李富春，尚海龍，徐艷群，劉傳軍

（1.山東文登抽水蓄能有限公司，山東省威海市 264421；2.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

目前抽水蓄能電站隧洞開挖仍普遍采用“鉆爆法”施工，“鉆爆法”是應(yīng)用于20世紀(jì)五六十年代的隧洞開挖技術(shù)，其施工組織簡(jiǎn)單，開挖造價(jià)相對(duì)較低，但其施工環(huán)境差，勞動(dòng)強(qiáng)度大，需要人力多，安全隱患大，施工速度慢。壓力管道長(zhǎng)斜井導(dǎo)井開挖技術(shù)受反井鉆機(jī)精度影響，長(zhǎng)斜井一般設(shè)計(jì)長(zhǎng)度不超過400m，制約了抽水蓄能電站水道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平。TBM作為目前隧洞開挖中安全、高效、可靠的施工設(shè)備，具有改變當(dāng)前抽水蓄能電站施工技術(shù)應(yīng)用的巨大潛力；國(guó)內(nèi)TBM設(shè)備制造水平的發(fā)展及設(shè)備價(jià)格的下降，也為TBM在抽水蓄能電站施工中的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。目前全國(guó)有近20座1000MW級(jí)以上的抽水蓄能電站正在建設(shè)，“十三五”期間，新開工60000MW。在抽水蓄能電站建設(shè)高峰期，推行TBM在抽水蓄能電站隧洞開挖中的應(yīng)用，可以更好地壓縮工期、提高安全保障性，促進(jìn)抽水蓄能電站設(shè)計(jì)和施工變革的同時(shí)，助力TBM制造水平更快發(fā)展。本文通過對(duì)國(guó)外抽水蓄能電站施工案例的分析，為TBM在我國(guó)抽水蓄能電站中的應(yīng)用提供了技術(shù)參考。

1 TBM技術(shù)在日本抽水蓄能電站中的應(yīng)用

日本是全球抽水蓄能工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用TBM最為廣泛的國(guó)家之一。20世紀(jì)70年代，隨著日本經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，其國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站需求不斷增加。為適應(yīng)嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)規(guī)定和施工人員職業(yè)健康要求，1979年在下鄉(xiāng)抽水蓄能電站建設(shè)中引進(jìn)斜井TBM技術(shù)[7]。隨著日本TBM設(shè)計(jì)制造企業(yè)以及施工企業(yè)對(duì)TBM技術(shù)的引進(jìn)、消化和吸收，到1989年日本已具備了設(shè)計(jì)制造斜井TBM的能力，并成功應(yīng)用于鹽原抽水蓄能電站引水高壓管道斜井施工，其后在葛野川、神流川、小丸川抽水蓄能電站建設(shè)期間TBM長(zhǎng)斜井施工技術(shù)被廣泛使用。

通過統(tǒng)計(jì)分析，日本TBM現(xiàn)階段主要應(yīng)用于引水系統(tǒng)高壓管道斜井段，其應(yīng)用長(zhǎng)度范圍在400～900m內(nèi)，斜井與水平面夾角在37°～52.5°，各電站應(yīng)用TBM施工的引水高壓管道斜井特性見表1。

表1 TBM應(yīng)用特性表Table 1 TBM Application characteristics table

日本在抽水蓄能電站引水高壓管道斜井施工中應(yīng)用TBM主要有兩種方式。第一種方式是利用小斷面TBM（直徑2.3～3.3m）開挖導(dǎo)井，導(dǎo)井開挖完成后再利用人工或者TBM進(jìn)行二次擴(kuò)挖；第二種方式是利用大斷面TBM（直徑6.6m）一次開挖成洞。無論開挖導(dǎo)井還是一次擴(kuò)挖成洞，均采用自下而上的方式掘進(jìn)。采用小斷面TBM開挖導(dǎo)洞因?yàn)樾枰螖U(kuò)挖，整個(gè)引水壓力管道施工工期較長(zhǎng)；采用大斷面TBM一次開挖成洞因不需要二次擴(kuò)挖，引水壓力管道開挖工期相對(duì)較短。但日本TBM應(yīng)用方式主要取決于施工前地質(zhì)條件的掌握情況[3]，對(duì)于引水壓力管道沿線地質(zhì)條件不是很確定的情況下采用小斷面TBM開挖導(dǎo)洞，通過開挖洞掌握引水壓力管道沿線的地質(zhì)情況，以此來安排后續(xù)擴(kuò)挖的施工方案，如鹽原抽水蓄能電站、葛野川抽水蓄能電站、小丸川抽水蓄能電站；對(duì)于引水壓力管道沿線地質(zhì)條件掌握地非常清楚的情況下則采用TBM全斷面一次開挖[5]，如神流川抽水蓄能電站。

TBM技術(shù)在日本抽水蓄能電站的廣泛應(yīng)用不僅降低了工程建設(shè)過程中對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，改善了作業(yè)條件，提高了施工效率和質(zhì)量，更是帶動(dòng)了其國(guó)內(nèi)TBM制造行業(yè)，引發(fā)了抽水蓄能電站設(shè)計(jì)、施工的技術(shù)變革，使日本在TBM領(lǐng)域由引進(jìn)學(xué)習(xí)者變成了技術(shù)引領(lǐng)者，并成就了日本抽水蓄能電站在世界范圍內(nèi)的領(lǐng)先地位。

2 TBM技術(shù)在我國(guó)抽水蓄能電站的應(yīng)用條件

2.1 國(guó)內(nèi)TBM設(shè)計(jì)制造水平發(fā)展的需要

自1985年從美國(guó)羅賓斯公司引進(jìn)了直徑為10.8m的掘進(jìn)機(jī)以來，我國(guó)硬巖TBM的應(yīng)用及隧道施工技術(shù)正在各工程領(lǐng)域內(nèi)迅猛提升[2]。通過對(duì)我國(guó)TBM的分類統(tǒng)計(jì)，可以看出我國(guó)TBM的發(fā)展由國(guó)外承包商和制造商在中國(guó)承擔(dān)TBM工程、到我國(guó)自主施工階段、再到聯(lián)合設(shè)計(jì)制造和自主施工階段、正在朝著自主研發(fā)和自主施工及整機(jī)再制造的全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展階段邁進(jìn)[1]。近年來我國(guó)的TBM設(shè)備還出口海外（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)制造的護(hù)盾式TBM已出口國(guó)外用于黎巴嫩大貝魯特供水隧道），施工隊(duì)伍也開始在國(guó)外承擔(dān)TBM工程（如中國(guó)電建集團(tuán)承建的厄瓜多爾水電站項(xiàng)目）。

當(dāng)前，我國(guó)TBM設(shè)計(jì)制造水平已經(jīng)打破國(guó)外壟斷，具備自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、加工制造的能力，并掌握了核心技術(shù)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。TBM加工制造和創(chuàng)新能力已經(jīng)接近世界著名TBM制造商，具備在國(guó)際TBM設(shè)備供應(yīng)市場(chǎng)同臺(tái)競(jìng)技的能力。同時(shí)我國(guó)TBM施工技術(shù)水平已非常成熟可靠，工程應(yīng)用領(lǐng)域涉及水利、電力、市政、公路、鐵路等各個(gè)領(lǐng)域。隨著各領(lǐng)域的大規(guī)模工程應(yīng)用，TBM施工技術(shù)創(chuàng)新積累的步伐也大大加快，逐步形成了由國(guó)家有關(guān)部門牽頭，以工程為背景，國(guó)內(nèi)施工企業(yè)、大型機(jī)械制造企業(yè)與高等院校聯(lián)合攻關(guān)研發(fā)的TBM產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路，未來國(guó)內(nèi)TBM設(shè)計(jì)制造水平將會(huì)加速發(fā)展。

2.2 國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站施工技術(shù)發(fā)展的需要

目前國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站引水壓力管道斜井導(dǎo)井施工主要采用反井鉆施工。從國(guó)內(nèi)反井鉆的設(shè)備性能來看，常用的LM系列反井鉆機(jī)施工斜井長(zhǎng)度不宜超過300m，超過300m則難以達(dá)到設(shè)計(jì)孔斜控制要求；國(guó)內(nèi)研制的定向鉆機(jī)或國(guó)外進(jìn)口設(shè)備（如澳大利亞產(chǎn)TR-3000型或其他國(guó)外同類設(shè)備）對(duì)于400m以內(nèi)的斜井基本可以滿足斜井孔斜控制要求，但施工過程中機(jī)械故障發(fā)生頻率較高。斜井直線長(zhǎng)度達(dá)到500m以上，對(duì)反井鉆鉆桿質(zhì)量（強(qiáng)度、剛度等）要求更高，且斜井長(zhǎng)度越長(zhǎng)鉆桿穿越的地層巖性越多其孔斜偏差隨機(jī)性會(huì)更大，反井鉆幾乎很難完成500m以上滿足孔斜要求長(zhǎng)斜井導(dǎo)井開挖。

此外，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)完工的抽水蓄能電站來看，引水系統(tǒng)施工如果施工管理不當(dāng)，往往會(huì)造成整個(gè)工程發(fā)電工期滯后。對(duì)于超過400m以上的引水壓力管道斜井采用目前現(xiàn)有的施工技術(shù)手段，其施工質(zhì)量和進(jìn)度的保證率都不高。TBM導(dǎo)向精度高、安全可靠、風(fēng)險(xiǎn)可控，應(yīng)用于國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站的引水壓力管道長(zhǎng)斜井，不僅可提升施工技術(shù)，更能優(yōu)化電站水道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減小管線長(zhǎng)度。

2.3 國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站建設(shè)環(huán)境變化的需要

當(dāng)前，我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)的需求越來越迫切。全社會(huì)正在形成節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境，切實(shí)落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任，筑牢安全防線，加快淘汰落后工藝技術(shù)和裝備的空間格局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式、生活方式。此外隨著我國(guó)人口總量變化，勞動(dòng)年齡人口數(shù)量和質(zhì)量的“雙變”已經(jīng)對(duì)我國(guó)各行各業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型形成倒逼之勢(shì)。其中勞動(dòng)力供給的減少導(dǎo)致人工成本上升，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和技術(shù)替代勞動(dòng)力已成為必然趨勢(shì)。

TBM技術(shù)可以減少工程建設(shè)對(duì)環(huán)境負(fù)面影響的同時(shí)，降低安全事故的發(fā)生概率，提高勞動(dòng)作業(yè)人員的安全保護(hù)能力，降低工程管理者的管理風(fēng)險(xiǎn)，穩(wěn)步提升工程建設(shè)的質(zhì)量和進(jìn)度，是解決抽水蓄能電站大規(guī)模洞室群開挖造成的環(huán)境破壞、安全隱患和成本增長(zhǎng)的有效途徑。

3 工程應(yīng)用探討

根據(jù)TBM在國(guó)外抽水蓄能電站的應(yīng)用分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)外TBM設(shè)計(jì)制造水平，以某抽水蓄能電站為例對(duì)TBM的應(yīng)用進(jìn)行探討。

3.1 TBM施工工藝下的樞紐布置優(yōu)化

某抽水蓄能電站樞紐工程由上水庫(kù)、下水庫(kù)、水道系統(tǒng)、地下廠房、開關(guān)站及出線場(chǎng)等部分組成，工程區(qū)出露基巖主要為晚元古代晉寧期二長(zhǎng)花崗巖（ηγ23），中生代印支期黑云角閃（或角閃黑云）石英二長(zhǎng)巖（ηo51）及石英正長(zhǎng)巖（ξo51），巖體整體性較好。原地下廠房通風(fēng)洞和交通洞洞口按照同側(cè)相鄰的方式布置。引水系統(tǒng)長(zhǎng)度1379m，其中引水系統(tǒng)壓力管道斜井分上、下斜井兩部分，上下斜井之間布置中平段，上斜井直線段長(zhǎng)212m，下斜井直線段長(zhǎng)348m。

按照目前3km以上的隧洞也可以應(yīng)用TBM施工的經(jīng)驗(yàn)分析，該抽水蓄能電站通風(fēng)洞、交通洞總長(zhǎng)3024m，以在交通洞、通風(fēng)洞開挖中應(yīng)用TBM為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該電站交通洞、通風(fēng)洞調(diào)整為分開布置，轉(zhuǎn)彎半徑按照大于TBM最小轉(zhuǎn)彎半徑（R=300～400m）的原則設(shè)計(jì)。按照在引水壓力管道應(yīng)用TBM施工技術(shù)，調(diào)整斜井布置，取消壓力管道中平段，取消為施工上、下斜井設(shè)置的中平段施工支洞及到其洞口的施工道路。調(diào)整前、后布置見圖1和圖2，調(diào)整前后引水壓力管道剖面見圖3和圖4。

圖1 調(diào)整前布置圖Figure 1 Layout before adjustment

圖2 調(diào)整后布置圖（可應(yīng)用TBM施工）Figure 2 Layout after adjustment（Applicable TBM Construction）

圖3 調(diào)整前斜井布置圖Figure 3 Layout of inclined shaft before adjustment

圖4 調(diào)整后斜井布置方案（可應(yīng)用TBM施工）Figure 4 Layout of inclined shaft after adjustment（Applicable TBM Construction）

3.2 TBM施工應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

該抽水蓄能電站通風(fēng)洞、交通洞及引水壓力管道斜井布置方式調(diào)整后，可以分別使用國(guó)內(nèi)廠家設(shè)計(jì)制造的平洞TBM和斜井TBM進(jìn)行施工，對(duì)比分析常規(guī)施工法和TBM施工法，應(yīng)用TBM施工的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）交通洞、通風(fēng)洞可以實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，關(guān)鍵線路工期被壓縮。交通洞、通風(fēng)洞在抽水蓄能電站建設(shè)過程中，往往處于工程施工的關(guān)鍵線路上，影響著工程建設(shè)工期。以該項(xiàng)目為例，通風(fēng)洞全長(zhǎng)1487m，交通洞全長(zhǎng)1537m，采用常規(guī)“鉆爆法”施工，按照月平均開挖支護(hù)80m的速度計(jì)算，其正常開挖支護(hù)工期需18個(gè)月；應(yīng)用TBM施工后，按照TBM月平均600m（含支護(hù)）的掘進(jìn)速度計(jì)算，通風(fēng)洞、交通洞開挖支護(hù)工期約5個(gè)月，再考慮TBM洞外安裝、輔助洞室開挖等輔助時(shí)間后，通風(fēng)洞、交通洞開挖支護(hù)總工期約10個(gè)月。

（2）引水壓力管道斜井布置，不再受施工設(shè)備的限制。當(dāng)前國(guó)內(nèi)引水壓力管道斜井主要采用“反井鉆法”或“爬罐法”施工，反井鉆和爬罐受設(shè)備性能條件限制，工作長(zhǎng)度不超過400m，因此引水壓力管道斜井布置中，需要通過增加中平段，把斜井直線長(zhǎng)度控制在400m以內(nèi)，此外還需在引水中平段增加施工支洞以及通往施工支洞的連接公路。根據(jù)國(guó)外抽水蓄能電站實(shí)例分析，采用TBM施工，引水系統(tǒng)中部不需要布置中平段，也不需要為方便斜井施工，再增加施工支洞及施工道路。由此，應(yīng)用TBM施工，抽水蓄能電站引水壓力管道斜井布置，也可不受施工技術(shù)的限制，設(shè)計(jì)中只需考慮水能利用和地質(zhì)地形條件的因素即可。

（3）勞動(dòng)安全保障性高，從而解決安全隱患降低的環(huán)境影響。TBM施工只需要3至5名專業(yè)技術(shù)人員遠(yuǎn)離開挖面，通過遠(yuǎn)程操控即可實(shí)現(xiàn)隧道開挖，作業(yè)面不需要大量的勞動(dòng)力，不僅大大改善了從業(yè)人員作業(yè)環(huán)境，而且從源頭杜絕了安全生產(chǎn)事故危及施工人員，減少了施工作業(yè)面數(shù)量，提高了施工管理針對(duì)性，更有利于施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理。此外，TBM施工作業(yè)空間內(nèi)無鉆孔噪聲、無爆破煙塵毒氣，其施工過程環(huán)境友好度高。

3.3 TBM施工應(yīng)用制約因素分析

TBM施工技術(shù)提高了抽水蓄能電站隧洞施工的機(jī)械化和自動(dòng)化水平，但一些因素制約了其在施工過程中的應(yīng)用：

（1）TBM設(shè)備購(gòu)置費(fèi)高，需要的一次性投入大。TBM作為一種專用施工設(shè)備，購(gòu)置費(fèi)用較高，按照目前國(guó)內(nèi)的價(jià)格水平來看，直徑8m的TBM設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用在1億元左右，這相對(duì)于其他隧洞開挖設(shè)備，大大增加了工程前期一次性投入。

（2）TBM施工受地質(zhì)條件影響因素大。TBM雖然施工速度快，但其設(shè)備體型大，對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性不如“鉆爆法”好。TBM施工遇到諸如斷層破碎帶、高應(yīng)力地層、地下水、巖溶地層等不良地質(zhì)條件時(shí)，施工速度會(huì)大大降低，往往會(huì)停機(jī)采用輔助工程措施，對(duì)不良地質(zhì)段進(jìn)行加固處理后才能正常掘進(jìn)。

（3）施工保障系統(tǒng)要求高。TBM整體由主機(jī)和后配套以及連接橋組成，是由幾十個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)有機(jī)整體，綜合了機(jī)械、電氣、傳感監(jiān)控、工程支護(hù)、智能控制等多學(xué)科內(nèi)容。要保證TBM連續(xù)快速的施工，各系統(tǒng)之間需相互協(xié)調(diào)，任何一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，都會(huì)影響TBM設(shè)備的正常掘進(jìn)。因此TBM施工過程中需要每天對(duì)TBM設(shè)備本身，以及掘進(jìn)施工配套的通風(fēng)、供水、排水、供電、物料運(yùn)輸、出渣等設(shè)施進(jìn)行檢查維護(hù)。

（4）增加工程造價(jià)。采用TBM施工其工程投資增加較多。以本工程為例通過對(duì)工程投資測(cè)算，采用“鉆爆法”施工其工程總投資85.67億元，采用TBM施工法工程總投資為87.66億元，工程總投資增加約2億元。

綜上所述，TBM作為目前最為先進(jìn)的隧道施工技術(shù)，具有安全性能高、施工效率高、掘進(jìn)速度快等特點(diǎn)，雖然其應(yīng)用對(duì)工程投資影響較大，但能縮短工程建設(shè)期半年以上，且有利于優(yōu)化水道系統(tǒng)斜井布置，因此有必要拓展TBM技術(shù)在國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站中的應(yīng)用。隨著TBM技術(shù)在我國(guó)的日趨成熟，設(shè)備價(jià)格將大幅下降，不再成為制約其應(yīng)用的因素。

4 結(jié)論

TBM作為目前最為先進(jìn)的隧道施工技術(shù)，具有安全性能好、施工效率高、環(huán)境友好等特點(diǎn)。本文通過對(duì)TBM技術(shù)在日本抽水蓄能電站的應(yīng)用參數(shù)分析，認(rèn)為TBM應(yīng)用于抽水蓄能電站引水壓力管道長(zhǎng)斜井段收效顯著。綜合當(dāng)前國(guó)內(nèi)TBM制造水平、抽水蓄能電站施工技術(shù)水平，以及環(huán)境與生產(chǎn)安全要求等，認(rèn)為我國(guó)有條件并應(yīng)該推廣TBM在抽水蓄能電站中的應(yīng)用。結(jié)合工程實(shí)例，提出了TBM應(yīng)用于抽水蓄能電站對(duì)樞紐布置的影響，并闡述了其優(yōu)點(diǎn)和制約因素。當(dāng)前正處于抽水蓄能電站建設(shè)高峰期，TBM技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)抽水蓄能電站工程，不僅可壓縮工期、提高安全保障性，更能促進(jìn)抽水蓄能電站設(shè)計(jì)和施工的變革，助力TBM制造水平更快發(fā)展。本文為TBM在抽水蓄能電站中的應(yīng)用，提供了較好的參考和指導(dǎo)意義。