定額〔2009〕22號文關于頒布《水電工程設計概算編制規定（2007年版）》第1號修改單的通知。

（3）可再生定額〔2008〕5號文頒布的《水電建筑工程概算定額（2007年版）》；原國家經濟貿易委員會公告2003年第38號《水電設備安裝工程概算定額（2003年版）》；水電規造價〔2004〕0028號《水電施工機械臺時費定額（2004年版）》。

（4）補充的TBM單價計算以水利部水總〔2014〕429號文《關于發布〈水利工程設計概（估）算編制規定〉的通知》為主要編制原則。

（5）補充的TBM開挖及相關臺時費部分單價執行水利部水總〔2007〕118號文頒布的《水利工程概預算補充定額（掘進機施工隧洞工程）》及水利部水總〔2002〕116號文頒布的《水利建筑工程概算定額》《水利工程施工機械臺時費定額》。

（6）國家及山東省現行相關政策及文件。

（7）現階段各專業提供的設計資料及工程圖紙。

2.3.2 斜井TBM設備臺時費計算基本假定

（1）經詢價，斜井2.53m直徑的TBM設備總價為2000萬元/臺。

（2）設備使用情況擬定，方案一，設備壽命期總運行公里數擬定為3.5km；方案二，設備壽命期總運行公里數擬定為10km；方案三，設備壽命期總運行公里數擬定為20km；方案四，設備壽命期總運行公里數擬定為30km。

（3）TBM設備刀具消耗只與掘進工作量有關，與設備老化無關。

（4）設備殘值率參考《全國統一施工機械臺班費用編制規則》中的掘進機械的殘值率為5%。

（5）折舊費根據以上假定計算得出。

（6）修理及替換設備費按《水利工程概預算補充定額（掘進機施工隧洞工程）》中敞開式TBM設備（直徑2.5m）修理及替換設備費與折舊費的比例推算，運行公里數低于30km的按比例折減該費用。

（7）機械臺時二類費用參照定額計算。

2.3.3 采用TBM開挖斜井編制方法

斜井直徑2.5m石方開挖選取《水利工程概預算補充定額（掘進機施工隧洞工程）》中敞開式TBM掘進隧洞開挖直徑4m章節下的單軸抗壓強度100~150MPa的定額內插計算，石方運輸距離為洞內1.8km，洞外3km。斜井TBM按總運行公里數30km攤銷。

2.3.4 費用比較分析

以文登抽水蓄能電站斜井工程為例對“反井鉆法”和“TBM法”的施工費用分別測算后，采用“反井鉆法”施工其工程費用約為3279.8萬元，采用“TBM法”施工其工程費用約為5342.7萬元，采用“TBM法”施工后斜井工程費用增加約2062.9萬元。

3 結論

斜井TBM作為目先進的斜井隧道施工設備，具有安全性能高、施工效率高、掘進速度快等特點，雖然采用斜井TBM施工增加了工程費用，但降低了斜井施工難度和風險，提高了施工安全性，且有利于優化抽水蓄能電站水道系統布置。隨著國內TBM設計制造技術進一步成熟和應用范圍的進一步擴大，TBM施工技術的技術經濟性會更好。