抽水蓄能電站高壓管道斜井采用TBM施工的工程布置方案研究

劉永奇，張 杰，王小軍，劉曉楠

(1.國家電網有限公司，北京100031；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100024；3.國網新源控股有限公司，北京100761)

1 抽水蓄能電站高壓管道斜井施工現狀及布置特點

抽水蓄能電站高壓管道斜井一般布置在引水調壓室(或引水閘門井)和地下廠房之間，高壓管道斜井一般高差達350～700 m，斜井角度通常在50°～60°。國內抽水蓄能電站高壓管道斜井開挖普遍采用“反井鉆法”或“爬罐法”施工，這2種施工方法存在著機械化程度低、勞動力投入大、施工工期長、安全風險高、作業環境差等問題。受施工工藝限制，一般當單級斜井超過400 m時，高壓管道需設置中平段。同時根據經濟管徑比選成果，為了降低工程投資，采用鋼板襯砌的高壓管道主管通常采用變直徑，其開挖洞徑相應隨管徑變化，一般根據外包混凝土厚度，開挖洞徑比管徑大1～1.2 m。單條高壓管道斜井長度一般小于1.5 km[1]。抽水蓄能電站高壓管道斜井典型布置如圖1所示。

圖1 抽水蓄能電站高壓管道斜井典型布置縱剖面示意

2 TBM施工技術發展應用情況及特點

TBM(Tunnel Boring Machine)是隧道掘進機的簡稱。世界第一臺TBM(羅賓斯制造)自1953年問世以來，全斷面隧道掘進機制造行業快速發展。1985年中國引進國外設備，經過30多年發展，目前TBM設備已經能夠完全國內獨立設計、制造，并已進入歐洲市場。

TBM施工技術在國內水電、水利、鐵路、市政等工程領域已得到廣泛應用，但在抽水蓄能電站中應用較少[2]。在水電工程中，TBM施工技術在天生橋、錦屏二級、那邦水電站平洞開挖中有過應用。在抽水蓄能電站中，國外1968年已開始應用TBM進行平洞和斜井的開挖，且應用案例較多[3]，斜井應用如表1所示。目前，國內僅在WD抽水蓄能電站排水廊道(平洞)開挖施工中應用了TBM，高壓管道斜井尚無采用TBM開挖的實例。

表1 國外高壓管道斜井TBM施工的典型實例

目前，較為成熟的TBM施工技術具有以下特點：①TBM分為平洞型和斜井型，斜井TBM和平洞TBM無法簡單通用；②斜井TBM可實現單級長度1 000 m以內斜井的開挖；③同一臺TBM可以通過調整邊刀型式改變開挖洞徑，但直徑調整余地不大，一般在20 cm以內；④斜井TBM可進行30°～60°的斜井開挖；⑤斜井TBM施工精度較高，可滿足設計要求；⑥斜井TBM施工速度比傳統開挖快、且安全性更高。

3 適應TBM施工的高壓管道斜井布置及開挖洞徑設計方案

3.1 適應TBM施工的高壓管道斜井布置

高壓管道斜井受引水調壓室(或引水閘門井)和地下廠房位置的限制，施工布置范圍基本限定。考慮到TBM施工特點，為適應TBM施工，傳統高壓管道立面布置需作出調整，即取消高壓管道中平段，將高壓管道上平段與下平段通過單級斜井相連。同時為了適應TBM組裝、拆卸要求，在下平段起始點設置TBM組裝場地和始發洞段，在上平段末端設置TBM拆卸場地。適應TBM施工的典型高壓管道斜井布置如圖2所示。

圖2 適應TBM施工的典型高壓管道斜井布置示意

3.2 洞徑調整方案比較

為適應TBM施工，高壓管道斜井需采用統一的開挖洞徑，而確定高壓管道斜井開挖洞徑有2種方案：①方案1，內徑變化方案，即高壓管道斜井開挖洞徑統一按照最大管徑外側加1.0～1.2 m作為整個斜井的開挖洞徑，內徑按照傳統方式變化1～2次；②方案2，內徑不變方案，即在輸水系統水頭損失變化不大、過渡過程計算滿足設計要求的情況下，將高壓管道斜井的管徑統一，開挖洞徑按照管徑外側加1.0～1.2 m作為整個高壓管道的開挖洞徑。

以FN抽水蓄能電站高壓管道斜井洞徑調整為例，對適應TBM施工的2種方案和傳統布置方案進行對比分析。

(1)適應TBM施工的布置方案。為方便TBM施工，高壓管道立面采用單斜井布置，設有上平段、斜井段、下平段。高壓管道采用鋼板襯砌，2條主管平行布置，平面走向為NW315°，斜井角度35°，洞軸線間距48 m，高壓管道主管長956 m。在下平段起始點設置TBM組裝場地和始發洞段，在上平段末端設置TBM拆卸場地。考慮到TBM設備不宜變徑，擬定2個方案均以開挖洞徑不變為原則。方案1的開挖洞徑為7.6 m，斜井段鋼襯內徑6.4 m→5.6 m→4.8 m，隨著鋼襯內徑的變化，回填混凝土厚度相應變化。方案2的開挖洞徑為7.0 m，斜井段鋼襯內徑整體取不變值5.8 m。

(2)傳統布置方案。為適應傳統反井鉆(爬罐)施工，高壓管道采用一管兩機雙斜井布置方式，由主管、岔管和支管組成。高壓管道主管分為上平段、上斜井、中平段、下斜井和下平段。高壓管道采用鋼板襯砌，2條主管平行布置，平面走向為NW315°，斜井角度55°，洞軸線間距為48 m，高壓管道主管長1 046 m。

經過技術比較，方案1、方案2和傳統方案的Tw值、水頭損失差異不大，均滿足設計要求，計算結果如表2所示。3種方案均為可行方案。

表2 高壓管道斜井TBM施工方案Tw值及水損比較

經過投資比較，方案2比方案1投資節省3 600萬元，方案2比傳統方案投資高2 400萬元。由此可知，在滿足過渡過程計算要求和水頭損失變化不大的情況下，可以將高壓管道斜井的管徑取為一致，這樣在采用TBM設備施工時，投資較省。

4 擬建工程高壓管道斜井TBM應用研究

4.1 擬建工程高壓管道斜井特點

從FN抽水蓄能電站高壓管道管徑調整研究看，投資費用主要受TBM攤銷影響，在單個工程高壓管道斜井中應用TBM開挖比采用傳統鉆爆法開挖投資大。為提高TBM使用率，降低設備攤銷費，對國網新源控股有限公司擬開工建設的10個高壓管道斜井工程進行分析研究。

10個工程高壓管道斜井特點如表3所示。由表3可知：

表3 10個擬建工程高壓管道斜井特點

(1)10個工程高壓管道均為鋼板襯砌，回填混凝土厚度一般為0.6 m。

(2)高壓管道均布置有2級斜井，除PJ外，單級斜井長度均不超過370 m。高壓管道均有1～2次變徑。

(3)400～500 m水頭段的NH、YQ、ZR、HM、FN，高壓管道管徑非常接近，管徑差距在20 cm以內。600 m以上水頭段的PJ和LN，高壓管道管徑非常接近。由此400 m以上水頭高壓管道管徑存在歸并的可能。

4.2 擬建工程高壓管道通用管徑分析

4.2.1高壓管道立面布置調整及管徑歸并

(1)調整原則。①引水調壓井(引水閘門井)及引水岔管位置不變；②斜井按照單斜井布置；③調整后的Tw值和水頭損失應于原方案差異不大；④斜井鋼襯起點維持不變。

(2)布置調整。按照上述原則對各工程調整后，高壓管道立面布置與圖2類似。

4.2.2調整后管徑歸并

根據調整后的高壓管道斜井布置，對各個工程管徑按照Tw值滿足要求和水頭損失差異不大原則，盡量歸并統一。經過試算，各工程計算成果如表4所示。

表4 擬建工程高壓管道斜井調整結果匯總

由表3、4可知，高壓管道單級斜井的立面布置可以滿足TBM開挖施工要求。擬建的10個工程高壓管道斜井中，有8個工程可以將管徑統一為5.8 m，開挖洞徑可統一歸并到7.0 m。管徑調整對Tw值影響很小，部分工程甚至有所降低；對水頭損失影響不大于1 m，滿足設計要求。為適應TBM開挖，NSS電站可將高壓管道斜井管徑調整至5.6 m，如果統一為5.8 m直徑，會造成投資增加，不經濟，因此不建議調整。YX電站可將高壓管道斜井管徑調整至6.0 m，但考慮到Tw值已經超過2.1 s，如果統一為5.8 m，對電站過渡過程計算不利，因此不建議調整。

5 結 語

通過分析研究，高壓管道單級斜井布置可以滿足TBM施工要求。通過對擬建的8個抽水蓄能電站高壓管道單級斜井管徑的歸并，可實現多個抽水蓄能電站高壓管道斜井共用一臺TBM進行開挖施工，降低設備攤銷費用。

TBM作為一種安全可靠的新型施工機械，在抽水蓄能電站高壓管道斜井施工中有很好的應用前景，應盡快推進應用。通過實際應用，進一步對高壓管道TBM開挖技術進行研究，指導后續設備制造、現場施工。