某壓縮空氣儲能人工地下硐庫新奧法與盾構法施工的經濟性研究

呂 輝

（中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

隨著風電和光伏等可再生電能在我國總電能中占比的增加，這些可再生能源發電的間歇性與波動性問題日益突出[1-5]。對于我國這樣的電能消耗大國而言，日益增大的電網峰谷差也增加了電網調峰的難度。為了緩解電網調峰的壓力同時減少棄風棄光率，使得可再生電能高效利用，儲能技術的研究逐漸受到重視。而壓縮空氣儲能以儲能容量大、周期長及范圍廣等優勢成為儲存可再生電能的首選方式[6-8]。從空間利用率、選址靈活性、安全可靠性及經濟性價比等角度綜合考慮，人工地下硐庫儲氣是發展的趨勢，而人工地下硐庫的修建以新奧法與盾構法為主[9-10]。孫冠華等[11]將淺埋隧道式人工地下硐室的潛在失穩模式等效為常微分方程組的初值問題，在求解的同時還研究了埋深、硐徑、地應力系數以及內摩擦角對地下硐室失穩形態的影響。吳金龍等[12]研究了級數、上端差、節流閥后壓力等關鍵參數對絕熱壓縮空氣儲能系統的熱力學效率與經濟性的影響。徐英俊等[13]假定巖體符合Hoek-Brown 準則基于極限分析上限定理研究壓氣儲能地下巖石洞室在高氣體內壓作用下的隆起破壞模式。可看出對于壓縮空氣地下硐庫的研究主要在力學性能的分析，而對于人工地下硐庫修建工法的經濟性對比研究較少。本文以某壓縮空氣儲能人工地下儲氣硐庫工程為例，比較新奧法與盾構法施工造價與工期的差異，為壓縮空氣儲能人工地下儲氣硐庫施工方法的合理選擇提供參考建議與借鑒。

1 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能是儲存電能的一種新型物理儲能技術，儲能系統技術基于燃氣輪機技術，利用壓縮空氣作為介質轉換能量形式來儲存電能的新技術，起到調節電力峰谷和改善電力品質的作用 。壓縮空氣儲能與釋能的過程可以由圖1 所示。在用電低谷期，當風能或者太陽能產生的電能無法消納完時，為了避免浪費，此時利用電動機壓縮空氣來儲能，將電能轉換為高壓空氣的勢能。當遇到用電高峰期時，將壓縮空氣釋放到膨脹機中，通入多級透平膨脹做功驅動發電機發電，完成壓力空氣轉換為電能的釋能過程。儲氣裝置可分為地面鋼儲氣罐、天然洞室與人工地下硐庫儲氣。可將報廢礦井、過期油氣井與鹽穴等作為地下硐庫儲氣，實現資源的再次利用。由于儲氣不僅需要多達數十萬方的容積且最大內壓可達18MPa，因此選址的圍巖一般為致密硬巖需具有一定的穩定性與氣密性。利用鹽穴建設成本相對低且技術相對成熟，但國內閑置鹽穴資源和具備適用性條件的場址稀缺。廢棄礦井或過期油氣井地質條件不盡相同，理論上可通過改造加固等方案達到使用條件，但改造過程的安全風險性較大，改造加固費用往往高于新建人工地下硐庫。雖然人工地下硐庫需用混凝土襯砌加固，建設成本相對較高，但是因其選址自由而具備大規模推廣的條件。從空間利用率、安全可靠性、選址靈活性及經濟性價比等角度綜合考慮，人工地下硐庫儲氣是發展的趨勢。人工地下硐庫根據布置形式一般可分為大罐式、廠房式及隧道式等。大罐式是將地下硐庫建成大型罐體結構，適用于大容積的存儲但是需要多設置交通道增加工作面出碴等，相對隧道式開挖跨度大、穹頂施工難度大、造價高。廠房式是將地下硐庫建成具有分區的硐庫結構，雖然可分區存儲壓縮空氣，但為分區增加了地下輔助結構設計而增加費用，同時還因設置地下室進出口而占用地面空間。隧道式就是挖掘地下通道并設置存儲設施，將地下硐庫建成隧道的結構。相較于前兩種形式，隧道式地下硐庫在空間利用率、工藝成熟度、造價等方面具有綜合優勢。因此，隧道式更適合大容積存儲人工地下硐庫的修建。隧道式人工地下硐庫的修建可借鑒公路、鐵路及地鐵隧道修建過程中常采用的新奧法施工或者盾構法施工，對于大斷面隧道修建具備非常成熟的技術和經驗。

圖1 壓縮空氣儲能系統示意圖

2 人工地下硐庫新奧法與盾構法施工

盾構法是指利用盾構機完成開挖及支護的施工方法，即利用盾構機刀盤開挖土體，運用刀盤穩定開挖面、盾構鋼殼支護周圍土體，掘進同時在機內完成支護、拼裝管片形成襯砌，盾構機掘進示意圖如圖2 所示。該工法機械化程度高，但是相比新奧法，在前期需要建設盾構始發井與接收豎井、管片廠等配套設施，總花費較高，對于短區間經濟效益差。并且盾構機尺寸固定，截面靈活性較差。盾構機的選型與定制還需遵循三角理論總則，設備有一定的專款專用性，即“一個中心、兩個基點、三依三實、三大目標”。

圖2 盾構機掘進示意圖

施工工法的選擇是一項綜合性分析評價的結果。對于城市地鐵而言，由于地面與地下建筑的密集度與復雜性，作業空間受限，加之保障居民日常生活、交通出行與安全等因素，采用盾構法施工。一般而言，當施工區間短于500m 時，若采用盾構法造價將高于新奧法。這是由于盾構法固定費用（盾構裝拆、端頭加固、設備攤銷等）占總費用的比例是隨區間長度增加而降低。當圍巖等級越高且越均質，新奧法的輔助工法花費越少。因此，當區間較短時新奧法從造價角度是優選工法。

3 某壓縮空氣儲能人工地下儲氣硐庫工程

3.1 工程概況

通過儲氣容積10 萬m3的某壓縮空氣儲能人工地下儲氣硐庫項目，來比較新奧法與盾構法在經濟與工期方面的差異性。該項目運營期儲氣壓力為10MPa，最小埋深為100m。采用外徑13m，長度為1 000m 的圓形截面隧道式地下硐庫布置形式。該區域海拔平均為1 500m 左右，以沖洪積平原、低山丘陵及中高山為主。巖層以第四系松散層及巖漿巖為主，硐庫區圍巖以奧陶系輝長巖為主，圍巖等級為Ⅴ級，地下水以基巖裂隙水為主。

3.2 新奧法造價與工期構成

關于本工程新奧法施工造價與工期主要包含前期準備階段、開挖及支護施工階段與后期工序等三部分，各部分具體包含內容及造價在下面詳細介紹。

3.2.1 前期準備階段

前期準備階段包含后續新奧法施工所需建設的輔助施工斜井與臺車的拼裝等，新奧法施工所需建設的斜井總長度為405m，建設工期及造價如表1 所示。新奧法前期準備所需時間為5.5 個月。

原料：大米 25 g，黑米 25 g，大豆 25 g，紅豆 25 g，核桃仁 25 g，花生 25 g，紅棗 15 g，桂圓 10 g（2人份）。

表1 新奧法工序造價及工期

3.2.2 開挖及支護施工階段

本工程新奧法開挖及支護施工階段包含有開挖施工、初期支護施工、仰拱施工及二次襯砌施工四個部分。前三個施工進度是90m/月，二次襯砌施工進度為100m/月，本階段所需工期為11.5 個月，新奧法施工在本階段是人工投入最大的階段。本階段具體工期與造價如表1 所示。

3.2.3 后期工序

新奧法后期工序僅為臺車的拆除，所需時間為半個月。

3.3 盾構法造價與工期構成

盾構法造價主要包含前期準備、盾構施工與后期工序等三部分，各部分包含內容及造價如下。

3.3.1 前期準備階段

盾構法前期準備工作包含盾構始發豎井施工、盾構接收豎井施工及支護管片的生產三部分。對于盾構始發與接收豎井可以同時施工以減少所需工期，本工程盾構豎井建設需要6 個月時間。管片生產可建管片廠自產或利用既有管片廠訂購。考慮本工程周邊環境及運輸情況，選擇建廠自產。隧道開挖掘進前需將管片生產完，管片混凝土養護周期為28d，需要養護存放檢驗。隧道襯砌面積40 840m2，按規范3 層堆放，存儲面積13 613m2。因此，本工程建廠生產線面積為6 000m2，混凝土養護池使用面積為2 400m2，管片儲存場地使用面積為5 200m2，總面積約占地21 畝。本工程生產支護管片的臨時用地與建廠費用約500 萬元。由于管片生產場地需要自建，因此預留給生產管片的時間僅有3 個月。本工程需使用556 環大直徑盾構管片，每環寬1.8m，每環管片由10 片組成。每套模具生產能力為2 環/d，日產量8 環/d，生產線配備4 套模具，生產管片花費時間為2.5 個月。本工程投入的管片生產線包含4 套模具、6臺門吊及其他周轉材料，共花費約1 350 萬元。前期準備階段具體所需工期及造價如表2 所示。

表2 盾構法工序造價及工期

3.3.2 盾構施工階段

盾構施工階段包含盾構機的拼裝、盾構機掘進與注漿施工及管片安裝三個部分。對于盾構機的拼裝除了盾構機的組裝以外還包括盾構始發部位、接收部位采用凍結法加固，所需時間為2 個月。盾構機掘進、注漿及管片安裝的進度為330m/月，所需工期為3 個月。具體工期及造價如表2 所示。

3.3.3 后期工序

盾構法后期工序包含盾構機的接收及拆除兩個部分，具體造價與工期如表2 所示。

3.4 新奧法與盾構法施工經濟性比對結果與建議

3.4.1 施工方法的經濟性對比

依據表1 與表2 對比可知，對于本工程截面外徑13m，施工區間長度為1 000m 的情況，采用新奧法施工所需的工期為17 個月，而盾構法施工工期為12 個月。由圖3 可看出，新奧法工期主要是花費在施工中期的隧道開挖與支護工序之上，這是由于新奧法機械化程度低的原因。而盾構法由于施工前期準備工作眾多花費時間較多，由于機械化程度高，開挖與支護階段花費時間少，采用盾構法施工會縮短工期5 個月。這說明采用盾構法機械化程度明顯提高，節省工期明顯。而在經濟維度，采用新奧法施工造價約為1.4 億元，而盾構法施工造價約為3.99 億元，采用盾構法施工造價多2.59 億元。由圖4 可看出，采用新奧法施工，施工中期的開挖與支護階段花費占總造價的比例高；而采用盾構法施工，施工前期的準備階段花費占總造價的比例高。這說明盾構施工前期一次性投入過大，而新奧法則是施工階段投入過大，隨著施工距離的增加，盾構法施工的經濟性才能體現出來。對于本工程這種單一任務且施工區間距離短的情況是不具備經濟性的。因此對于新奧法與盾構法的選取除了施工區間這種單一指標判斷外，還需充分考慮其他因素，下面將對盾構法施工經濟效益進行剖析。

圖3 不同時期新奧法與盾構法施工工期圖

圖4 不同時期新奧法與盾構法施工造價占比圖

3.4.2 盾構法經濟效益剖析與建議

對于本工程而言采用盾構法施工所產生的造價是遠遠高于新奧法施工，對于盾構法施工的經濟效益需要詳細地論證并針對盾構法施工造價高提出合理建議：

（1）盾構機本身造價高

本工程所需的13m 直徑盾構機造價約為1.3 億元，大修壽命一般為10km，所產生的攤銷費用約為20 000 元/m，而市場租賃一般為自購攤銷費的2 ～3 倍左右，需要一次性投入。壓縮空氣儲能人工地下硐庫對地質條件要求較高，且硐庫斷面直徑較大，盾構機可租可用的概率較小。如果不考慮盾構機本身攤銷費用，在水文地質條件、施工條件與支護強度等相同條件下，新奧法與盾構法施工造價是基本相當的。所以，當施工區間較長且考慮提早營運收益可觀的情況下，可以適當考慮盾構法施工。

（2）盾構始發與接收豎井建設費用

與新奧法施工相比，盾構法施工存在較大的一次性投入項目，即盾構始發與接收豎井的建設費用，本項目而言就增加了1.07 億元豎井建設費用。盾構機主機為整體鋼殼，不能拆卸解小運出，考慮掘進的同時需要考慮作業完成后設備退出路徑。在城市地鐵項目設計時，地鐵車站、通風井在施工階段被兼做始發井、接收井功能使用，在貫通后繼續修建其地鐵車站、通風井的永久性結構功能。為了將豎井與盾構主機鋼殼應用在儲氣硐庫中以優化造價，降低成本。本文提出在滿足儲氣安全與穩定的前提下，降低硐庫的埋深，這樣可以減少豎井施作深度，進而降低造價。并優化豎井設計，將豎井轉化為儲氣硐庫的永久結構，這樣減少了施工結束對豎井的綜合處理與棄置賦閑。目前壓氣儲能內襯洞室密封層的研究，原理分為兩種，剛性約束原理和柔性約束原理；材料方向主要分為高分子材料和鋼材。隨著工藝、工法、工裝、成本等不斷迭代升級，從降低制造成本出發，硐庫從選址、設計階段，降低埋深和支護參數都將是趨勢。對于盾構機主機棄殼而言，可將其作為儲氣硐庫鋼內襯的一部分。

（3）管片廠費用

對于本工程而言，當采用盾構法施工時，預制管片廠使用完成后按照50%折舊處理，需要花費925 萬元。假設儲氣硐庫所處位置偏遠，周邊城市沒有可利用管片廠定制生產的條件，且其他城市運輸距離較遠、路況不良，運輸成本高；管片廠只得采用自建方式。優化造價，降低成本。可通過合理規劃地下儲氣硐庫地面的設施，將地面永久建筑物與地面臨時建筑物結合實施，來降低管片廠建設投入費用。也可通過優化施工工法，綜合研究論證，盾構機開挖加模筑施工二襯砼方法。

4 結論

為了緩解電網調峰的壓力并高效利用可再生電能，儲能技術的研究逐漸受到重視，人工地下硐庫儲氣是發展的趨勢。本文以某壓縮空氣儲能人工地下儲氣硐庫工程為例，比較了盾構法與新奧法施工造價與工期的差異，提出主要結論：

（1）對于本工程盾構法施工一次性投入過大，在本工程中不具備經濟性；

（2）論證了盾構法施工的經濟效益，提出合理建議，為壓縮空氣儲能人工地下儲氣硐庫施工方法的選擇提供參考。