抽水蓄能電站交通洞TBM掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

梁 飛

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650000）

作為新型電力系統(tǒng)的重要一極，抽水蓄能電站建設(shè)已進(jìn)入高速發(fā)展期。截至2020 年底，我國(guó)抽水蓄能電站在建總規(guī)模5 373 萬(wàn)kW，共涉及40 座電站。新時(shí)期，抽水蓄能電站建設(shè)的高速發(fā)展必然要求是綠色、安全、高質(zhì)量發(fā)展。《關(guān)于加快“十四五”時(shí)期抽水蓄能項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)有關(guān)工作的通知》明確，力爭(zhēng)2035 年，抽水蓄能投運(yùn)裝機(jī)規(guī)模超過4 億kW；形成了抽水蓄能“電站群”的滾動(dòng)開發(fā)態(tài)勢(shì)。

目前，在公路、鐵路及水利工程的隧洞開挖中已廣泛應(yīng)用全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（簡(jiǎn)稱TBM），其具有安全環(huán)保、自動(dòng)化程度高、節(jié)約勞動(dòng)力、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)。TBM 施工技術(shù)是目前最為先進(jìn)的隧洞掘進(jìn)施工技術(shù)，采用智能化信息技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)全部作業(yè)進(jìn)行輔助決策，使TBM 設(shè)備始終處于最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)隧洞開挖工程的全機(jī)械化施工。同時(shí)，TBM 施工開挖速度快，地質(zhì)條件適用范圍廣，顯著降低地下工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)，提升工程質(zhì)量和本質(zhì)安全水平，有利于環(huán)保和文明施工，縮短工期[1-3]。

基于此，抽蓄電站領(lǐng)域的專家學(xué)者也在積極推進(jìn)TBM 工法在地下洞室施工方面的研究。呂永航[4]開展了抽水蓄能電站TBM 開挖解決方案研究；王洪玉[5]等開展了抽水蓄能電站地下洞室開挖設(shè)備選型及TBM 技術(shù)研究，全面分析了抽水蓄能電站排水廊道、交通洞和斜井TBM 應(yīng)用技術(shù)情況；陳寶宗[6]等提出緊湊型超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM 的設(shè)計(jì)，采用?3.5m 的TBM 在文登抽水蓄能電站排水廊道建設(shè)工程中的取得了成功應(yīng)用。上述研究對(duì)推動(dòng)TBM 技術(shù)在抽水蓄能電站的應(yīng)用起到很大的推動(dòng)作用，但抽水蓄能電站交通洞TBM 應(yīng)用技術(shù)研究相對(duì)較少，本文主要開展抽水蓄能電站交通洞TBM 關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 適應(yīng)TBM掘進(jìn)的洞室設(shè)計(jì)

通風(fēng)洞、交通洞施工位于工程施工的關(guān)鍵線路上，其施工工期的長(zhǎng)短直接影響首臺(tái)機(jī)組的發(fā)電時(shí)間及施工總工期。提高通風(fēng)洞、交通洞的施工效率對(duì)整個(gè)抽水蓄能電站的建設(shè)具有全局意義。

1.1 鉆爆法施工交通洞設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)交通洞長(zhǎng)1 030.0m，斷面尺寸為8.0m×8.5m（寬×高）城門洞型，平均坡度5.1%，從安裝場(chǎng)左端墻進(jìn)廠；斷面尺寸7.5m×7.0m（寬×高）城門洞型，平均坡度3.1%，采用鉆爆法施工，月進(jìn)尺平均在75～110m。

1.2 適應(yīng)TBM掘進(jìn)的洞徑設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)交通洞及通風(fēng)洞洞徑的控制因素分析，確定交通洞洞徑的主要因素為永久支護(hù)方式、路面設(shè)置要求、鋼岔管運(yùn)輸方式。根據(jù)隧洞凈空限界要求，以及滿足初級(jí)支護(hù)（Ⅱ、Ⅲ類圍巖初噴混凝土厚度0.1m，Ⅳ、Ⅴ類圍巖初噴混凝土厚度0.15m）要求的情況下，經(jīng)洞線斷面模擬，初步類比，交通洞模擬見圖1 所示。

圖1 交通洞洞室模擬圖

通過對(duì)撫寧抽水蓄能電站的分析，鋼岔管采用分瓣運(yùn)輸洞內(nèi)組裝的方式，根據(jù)鋼岔管運(yùn)輸要求確定開挖洞徑為9.5m。

交通洞、通風(fēng)洞采用TBM 施工時(shí)，統(tǒng)一交通洞、地下廠房頂拱、通風(fēng)洞開挖斷面尺寸，統(tǒng)一為開挖直徑9.5m 的圓形，隧洞總長(zhǎng)度為2 188.547m（其中交通洞長(zhǎng)度為871.537m，通風(fēng)洞長(zhǎng)度為1 193.01m，廠房段長(zhǎng)度164m。），隧洞最小轉(zhuǎn)彎半徑90m，最大縱坡9%，如圖2所示。

圖2 TBM施工路線圖

2 TBM選型

按照洞室開挖尺寸?9.53m 界線以及90m 水平轉(zhuǎn)彎半徑要求，交通洞TBM 需設(shè)計(jì)為大直徑小轉(zhuǎn)彎TBM。其主機(jī)其結(jié)合護(hù)盾TBM 與敞開式TBM 技術(shù)特點(diǎn)，主機(jī)采用護(hù)盾TBM 主機(jī)設(shè)計(jì)，支護(hù)系統(tǒng)采用敞開式TBM 錨網(wǎng)噴支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)了小轉(zhuǎn)彎掘進(jìn)，且無(wú)須安裝管片，同時(shí)在不良圍巖時(shí)又具備錨噴支護(hù)能力，為一種新型TBM。

表1 交通洞?9530TBM技術(shù)參數(shù)

3 TBM掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大坡度物料運(yùn)輸技術(shù)

抽水蓄能電站交通洞縱坡約10%，現(xiàn)有常規(guī)TBM 用于運(yùn)輸物料的機(jī)車編組在這種坡度條件下難以實(shí)現(xiàn)高效的物料運(yùn)輸。大坡度物料運(yùn)輸將是抽水蓄能電站隧洞施工過程中的難點(diǎn)問題。交通洞TBM 施工過程中運(yùn)輸?shù)奈锪习ㄋ矶囱龉皦K、TBM 刀具、錨桿、網(wǎng)片、鋼拱架及臨時(shí)器具等。

針對(duì)以上施工工況和使用環(huán)境，選擇使用電動(dòng)多功能服務(wù)車（MSV）能夠解決大坡度物料運(yùn)輸難題（圖3）。電動(dòng)多功能服務(wù)車前后分別設(shè)置1 個(gè)操作室，洞內(nèi)運(yùn)行時(shí)無(wú)須調(diào)頭，即可輕松實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)行，對(duì)于洞內(nèi)狹小空間運(yùn)輸極為有利，爬坡能力超過10%，荷載大制動(dòng)安全可靠，且日常使用和維護(hù)便捷。

圖3 多功能服務(wù)車

3.2 出渣技術(shù)

根據(jù)施工路線，首先從通風(fēng)洞開始TBM 施工的開挖，因此出渣從通風(fēng)洞口車輛往外運(yùn)輸渣石。依據(jù)開挖直徑9.53m，計(jì)算交通洞通風(fēng)洞斷面面積約為71m2，按照最大行程1.5m 為一循環(huán)掘進(jìn)，因此一環(huán)1.5m 的渣土虛方約為160m3，按15min 為一環(huán)計(jì)算，則開挖量約為640m3/h。根據(jù)渣場(chǎng)距離、棄渣循環(huán)時(shí)間、車輛維修保養(yǎng)，考慮一定的冗余度進(jìn)行車輛配備。一次連續(xù)出完渣需要16m3自卸汽車10 輛次。

為實(shí)現(xiàn)渣車連續(xù)接渣，在設(shè)備段尾部設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，空渣車進(jìn)洞后，在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)處進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)掉頭，然后后退至接渣工位，接渣完成后，再直接開出洞外。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)通過鋼絲繩與設(shè)備連接，隨設(shè)備一起前移，如圖4 所示。

圖4 連續(xù)出渣技術(shù)

3.3 TBM步進(jìn)始發(fā)技術(shù)

主機(jī)組裝和后配套組裝完成后，步進(jìn)方式采用輔助油缸頂推的方式，在軌道上做鎖緊裝置安裝反力架，為TBM 主機(jī)向前滑行提供反力支撐。TBM 步進(jìn)即一個(gè)完整前進(jìn)動(dòng)作循環(huán)。洞外及TBM 撐靴在能夠利用圍巖支撐前，依靠人造輔助機(jī)架完成，當(dāng)步進(jìn)機(jī)架全部拆除后，通過后支撐和撐靴間的相互支撐實(shí)現(xiàn)TBM 步進(jìn)，在洞內(nèi)步進(jìn)過程即為正常掘進(jìn)中的換步過程。

TBM 主機(jī)步進(jìn)后，通過連接橋牽拉后配套緊跟主機(jī)同步前進(jìn)，依序鋪設(shè)鋼軌，鋼軌包括運(yùn)輸軌和后配套軌（后配套軌隨后配套前移倒用），同時(shí)進(jìn)行洞內(nèi)風(fēng)、水、電管路的延伸，TBM 整個(gè)步進(jìn)始發(fā)工期大約需要2d。TBM 始發(fā)托架設(shè)計(jì)示意圖5 所示。

圖5 TBM步進(jìn)機(jī)構(gòu)示意圖

3.4 水、風(fēng)、電管路延伸

供水管路、供風(fēng)管路、供電管路、通訊線路跟隨TBM 進(jìn)行，合理利用洞內(nèi)空間。風(fēng)管由TBM 尾部存儲(chǔ)釋放，洞頂每10m 植入1 根0.5m長(zhǎng)?22mm 錨桿用于固定風(fēng)筒。20kV 供電主線由TBM 施放，每100m 設(shè)一個(gè)專用接頭，其余低壓供電線每20m 設(shè)1 隱形插座，便于隨機(jī)使用。導(dǎo)向系統(tǒng)所設(shè)置的支導(dǎo)線需強(qiáng)制對(duì)中或使用專用支架設(shè)于左側(cè)，高度1.5m 左右，支導(dǎo)線點(diǎn)每500m左右設(shè)一個(gè)，轉(zhuǎn)彎處設(shè)點(diǎn)，可以左右交叉設(shè)，以便于TBM 掘進(jìn)時(shí)沿準(zhǔn)確路線施工。導(dǎo)線點(diǎn)外圍應(yīng)設(shè)置警示標(biāo)識(shí)和防護(hù)欄，防止被損壞。交通洞通風(fēng)洞斷面布置如圖6 所示。

圖6 施工斷面布置圖

4 工程應(yīng)用

該TBM于2021年5月制造完成（圖7），2021 年7 月全部部件到場(chǎng)并開始設(shè)備組裝，2021年9 月底開始掘進(jìn)通風(fēng)洞，目前TBM 總掘進(jìn)達(dá)到1 000m，設(shè)備已通過第一個(gè)和第二個(gè)100m 轉(zhuǎn)彎段，進(jìn)入廠房段。目前設(shè)備采用渣土自卸車出渣，最高日進(jìn)尺為16.445m，最高月進(jìn)尺約300m。

圖7 交通洞TBM

撫寧抽蓄電站位于秦皇島療養(yǎng)地區(qū)，每年有6～7 個(gè)月時(shí)間禁止爆破作業(yè)，對(duì)施工進(jìn)度影響較大。采用TBM 法施工，避免了鉆爆法施工對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)施工效率提高了2 倍以上。

5 結(jié)論

交通洞、通風(fēng)洞處于抽水蓄能電站關(guān)鍵線路上，對(duì)整個(gè)抽水蓄能電站建設(shè)具有至關(guān)重要的意義，通過對(duì)撫寧抽水蓄能電站通風(fēng)洞、廠房頂拱、交通洞統(tǒng)一斷面開挖洞室結(jié)構(gòu)的研究；開發(fā)了大直徑小轉(zhuǎn)彎能力的新型TBM；研究出適應(yīng)交通洞TBM 掘進(jìn)的大坡度物料運(yùn)輸、連續(xù)出渣、TBM 步進(jìn)始發(fā)技術(shù)和水、風(fēng)、電管路延伸技術(shù)；成功解決了交通洞、通風(fēng)洞施工過程中的難題，同時(shí)為類似項(xiàng)目提供解決方案。O