梁 飛

（中國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，抽水蓄能電站建設已進入高速發(fā)展期。截至2020 年底，我國抽水蓄能電站在建總規(guī)模5 373 萬kW，共涉及40 座電站。新時期，抽水蓄能電站建設的高速發(fā)展必然要求是綠色、安全、高質量發(fā)展?！蛾P于加快“十四五”時期抽水蓄能項目開發(fā)建設有關工作的通知》明確，力爭2035 年，抽水蓄能投運裝機規(guī)模超過4 億kW；形成了抽水蓄能“電站群”的滾動開發(fā)態(tài)勢。

目前，在公路、鐵路及水利工程的隧洞開挖中已廣泛應用全斷面巖石隧道掘進機（簡稱TBM），其具有安全環(huán)保、自動化程度高、節(jié)約勞動力、施工速度快等優(yōu)點。TBM 施工技術是目前最為先進的隧洞掘進施工技術，采用智能化信息技術進行監(jiān)控，并對全部作業(yè)進行輔助決策，使TBM 設備始終處于最佳狀態(tài)，實現(xiàn)隧洞開挖工程的全機械化施工。同時，TBM 施工開挖速度快，地質條件適用范圍廣，顯著降低地下工程施工安全風險，提升工程質量和本質安全水平，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。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備選型及TBM 技術研究，全面分析了抽水蓄能電站排水廊道、交通洞和斜井TBM 應用技術情況；陳寶宗[6]等提出緊湊型超小轉彎半徑TBM 的設計，采用?3.5m 的TBM 在文登抽水蓄能電站排水廊道建設工程中的取得了成功應用。上述研究對推動TBM 技術在抽水蓄能電站的應用起到很大的推動作用，但抽水蓄能電站交通洞TBM 應用技術研究相對較少，本文主要開展抽水蓄能電站交通洞TBM 關鍵技術研究。

1 適應TBM掘進的洞室設計

通風洞、交通洞施工位于工程施工的關鍵線路上，其施工工期的長短直接影響首臺機組的發(fā)電時間及施工總工期。提高通風洞、交通洞的施工效率對整個抽水蓄能電站的建設具有全局意義。

1.1 鉆爆法施工交通洞設計

原設計交通洞長1 030.0m，斷面尺寸為8.0m×8.5m（寬×高）城門洞型，平均坡度5.1%，從安裝場左端墻進廠；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，月進尺平均在75～110m。

1.2 適應TBM掘進的洞徑設計

根據對交通洞及通風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方式、路面設置要求、鋼岔管運輸方式。根據隧洞凈空限界要求，以及滿足初級支護（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

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

交通洞、通風洞采用TBM 施工時，統(tǒng)一交通洞、地下廠房頂拱、通風洞開挖斷面尺寸，統(tǒng)一為開挖直徑9.5m 的圓形，隧洞總長度為2 188.547m（其中交通洞長度為871.537m，通風洞長度為1 193.01m，廠房段長度164m。），隧洞最小轉彎半徑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 水平轉彎半徑要求，交通洞TBM 需設計為大直徑小轉彎TBM。其主機其結合護盾TBM 與敞開式TBM 技術特點，主機采用護盾TBM 主機設計，支護系統(tǒng)采用敞開式TBM 錨網噴支護系統(tǒng)設計，不僅實現(xiàn)了小轉彎掘進，且無須安裝管片，同時在不良圍巖時又具備錨噴支護能力，為一種新型TBM。

表1 交通洞?9530TBM技術參數(shù)

3 TBM掘進關鍵技術

3.1 大坡度物料運輸技術

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

針對以上施工工況和使用環(huán)境，選擇使用電動多功能服務車（MSV）能夠解決大坡度物料運輸難題（圖3）。電動多功能服務車前后分別設置1 個操作室，洞內運行時無須調頭，即可輕松實現(xiàn)前后運行，對于洞內狹小空間運輸極為有利，爬坡能力超過10%，荷載大制動安全可靠，且日常使用和維護便捷。

圖3 多功能服務車

3.2 出渣技術

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

為實現(xiàn)渣車連續(xù)接渣，在設備段尾部設計旋轉平臺，空渣車進洞后，在旋轉平臺處進行180°旋轉掉頭，然后后退至接渣工位，接渣完成后，再直接開出洞外。旋轉平臺通過鋼絲繩與設備連接，隨設備一起前移，如圖4 所示。

圖4 連續(xù)出渣技術

3.3 TBM步進始發(fā)技術

主機組裝和后配套組裝完成后，步進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 主機向前滑行提供反力支撐。TBM 步進即一個完整前進動作循環(huán)。洞外及TBM 撐靴在能夠利用圍巖支撐前，依靠人造輔助機架完成，當步進機架全部拆除后，通過后支撐和撐靴間的相互支撐實現(xiàn)TBM 步進，在洞內步進過程即為正常掘進中的換步過程。

TBM 主機步進后，通過連接橋牽拉后配套緊跟主機同步前進，依序鋪設鋼軌，鋼軌包括運輸軌和后配套軌（后配套軌隨后配套前移倒用），同時進行洞內風、水、電管路的延伸，TBM 整個步進始發(fā)工期大約需要2d。TBM 始發(fā)托架設計示意圖5 所示。

圖5 TBM步進機構示意圖

3.4 水、風、電管路延伸

供水管路、供風管路、供電管路、通訊線路跟隨TBM 進行，合理利用洞內空間。風管由TBM 尾部存儲釋放，洞頂每10m 植入1 根0.5m長?22mm 錨桿用于固定風筒。20kV 供電主線由TBM 施放，每100m 設一個專用接頭，其余低壓供電線每20m 設1 隱形插座，便于隨機使用。導向系統(tǒng)所設置的支導線需強制對中或使用專用支架設于左側，高度1.5m 左右，支導線點每500m左右設一個，轉彎處設點，可以左右交叉設，以便于TBM 掘進時沿準確路線施工。導線點外圍應設置警示標識和防護欄，防止被損壞。交通洞通風洞斷面布置如圖6 所示。

圖6 施工斷面布置圖

4 工程應用

該TBM于2021年5月制造完成（圖7），2021 年7 月全部部件到場并開始設備組裝，2021年9 月底開始掘進通風洞，目前TBM 總掘進達到1 000m，設備已通過第一個和第二個100m 轉彎段，進入廠房段。目前設備采用渣土自卸車出渣，最高日進尺為16.445m，最高月進尺約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 個月時間禁止爆破作業(yè)，對施工進度影響較大。采用TBM 法施工，避免了鉆爆法施工對環(huán)境的影響，同時施工效率提高了2 倍以上。

5 結論

交通洞、通風洞處于抽水蓄能電站關鍵線路上，對整個抽水蓄能電站建設具有至關重要的意義，通過對撫寧抽水蓄能電站通風洞、廠房頂拱、交通洞統(tǒng)一斷面開挖洞室結構的研究；開發(fā)了大直徑小轉彎能力的新型TBM；研究出適應交通洞TBM 掘進的大坡度物料運輸、連續(xù)出渣、TBM 步進始發(fā)技術和水、風、電管路延伸技術；成功解決了交通洞、通風洞施工過程中的難題，同時為類似項目提供解決方案。O