抽水蓄能電站地下洞室開挖設備選型及TBM技術研究

王洪玉，劉金祥，荊岫巖，賈連輝，潘福營，于慶增

（1.國網新源控股有限公司，北京100761；2.中鐵電建重型裝備制造有限公司，昆明650000；3.國家電網有限公司，北京100033；4.中鐵工程裝備集團有限公司，鄭州450000）

據調研，全國“十三五”期間新開工抽水蓄能電站（以下簡稱“抽蓄電站”）裝機功率達到60 000 MW 左右，預計2025年將達到約90 000 MW。隨著我國新興能源的大規模開發利用，抽水蓄能電站的配置由過去單一的側重于用電負荷中心逐步能源基地、送出端和落地端等多方面發展。新能源的迅速發展需要加速抽水蓄能電站建設，目前在建的抽水蓄能電站有二十多座［1］。

抽蓄電站工程主要由上水庫、下水庫、引水系統、地下廠房、地下洞室群等構成，地下洞室群包括進廠交通洞、通風安全洞、自流排水洞、排水廊道、主副廠房、主變洞、尾閘室及其附屬洞室、尾水隧洞、尾水調壓室及其附屬洞室、泄洪排沙洞等（以下簡稱平洞）和引水斜井（以下簡稱斜井）。地下洞室數量近百條，長度約30 km。

抽蓄電站工程的特點：①圍巖完整性好，巖石致密堅硬，以Ⅱ、Ⅲ類為主；②隧洞直徑大小皆有（大至10 m 以上，小至3 m左右）；③長距離大坡度斜井（坡度60°，長度接近1 km，且需要轉換）；④超小曲線連續轉彎（R30 m，口字形）；⑤大直徑深豎井開挖。

1 世界抽蓄電站施工現狀

1.1 國外施工現狀

20世紀60年代以后，國外抽蓄電站得到了快速發展。歐洲抽水蓄能電站平洞施工通常采用鉆爆法，也有采用全斷面掘進機TBM 的案例。瑞士瓦萊州的Nant de Drance 抽蓄電站采用海瑞克公司的直徑9.45 m 開敞式隧道掘進機開挖地下基礎隧洞［2］。日本抽蓄電站平洞采用多臂臺車為主要施工機械。

國外抽蓄電站斜井的施工多采用TBM 設備，技術比較成熟，在抽蓄電站工程中采用斜井TBM 的成功案例有近百個，其中德國維爾特公司提供了超過50%的斜井TBM。施工工藝為導井TBM（自下而上）+擴挖TBM（自上而下），導井TBM 直徑一般在3 m 左右，通過擴挖TBM 二次開挖到達斜井斷面尺寸。瑞士的Corbes-Le Chatelard 壓力斜井項目、Kraftwerk Limmern 水電站項目、日本鹽原、神流川等項目都是斜井TBM 在抽水蓄能電站的成功應用。

1.2 國內施工現狀

國內從20世紀60年代末開始抽水蓄能電站建設，經過近60年的發展，平洞和斜井開挖目前普遍采用“鉆爆法”施工，施工進度較慢（每月70～100 m）。平洞開挖主要機械設備有手風鉆、架子鉆、多臂臺車；斜井開挖設備有爬罐、反井鉆機等。

近年來，受全斷面巖石隧道掘進機（以下簡稱“TBM”）技術的不斷進步，在鐵路、公路、水利、城市地鐵等工程建設中廣泛應用，包括斜井TBM 在煤礦領域也有應用案例［3-7］?；诖?，抽蓄電站領域的專家學者也在積極推進TBM 工法在地下洞室施工方面的研究。徐艷群［8］等總結了國外抽水蓄能電站施工斜井TBM 的經驗，以文登電站斜井為例對反井鉆法和TBM 法施工費用進行測算；張軍［9］等進行了抽水蓄能電站引水斜井開挖采用TBM 技術的研究；山東文登抽水蓄能電站上層排水廊道試驗段首次采用中鐵工程裝備集團有限公司研制的超小轉彎半徑TBM掘進，取得成功［10］。這些研究和實踐集中在斜井TBM及小洞徑TBM 方面，沒有針對抽水蓄能電站地下洞室開挖機械設備選型方面和抽水蓄能TBM關鍵技術的研究。

2 抽蓄電站地下洞室開挖機械設備選型原則及流程

抽蓄電站地下洞室開挖機械設備選型主要由地質條件和使用要求決定。在抽蓄電站地下洞室設計過程中，首先應對抽蓄電站機械設備進行選型，做到配套合理、充分發揮設備的綜合效能。

抽蓄電站地下洞室機械設備選型遵循以下原則：①大型機械設備地質適應性原則；②大型機械設備施工條件適用性原則；③機械設備先進性、安全性、可靠性、經濟性統一原則；④環境保護（非爆開挖）“一票否決制”原則。

3 抽蓄電站地下洞室開挖機械設備選型及采用TBM工法的可行性

根據圖1的抽水蓄能電站機械設備選型流程圖，對TBM 掘進機、懸臂掘進機、多臂臺車、反井鉆機等地下隧洞開挖設備進行調研，通過工程地質條件、施工條件、施工管理、文明施工、社會效益、經濟性等方面討論TBM技術的可行性。

3.1 TBM適應性分析

（1）工程地質條件。TBM 掘進機、懸臂掘進機、多臂臺車、反井鉆機等設備適用的工程地質條件如表1所示。從圍巖類別、巖石強度、埋深、洞徑斷面、洞徑長度、坡度、轉彎半徑等工程地質條件分析，TBM 掘進機適應抽水蓄能電站的工程地質條件。

表1 各類機械設備適應的工程地質條件Tab.1 Engineering geological conditions of various mechanical equipment

（2）施工條件。由于抽水蓄能電站廠房后期需運輸大型發電設備，一般都具備道路運輸條件、供水、供電條件；TBM 掘進機適應抽水蓄能電站的施工條件。

（3）施工管理。TBM 施工作業人員可在盾體保護下作業，開挖直徑由TBM 刀盤、刀具保證，克服了鉆爆法機械超挖、欠挖及洞室圍巖擾動問題，施工安全和質量比鉆爆法（懸臂掘進機、多臂臺車、反井鉆機）施工完全有保證。TBM 在施工初期及末期需要組裝和拆機影響施工進度，但TBM 施工正常掘進時可連續施工，開挖效率可以得到保證；鉆爆法施工安全管理成本較高且易受到爆破管制的限制，開挖進度存在不確定性，TBM 開挖綜合效率是鉆爆法的4～6 倍［1］。從施工管理角度，抽水蓄能電站領域TBM工法優于傳統鉆爆法。

（4）社會效益。TBM 法施工是非爆工法，利于環境保護和勞動力保護，符合當前綠色施工的新要求。鉆爆法現場施工作業人員較多，勞動力流動性較大、專業技能水平不高，抽水蓄能電站領域施工向少人化、智能化方向發展，應用TBM 施工技術是社會發展的必然趨勢。從社會效益方面，TBM 工法要優于傳統鉆爆法。

（5）經濟性。TBM 屬定制設備，一次性固定資產投入大，相比鉆爆設備（懸臂掘進機、多臺車、反井鉆機）沒有成本優勢，但可通過提前規劃設計，統一電站隧洞斷面，通過“多站連打”來分攤設備成本，實現TBM設備的技術經濟性。

3.2 抽蓄電站TBM應用

山東文登上、中、下層排水廊道首次試驗采用φ3.53 m 的TBM 施工，總長約2.4 km，圍巖以花崗巖為主，單周飽和抗壓強度140 MPa 以上，平均進尺每月約300 m，施工人員減少10 人，工期節省兩個月以上，施工管理難度降低。

TBM 法施工洞壁光滑，擾動小，成洞質量遠高于鉆爆法，如圖2所示。

鉆爆法每延米成本約6 000 元，TBM 法（試驗段設備費按6 km 折舊，但TBM 壽命可達15 km 以上）每延米成本約1 萬元，TBM 法掘進成本高，但通過連續施工多個抽蓄電站，增加掘進里程，降低設備折舊分攤費用來降低TBM的掘進成本。

4 抽蓄電站TBM關鍵技術

綜合上述分析，擬對現階段采用TBM 工法具有較大優勢的部分隧洞開展TBM 技術研究，主要包括進廠交通洞＆通風安全洞、排水廊道和引水斜井，該三類隧洞具有各自的特點，且進廠交通洞＆通風安全洞為地下洞室施工的關鍵線路。以下分別針對該三類隧洞進行TBM關鍵技術研究。

4.1 交通洞＆通風安全洞TBM關鍵技術

4.1.1 工程特點

河北省撫寧抽蓄電站隧洞巖性以混合花崗巖與鉀長花崗巖為主，單軸飽和抗壓強度150 MPa，最小轉彎半徑R90 m。交通洞＆通風安全洞線路規劃如圖3所示。

4.1.2 TBM選型

交通洞及通風安全洞以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，開挖洞徑在9 m左右，敞開式和護盾式TBM 都可滿足地質條件。但隧洞線路要求TBM 具有＜R100 m 的轉彎能力，要求的轉彎半徑約為10 倍洞徑。敞開式TBM 主機較長，受結構限制，最小轉彎半徑為40倍洞徑，約R300～R500 m。護盾式TBM 盾體之間通過油缸鉸接，具備實現小轉彎的可行性。交通洞及通風安全洞TBM 選型為一種新型TBM結構。

4.1.3 TBM關鍵技術

（1）大直徑小轉彎TBM 主機設計技術。大直徑小轉彎TBM主機結合敞開式TBM 和雙護盾TBM 的共同優勢，設計的一種新型TBM（見圖4），其結合雙護盾TBM 與敞開式TBM 技術特點，主機采用雙護盾TBM 主機設計，支護系統采用敞開式TBM錨網噴支護系統設計，不僅實現了小轉彎掘進，且無需安裝管片，同時在不良圍巖時又具備錨噴支護能力。新型TBM 主機由刀盤、前盾、鉸接推進油缸、支撐盾及撐靴組成。

（2）小曲線TBM 主機姿態控制技術。小曲線TBM 主機姿態控制如圖5所示，在掘進時撐靴撐緊洞壁，根據隧道設計的小曲線轉彎半徑曲率，計算出一次掘進換步周期內各油缸的伸長量；通過控制油缸動作實現極小曲線轉彎，同時由TBM 的激光導向系統對主機的位姿進行實時檢測，實時修正各油缸的伸長量，達到步進距離后收回撐靴，支撐盾及后配套系統在油缸回收力的作用下向前步進，完成一個小曲線轉彎周期的掘進。

（3）隧洞出渣技術。為保證出渣的連續性，出渣方案為渣車出渣，在TBM 后配套段尾部設計旋轉平臺和左右移動溜渣槽，兩輛渣車左右并列停放。當空渣車進洞后，在旋轉平臺處進行180°旋轉掉頭（見圖6），然后后退至接渣工位，接渣完成后，再直接開出洞外。旋轉平臺通過鋼絲繩與設備連接，隨設備一起前移。

4.1.4 工程應用

撫寧抽蓄電站位于秦皇島療養地區，每年有6～7 個月時間禁止爆破作業，對施工進度影響較大。根據環境保護（非爆開挖）“一票否決制”原則，優先采用TBM 法施工，但受工程條件限制傳統TBM 無法滿足要求?；谏鲜龅年P鍵技術，解決了TBM小半徑轉彎及導向難題，交通洞短距離掘進采用此出渣技術比傳統TBM常規的皮帶機出渣方式經濟性提高30%。

4.2 排水廊道TBM選型及關鍵技術

4.2.1 TBM選型

排水廊道地質條件以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，其要求轉彎半徑更小，僅有8 倍洞徑（約R30 m），TBM 選型為緊湊型的護盾式TBM。

4.2.2 TBM關鍵技術

（1）V型推進系統。TBM 主機采用V型推進系統設計，取消扭矩油缸，擴大轉彎狀態下盾體的調節能力，實現R30 m的超小轉彎半徑施工，如圖7所示。

（2）緊湊型后配套設計。TBM 整機由主機和后配套組成，主控室與TBM 分開布置，縮短整機長度。皮帶機設計采用短皮帶架設計，浮動式結構，皮帶架沿上下、左右可調節。TBM 后配套斷面如圖8所示。

4.2.3 工程應用

山東文登排水廊道隧洞呈螺旋形設計，隧洞長度較短，并且TBM 需多次拆裝機和轉場運輸，通過上述關鍵技術，TBM 整機總長約35 m，主機長度7 m，后配套比常規TBM 長度縮小了80%，極大了拆提高了拆裝機和轉場運輸時的效率，總工期比采用鉆爆法減少2個月。

4.3 斜井TBM選型及關鍵技術

4.3.1 工程特點及TBM選型

洛寧抽水蓄能電站引水斜井地質以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，隧洞坡度大于80%，采用錨噴支護。綜合引水斜井工程地質條件，采用具有安全防溜車功能的斜井TBM。

4.3.2 TBM關鍵技術

（1）大坡度掘進可靠性、安全性。直徑＞7 m，隧道傾角39°的斜井TBM 在國內還沒有應用案例，相對于平洞掘進，對TBM掘進及人員作業的安全性提出了較高要求，需要采用雙重安全防溜車（ABS）裝置。ABS 裝置主要克服自身、TBM 主機及后配套重力下滑分量的作用，通過相關案例分析，安全系數應大于3.5。同時ABS裝置配備了獨立的液壓動力裝置，并且采用帶自鎖功能的蓄能器撐緊油缸，即使在意外斷電情況下也可以提供充分的壓緊力。

雙重ABS裝置的安全設計需滿足下式：

式中：S為ABS 的安全系數；FHt為ABS 裝置產生的摩擦力；FAb為整機向下的分力；Fz為液壓絞車最大拉力；F為ABS裝置的撐緊力；μ為撐靴與洞壁的摩擦系數；GM為主機重量；GR為防溜裝置重量；GN為后配套重量；α為隧道傾角；μg為后配套滑車裝置與洞壁之間的摩擦系數；g為重力系數；β為滑車受力點與隧道垂線的夾角（見圖9和圖10）。

以洛寧斜井TBM 項目為例，設計參數如下：主機重量GM=5 500 kN；防溜裝置重量GR=1 500 kN；后配套重量GN=1 500 kN；后配套滑車裝置與洞壁之間的最小摩擦系數μg=0.35；隧道傾角α=39°；滑車受力點與隧道垂線的夾角β=27.6°；液壓絞車最大拉力Fz=260 kN；ABS 裝置的撐緊力F=24 531 kN（防溜裝置油缸提供，缸徑250@250 bar），經計算，S=3.75，滿足使用要求。

（2）大坡度物料運輸。運輸材料包括支護材料（如工字鋼、噴混凝土材料、混凝土等）、設備配件、耗材等，采用液壓絞車方式運輸。液壓絞車布置在斜井底部位置，需應根據斜井長度、斷面大小、運輸能力、運輸干擾程度、污染情況、隧道基底形式等因素進行設計。液壓絞車提升系統運行速度要穩定，且需要滿足掘進速度要求，鋼絲繩的牽引力按照GB/T29086-2012《鋼絲繩安全使用和維護》標準要求，鋼絲繩設計不低于6倍的安全系數。

4.3.3 工程應用

洛寧抽蓄電站位于洛寧縣，若采用反井鉆機開挖引水斜井，受反井鉆機單次最大開挖300～400 m能力的限制，需分上斜井、中平洞、下斜井三段開挖總長約1 300 m，并需設置3條出渣施工支洞，同時存在施工安全隱患。根據機械設備先進性、安全性、可靠性、經濟性統一原則，規劃采用斜井TBM 開挖，優化施工線路縮短至為920 m，減少兩條施工支洞。采用上述關鍵技術對傳統TBM 增加安全裝置和物料運輸裝置，斜井TBM 掘進可達每月200 m，預計節省3個月的工期。

5 結 論

現階段抽蓄電站地下隧洞開挖仍主要采用鉆爆法施工，隨著經濟技術的發展，抽蓄電站有提高施工管理水平，采用智能化、少人化大型機械設備的需求，對大型機械設備施工的機械化程度、可靠性、自動化等方面有更高要求。

抽蓄電站地質條件、施工條件均較好，TBM 設備具備使用條件，但抽蓄電站工程條件與傳統的鐵路、引水隧洞區別較大，傳統TBM需要依據具體工程條件開展針對性的選型設計。

隨著中鐵工程裝備TBM 在山東文登抽蓄電站排水廊道應用成功，具有高質、高效、少人化的優勢。抽蓄地下隧洞工程已經具備采用TBM 機械化開挖的條件，下一步TBM 需要繼續做好與多個抽蓄電站工程的深度融合，加強TBM 關鍵技術研究，實現“多站聯打”，加速TBM技術推廣。