抽水蓄能電站引水系統采用可變徑TBM施工的布置研究

岳金文，朱靜萍，楊 朝，童 慧，任 鑫，張祥富，耿必君

(1.湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南 岳陽 471700；2.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

抽水蓄能是目前技術最為成熟的大規模儲能方式，對優化電網電源結構、緩解電網調節壓力、提高當地風電光伏等新能源消納具有重要作用。我國進入“十四五”時期，國家對抽水蓄能電站的需求更加強烈。為了更好地完成中國二氧化碳排放的承諾目標，國內抽水蓄能項目正處在開發的快車道，其建設呈井噴之勢[1]。

抽水蓄能電站具有高水頭的特點，在引水系統的選擇上，目前開工建設的電站普遍選擇多級斜井的布置方案，施工方法常采用反井鉆開挖導井，然后鉆爆法正向擴挖。上述施工方法存在著施工質量控制難度大、開挖進度慢、施工安全風險大、施工作業面環境差等問題，已經成為工程建設的制約因素[2]。

目前，TBM施工技術已成功應用于國內外重大水利、鐵路、地鐵等施工[3]。而在大坡度斜井TBM應用方面，國內尚無相關實施案例。國外已有80多個斜井項目成功應用TBM進行施工[4- 6]，斜井TBM的施工方法和安全性得到了充分驗證。若采用TBM進行抽水蓄能電站的斜井施工，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的可能性，從而優化引水系統設計。因此，研究斜井TBM施工對抽水蓄能電站設計、施工以及我國TBM技術的發展都有較大的技術創新意義。

1 可變徑TBM技術的研究意義

本文立足于抽水蓄能電站引水系統采用可變徑TBM施工的布置研究，有兩方面意義：

(1)對于抽水蓄能電站群、洞室群而言，可變徑TBM的適用范圍更廣。在碳達峰、碳中和的目標下，近幾年開工建設的抽水蓄能項目在現有基礎上將會大幅增加，將會形成“抽水蓄能電站群”和“地下洞室群”的態勢。這一背景為可變徑TBM的應用提供了較為有利的應用環境。在“抽水蓄能電站群”的概念下，不同水頭、不同流量電站引水斜井的經濟洞徑將有所不同，若TBM可實現一定范圍內的變徑，對電站引水斜井的開挖直徑的適應性將大大提高；在“地下洞室群”的概念下，同一電站中除引水斜井以外，引水平洞、尾水洞、施工支洞、電纜廊道等大部分地下洞室開挖斷面均在6～8 m左右，可變徑TBM的變徑能力基本可以覆蓋這一直徑范圍，具備應用于同一電站內多處地下洞室開挖條件。總之，可變徑將極大地提高TBM的適用范圍，提高設備攤銷里程，降低建設成本，應用前景較為廣闊。

(2)可變徑TBM技術可優化引水斜井的施工方案設計。目前，針對TBM施工下的斜井設計方案，研究方向一般是將兩級斜井合并為一級斜井的不變徑方案，主要目的是為了縮短引水系統長度，取消中部施工支洞，引水斜井的布置也更為靈活。同時該方案也帶來了引水系統布置調整較大、兩級斜井斷面必須統一、長斜井襯砌施工困難和安全風險增加等新難題。TBM可變徑、可變坡的施工性能能較好的解決這些問題，能較好的適應原鉆爆法引水系統設計方案，保持兩級斜井布置，不增加斜井長度和施工安全風險，兩級斜井洞徑可保持原設計不統一，較為經濟。

2 引水系統布置方案

2.1 項目概況及可變徑TBM參數

某抽水蓄能電站引水系統由上平段、上斜井段、中平洞段、下斜井段和下平段組成。上平段為坡度5%，長50.375 m。后接傾角為50°的上斜井，垂直高差約358 m，轉彎半徑30 m，上斜井長度438.913 m。中平洞坡度5%，長245.501 m。下斜井傾角50°，轉彎半徑30 m，垂直高差約355 m，長433.260 m。下平洞與下斜井轉彎半徑采用30 m，水平布置，長50.504 m，其后經對稱“Y”形鋼岔管與引水支洞相連。引水系統為兩級斜井，斜井長度均超過400 m，上斜井、中平洞、下斜井開挖尺寸分別為8、7.5、6.5 m，布置見圖1。

圖1 某抽水蓄能電站引水系統布置示意

該引水系統的布置有三大特點：①平洞短，對立面轉彎半徑要求高；②斜井長，施工難度大，工期長；③上下斜井開挖斷面不統一。這三大特點對TBM的應用也提出了相應的要求：①設備小型化，能適應小轉彎半徑的要求；②進行斜井TBM的研發，同時需兼顧平洞施工能力，實現可變坡；③適應開挖斷面的變化，TBM要實現變徑。

從TBM設備適應抽水蓄能電站引水系統布置的角度出發，提出并設計了可變徑、可變坡TBM設備，其主要的設備參數見表1。

表1 TBM設備主要參數

2.2 方案擬定

某抽水蓄能電站原引水隧洞水平距離約1 090 m，引水上平洞與下平洞高差約726 m。采用TBM施工，可采用一級長斜井的布置方式和兩級斜井的布置方式。

(1)方案1。考慮采用TBM施工時，由于TBM設備施工不限制斜井長度，因此首選將引水上斜井、中平洞和下斜井調整為一級斜井布置(見圖2)。考慮到水力條件及開挖回填工程量，在斜井中部進行變徑，開挖直徑由6.5 m變徑為8.0 m，考慮到對開挖斷面的適應性，擬采用可變徑TBM進行施工。

圖2 一級斜井布置型式

(2)方案2。由于在一級長斜井布置形式下，斜井長度超1 000 m，在鋼管安裝、混凝土回填、混凝土襯砌等施工上帶來了新的技術難點，為解決這些問題，利用TBM設備可變徑、可變坡性能，適應引水系統兩級斜井布置形式(見圖1)。

2.3 方案比較

2.3.1 引水系統特征參數比較

TBM施工一級斜井方案與TBM施工兩級斜井方案的引水系統特征參數比較見表2。

表2 兩方案輸水系統特征參數對比表

2.3.2 地形地質條件

兩個方案輸水系統平面位置相同，地形地質條件相同，區別僅在于因為立面布置方式不同，隧洞各部位埋深有所差異。因此兩個方案從地形地質條件角度而言條件相當，基本無優劣之分。

2.3.3 輸水系統水力學條件

從水力學角度而言，兩個方案都是可行的，一級斜井方案轉彎較少或較緩，水流較為順暢，水頭損失相對較小，因此一級斜井方案略優。從對機組的調速性能的影響而言，兩個方案Tw值差別較小，均位于調速性能好的區域。

2.3.4 施工程序

兩個方案的主要區別在于是否設中平段。

(1)方案1。引水斜井采用全斷面自下而上TBM施工，在下平洞組裝調試及始發，立面轉彎通過下彎段進入斜井掘進，在斜井中部由6.5 m變徑至8.0 m，完成上部斜井掘進，從上平洞接收洞室拆機運出。根據目前可變徑的TBM設備要求，斜井下半段6.5 m的隧洞開挖完后，在斜井中部變徑處需設一段平洞作為TBM設備的變徑洞室，考慮利用②施工支洞端部進行擴挖，變徑洞室斷面要求為20 m×10 m×13 m，TBM在變徑洞室變徑到8.0 m后，二次始發進行斜井上半段的施工。

(2)方案2。在下平洞組裝調試及始發，立面轉彎通過下彎段進入下斜井掘進，開挖直徑為6.5 m；完成下斜井掘進后進入中平洞，中平洞內布置變徑洞室，設備變徑為8.0 m直徑；從中平洞掘進至上斜井，完成上斜井的開挖施工；自上平洞拆機運出。

方案1需在斜井中部②施工支洞端部布置變徑及始發洞室，洞室位于三角區，形狀不規則，為滿足最小斷面要求，開挖回填規模較大，且布置上不順暢，需在斜井中部進行二次始發(見圖3)。方案2利用中平洞布置變徑洞室，布置上較為順暢，二次始發位于平洞部位，難度較小，所需空間也較小，可有效降低變徑洞室及始發洞室規模。

圖3 ②施工支洞端部變徑洞室布置示意

2.3.5 襯砌施工

襯砌是壓力隧洞的重要組成部分，一般包括不襯砌、混凝土襯砌和鋼襯等類型。目前，高水頭抽水蓄能電站引水系統不襯砌較為少見，一般在低水頭段采用混凝土襯砌、高水頭段采用鋼襯。當采用TBM施工后，若兩級斜井變為一級斜井，則出現了同一條斜井中，上部采用混凝土襯砌、下部采用鋼襯的情況。

下部鋼襯施工，一般采用場外制作6 m大管節，利用卷揚機進行吊裝，若采用一級長斜井方案，則斜井長度較長(1 000 m級)，從上平洞進行鋼管安裝的難度將顯著提高，施工工效也將大幅降低。同時鋼管混凝土回填施工也難度較大，小灣水電站400 m級、傾角32°斜井的混凝土溜槽入倉已屬國內較為先進的水平，超長斜井混凝土入倉將成為制約施工的一大難題。

上部混凝土襯砌施工，從施工質量、效率等方面考慮，推薦采用滑膜施工，但是一級長斜井條件下，混凝土襯砌起點位于斜井中部，滑膜就位難度較大，也是制約施工的關鍵點。

斜井的施工程序為開挖施工→鋼襯施工→混凝土襯砌施工，由于鋼襯及混凝土襯砌需依次施工，往往導致整條引水斜井工期過長，成為制約整個工程的關鍵線路。

同時由于取消了中平洞，以上施工均位于同一超長斜井之中，施工干擾大、安全隱患高。

為解決鋼管安裝、混凝土入倉及混凝土襯砌滑膜就位等難題，同時也為優化斜井施工程序，縮短斜井施工工期，需在斜井中部保留施工工作面，因此，兩級斜井布置下中平洞的保留，可有效降低斜井長度，降低鋼襯、混凝土回填、混凝土襯砌施工難度，同時可為下部鋼襯施工與上部混凝土襯砌同時施工提供條件。而兩級斜井的布置，也為可變徑TBM的施工，提供了更好的布置上的條件。

在襯砌施工難度、施工干擾、施工進度控制等方面，方案2優勢較為明顯。

2.4 推薦方案

綜上所述，2個方案在隧洞長度、水頭損失對機組穩定運行有利等方面，一級斜井方案略有優勢、但無本質差別。在變徑洞室的布置上，方案2的布置更為順暢，施工難度小、工程量較省。在后續襯砌施工方面，方案2可有效降低斜井長度，后續襯砌施工技術成熟有保障，工期可控。

因此，采用TBM施工引水斜井時，推薦兩級斜井的立面布置方案，相應的，需采用可變徑TBM技術以適應該布置方案。

3 結 語

(1)抽水蓄能引水斜井采用TBM施工時，兩級斜井布置可控制斜井長度，降低開挖、支護、襯砌等施工難度及安全風險，對原鉆爆法工藝下的設計方案調整較小，鋼管安裝、混凝土襯砌等施工技術成熟有保障，施工工期更為可控，該布置方案優勢明顯、可靠度高。

(2)考慮到斜井TBM的可變徑、可變坡性能，對引水系統的適應性更強，也可應用至類似斷面范圍的平洞和斜井項目中，可擴大TBM設備攤銷范圍，降低設備成本，應用前景較廣。