抽水蓄能电站交通洞TBM掘进关键技术研究与应用

梁 飞

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650000）

作为新型电力系统的重要一极，抽水蓄能电站建设已进入高速发展期。截至2020 年底，我国抽水蓄能电站在建总规模5 373 万kW，共涉及40 座电站。新时期，抽水蓄能电站建设的高速发展必然要求是绿色、安全、高质量发展。《关于加快“十四五”时期抽水蓄能项目开发建设有关工作的通知》明确，力争2035 年，抽水蓄能投运装机规模超过4 亿kW；
形成了抽水蓄能“电站群”的滚动开发态势。

目前，在公路、铁路及水利工程的隧洞开挖中已广泛应用全断面岩石隧道掘进机（简称TBM），其具有安全环保、自动化程度高、节约劳动力、施工速度快等优点。TBM 施工技术是目前最为先进的隧洞掘进施工技术，采用智能化信息技术进行监控，并对全部作业进行辅助决策，使TBM 设备始终处于最佳状态，实现隧洞开挖工程的全机械化施工。同时，TBM 施工开挖速度快，地质条件适用范围广，显著降低地下工程施工安全风险，提升工程质量和本质安全水平，有利于环保和文明施工，缩短工期[1-3]。

基于此，抽蓄电站领域的专家学者也在积极推进TBM 工法在地下洞室施工方面的研究。吕永航[4]开展了抽水蓄能电站TBM 开挖解决方案研究；
王洪玉[5]等开展了抽水蓄能电站地下洞室开挖设备选型及TBM 技术研究，全面分析了抽水蓄能电站排水廊道、交通洞和斜井TBM 应用技术情况；
陈宝宗[6]等提出紧凑型超小转弯半径TBM 的设计，采用∅3.5m 的TBM 在文登抽水蓄能电站排水廊道建设工程中的取得了成功应用。上述研究对推动TBM 技术在抽水蓄能电站的应用起到很大的推动作用，但抽水蓄能电站交通洞TBM 应用技术研究相对较少，本文主要开展抽水蓄能电站交通洞TBM 关键技术研究。

通风洞、交通洞施工位于工程施工的关键线路上，其施工工期的长短直接影响首台机组的发电时间及施工总工期。提高通风洞、交通洞的施工效率对整个抽水蓄能电站的建设具有全局意义。

1.1 钻爆法施工交通洞设计

原设计交通洞长1 030.0m，断面尺寸为8.0m×8.5m（宽×高）城门洞型，平均坡度5.1%，从安装场左端墙进厂；
断面尺寸7.5m×7.0m（宽×高）城门洞型，平均坡度3.1%，采用钻爆法施工，月进尺平均在75～110m。

1.2 适应TBM掘进的洞径设计

根据对交通洞及通风洞洞径的控制因素分析，确定交通洞洞径的主要因素为永久支护方式、路面设置要求、钢岔管运输方式。根据隧洞净空限界要求，以及满足初级支护（Ⅱ、Ⅲ类围岩初喷混凝土厚度0.1m，Ⅳ、Ⅴ类围岩初喷混凝土厚度0.15m）要求的情况下，经洞线断面模拟，初步类比，交通洞模拟见图1 所示。

图1 交通洞洞室模拟图

通过对抚宁抽水蓄能电站的分析，钢岔管采用分瓣运输洞内组装的方式，根据钢岔管运输要求确定开挖洞径为9.5m。

交通洞、通风洞采用TBM 施工时，统一交通洞、地下厂房顶拱、通风洞开挖断面尺寸，统一为开挖直径9.5m 的圆形，隧洞总长度为2 188.547m（其中交通洞长度为871.537m，通风洞长度为1 193.01m，厂房段长度164m。），隧洞最小转弯半径90m，最大纵坡9%，如图2所示。

图2 TBM施工路线图

按照洞室开挖尺寸∅9.53m 界线以及90m 水平转弯半径要求，交通洞TBM 需设计为大直径小转弯TBM。其主机其结合护盾TBM 与敞开式TBM 技术特点，主机采用护盾TBM 主机设计，支护系统采用敞开式TBM 锚网喷支护系统设计，不仅实现了小转弯掘进，且无须安装管片，同时在不良围岩时又具备锚喷支护能力，为一种新型TBM。

表1 交通洞∅9530TBM技术参数

3.1 大坡度物料运输技术

抽水蓄能电站交通洞纵坡约10%，现有常规TBM 用于运输物料的机车编组在这种坡度条件下难以实现高效的物料运输。大坡度物料运输将是抽水蓄能电站隧洞施工过程中的难点问题。交通洞TBM 施工过程中运输的物料包括隧洞仰拱块、TBM 刀具、锚杆、网片、钢拱架及临时器具等。

针对以上施工工况和使用环境，选择使用电动多功能服务车（MSV）能够解决大坡度物料运输难题（图3）。电动多功能服务车前后分别设置1 个操作室，洞内运行时无须调头，即可轻松实现前后运行，对于洞内狭小空间运输极为有利，爬坡能力超过10%，荷载大制动安全可靠，且日常使用和维护便捷。

图3 多功能服务车

3.2 出渣技术

根据施工路线，首先从通风洞开始TBM 施工的开挖，因此出渣从通风洞口车辆往外运输渣石。依据开挖直径9.53m，计算交通洞通风洞断面面积约为71m2，按照最大行程1.5m 为一循环掘进，因此一环1.5m 的渣土虚方约为160m3，按15min 为一环计算，则开挖量约为640m3/h。根据渣场距离、弃渣循环时间、车辆维修保养，考虑一定的冗余度进行车辆配备。一次连续出完渣需要16m3自卸汽车10 辆次。

为实现渣车连续接渣，在设备段尾部设计旋转平台，空渣车进洞后，在旋转平台处进行180°旋转掉头，然后后退至接渣工位，接渣完成后，再直接开出洞外。旋转平台通过钢丝绳与设备连接，随设备一起前移，如图4 所示。

图4 连续出渣技术

3.3 TBM步进始发技术

主机组装和后配套组装完成后，步进方式采用辅助油缸顶推的方式，在轨道上做锁紧装置安装反力架，为TBM 主机向前滑行提供反力支撑。TBM 步进即一个完整前进动作循环。洞外及TBM 撑靴在能够利用围岩支撑前，依靠人造辅助机架完成，当步进机架全部拆除后，通过后支撑和撑靴间的相互支撑实现TBM 步进，在洞内步进过程即为正常掘进中的换步过程。

TBM 主机步进后，通过连接桥牵拉后配套紧跟主机同步前进，依序铺设钢轨，钢轨包括运输轨和后配套轨（后配套轨随后配套前移倒用），同时进行洞内风、水、电管路的延伸，TBM 整个步进始发工期大约需要2d。TBM 始发托架设计示意图5 所示。

图5 TBM步进机构示意图

3.4 水、风、电管路延伸

供水管路、供风管路、供电管路、通讯线路跟随TBM 进行，合理利用洞内空间。风管由TBM 尾部存储释放，洞顶每10m 植入1 根0.5m长∅22mm 锚杆用于固定风筒。20kV 供电主线由TBM 施放，每100m 设一个专用接头，其余低压供电线每20m 设1 隐形插座，便于随机使用。导向系统所设置的支导线需强制对中或使用专用支架设于左侧，高度1.5m 左右，支导线点每500m左右设一个，转弯处设点，可以左右交叉设，以便于TBM 掘进时沿准确路线施工。导线点外围应设置警示标识和防护栏，防止被损坏。交通洞通风洞断面布置如图6 所示。

图6 施工断面布置图

该TBM于2021年5月制造完成（图7），2021 年7 月全部部件到场并开始设备组装，2021年9 月底开始掘进通风洞，目前TBM 总掘进达到1 000m，设备已通过第一个和第二个100m 转弯段，进入厂房段。目前设备采用渣土自卸车出渣，最高日进尺为16.445m，最高月进尺约300m。

图7 交通洞TBM

抚宁抽蓄电站位于秦皇岛疗养地区，每年有6～7 个月时间禁止爆破作业，对施工进度影响较大。采用TBM 法施工，避免了钻爆法施工对环境的影响，同时施工效率提高了2 倍以上。

交通洞、通风洞处于抽水蓄能电站关键线路上，对整个抽水蓄能电站建设具有至关重要的意义，通过对抚宁抽水蓄能电站通风洞、厂房顶拱、交通洞统一断面开挖洞室结构的研究；
开发了大直径小转弯能力的新型TBM；
研究出适应交通洞TBM 掘进的大坡度物料运输、连续出渣、TBM 步进始发技术和水、风、电管路延伸技术；
成功解决了交通洞、通风洞施工过程中的难题，同时为类似项目提供解决方案。O