TBM技术在抽蓄地下硐室群中的应用.pdf

2024 年第 1 期102中国高新科技能源电力|ENERGY&POWERTBM技术在抽蓄地下硐室群中的应用赵广周中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410000摘要：国内抽水蓄能电站地下洞室开挖通常采用普通钻爆法施工，具有安全隐患大、施工时段长、劳动力投入大、机械化程度低、工序转换多、作业环境差等诸多缺点。抽水蓄能电站地下硐室群采取 TBM 技术开挖，可缩短整体洞室开挖工期，并提高抽蓄电站建设的安全性和可靠性，有利于促进抽水蓄能电站设计一体化和模块化，保证洞室安全、质量和进度，为类似工程提供经验。关键词：TBM 技术；洞室群；抽水蓄能；节约工期；安全；应用文献标识码：A中图分类号：U455文章编号：2096-4137（2024）01-102-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.01.29Application of TBM technology in pumping and storage underground chambersZHAO GuangzhouChina Water Resources and Hydropower Eighth Engineering Bureau Co.,Ltd.,Changsha 410000,ChinaAbstract:The drilling and blasting method is widely used in the excavation of underground caverns of domestic pumped storage power stations,which has many shortcomings,such as many potential safety hazards,long construction period,large labor input,low degree of mechanization,many process conversions,and poor working environment.TBM excavation for underground chambers of pumped storage power station can shorten the overall excavation period and improve the safety and progressiveness of the construction of pumped storage power station,which is conducive to promoting the integration and modularization of the design of pumped storage power station,ensuring the safety,quality and progress of the project,and providing experience for similar projects.Keywords:TBM technology;cavern group;pumped storage;save construction period;safety;application1TBM 在抽蓄的发展趋势抽水蓄能电站地下硐室群规模大、项目繁多，是电站的核心区域。在抽水蓄能电站领域，引入 TBM 技术成为抽水蓄能电站地下硐室施工的必然选择和发展方向。与传统施工方式相比，以 TBM 技术为代表的硐室机械化施工技术，将给抽水蓄能行业带来革命性的技术升级，也将进一步推动早日实现抽水蓄能电站硐室施工标准化，采用 TBM 设备制造系列化和工程应用规模化。TBM施工具有安全风险低、环境影响小、自动化程度高、工艺质量便于控制、施工速度快、进度可控等优点，是目前小洞室开挖施工最先进的技术。TBM 是集机械、电子、液压、激光、控制于一体的高度机械化和自动化的小型隧洞开挖成套设备，可根据不同断面、地址情况、水文条件等进行精准式设计。有别于长、直隧道，抽水蓄能电站地下工程洞室线路更加复杂，既有直线的，也有圆弧形的，还有直角的，不一而论。TBM技术可根据抽水蓄能电站洞室特点进行针对性、定制化设计，以适应抽水蓄能电站地下隧洞施工需求。2平江抽蓄概况湖南平江抽水蓄能工程中厂区建筑物包括地下厂房洞室群和地面开关站。地下厂房洞室群主要包括主副厂房、主变、母线洞、进厂交通洞、运输洞、通风兼安全洞、排风洞、电缆平洞、电缆竖井、排水廊道、自流排水洞等洞室。地下厂房采用中部式布置方式，输水系统采用两洞四机布置，输水线路正进正出。厂房系统工程环绕主厂房、主变洞、尾闸洞外围设置了3 层排水廊道，主厂房、主变洞、尾闸洞顶部设置有“人”字形排水幕，以排泄厂房和主变洞顶拱围岩内的地下水；下层排水廊道和主厂房集水廊道在左端与自流排水洞相接，地下厂房内的渗漏水、机组检修水引至集水廊道，经自流排水洞排出厂区。湖南平江抽水蓄能电站中自流排水洞及排水廊道设计总长 10193.8m，断面为城门洞型，断面尺寸 3.0m3.0m（宽 高），硐室埋深 15 530m，围岩为微风化新鲜状，地质构造较简单，以类为主。原计划采用钻爆法开挖，但由于交地滞后，导致工期滞后，而自流排水洞及排水廊道独头掘进、硐室断面小、出渣困难、通风条件差（无法设置通风竖井）等，采用钻爆法施工很难赶工。经过多方讨论，最终将自流排水洞及排水廊道断面相应变更为圆型断面，采用 TBM 技术施工。3TBM 洞室群掘进方式根据 TBM 单端独头掘进的特点，将厂房下层排水廊道与自流排水洞起点相连，厂房上、中、下 3 层排水廊道调整螺旋相连（满足设备爬坡坡度要求）。TBM 单端独头掘进，隧洞开挖直径 3.63m，掘进总长7km（自流排水洞 3.88km+上、中、下 3 层可掘进排水廊道3.12km），最小转弯半径 30m，转弯共 21 处，且有两个“S”形曲线段，坡度 1%4.9%，大于 3%的陡坡 13 处。TBM 掘进采用螺旋式上升方式，从自流排水洞出口始发下层排水廊道中层排水廊道前段 2 次步进（穿过进厂交通洞，后期交通洞出渣）中层排水廊道后段（满足爬坡，2024 年第 1 期103中国高新科技ENERGY&POWER|能源电力增加 4 个转弯 2 个直线段）上层排水廊道压力钢管外排水廊道通风兼安全洞交叉口接收。TBM施工主要包括开挖、支护、弃渣三大作业，以及轨道、通风、照明、供水、排水等延伸及其他辅助作业，一切作业以掘进作业为核心（见图 1）。在掘进作业的同时，遇到破碎地段围岩，采用自带支护设备进行锚杆作业和喷射混凝土等应急支护作业，以及同时进行通风、照明、排水等延伸及其他辅助作业。在遇到软弱破碎带、大变形、岩爆、大涌水、高低温等区域时，根据实际情况，同时或停机进行钢拱架安装作业、挂网作业、超前支护、排水等。掘进中，随着刀盘旋转，刀盘上的铲斗将石渣从隧洞底部铲起，通过溜渣槽和装渣斗，卸在主机皮带机上，运至渣车中运出洞外，再用自卸汽车运至渣场。4TBM 施工重难点分析4.1确保不良地质安全施工是重点（1）加强超前地质预报及地质预判工作，采取地质编录、物探测试、物探超前地质预报等方式对隧洞通过的断层带、地层分界线、物探异常段、可能产生突涌水段进行适合 TBM施工的超前地质预报。（2）当遇到较窄破碎带时，调整 TBM 掘进控制参数，减少刀头喷水量，降低刀盘转速及掘进推力，控制并减少单位时间内出渣量，争取在不停机的状态下快速通过，加强围岩观测，及时支护，防止因塌方压住机头。（3）当掘进段断层破碎地质较长时，对该地段超前灌浆固结后，待 TBM 周围的围岩固化满足掘进要求后，TBM 再进施工才可重新开始。4.2确保机车运行安全是重点本工程 TBM 施工采取电瓶有轨机车出渣方式，为尽量减少 TBM 设备等待出渣机车的停机时间，在 TBM 掘进一定距离后，洞内会布置错车平台，投入多趟机车编组往复运行。机车重载出洞存在制动距离过长、制动系统温度过高导致制动效能降低的情况，确保机车安全运行是本工程的施工 重点。机车进出洞由专职人员进行调度指挥，实时掌握每一辆机车编组的动态和位置，确保单区间只有 1 台机车编组运行，避免出现撞车、追尾等交通事故。每天在 TBM 强制保养时间段，对机车进行强制保养维护，保持机车运输设备始终保持良好的运行性能。在坡道、弯道、进入 TBM 及通过错车平台时限速通行，并通过监控、测速等技术手段监督和控制及机车运行速度。定期维护机车运行轨道，防止因轨距变化、轨道螺栓松动导致机车脱轨等安全事故。4.3TBM 出渣及运输的材料方式是重点本工程TBM出渣采取有轨矿车出渣和洞外翻渣的方式。在 TBM 掘进过程中由渣斗车负责接料，接料完成后由机车将渣斗车拖运出洞，此时停靠在错车平台位置的另外 1 套列车编组运行至 TBM 后配套接料位置，继续进行下一个掘进循环。当满载渣料的渣斗车运行至工业广场门式起重机位置时，利用门式起重机设备将渣斗车中的石渣吊卸到渣土坑内，然后由装载机进行装运，再由自卸车将石渣转运到弃渣场。图1平江抽水蓄能电站地下洞室群三维轴测图掘进。（4）当出现塌方迹象不良地质段时，停止开挖，在尾部利用设备配置的液动凿岩机造孔，对围岩进行锚固。如塌方面积大，需安装钢拱架并布置钢筋/钢管排，同时使用配置的移动式喷混设备进行湿喷喷混支护，防止塌方继续扩大。待完全封闭、围岩稳定后，再次开挖。（5）当涌水量较大时，采用埋管引流、喷混封堵等方式处理，如掌子面或洞壁有垮塌现象，需要采取地层加固或采取超前注浆的方式封堵地下水。在 TBM周围形成一个伞形的加固地层，待岩洞的水压进一步降低后，掘 2024 年第 1 期104中国高新科技能源电力|ENERGY&POWER在 TBM 掘进期间，为满足施工时材料运输列车在洞内的调度及 TBM 高速掘进的要求，在自流排水洞 TBM 掘进隧道入口工业广场布置双线停车线，以便列车编组停车上料。4.4支护是难点类围岩主要采取随机锚杆、混凝土喷护处理；1 类围岩主要采取锚杆、钢筋网、混凝土喷护；2 类围岩主要采取锚杆、钢筋网、混凝土喷护及二次衬砌；类围岩主要采取钢筋格栅、锚杆、超前小导管、钢筋网、混凝土喷护及二次衬砌。TBM 初期支护总体上采取与 TBM 掘进交替进行作业的施工方案。TBM 掘进循环由掘进、弃渣、支护、换步、定位、通风除尘、风水电管路及轨道延伸等工序组成，TBM设备上未配置支护设备，则应预留有支护作业平台。钢拱架、超前小导管、锚杆、钢筋网等支护材料在洞外加工好后，初期支护所需空压机、储气罐、手持式凿岩机、应急喷混设备、支护材料搭载在平板车上，需要时由机车牵引进入 TBM1#拖车内。手持式凿岩机、支护材料由人工搬运到连接桥前端平台进行支护作业。喷射混凝土通过现场搅拌机拌制，喷射混凝土采用应急喷混设备、人工辅助喷射作业。当遇到不良地段地质条件时，采用机车牵引专用锚喷支护列车编组进入护盾后部及时进行锚喷施工初期支护 处理。4.5洞内通风难度大自流排水洞及排水廊道独头掘进、硐室断面小、无法设置通风竖井，通风条件差，洞内空气对流速度慢。TBM 施工采用电瓶机车运输设备和压入式通风形式。在洞外工业广场安装 1 台轴流式隧道风机轴流风机（型号：T2.8.2X45kW）向洞内压入新鲜空气，隧道内部沿洞壁顶部布置一条软风管延伸至 TBM 后配套尾部，再通过后配套上的二次风机向 TBM 工作面供风，确保 TBM 设备尾部回风速度不低于 0.5m/s。施工时，对刀盘和皮带系统喷水降尘，通过 TBM 设备设计配置的湿式除尘系统，过滤分离刀盘处破岩产生的粉尘，保证 TBM 工作面空气环境良好。通风过程中应经常检查修补施工区段管路，严防管道漏风增阻，控制百米漏风率，防漏降阻是实现长距离通风的技术关键。4.6TBM 施工洞室中心轴线控制难度大TBM 独头掘进距离长，控制好隧洞轴线是工程的施工重难点。为了保证 TBM 设备开挖中心轴线的精准度，TBM 设备配置了先进的 DDJ 激光导向系统，通过该导向系统对开挖轴线进行全面控制。TBM 操作人员根据导向系统数据和指示及时调整 TBM 的掘进姿态，使 TBM 的实际掘进轴线无限接近隧洞设计的理想轴线坐标。掘进过程中做好掘进偏差的详细记录，以备核查、分析；每 200m 对掘进导向进行复测，并在始发和贯通时增加检测密度。掘进过程中时刻注意设备刀具的推力状态，了解破碎情况，综合实际情况选择正确开挖模式、开挖速度等掘进参数，并在掘进过程中随时调整，掌握对开挖方向的控制，将开挖控制在水平向和竖向分别为设计轴线的 60mm 和 40mm 之内。4.7TBM 持续稳定快速施工难度大工程地质围岩特点主要体现为岩石强度偏高、完整性好、节理不发育及石英含量较高等。因此，保持 TBM 设备的持续稳定掘进施工是工程的重难点。为了保证 TBM 设备的持续稳定掘进，首先，要保证设备性能能够适应和满足本工作地质施工特点，TBM 设备的设计应满足本工程地质破岩需求，即掘进推力、刀盘强度、刀间距设计、刀盘开口度等设计参数的匹配性；TBM 配套设备也应能满足 TBM 设备的最快掘进能力，包括掘进出渣及施工材料运输保障、风水电系统的运行可靠性等。其次，应有一支专业的 TBM 施工队伍，为 TBM 施工提供专业的技术支持和服务。5结语平江抽水蓄能工程地下硐室群 TBM 的成功应用，为国内抽水蓄能电站的建设提供了经验。特别是断面尺寸变化不大的自流排水洞及排水廊道等抽蓄前期准备工程可极大缩短工期，同一套设备多个工程的应用可全面降低硐室群开挖的成本。总之，引入 TBM 技术将成为抽水蓄能电站地下硐室施工的必然选择和发展方向，有助于促进抽水蓄能行业的技术升级。作者简介：赵广周（2003-），男，陕西西安人，中国水利水电第八工程局有限公司高级工程师，研究方向：水利水电工程。参考文献1 杜立杰，洪开荣，王佳兴，等深埋隧道 TBM 施工岩爆特征规律与防控技术 J隧道建设（中英文），2021，41（1）：1-152 赵修龙，丁兵勇，杨经，等TBM 施工技术在抽水蓄能电站中的应用研究 C抽水蓄能电站工程建设文集，20213 岳金文，朱静萍，杨朝，等抽水蓄能电站引水系统采用可变径 TBM 施工的布置研究 J水力发电，2022，48（2）：92-954 魏留建隧洞 TBM 集群施工关键技术探析 J水利科技与经济，2022，28（11）：154-157（责任编辑：周羿廷）