TBM在抽水蓄能電站施工中的應用探討

李富春，尚海龍，徐艷群，劉傳軍

（1.山東文登抽水蓄能有限公司，山東省威海市 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

目前抽水蓄能電站隧洞開挖仍普遍采用“鉆爆法”施工，“鉆爆法”是應用于20世紀五六十年代的隧洞開挖技術，其施工組織簡單，開挖造價相對較低，但其施工環境差，勞動強度大，需要人力多，安全隱患大，施工速度慢。壓力管道長斜井導井開挖技術受反井鉆機精度影響，長斜井一般設計長度不超過400m，制約了抽水蓄能電站水道系統的設計水平。TBM作為目前隧洞開挖中安全、高效、可靠的施工設備，具有改變當前抽水蓄能電站施工技術應用的巨大潛力；國內TBM設備制造水平的發展及設備價格的下降，也為TBM在抽水蓄能電站施工中的應用創造了條件。目前全國有近20座1000MW級以上的抽水蓄能電站正在建設，“十三五”期間，新開工60000MW。在抽水蓄能電站建設高峰期，推行TBM在抽水蓄能電站隧洞開挖中的應用，可以更好地壓縮工期、提高安全保障性，促進抽水蓄能電站設計和施工變革的同時，助力TBM制造水平更快發展。本文通過對國外抽水蓄能電站施工案例的分析，為TBM在我國抽水蓄能電站中的應用提供了技術參考。

1 TBM技術在日本抽水蓄能電站中的應用

日本是全球抽水蓄能工程建設領域應用TBM最為廣泛的國家之一。20世紀70年代，隨著日本經濟的快速增長，其國內抽水蓄能電站需求不斷增加。為適應嚴格的環境保護規定和施工人員職業健康要求，1979年在下鄉抽水蓄能電站建設中引進斜井TBM技術[7]。隨著日本TBM設計制造企業以及施工企業對TBM技術的引進、消化和吸收，到1989年日本已具備了設計制造斜井TBM的能力，并成功應用于鹽原抽水蓄能電站引水高壓管道斜井施工，其后在葛野川、神流川、小丸川抽水蓄能電站建設期間TBM長斜井施工技術被廣泛使用。

通過統計分析，日本TBM現階段主要應用于引水系統高壓管道斜井段，其應用長度范圍在400～900m內，斜井與水平面夾角在37°～52.5°，各電站應用TBM施工的引水高壓管道斜井特性見表1。

表1 TBM應用特性表Table 1 TBM Application characteristics table

日本在抽水蓄能電站引水高壓管道斜井施工中應用TBM主要有兩種方式。第一種方式是利用小斷面TBM（直徑2.3～3.3m）開挖導井，導井開挖完成后再利用人工或者TBM進行二次擴挖；第二種方式是利用大斷面TBM（直徑6.6m）一次開挖成洞。無論開挖導井還是一次擴挖成洞，均采用自下而上的方式掘進。采用小斷面TBM開挖導洞因為需要二次擴挖，整個引水壓力管道施工工期較長；采用大斷面TBM一次開挖成洞因不需要二次擴挖，引水壓力管道開挖工期相對較短。但日本TBM應用方式主要取決于施工前地質條件的掌握情況[3]，對于引水壓力管道沿線地質條件不是很確定的情況下采用小斷面TBM開挖導洞，通過開挖洞掌握引水壓力管道沿線的地質情況，以此來安排后續擴挖的施工方案，如鹽原抽水蓄能電站、葛野川抽水蓄能電站、小丸川抽水蓄能電站；對于引水壓力管道沿線地質條件掌握地非常清楚的情況下則采用TBM全斷面一次開挖[5]，如神流川抽水蓄能電站。

TBM技術在日本抽水蓄能電站的廣泛應用不僅降低了工程建設過程中對環境的負面影響，改善了作業條件，提高了施工效率和質量，更是帶動了其國內TBM制造行業，引發了抽水蓄能電站設計、施工的技術變革，使日本在TBM領域由引進學習者變成了技術引領者，并成就了日本抽水蓄能電站在世界范圍內的領先地位。

2 TBM技術在我國抽水蓄能電站的應用條件

2.1 國內TBM設計制造水平發展的需要

自1985年從美國羅賓斯公司引進了直徑為10.8m的掘進機以來，我國硬巖TBM的應用及隧道施工技術正在各工程領域內迅猛提升[2]。通過對我國TBM的分類統計，可以看出我國TBM的發展由國外承包商和制造商在中國承擔TBM工程、到我國自主施工階段、再到聯合設計制造和自主施工階段、正在朝著自主研發和自主施工及整機再制造的全產業鏈發展階段邁進[1]。近年來我國的TBM設備還出口海外（中鐵工程裝備集團有限公司設計制造的護盾式TBM已出口國外用于黎巴嫩大貝魯特供水隧道），施工隊伍也開始在國外承擔TBM工程（如中國電建集團承建的厄瓜多爾水電站項目）。

當前，我國TBM設計制造水平已經打破國外壟斷，具備自主研發、設計、加工制造的能力，并掌握了核心技術，擁有自主知識產權。TBM加工制造和創新能力已經接近世界著名TBM制造商，具備在國際TBM設備供應市場同臺競技的能力。同時我國TBM施工技術水平已非常成熟可靠，工程應用領域涉及水利、電力、市政、公路、鐵路等各個領域。隨著各領域的大規模工程應用，TBM施工技術創新積累的步伐也大大加快，逐步形成了由國家有關部門牽頭，以工程為背景，國內施工企業、大型機械制造企業與高等院校聯合攻關研發的TBM產業發展之路，未來國內TBM設計制造水平將會加速發展。

2.2 國內抽水蓄能電站施工技術發展的需要

目前國內抽水蓄能電站引水壓力管道斜井導井施工主要采用反井鉆施工。從國內反井鉆的設備性能來看，常用的LM系列反井鉆機施工斜井長度不宜超過300m，超過300m則難以達到設計孔斜控制要求；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）對于400m以內的斜井基本可以滿足斜井孔斜控制要求，但施工過程中機械故障發生頻率較高。斜井直線長度達到500m以上，對反井鉆鉆桿質量（強度、剛度等）要求更高，且斜井長度越長鉆桿穿越的地層巖性越多其孔斜偏差隨機性會更大，反井鉆幾乎很難完成500m以上滿足孔斜要求長斜井導井開挖。

此外，根據目前國內已經完工的抽水蓄能電站來看，引水系統施工如果施工管理不當，往往會造成整個工程發電工期滯后。對于超過400m以上的引水壓力管道斜井采用目前現有的施工技術手段，其施工質量和進度的保證率都不高。TBM導向精度高、安全可靠、風險可控，應用于國內抽水蓄能電站的引水壓力管道長斜井，不僅可提升施工技術，更能優化電站水道系統設計，減小管線長度。

2.3 國內抽水蓄能電站建設環境變化的需要

當前，我國對環境保護和安全生產的需求越來越迫切。全社會正在形成節約資源和保護環境，切實落實安全生產責任，筑牢安全防線，加快淘汰落后工藝技術和裝備的空間格局、產業結構、生產方式、生活方式。此外隨著我國人口總量變化，勞動年齡人口數量和質量的“雙變”已經對我國各行各業的升級轉型形成倒逼之勢。其中勞動力供給的減少導致人工成本上升，產業轉移和技術替代勞動力已成為必然趨勢。

TBM技術可以減少工程建設對環境負面影響的同時，降低安全事故的發生概率，提高勞動作業人員的安全保護能力，降低工程管理者的管理風險，穩步提升工程建設的質量和進度，是解決抽水蓄能電站大規模洞室群開挖造成的環境破壞、安全隱患和成本增長的有效途徑。

3 工程應用探討

根據TBM在國外抽水蓄能電站的應用分析，結合國內外TBM設計制造水平，以某抽水蓄能電站為例對TBM的應用進行探討。

3.1 TBM施工工藝下的樞紐布置優化

某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。原地下廠房通風洞和交通洞洞口按照同側相鄰的方式布置。引水系統長度1379m，其中引水系統壓力管道斜井分上、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，下斜井直線段長348m。

按照目前3km以上的隧洞也可以應用TBM施工的經驗分析，該抽水蓄能電站通風洞、交通洞總長3024m，以在交通洞、通風洞開挖中應用TBM為標準，對該電站交通洞、通風洞調整為分開布置，轉彎半徑按照大于TBM最小轉彎半徑（R=300～400m）的原則設計。按照在引水壓力管道應用TBM施工技術，調整斜井布置，取消壓力管道中平段，取消為施工上、下斜井設置的中平段施工支洞及到其洞口的施工道路。調整前、后布置見圖1和圖2，調整前后引水壓力管道剖面見圖3和圖4。

圖1 調整前布置圖Figure 1 Layout before adjustment

圖2 調整后布置圖（可應用TBM施工）Figure 2 Layout after adjustment（Applicable TBM Construction）

圖3 調整前斜井布置圖Figure 3 Layout of inclined shaft before adjustment

圖4 調整后斜井布置方案（可應用TBM施工）Figure 4 Layout of inclined shaft after adjustment（Applicable TBM Construction）

3.2 TBM施工應用優勢分析

該抽水蓄能電站通風洞、交通洞及引水壓力管道斜井布置方式調整后，可以分別使用國內廠家設計制造的平洞TBM和斜井TBM進行施工，對比分析常規施工法和TBM施工法，應用TBM施工的主要優點如下：

（1）交通洞、通風洞可以實現快速掘進，關鍵線路工期被壓縮。交通洞、通風洞在抽水蓄能電站建設過程中，往往處于工程施工的關鍵線路上，影響著工程建設工期。以該項目為例，通風洞全長1487m，交通洞全長1537m，采用常規“鉆爆法”施工，按照月平均開挖支護80m的速度計算，其正常開挖支護工期需18個月；應用TBM施工后，按照TBM月平均600m（含支護）的掘進速度計算，通風洞、交通洞開挖支護工期約5個月，再考慮TBM洞外安裝、輔助洞室開挖等輔助時間后，通風洞、交通洞開挖支護總工期約10個月。

（2）引水壓力管道斜井布置，不再受施工設備的限制。當前國內引水壓力管道斜井主要采用“反井鉆法”或“爬罐法”施工，反井鉆和爬罐受設備性能條件限制，工作長度不超過400m，因此引水壓力管道斜井布置中，需要通過增加中平段，把斜井直線長度控制在400m以內，此外還需在引水中平段增加施工支洞以及通往施工支洞的連接公路。根據國外抽水蓄能電站實例分析，采用TBM施工，引水系統中部不需要布置中平段，也不需要為方便斜井施工，再增加施工支洞及施工道路。由此，應用TBM施工，抽水蓄能電站引水壓力管道斜井布置，也可不受施工技術的限制，設計中只需考慮水能利用和地質地形條件的因素即可。

（3）勞動安全保障性高，從而解決安全隱患降低的環境影響。TBM施工只需要3至5名專業技術人員遠離開挖面，通過遠程操控即可實現隧道開挖，作業面不需要大量的勞動力，不僅大大改善了從業人員作業環境，而且從源頭杜絕了安全生產事故危及施工人員，減少了施工作業面數量，提高了施工管理針對性，更有利于施工現場安全管理。此外，TBM施工作業空間內無鉆孔噪聲、無爆破煙塵毒氣，其施工過程環境友好度高。

3.3 TBM施工應用制約因素分析

TBM施工技術提高了抽水蓄能電站隧洞施工的機械化和自動化水平，但一些因素制約了其在施工過程中的應用：

（1）TBM設備購置費高，需要的一次性投入大。TBM作為一種專用施工設備，購置費用較高，按照目前國內的價格水平來看，直徑8m的TBM設備購置費用在1億元左右，這相對于其他隧洞開挖設備，大大增加了工程前期一次性投入。

（2）TBM施工受地質條件影響因素大。TBM雖然施工速度快，但其設備體型大，對地質條件的適應性不如“鉆爆法”好。TBM施工遇到諸如斷層破碎帶、高應力地層、地下水、巖溶地層等不良地質條件時，施工速度會大大降低，往往會停機采用輔助工程措施，對不良地質段進行加固處理后才能正常掘進。

（3）施工保障系統要求高。TBM整體由主機和后配套以及連接橋組成，是由幾十個獨立的子系統構成的一個有機整體，綜合了機械、電氣、傳感監控、工程支護、智能控制等多學科內容。要保證TBM連續快速的施工，各系統之間需相互協調，任何一個系統出現故障，都會影響TBM設備的正常掘進。因此TBM施工過程中需要每天對TBM設備本身，以及掘進施工配套的通風、供水、排水、供電、物料運輸、出渣等設施進行檢查維護。

（4）增加工程造價。采用TBM施工其工程投資增加較多。以本工程為例通過對工程投資測算，采用“鉆爆法”施工其工程總投資85.67億元，采用TBM施工法工程總投資為87.66億元，工程總投資增加約2億元。

綜上所述，TBM作為目前最為先進的隧道施工技術，具有安全性能高、施工效率高、掘進速度快等特點，雖然其應用對工程投資影響較大，但能縮短工程建設期半年以上，且有利于優化水道系統斜井布置，因此有必要拓展TBM技術在國內抽水蓄能電站中的應用。隨著TBM技術在我國的日趨成熟，設備價格將大幅下降，不再成為制約其應用的因素。

4 結論

TBM作為目前最為先進的隧道施工技術，具有安全性能好、施工效率高、環境友好等特點。本文通過對TBM技術在日本抽水蓄能電站的應用參數分析，認為TBM應用于抽水蓄能電站引水壓力管道長斜井段收效顯著。綜合當前國內TBM制造水平、抽水蓄能電站施工技術水平，以及環境與生產安全要求等，認為我國有條件并應該推廣TBM在抽水蓄能電站中的應用。結合工程實例，提出了TBM應用于抽水蓄能電站對樞紐布置的影響，并闡述了其優點和制約因素。當前正處于抽水蓄能電站建設高峰期，TBM技術應用于我國抽水蓄能電站工程，不僅可壓縮工期、提高安全保障性，更能促進抽水蓄能電站設計和施工的變革，助力TBM制造水平更快發展。本文為TBM在抽水蓄能電站中的應用，提供了較好的參考和指導意義。