TBM技術在蓋孜水電站引水隧洞開挖中的可行性

張 亞

(廣西水利電業集團新疆克州水利發電有限公司，新疆 喀什 844000)

1 工程概況

新疆克州蓋孜水電站工程位于新疆維吾爾自治區克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣境內，是新疆克州蓋孜河中游河段梯級水電開發項目的第二梯級水電站，位于第一梯級布侖口-公格爾水電站下游，銜接公格爾水電站尾水。電站發電額定水頭342m，裝機容量11.6萬kW，保證出力4.09萬kW，年利用小時數3241h，多年平均年發電量3.76億kW·h。工程區位于蓋孜河中游河段侵蝕、剝蝕山區，山體總體呈北西-南東走向，地形總趨勢西高東低。蓋孜河斜切山體，流向近東西。河谷兩岸山坡陡峻，基巖多裸露，山頂高程一般3000-4000m，河谷兩岸有現代冰川分布，常沿沖溝發育冰舌、冰水洪積扇等地貌。坡面凸凹不平，沖溝廣布，河谷呈“U”型，寬200-500m, 平均河床比降31%。

根據工程合同文件控制性工期要求，結合本工程的實際情況，本工程主要分為引水隧洞、埋涵段、引水調節池及閘井三部分，其中引水隧洞工程施工工期長且施工難度大。引水隧洞從起始點進口進入主洞向下游掘進，其他工作面從1#、2#、3#支洞進入分上游、下游兩個工作面進行掘進。

2 引水隧洞TBM可行性分析

根據蓋孜水電站引水隧洞開挖機械設備選型流程(圖1)，對反井鉆機、多臂臺車、懸臂掘進機、TBM掘進機等隧洞開挖設備從施工條件、技術優劣勢、經濟效益及社會效益等方面進行比較論證。很顯然，TBM掘進機械在各個方面均具有凸出優勢，故該技術在蓋孜水電站引水隧洞開挖方面具有可行性及適應性。

2.1 施工地質條件

反井鉆機、多臂臺車、懸臂掘進機、TBM掘進機等開挖設備所適用的工程地質條件具體見表1，從圍巖類型、圍巖強度、設計埋深、洞徑尺寸、轉彎半徑等地質條件角度考慮，TBM掘進機械較為適應蓋孜水電站引水隧洞工程地質。

2.2 施工管理

TBM施工人員可以在盾體保護下開展施工，開挖直徑因受到刀盤和刀具的保護而不會出現鉆爆法超欠挖及洞室圍巖擾動問題，施工安全性及質量比鉆爆法有保證。雖然TBM技術在施工開始之初及末期需要組裝和拆卸機械，但該技術能實現連續掘進施工，開挖效率較高。鉆爆法因受到爆破管制、安全管理等方面的限制，開挖進度難保證；現有工程資料顯示，TBM技術綜合開挖效率是傳統鉆爆法的5-8倍[1]。

表1 引水隧洞開挖機械地質條件適用比較

2.3 經濟效益及社會效益

TBM掘進機為定制設備，初期一次性投入較大，與常規鉆爆法相比無成本優勢，但是通過加強規劃設計、統一斷面，采用多站連打的操作能有效分攤設備定制成本，降低施工段單位掘進施工成本。

TBM技術屬于非爆工法，在環境保護及人員健康方面具有顯著優勢，符合綠色施工要求。而常規的鉆爆法施工現場作業人員多、干擾因素多，不符合水利水電工程施工現場少人化、智能化的發展方向，鉆爆施工還將對周圍建筑物及居民產生較大的擾動及煙塵、噪聲危害。

3 引水隧洞TBM關鍵技術

3.1 引水隧洞TBM應用方案

反井鉆設備施工能力是限制和影響蓋孜水電站引水系統斜井布置的主要因素，其單級斜井長度應控制在400m以內，斜井傾角的設置必須充分為自行溜渣提供便利，故傾角應控制在45°-60°之間，布置方式為三級平洞+兩級斜井。如果采用TBM掘進施工技術，則斜井角度只需在10°-60°之間便可實現自行溜渣；三級平洞+兩級斜井的布置方式可簡化為一級長斜井方案，單級斜井長度可延伸至800-1000m。

3.2 開挖料工程應用

應用TBM開挖引水隧洞的過程中TBM旋轉刀頭以擠壓方式切削破巖，刀盤則通過噴水冷卻，所以開挖料主要呈片狀，石粉含量及含水率均較高，石渣顆粒細、料塊隱含裂隙多、對母巖強度損傷大[2]。為充分利用TBM開挖料，必須展開開挖料試驗。當前國內相關工程中對TBM開挖料的試驗成果并不多，且已有成果存在較大差異。文章從理論上判斷，TBM開挖料作為砂石骨料料源的可利用性主要與其母巖巖性、完整性及強度等有關。對于母巖完整性好、強度高的情況，TBM掘進機主要通過擠壓方式破巖，導致開挖料有較高的石粉含量；而對于完整性和強度均一般的母巖，TBM開挖料形狀更為規則、骨料獲取率高。通過調整混凝土配合比，合理確定水泥、減水劑、外加劑摻量，可以改善TBM開挖料所生產骨料級配、粒型不良的情況，也就是說，在處理成本較小的情況下，TBM開挖料作為人工砂、豆礫石填充灌漿混凝土骨料料源、噴混凝土骨料料源等應用具備可行性。

圖1 TBM施工引水斜井總剖面圖

3.3 出渣

蓋孜水電站引水隧洞TBM開挖采用自下而上的施工工藝，故應結合排水廊道開挖料進行溜渣試驗。根據幾何相似原則構建出渣試驗平臺模型，并根據試驗需要調整溜渣槽角度。蓋孜水電站引水隧洞排水廊道圍巖主要為單軸抗壓強度100-150MPa的Ⅰ類和Ⅱ類石英二長巖、二長花崗巖，TBM開挖料含水率在1.2-1.5%之間，篩分開挖料后粒徑10mm以下、10-20mm、20-40mm、40mm以上的顆粒含量分別為44%、12%、14%、30%。針對不同溜渣角度進行開挖料敏感性試驗，根據試驗結果，溜渣傾角在28°以上時開挖料完全能自行溜渣；而當溜渣傾角在26°以下時開挖料便無法自行溜渣，必須予以輔助[3]。具體結果見表2。

表2 TBM開挖料溜渣試驗結果

為此，蓋孜水電站引水隧洞TBM開挖施工抽蓄斜井部位傾角應保持在28°以上，以方便自行溜渣，考慮到環保等方面的要求，不應采用水力輔助溜渣措施，而應配合以螺旋輸送機、溜渣鋼板、高頻振動器及人工清渣等方面，保證TBM開挖料順暢出渣。

3.4 斜井襯砌

考慮到TBM引水斜井長度在800-1000m，鋼管安裝及鋼管混凝土回填施工難度均較大。為解決鋼管安裝、鋼管混凝土回填、襯砌滑膜就位等技術問題，應保留斜井中部施工支洞，并在鋼襯起點上方設置支洞端點，用于鋼襯、混凝土回填襯砌的施工通道，并為上部混凝土襯砌和下部鋼襯同時施工提供條件。

4 結 論

綜上所述，TBM掘進機與常規鉆爆法施工機械相比，圍巖適用范圍廣，屬于定制設備；TBM開挖料可以通過摻配、調整配合比等方式改善級配及粒型后作為人工砂、豆礫石填充灌漿混凝土骨料料源、噴混凝土骨料等使用，還可以用于墊層填料、制作石粉、級配碎石料等使用，在改良工藝難度及費用等較低的情況下，TBM施工技術在新疆克州蓋孜水電站引水隧洞開挖中的應用切實可行，且具有很強的經濟效益和社會效益。