洛寧抽水蓄能電站引水斜井TBM施工關鍵技術研究

張學清，王炳豹，殷 康，杜 藏

(1.河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南 洛陽 471700；2.水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410014；3.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引 言

目前，國內開工建設的抽水蓄能電站引水系統普遍選擇多級斜井或者豎井布置方案，斜井一般設計參數為傾角45°～60°，開挖直徑6～10 m，采用反井鉆機開挖，形成溜渣孔后用鉆爆法擴挖，最大施工長度約400 m，該施工方法存在開挖成洞的平整性差，超挖和欠挖問題普遍，施工速度慢，安全性差等問題[1]。

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，但主要是用于平洞開挖，國外TBM技術應用于斜井開挖的成功案例較多。斜井TBM施工始于1968年，目前全球共有85個斜井項目采用了TBM施工，其中有60余個應用于抽水蓄能電站的調壓井項目。國內目前抽水蓄能電站采用TBM施工技術應用主要是在排水廊道，引水斜井尚無實施案例[2-3]。通過TBM技術施工引水斜井，可以優化引水系統布置，縮短引水系統長度，在同等調節保證設計條件下，廠房位置可以適當向下游移動，可縮短水電站廠房輔助洞室長度，利于縮短廠房勘探平洞長度，提前探明廠房位置地質條件。此外，TBM施工技術作為一種機械化智能化施工技術手段，有利于安全文明施工，在抽水蓄能電站及其地下洞室群中有著廣泛的應用前景。目前，河南洛寧抽水蓄能電站正在積極開展TBM施工技術用于引水斜井開挖的有關前期工作。

1 工程概況

洛寧抽水蓄能電站位于河南省洛陽市洛寧縣城東南的澗口鄉境內，工程開發任務主要是承擔河南電網的調峰填谷、調頻調相、緊急事故備用、黑啟動和新能源消納等。電站裝機容量為1 400 MW，電站發電額定水頭為604.00 m，連續滿發小時數為6 h，設計年發峰荷電量11.91億kW·h，年抽水耗用低谷電量15.88億kW·h，電站的供電范圍為河南電網。可研設計階段引水系統采用“1洞2機”布置，引水立面采用兩級斜井方案，引水上平洞長1 711 m，洞徑6.5 m，上斜井直線段長267 m，洞徑6.5 m，中平洞長424 m，洞徑6.5/5.6 m，下斜井直線段長272 m，洞徑5.6 m，引水隧洞上平洞末端設2號施工支洞，中平洞設置3號施工支洞，引水下平洞設置4號施工支洞。

2 工程地質情況

工程區位于華北地臺的華熊臺緣坳陷中部。經歷了漫長的地質構造演化，并遭受多期的構造變動，工程區存在一些發育不充分且規模較小的斷層，節理裂隙較發育，以陡傾角為主，緩傾角節理不發育，節理規模一般較小，斷層、蝕變和節理裂隙較為發育。

根據前期勘察設計階段資料，電站引水系統出露的基巖地層主要為燕山晚期花崗巖類侵入巖體，第四系松散地層主要為沖洪積、殘坡積、崩坡積等作用形成的堆積物，花崗巖的組成主要為長石(55%～78%)和石英(15%～40%)。

引水系統沿線地下水類型主要是基巖裂隙水，主要向沿線大魚溝、趙溝及白馬澗排泄。洞室圍巖類別以Ⅱ～Ⅲ類為主，微新巖體單軸飽和抗壓強度為80～100 MPa，廠區應力場以自重應力為主導。最大主應力介于13.45～18.77 MPa之間，測試部位屬中～低地應力區，引水斜井沿線埋深為229～647 m，通過自重應力場模擬洞室圍巖地應力場，豎向地應力變化范圍為6～17 MPa。

3 關鍵技術研究

通過分析工程特點及相關地質條件，可以梳理得出引水斜井采用TBM施工主要存在的關鍵技術問題為：①引水斜井布置方案；②引水斜井開挖尺寸擬定及其適用性；③引水斜井開挖支護設計原則。

3.1 引水斜井布置方案

3.1.1 TBM設備選擇和傾角擬定

針對斜井項目，國外使用最多的是敞開式TBM，直徑范圍通常在3～5.8 m；其次是擴孔式TBM，最大直徑可達到10 m；護盾式TBM應用相對較少，目前使用的最大直徑是4.88 m。在現有案例中，全斷面斜井TBM直徑最大達到了8 m，最小在2 m左右，可實現的最大坡度達到了116%。具體應用案例見表1。由表1可知，當斜井直徑超過7 m時，一般采用擴孔式TBM(傾角大于37°)或者自上而下的全斷面TBM(傾角小于30°)；當斜井直徑小于7 m時，一般采用全斷面TBM(自下而上開挖)，傾角最陡角度為48°。

表1 國外抽水蓄能電站引水斜井TBM應用案例

表2為不同開挖方式的主要性能指標對比。表2主要對比了2種開挖方式，一種是采用全斷面斜井TBM，單臺設備一次開挖至設計斷面；另一種是采用導孔TBM+擴孔TBM，導孔TBM由下至上開挖完成后，擴孔TBM由上至下二次開挖至設計斷面。由表2可知，采用導孔TBM+擴孔TBM方式設備造價高，設備拆機轉場復雜，而全斷面TBM設備費用較低，掘進總線路較短，投資較省，施工綜合進度更快。

表2 全斷面TBM設備和導孔TBM+擴孔TBM設備主要性能指標對比

圖1為斜井出渣軌道溜渣試驗。對試驗渣料從不同傾角的溜渣軌道(傾角26°～44°)進行自溜渣試驗，對溜渣質量、渣料粒徑進行分級統計，并計算溜渣時間、分析流速，試驗結果如圖1b所示。由圖1b表明，渣料自溜的臨界傾角為28°，即當傾角>30°時，渣料具備自溜條件，當傾角≤26°時，渣料不具備自溜條件，需采取輔助措施。

圖1 斜井出渣軌道溜渣試驗

結合洛寧抽水蓄能電站的工程地質特點，將TBM開挖洞渣料假定為表面粗糙的硬質巖，出渣軌道(U形鋼槽)滑面假定為擋土墻，根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》，摩擦系數μ取值為0.65～0.75，取平均值后對應傾角角度為35°。

目前國外自下而上采用TBM施工的引水斜井最大開挖直徑為6.6 m，傾角為48°。因此，國內首次應用TBM設備開挖斜井，傾角宜在35°～48°。

3.1.2 引水斜井布置方案

目前引水系統斜井采用TBM開挖主要有2種斜井布置方案。一種是根據電站引水系統立面布置特點，通過調整設計方案適應現有較為成熟的TBM施工技術，將引水上下斜(豎)井和平洞，調整為一級斜井布置，開挖斷面進行統一，采用自下而上開挖，下平洞設置組裝和始發洞室，上平洞設置接收洞室；另一種是采用可變徑TBM施工，引水隧洞平、立面布置不變，斜井角度和開挖直徑保持不變，上下斜井開挖斷面統一，TBM從下斜井掘進到中平洞變徑后再進行中平洞和上斜井開挖。2種布置方案見圖2。

圖2 引水斜井TBM施工布置方案

2種斜井布置方案各有優缺點，考慮到現有斜井TBM設備技術要求，并結合洛寧抽水蓄能電站的工程特點，洛寧抽水蓄能電站引水斜井最終設計方案采用方案1。引水斜井布置方案優化調整后，1號引水主洞斜井段長約928 m，傾角約為36°；2號引水主洞斜井段長873 m，傾角約為39°。

3.2 引水斜井開挖尺寸擬定及其適用性

3.2.1 引水斜井開挖尺寸擬定的原則

根據NB/T 10391—2020《水工隧洞設計規范》，斜井TBM開挖斷面應為圓形，斷面尺寸根據隧洞功能要求、支護及襯砌厚度、圍巖變形量，并考慮掘進誤差、刀頭磨損等因素綜合確定，且應滿足掘進機設備開挖的最小尺寸要求。同時結合洛寧抽水蓄能電站的特點擬定如下設計原則：①不變徑開挖，TBM開挖斷面尺寸應具有一定的適用性。②壓力管道水流慣性時間常數Tw值應滿足調節保證設計要求。③斜井長度較短時，TBM施工引水斜井開挖洞徑按照Ⅳ類圍巖開挖尺寸進行確定；斜井長度較長時，TBM施工引水斜井的開挖洞徑按照Ⅲ類圍巖開挖尺寸進行確定。

在工程的可行性研究設計階段，引水系統高壓洞段采用鋼筋混凝土和鋼板襯砌。受洛寧抽水蓄能電站目前的場內運輸條件限制，引水斜井鋼襯段最大內徑不宜超過5.6 m，與可行性研究設計階段保持一致，同時，引水系統采用一級斜井布置方案，引水主洞長度減小了約110 m，為保證壓力管道水流慣性時間常數Tw值以及水頭損失與招標設計階段推薦方案基本保持一致，引水斜井混凝土襯砌段內徑可小于原招標設計方案6.5 m，但不宜小于5.6 m。

考慮到洛寧抽水蓄能電站引水斜井長度較短(<1 000 m)，TBM施工引水斜井開挖洞徑按照Ⅳ類圍巖開挖尺寸進行確定，同時應保證引水斜井壓力鋼管安裝空間需要。

采用鉆爆法施工時，5.6 m內徑鋼襯段最大開挖直徑為7.36 m(Ⅳ類圍巖)，最小開挖直徑為7.0 m(Ⅱ類圍巖)。采用TBM設備施工，設計開挖斷面7.2 m，考慮TBM設備擴挖能力，最大開挖直徑可以達到7.3 m。圖3采用TBM施工時鋼板襯砌段鋼管安裝及TBM施工圍巖錨桿支護示意。由圖3可知，壓力鋼管安裝施工條件與鉆爆法施工條件基本相當，Ⅱ、Ⅲ類圍巖段安裝條件更優。

圖3 鋼板襯砌段鋼管安裝及TBM施工錨桿支護示意

根據GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》表7.3.10有關于規定，對于埋深小于500 m的隧洞，Ⅲ類圍巖隧洞、洞室周邊允許相對收斂值(拱頂位移實測值與隧道寬度之比)最小值為0.4%。隨著圍巖類別和洞室埋深增加，洞室允許相對收斂值是增加的，考慮到洛寧引水斜井圍巖類別主要是Ⅱ、Ⅲ類，因此以埋深300～500 m的Ⅲ類隧洞允許相對收斂值的下限作為引水斜井圍巖變形量的控制值，即2.88 cm(0.4%)。綜合考慮洞室圍巖變形對襯砌結構的影響，掘進誤差、刀頭磨損，洛寧抽水蓄能電站引水斜井TBM設備直徑為7.23 m；對于Ⅳ類圍巖、埋深較大洞段，TBM設備的擴挖能力應滿足引水斜井設計的要求。

3.2.2 斜井開挖尺寸的適用性

通過搜集整理各抽水蓄能電站發電水頭、裝機容量、額定流速、引水隧洞直徑及流速，進行統計分析，初步擬定得到TBM施工下高壓管道的經濟流速；通過統計不同水頭段高壓管道設計Tw值及其變化規律、根據擬定高壓管道經濟流速，計算不同水頭的電站高壓管道直徑及長度。統計表明，鋼筋混凝土襯砌的隧洞，引水、尾水隧洞經濟流速為3～5 m/s，高壓隧洞經濟流速為4～7 m/s，鋼管道經濟流速更大，一般在5～11 m/s。考慮到TBM施工開挖斷面尺寸統一，并適當提高壓力管道經濟流速，初步擬定TBM施工斜井后斷面流速為5.8 m/s。

結合洛寧抽水蓄能電站的調節保證設計性能，發現水頭越高，允許Tw值越小，壓力管道長度越長。根據初步擬定的TBM施工下斜井斷面流速(5.8 m/s)以及壓力管道運行Tw值，對不同水頭和不同裝機容量下TBM施工的斜井開挖直徑和壓力管道長度進行計算，計算結果見表3。

表3 不同水頭、不同裝機容量TBM施工斜井開挖直徑計算結果

由表3可知，當電站額定水頭在500 m以上時，斜井開挖直徑至少要達到7.06 m。考慮到洛寧抽水蓄能電站目前TBM施工下斜井開挖直徑為7.2 m，其推廣適用性較廣。因此，對于400 m水頭段抽水蓄能電站，結合電站調節保證設計，對輸水系統進行設計優化，以滿足7.2 m開挖直徑的要求。此外，TBM設備改造能力也能適應400 m水頭段抽水蓄能電站的引水斜井施工。對于300 m水頭段抽水蓄能電站，引水系統立面采用一級斜井(豎井)布置方式，斜井長度一般小于400 m，應用TBM施工經濟性較差，不推薦采用TBM施工。

圖4為不同經濟流速、不同額定水頭引水斜井過流斷面開挖直徑擬合曲線。由圖4可知，引水斜井經濟流速不同，引水斜井開挖直徑差異較大，考慮到TBM施工引水斜井投資較高，建議適當提高經濟流速，以降低TBM施工引水斜井的開挖直徑和工程建設成本，同時提高7.2 m直徑的TBM設備的適用性。

圖4 不同經濟流速、不同額定水頭引水斜井過流斷面開挖直徑擬合曲線

3.3 引水斜井開挖支護原則

3.3.1 基于TBM施工的圍巖分類系統

目前國內圍巖分類主要依據設計前的地質勘探，分析影響圍巖的各種因素，分析各種因素下的圍巖的穩定性情況，并綜合得出圍巖分類。傳統的圍巖分類方法主要是依據巖體力學指標體系來進行分類和研究，主要的評價指標包括構造影響程度、結構面發育情況和組合狀態、巖體完整性、巖石強度以及巖體強度應力比等。目前國內圍巖分類系統評價指標中尚未引入施工方法的影響[4-5]。

相關學者研究比較了鉆爆法開挖和TBM開挖對圍巖擾動的影響，認為鉆爆法開挖時，炸藥爆炸會造成巖石裂紋區，即直接影響區(開挖面附近的第1影響區)，而TBM開挖時就沒有這一裂紋區。無論采用哪種方法進行施工， 都會對圍巖產生一種內應力重新分配而圍巖仍完整穩定的區域。但當TBM開挖時，巖體中儲存的變形能是逐步釋放的，圍巖應力應變曲線的連續性和過渡性較好， 而采用鉆爆法開挖時， 開挖邊界上的地應力瞬間動態釋放， 位移和應力都不連續， 因此TBM開挖時的第2影響區(第1影響區外圍)比鉆爆開挖時小， 圍巖支護成本明顯降低[6]。

3.3.2 常規斜井TBM設備支護能力

采用TBM，施工開挖時的設備支護方案為頂拱180°采用掛網和系統錨桿支護(錨桿長度不超過3.5 m，與巖壁的法向夾角30°～35°)，頂拱270°采用噴混凝土支護，可以全斷面采用型鋼拱架支護。通過增加錨桿鉆機后可實現頂拱270°掛網和系統錨桿支護。

3.3.3 常規鉆爆法施工斜井支護要求

根據NB/T 10391—2020《水工隧洞設計規范》要求，Ⅰ類、Ⅱ類圍巖，開挖洞徑(洞寬)小于5 m的隧洞可不支護，5～10 m時宜采用噴混凝土支護，大于10 m的隧洞宜采用錨噴支護。遇有局部不穩定塊體時應采用隨機錨桿或錨桿束加固。Ⅲ類圍巖宜采用掛網錨噴支護；Ⅳ類圍巖宜進行鋼筋混凝土襯砌，根據隧洞規模和地質條件，經分析也可采用錨噴、掛網或鋼支撐等聯合支護；V類圍巖應進行鋼筋混凝土或其他永久襯砌。在建類似工程斜井初期支護參數如表4所示。

表4 在建類似工程斜井初期支護參數

綜合考慮TBM施工方法對圍巖分類評價體系的影響、TBM設備支護能力、規程規范要求以及參考類似工程經驗，初擬洛寧抽水蓄能電站引水斜井TBM開挖初期支護參數如表5所示(頂拱240°范圍)。

表5 初擬抽水蓄能電站引水斜井TBM開挖初期支護參數(頂拱240°范圍)

4 結 論

采用TBM技術進行引水斜井施工，可以優化引水系統布置，縮短引水系統長度，同等調節保證設計條件下，廠房位置可以適當向下游移動，可縮短水電站廠房輔助洞室長度，利于縮短廠房勘探平洞長度，提前探明廠房位置地質條件。此外，TBM施工技術作為一種機械化智能化施工技術手段，有利于安全文明施工，在抽水蓄能電站及其地下洞室群中有著廣泛的應用前景。

綜合考慮到斜井TBM開挖出渣效率和TBM設備掘進的安全性，洛寧抽水蓄能電站引水斜井傾角宜在35°～48°之間，當引水斜井傾角為36°～39°時TBM設備適用性較好。

當電站額定水頭在500 m以上時，斜井開挖直徑至少要達到7.06 m，考慮到洛寧抽水蓄能電站目前TBM施工下斜井開挖直徑為7.2 m，其推廣適用性較廣。對于400 m水頭段抽水蓄能電站，可以適當提高引水斜井流速，結合電站調節保證設計，對輸水系統進行設計優化，以滿足7.2 m開挖直徑的要求。此外，TBM設備改造能力也能適應400 m水頭段抽水蓄能電站的引水斜井施工。對于300m水頭段抽水蓄能電站，引水系統立面一般采用一級豎井或一級斜井布置方式，引水斜井長度一般小于400 m，引水斜井應用TBM施工經濟性較差，不推薦采用TBM施工。

在確定洛寧抽水蓄能電站引水斜井初期支護參數時，應綜合考慮TBM施工方法對圍巖分類評價體系的影響、TBM設備支護能力以及參考類似工程經驗。此外，考慮到引水斜井后期需要進行鋼筋混凝土或鋼板襯砌，初期支護參數應根據工程的具體情況適當予以減小。