小型水電站隧洞的機械化施工

[德國] P.施麥 等

設計與施工

小型水電站隧洞的機械化施工

[德國] P.施麥 等

隨著外界對水電開發關注度的不斷增加，世界各地正在建設或擴容改造各種規模的水電站，因此對水電站開挖技術創新發展的需求也日益迫切。水平或傾斜長隧洞(包括受壓襯砌隧洞)往往是解決水電站引水和排水問題的重要建筑物。主要論述了小型水電站開發的重要進展，并通過精選案例，概述了當前隧洞機械化開挖的相關技術。

小型水電站；隧洞開挖；隧洞機械化；施工技術

如今，由于中小型水電站建設速度快且符合分散能源供給的要求，無需配套建設大量基礎設施，越來越受到歡迎。小型水電站往往需要開挖小型隧洞，由于預算有限，因此須從經濟性和適用性方面考慮小型隧洞的開挖和襯砌方案。初期投資高，研制周期長，一直是中小型水電站隧洞不采用隧洞掘進機(TBM)施工的主要因素。然而，經詳細調研表明，中小型水電站隧洞機械化施工往往能實現更高的成本效率。其次，許多水電工程往往位于偏遠山區或環境敏感區，交通和后勤保障也面臨巨大挑戰。

1 小型水電站的開發背景

目前，對于中小型和大型水電站的分類還沒有統一的國際標準，阿爾卑斯山地區通常將裝機容量小于10 MW的水電站定義為小型水電站。

20世紀末期，水電行業重點發展了裝機容量大于100 MW的大型水電站的建造技術，而忽視了小型水電站的開發潛力，認為其成本效率低。自20世紀90年代初，國際上為尋求替代能源，開始傾向于開發裝機容量小于5 MW的小型水電站。由于這類水電站能保證當地穩定的電力供應，因此常常被認為是偏遠地區經濟增長和社會進步的象征。由于統一電網無法到達偏遠地區，分散的小型水電站往往是能為這些地區居民生活和工業用電提供綠色能源的唯一途徑。工業化國家正在通過建設小型水電站，推動可再生能源有效和可持續化的能源政策改革。在發展中國家，小型水電站則是替代柴油發電機的理想選擇。

大型水電站建設及科學研究積累的經驗大大促進了小型水電站的發展，目前小型水電站建設可以采用最先進的技術。由于修建水電站的主要目的是將水能轉化為電能，因此小型水電站往往被設計成徑流式水電站。

對于任何一座水電站而言，引水隧洞和尾水隧洞的布置往往受地形條件制約。輸水系統的設計不僅依賴于可利用水頭和水力梯度，還依賴于需輸送水的流量。如瑞士什萬登(Schwanden)雙輸水隧洞方案為，當向低處輸送大流量的水時，隧洞只需很小的傾角。

2 隧洞TBM施工與傳統方法對比

相對于傳統的鉆爆開挖法，TBM開挖施工有許多優點。首先，TBM具有高度靈活性，不但可以在任何巖石和變化的土體中工作，還可在任何深度的水下和“液化土”中工作，且對環境影響較小。其次，TBM非常適合長隧洞施工，既可降低成本，縮短工期，還可提高施工規劃的可靠度，確保現場施工安全。

另一方面，和傳統開挖方式相比，TBM開挖初始投資可能較高，建造周期可能需要持續幾個月，甚至1 a，因此開工時間可能較晚。

如今，機械化的地下巖質隧洞開挖技術可為大多數地下電站施工提供解決方案。根據預期土體情況，可采用盾構或非盾構TBM施工，且可采用多種形式的襯砌，甚至能在土體變化或不穩定的條件下確保施工安全。

TBM的成本優勢包括：①初始投資較高，但總體運行成本較低，操作和維護人員少；②開挖斷面精度高，避免超欠挖和材料浪費。TBM的工期優勢包括：①可連續施工，單日掘進速度快；②當地質條件變化時，通過機械設計和支護可將風險最小化，提高施工規劃可靠度。采用TBM開挖輸水系統可從以下方面降低間接成本。

(1) 靈活性。TBM可在任何巖石中掘進，并能在任何深度的水或“液化土”中開挖。

(2) 安全性。通過控制開挖過程提高人員安全性。

(3) 影響性。噪音小，對周圍環境、建筑、基礎設施的擾動小。

(4) 環保性。在隧洞內外的尾氣排放較少。

(5) 開挖料可再利用。均一化的開挖料可用于鋪設道路等。

3 水電站隧洞施工技術

多數電站地下建筑物均涉及當今所有機械化地下巖石開挖技術，而對于軟弱介質開挖技術的需求則較少。根據地形條件，在某些情況下需要通過隧洞實現長距離輸水。

3.1 隧洞傾角

水電站利用水頭差實現發電功能，因此傾斜隧洞和豎井是輸水系統的關鍵組成部分。對于傾角小于5%的隧洞，機械開挖與水平開挖差別不大；傾角在5%～15%之間時，需對施工等級和TBM供給系統進行調整，其中包括TBM的材料處理系統和吊機，尤其是開挖料輸出系統和材料供給系統；傾角在15%～25%之間時，則需根據項目特點，對TBM進行專門設計，不僅TBM控制和材料供給系統受到影響，TBM的基本開挖和主要出碴功能還需和人行通道、物資通道以及工作臺協同調整。此外，維護工作和刀片控制等次生作業也需要重新設計和調整，還需重新考慮和設計液壓及潤滑系統、承載力等全套純機械技術工藝。

根據EN16191規范要求，對于傾角在15%～25%之間的隧洞，需要根據隧洞項目風險評估來確定TBM是否需要獨立的夾持系統，當隧道傾角大于25%時，則強制要求增加夾持系統。

3.2 施工方法

對于大型水電站的隧洞，可采用眾所周知的硬巖TBM施工，能根據項目需要和機械類型提供不同的支護型式。中小型水電站的隧洞規模一般較小，通常采用頂管法或水平定向鉆進法等施工工藝。總之，最有利于項目施工的方案為最佳方案。

在特定條件下，通過對施工工藝進行調整，如特定的刀頭設計，可以提高施工效果。

3.3 開挖支護

確定隧洞施工方案后，需要根據機械類型和隧洞直徑確定支護方案。隧洞襯砌需要滿足兩個要求：

(1) 能承受不穩定巖體或周圍土體壓力(外部壓力)；

(2) 對于有壓隧洞，襯砌要能夠承受隧洞內部高壓。

頂管法(鋼管或玻璃鋼管)施工可同時滿足這兩個要求，對于圍巖超挖區域，甚至可以采用預制混凝土管片結合固結灌漿進行處理，用該工藝局部處理的區域可承受高達2 MPa的內水壓力。

由于大多數水電站為巖石介質，因此巖質隧洞的支護和機械開挖方案更受關注。頂管法可使用各種類型的管材，包括鋼管、玻璃鋼管及鋼筋混凝土管，而在地下鋼管安裝中，則大多采用水平定向鉆進技術。

3.4 TBM靈活性設計

在考慮小型水電站隧洞機械化施工時，機械設備的投資是決定性因素。因此，TBM設計需考慮其使用靈活性，以適用于不同工程，節約投資。選用能靈活適應隧洞地質條件、傾角、長度的TBM及相應的技術規范是降低水電站投資、保證水電站良好收益的重要途徑。根據不同的項目地點和具體條件，水電站常規的投資準則是將每兆瓦裝機容量的投資控制在200～400萬美元。

4 精選歷史案例

4.1 巴西里奧韋爾梅柳電站撐靴式TBM施工

在偏遠地區，越來越多的小型水電工程采用TBM施工。在巴西南部里奧韋爾梅柳(Rio Vermelho)地區幾座小型水電站的建設中，德國海瑞克(Herrenknecht)公司設計了一種緊湊型撐革化式TBM(直徑2 850 mm)，利用其開挖了6條隧洞(總長7.7 km)，分別對應6座小型水電站，裝機容量分別為2～8.5 MW。第一條隧洞長775 m，傾角0.4%，裝機為 3.1 MW，月發電量達1 268 kW·h。

撐靴式TBM設計可在不同類型、長度和傾角的水工隧洞中靈活使用，其緊湊設計使現場控制和后勤工作得到簡化，TBM甚至可以在空間非常局限的情況下完成組裝，其可回收設計可使TBM得到重復利用。安裝、運行、維護和拆卸所需的成本和時間被最小化，從而提高了總體成本效率。為應對傾角近5%的隧洞施工，兩臺多功能車輛為TBM提供后勤服務，車輛設計得非常纖細，能應對傾角高達8%的坡度(或可能應對高達16%的坡度)，而這是軌道安裝系統所不能實現的。自2015年7月該項目第一條隧洞完工以來，施工單位繼續使用這臺TBM開挖了5座水電站的隧洞，總長度達3 km，包括轉彎半徑300 m的弧線段。

4.2 斯里蘭卡烏馬奧亞電站雙護盾TBM施工

烏馬奧亞 (Uma Oya)電站為在建多功能項目，包括兩座碾壓混凝土大壩，地下電站裝機容量為134 MW，地下隧洞總長度達25 km。該項目的主要任務是將烏馬奧亞河的水輸送到斯里蘭卡的東南部地區，并修建一座水電站。自2014年開工以來，兩臺海瑞克雙護盾TBM(內徑3 600 mm，外徑4 100 mm)已在抗壓強度高達250 MPa的硬巖中完成了尾水洞(3.3 km)和引水洞(15.6 km)的開挖。襯砌管片在TBM尾部完成拼裝，刀片也針對高強度巖石條件做了調整。此外，后勤保障和現場管理對保證高速率掘進非常重要。長3.3 km的尾水洞在2014年12月初竣工，最高開挖速率為46 m/d。

4.3 澳大利亞齊勒爾山谷小型水電站氣壓泥水平衡盾構機頂管法施工

共計2 800座小水電站為澳大利亞170萬戶家庭提供電力，以滿足該國約9%的電力需求。在齊勒爾(Ziller)山谷地區，需另建一座水電站，可利用水頭為144 m，預計裝機容量為1.7 MW。由于環境規定有嚴格限制，壓力隧洞只能使用機械方法開挖。承包商選擇了一臺1600氣壓泥水平衡盾構機(AVN)向山上開挖863 m，這臺設備具有通往刀盤更換工具的通道。

在地形不利及隧洞6°傾角條件下施工是人們面臨的主要挑戰。設備和所有頂管必須利用全輪驅動拖拉機單獨運送到現場。在隧洞施工初期，起始洞段地形坡度達11%，且部分洞段巖石含水量高。線路在空間上形成弧線且幾乎與小溪平行。針對此情形，海瑞克公司開發了一套特殊的監測系統，實現了質量管理最優化。通過該系統的監測計算，能識別出施工早期關鍵的超負荷頂管，為建設質量高、壽命長的建筑物奠定了基礎。

該電站于2008年9月開工，6個月后竣工。期間，施工團隊克服了90 m的地勢高差和最大厚度達80 m的深厚覆蓋層難題。

4.4 意大利瓦爾達斯蒂科電站壓力水管水平定向掘進施工

瓦爾達斯蒂科(Valdastico)電站位于意大利北部的維琴察(Vicenza)省，壓力鋼管長920 m。該項目通過收集艾斯阿格(Asiago)高原與艾斯蒂科(Astico)山谷的水資源進行集中發電。

在采用鉆擴法鋪設長約1 km、直徑30 cm的不銹鋼管線期間，需對450 m的高度差進行修整。在施工場地受限且地質條件復雜的情況下，這項工程的施工效果令人贊嘆。海瑞克公司的水平定向TBM在抗壓強度高達160 MPa、且常有孔穴和裂隙的石灰巖中運行良好。

5 結論與展望

在中小型水電站地下工程施工中，有多種機械化施工方案可供選擇，因此為每個項目選擇合適的方案尤為重要。機械化施工為水電工程提供了更多的施工方案選擇，為了實現能源開發最優化，需要根據每個項目的特點，對施工方案進行改進和調整。

這些機械化的隧洞施工技術將替代鉆爆法施工，為復雜地下洞室群施工提供便利。

截止目前，許多大型水電站站址已基本得以開發，但中小型水電站開發潛力巨大，尤其是在南美洲、亞洲及歐洲等地區。目前這些地區僅開發了50%的小水電潛能。2010年，在歐盟27個國家中，共建成21 800座小型水電站，總裝機容量超過了13 000 MW，年發電量達41 000 GW·h。為提高發電量及增加小水電在電網中的發電比例，未來需在滿足環保要求的前提下，大力開發中小型水電工程。

羅 憶 郭重汕 譯

(編輯：唐湘茜)

2016-12-26

1006-0081(2017)02-0023-03

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