抽水蓄能電站TBM應用研究思路

國網新源控股有限公司 王洪玉 中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司 朱靜萍 蔣 滟

截至2020年底我國抽水蓄能裝機達3000萬千瓦，為實現“碳達峰、碳中和”目標，“十四五”及未來電力系統對抽水蓄能電站的需求將更為強烈，抽水蓄能電站將保持較快發展態勢。抽水蓄能電站地下隧洞群規模大、項目繁多、工程量大，目前主要采用鉆爆法、反井鉆法或爬罐法開挖，上述施工方法存在著施工質量控制難度大、施工機械化程度低、勞動力投入大、安全風險高、施工工期長、作業面環境差、炸藥管控等缺點，易對現場的施工和管理人員職業健康造成傷害，極易引發安全生產事故，已經成為工程建設的制約因素[1]。

TBM 施工技術作為目前最為先進的隧洞施工技術，已被廣泛應用于鐵路、水利等行業的大型長隧道的施工，在質量、工期、安全、環境保護與文明施工方面表現出了突出優勢，但在國內抽水蓄能電站施工中則鮮有應用。其主要原因一是設備費用一次性投入大、施工成本高；二是抽水蓄能電站均為有限空間內的地下洞室群，立面交叉多、隧洞短、轉彎多、斷面尺寸變化頻繁，而TBM 設備裝拆時間長，施工工期優勢在短隧道施工中或不同洞徑施工中無法得到充分體現[2]。

為此，降低施工造價、發揮工期優勢是TBM設備應用于蓄能電站施工需要重點關注和研究的問題。一方面需針對抽蓄電站地下隧洞特點和TBM設備特性，選擇適合采用TBM 施工的應用方向和應用部位[3]；另一方面抽蓄項目采用TBM 施工，較常規施工方法（如鉆爆法）而言，將會面臨一些新的困難和挑戰，這也是TBM 在抽蓄項目中推廣應用必須解決的問題[4]。本文基于現階段TBM 設備性能及抽水蓄能電站施工現狀，從TBM 在抽蓄項目中的應用方向進行論述，同時針對這些應用方向上面臨的關鍵技術問題進行闡述和分析。

1 TBM 使用部位研究

1.1 抽蓄地下隧洞分析

抽水蓄能電站地下洞室群主要由引水、廠房、尾水3大部分組成。為方便施工、排水、通風散煙等，還設置有輔助洞室。各洞室長短不一，開挖斷面3～12m 不等，各洞室地質條件也各不相同。抽水蓄能引水系統需從上水庫進/出水口連接到廠房安裝層，立面高差較大，一般在200m 以上，水頭較高的甚至可達700m，平面上可選擇“一洞一機”到“一洞四機”等多種布置。目前國內采用三級平洞+兩級斜井/豎井布置方式較多。上平洞一般長度在2km以內，中平洞及下平洞長度均較短，不超過0.5km。斜井傾角多在45～60°之間，單級斜井長度基本控制在400m 以內。引水主洞直徑多為6～10m 之間。

尾水系統隧洞條數往往會等于或多于引水系統的條數，一般為兩條或四條，洞徑一般略大于引水隧洞，直徑在7～10m 之間，長度在2km 以內。廠房系統中主廠房及主變洞洞經均較大，跨度在20m以上，不適宜采用TBM 進行施工，其他廠房系統洞室大多長度較短，洞經不一且縱坡變化范圍較大。輔助洞室有施工支洞、交通洞、通風、排水洞等，施工支洞沿整個輸水發電系統布置多條，斷面大多在6～8m，長度在2km 以內。通風及交通洞長度在1.5km 左右，較長的可超過2km，開挖斷面9m 左右。排水洞主要有自流排水洞、排水廊道等，斷面3～4m，自流排水洞長度在2～6km，排水廊道單洞長度一般在2km 以內。

1.2 TBM 可應用部位分析

TBM 施工工法在長隧洞連續掘進時具有較好的經濟效益，短距離施工需頻繁拆裝TBM 設備，對TBM 設備使用壽命有較大影響。一般TBM 在拆裝4次后主軸承等關鍵部件需進行更換，隨之帶來的是TBM 設備成本的大幅上升。同時TBM 設備需根據開挖洞室的斷面尺寸、坡度、地質條件、轉彎半徑、支護要求等內容進行針對性設計，不同的洞徑需采用不同的TBM 設備施工。由此可見，抽水蓄能電站錯綜復雜的地下洞室群若全部應用TBM 施工工法顯然是不經濟和不太可行的。但隨著我國TBM設備制造水平和能力的不斷提高，以及綜合考慮未來抽水蓄能電站建設水平及新技術應用的需求，為進一步研究和探討在抽水蓄能電站建設中應用TBM施工提供了機遇和條件。

為進一步降低TBM 的施工成本，需要擬采用TBM 施工的洞室進行選擇，其原則主要考慮：可長距離連續施工，減少設備拆裝機次數；擬施工的洞室尺寸相近，可優化為同一斷面，由同一臺TBM施工；采用傳統鉆爆法施工難度大、有較大安全風險的洞室；可能影響電站建設總工期的關鍵洞室；TBM 尺寸具有通用性，可兼顧其它抽水蓄能電站施工需要，可電站間銜接使用。基于以上分析，通風洞、交通洞作為廠房施工的通道，其進度直接影響主廠房的開工時間，加快通風洞、交通洞的施工可縮短電站建設的直線工期。且同一項目通風洞、交通洞的斷面尺寸一般較為接近，不同項目間洞經也變化不大，研究設計一款大直徑平洞TBM 設備，一次完成兩個洞室的開挖，可縮短電站關鍵線路工期，并可銜接使用于其他項目。

引水斜井具有長度長、坡度大等特點，斜井的施工一直是抽蓄電站建設的重難點之一，施工安全風險也較大。若采用TBM 施工，一般將三級平洞+兩級斜井布置為一級長斜井方案。雖然目前斜井TBM 工法在我國尚未有應用案例，但國外已有80多個斜井項目成功應用TBM 進行施工，斜井TBM 的施工方法和安全性也得到了充分驗證。若采用TBM進行抽蓄斜井施工，既可顯著提高施工效率、縮短引水系統建設時間，降低施工安全風險、保護作業人員的安全；同時施工裝備及技術提升也將反哺抽水蓄能電站設計，可考慮將多級短斜井合并成一級長斜井，減少引水系統的水力損失，優化引水系統設計。因此研究斜井TBM 施工對抽水蓄能電站設計、施工以及TBM 技術的發展都有較大的技術創新意義。

抽蓄電站布置有較多小斷面排水洞，尺寸一般在3～4m 左右，采用人工鉆爆法施工存在出渣、通風困難等問題，可研究采用成本較低的小直徑TBM進行施工，從而提高小斷面洞室的開挖質量和施工效率，改善作業環境。

綜上所述，抽水蓄能電站TBM 施工可圍繞交通洞和通風洞的大斷面平洞TBM 應用、引水斜井TBM 應用、排水系統小斷面TBM 應用這三個方向開展研究。

2 應用研究思路和關鍵技術問題

2.1 通風洞和交通洞TBM 應用研究思路

抽蓄電站通風洞通往廠房的頂層，交通洞一般通往廠房第三層的安裝間，均作為廠房開挖期間的施工通道。洞室凈斷面尺寸一般在8×8m（寬×高）左右，開挖斷面在9m 左右。使用TBM 開挖通風洞、交通洞理論上是可行的，但需要解決以下四個問題：

洞徑尺寸統一。通風洞和交通洞洞型均為城門洞型，TBM 設備開挖斷面為圓形，在保障大件設備運輸的前提下需進行洞徑優化，將通風洞和交通洞洞徑尺寸統一，同時確保TBM 設備開挖后的斷面尺寸滿足電站使用要求；掘進路線。為降低設備的使用成本，需盡可能地增加連續掘進長度，減少設備拆裝次數。TBM 無論從通風洞進入或從交通洞進入，掘進至廠房部位后，已掘進段經支護襯砌后斷面變小，設備已無法原路退回，廠房附近也不具備拆機條件。為實現連續掘進設備需穿越廠房，在掘完另一條洞室后在洞外拆機。因此，TBM 掘進路線需經通風洞和交通洞并貫穿廠房進行布置。

洞線優化。TBM 在公路、鐵路、引水工程使用時，縱向坡度一般在3%以內，通風洞和交通洞綜合坡度一般在5%左右，廠房段坡度約在10%。轉彎半徑方面，根據初步的設備設計TBM 長度約在100m，最小轉彎半徑約在300m。需對交通洞、通風洞的洞線進行優化，以適應設備的轉彎半徑及爬坡需求。TBM 設備廠家需要針對抽水蓄能電站坡度變化情況進行針對性設計，以適應該部位掘進需要；出渣方式。出渣效率制約著整體掘進效率，TBM 設備配套的出渣方式一般為有軌機車或皮帶機出渣，有軌機車出渣方式一般適用于3%以內的坡度，皮帶機出渣方式適用于長距離直線出渣，交通洞和通風洞部位坡度大于3%，同時進出廠房段有大角度轉彎，需TBM 設備廠家結合實際情況對設備進行適應性研究。

2.2 引水斜井TBM 應用研究思路

受制于反井鉆機施工工法的限制，國內抽蓄電站將長斜井進行分段設計（圖1），在兩條斜井間設置平洞，縮短單條斜井長度以降低斜井的施工難度。TBM 設備相對于反井鉆機不受施工長度限制，連續掘進距離越長優勢越大，因此研究將上斜井、下斜井合為一條長斜井使用TBM 施工是可行的。引水斜井使用TBM 施工需要解決以下三個問題：

斷面尺寸統一。以某抽水蓄能電站為例，引水上斜井凈斷面直徑為6.5m、長度325m，下斜井凈斷面直徑為5.6m、長度332m，上、下斜井尺寸不統一。TBM 設備一般通過在刀盤下增加墊片的方式實現小范圍變徑，變徑范圍在100mm 內，無法滿足加大的變徑要求，且斜井段施工坡度較大，通過設備改造方式進行變徑較為困難，因此需設計單位在保障機組安全穩定運行的前提下統一斜井上、下段斷面尺寸。

設備研發。目前國內沒有斜井TBM 施工案例，也沒有可直接使用的斜井TBM 設備，需TBM 設備廠家根據抽水蓄能電站的地質條件、開挖斷面、斜井坡度、支護要求等開展針對性設計。重點研究解決設備開挖掘進、防溜設計、出渣、通風、材料運輸、不良地質段支護等問題，結合斜井布置情況，研究設備組裝、步進、拆機、轉場等一系列問題的應對措施。

長斜井方案優化。有三種優化思路，一是將上斜井、中平洞、下斜井合并為一條斜井，引水上平洞、下平洞位置不變；二是將上斜井、中平洞、下斜井合并為一條斜井，這種布置方式斜井長度較長、坡度較緩，對TBM 施工比較有利，但需重點考慮引水調壓井設計的可行性；三是引水上平洞和上斜井調整為一級斜井，保留中平洞和下斜井。以上三種方案需針對不同引水系統條件進行對比分析，確定最優方式。

2.3 排水系統TBM 應用研究思路

圖1 抽水蓄能電站引水系統典型布置示意圖

排水系統分為兩部分：一部分是廠房排水系統，為環繞電站主廠房、主變洞周邊設置的排水廊道系統，同時設置一條自流排水洞將廠房排水廊道及排水孔滲水等自流排出；一部分是壓力管道排水系統，一般由中平洞壓力鋼管排水廊道和下平洞排水廊道組成。排水系統傳統施工方法為鉆爆法施工，由于洞室洞徑小、埋深大，存在施工效率低、施工環境差、安全風險大、質量不易控制等問題，使用TBM進行排水系統施工在安全和質量上有較大優勢。抽水蓄能電站排水系統使用TBM 施工，需要解決以下三個問題：

布置方案研究。為使TBM 施工更加經濟，排水系統隧洞應盡可能多的連通起來，需研究如何一次性完成廠房三層排水廊道施工的問題。為進一步發揮TBM 長距離連續掘進的優勢，具備條件的電站，可考慮自流排水洞、廠房排水廊道、下平洞排水廊道連續掘進施工，具體施工方式需結合其它洞室的布置方案進行綜合考慮。同時為滿足TBM 出渣要求，還需盡可能降低縱坡以匹配出渣方式及出渣設備對坡度的適應能力。

圖2 某電站排水系統TBM 施工布置示意圖

設備小型化，小轉彎半徑要求。廠房排水系統呈螺旋形空間立體布置，每層廊道大致呈矩形，轉彎半徑一般在30～40m，轉彎半徑小，急轉彎位置多，需對TBM 進行小轉彎針對性設計，對TBM設備結構設計和轉彎施工參數控制提出了全新要求。各抽水蓄能電站排水隧洞斷面尺寸變化不大，用于排水洞施工的TBM 具有廣泛的工程適應性，可在本工程內或不同工程見轉場使用，故要求TBM 設備盡可能短小、緊湊、方便快速拆裝。常規TBM長度達到300m，而排水系統TBM 設備整機長度應盡量控制在50m 以內。如何實現高效率、高設備完好性條件下的TBM 緊湊設計是工程面臨的挑戰。

初期支護。采用TBM 施工，Ⅲ類及以下圍巖穩定性較好的洞段支護工程量較鉆爆法可大幅減少。然而針對Ⅳ類及以上圍巖及斷層破碎帶等不良地質條件下，支護設計需重點關注。由于設備小型化要求，小斷面TBM 無法搭載過于復雜的初期支護設備，若采用人工輔助支護，既無法保證支護的及時性又降低施工效率。如何進行排水隧洞初期支護設計，既能保證施工安全又便于施工，也是一大難點。

3 結語

一般來說，現階段抽水蓄能項目地下隧洞采用TBM 施工，在純經濟性方面往往無法與鉆爆法比肩，采用TBM 施工應從安全、質量、環保、施工進度等各方面綜合效益出發，進行全面技術經濟分析，充分發揮TBM 技術的特點和優勢。

抽蓄地下隧洞進行TBM 試點或推廣應用的思路應著力于解決傳統施工方法的痛點及難點，各個應用方向應有不同的著力點。其中，通風洞和交通洞應用TBM 施工有利于縮短籌建期施工工期，提前進行廠房施工，為項目提前投產發電創造有利條件；利用TBM 進行引水系統斜井的開挖，使引水系統的立面設計更為靈活，可減少引水隧洞長度、改善水力學條件、節約工程量，對斜井施工質量和安全控制也有本質上的提升，對引水斜井的設計和施工具有較大的技術創新意義；利用TBM 進行排水系統的開挖，從根本上改變了小斷面平洞采用鉆爆法施工時機械化程度低、通風散煙條件差、施工作業環境差的問題，可極大改善該部位現場施工人員的職業健康環境。

以上部位采用TBM 施工，在改善施工作業環境、設計施工技術突破、節約工程工期上各有特點。抽水蓄能項目地下隧洞的TBM 應用，需針對不同部位做具體分析，解決其關鍵技術問題，結合技術經濟性，論證其合理性及可行性。