抽水蓄能电站引水斜井开挖采用TBM施工的研究

张 军，李守巨，宁忠立，陆金琦，李怡婧

（1.辽宁清原抽水蓄能有限公司，辽宁省清原县 113399；2.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁省大连市 116024）

0 引言

我国抽水蓄能电站的建设与欧美、日本等发达国家相比起步较晚，但由于后发效应，起点却较高，近年建设的几座大型抽水蓄能电站已处于世界先进水平。广州一、二期抽水蓄能电站总装机容量2400MW，目前为世界上建成的最大抽水蓄能电站；建设中的河北丰宁一、二期抽水蓄能电站总装机容量3600MW，建成后将是世界上最大的抽水蓄能电站；西龙池抽水蓄能电站单级可逆式水泵水轮机组最大扬程704m，仅次于日本葛野川和神流川抽水蓄能电站机组。

1 国内抽水蓄能电站引水斜井施工现状

引水斜井是抽水蓄能电站中重要的建筑物，其特点是倾角陡、直径大、长度长，所以施工难度大。目前国内抽水蓄能电站引水斜井一般的设计参数为：倾角45°～60°；开挖直径6～10m；最大施工长度由于受施工能力限制控制在400m左右。近些年来，由于国内抽水蓄能电站建设陆续开工建设，引水斜井施工技术取得了很大进步，采用爬罐开挖斜井导井长度超过400m（宝泉419m，敦化424m），采用反井钻机开挖斜井导井长度超过300m（惠蓄310m，荒沟360m）。

目前，国内引水斜井的开挖施工都是采用钻爆法，其主要缺点是：施工导向和成洞体型不易控制；开挖成洞的平整性差，超挖和欠挖问题普遍；施工速度慢；安全性差等。抽水蓄能电站的引水斜井高差较大，一般采用导井—扩挖法进行施工，导井的开挖目前常规做法是采用爬罐或反井钻机施工。采用爬罐开挖导井，自下而上进行钻爆，靠自重溜渣，导井最大月进尺可达到60～80m，但是随着导井的延长，开挖速度降低明显，通风散烟困难，掌子面作业环境差，安全问题突出。反井钻机施工导井在上、下弯段之间高差不大于80m的短斜井中优势明显，但当井深太长时，导孔偏斜控制较难，孔底最大偏差有时达到几米，甚至超出设计轮廓线，且卡钻现象时有发生，处理困难，地质适应性差。国产反井钻机限于性能，一般导井开挖长度不超过200m，进口反井钻机一般导井开挖长度控制在300m左右。在完成导井后的扩挖过程中，对控制爆破技术要求高，如果最大石渣粒径超过导井直径三分之一的数量过多易造成堵井；爆破后人工扒渣效率低，特大断面的斜井甚至需要二次扩挖；施工环境恶劣，粉尘、烟雾污染严重。而且与扩挖的提升系统设计有关的规程规范不够完善，斜井扩挖属于安全风险高的施工项目，很难通过地方安全技术质量监督部门的验收或鉴定，要根据施工现场实际制定专项安全措施，由参建各方共同承担安全责任。

2 引水斜井采用TBM掘进国外工程实例

将TBM（Tunnel Boring Machine，全断面隧道掘进机）应用于引水斜井开挖在国内还没有先例，但是在国外已经有不少成功的实例，为我国抽水蓄能电站引水斜井提供了可以借鉴的成功经验。斜井TBM施工技术已经在日本、瑞士等国家应用于抽水蓄能电站引水斜井开挖施工（见表1），是目前最先进的斜井开挖方法。

采用TBM施工斜井的工法有：

（1）导井TBM（自下而上）+钻爆法扩挖（自上而下）。

（2） 导井TBM（自下而上）+扩挖TBM（自上而下）。

（3）全断面开挖TBM [自下而上（陡倾角）或自上而下（缓倾角）]。

神流川（Kanna-gawa）抽水蓄能电站引水斜井开挖使用的TBM如图1所示。

图1 日本神流川抽水蓄能电站使用的TBMFig.1 TBM of Kanna-gawa pumped storage power station in Japan

瑞士Limmern抽水蓄能电站引水斜井开挖采用的TBM如图2所示。

图2 Limmern抽水蓄能电站使用的撑靴式TBMFig.2 Gripper TBM of Limmern pumped storage power station

表1 国外抽水蓄能电站引水斜井采用TBM掘进若干实例Tab.1 Some examples of TBM tunneling in the diverision inclined shaft of an external punped storage power station

3 TBM结构类型及掘进工艺

TBM是一种隧道掘进的大型专用工程机械。硬岩TBM适用于山岭隧道硬岩掘进，代替传统的钻爆法，在相同的条件下，其掘进速度约为常规钻爆法的4～10倍，最佳日进尺可达150m；具有快速、优质、安全、经济、有利于环境保护和劳动力保护等优点，特别是高效快速可使工程提前完工，提前创造价值。TBM在掘进效率、建设周期、安全、围岩稳定、开挖精度和平整性等方面具有显著优势，已越来越广泛应用于深长隧道和矿山深部巷道建设中。

根据结构形式和工作原理，TBM主要可分为撑靴式（又称为敞开式）、单护盾式、双护盾式、扩孔式和摇臂式等（图3～图5）。撑靴式（Gripper）TBM 只设有较短的护盾，其主机和后配套系统上安装有支护设备，适用于岩石整体性比较好的隧洞。它依靠TBM水平撑靴支撑在岩壁上，通过撑靴与岩壁之间的摩擦力推进TBM前行。在TBM推进的过程中，可以平行进行隧洞的锚杆、挂钢筋网和喷射混凝土施工。

图3 撑靴式TBMFig.3 Gripper TBM

图4 单护盾式TBMFig.4 Single shield TBM

图5 双护盾式TBMFig.5 Double shield TBM

护盾式TBM可分为单护盾式和双护盾式。当遇到软硬岩石兼有的复杂地层时，可以采用双护盾式TBM。单护盾掘进机只有一个护盾，大多用于软岩和较为破碎岩层，因此不采用像撑靴式掘进机那样的支撑板。在掘进隧洞时，掘进作业和隧洞管片安装是在护盾的保护下进行的。由于不使用支撑靴板，掘进机的前推力是靠护盾尾部的推进油缸支撑在管片上获得的。由于这类掘进机的掘进需靠衬砌管片来承受后坐力，因此在安装衬砌管片时必须停止掘进，即机器的岩石开挖和管片衬砌的铺设不能同时进行，从而限制了掘进速度。

双护盾式TBM尤其适用于穿过断层破碎带的隧洞施工。其主机是在护盾的掩护之下进行掘进作业的，护盾包括前盾、伸缩护盾、撑靴护盾，其主机后部一般装有衬砌管片安装器。随着TBM向前掘进，双护盾TBM可同时进行管片安装施工[10]。

在TBM掘进岩石隧洞时，有许多潜在的地质风险会影响到TBM的安全施工，其中包括断层破碎带、涌水区段、洞壁的稳定性、坚硬磨损性高的岩层和软岩大变形岩层。研究表明，带有双护盾的TBM可能是比较理想的选择，与单护盾TBM相比，双护盾的TBM具有较高的灵活性，尤其是在复杂岩层中掘进隧洞。在充分认识隧洞掘进各个施工阶段风险关联性的同时，通过有效的风险辨识查出安全风险因素，并在相应的阶段进行有效规避是至关重要的。

滚刀是安装在TBM刀盘上用于破碎岩石的工具，而盘形滚刀是TBM上最常用滚刀形式。盘形滚刀在刀盘的推力和扭矩的作用下，实现对岩石的破碎作用。根据滚刀在刀盘上的安装形式，可分为单刃盘形滚刀、双刃盘形滚刀、成对盘形滚刀和三刃盘形滚刀，大量的工程实践表明，单刃盘形滚刀（见图6）的破岩效果最好。盘形滚刀刀刃角常见的角度为60°、75°、90°和120°等。刀刃角的选择与岩石的力学性能相关，岩石越硬，刀刃角越小。TBM对所掘地层具有极强的针对性，其主轴推力、刀盘扭矩设计值和刀盘刀具选型布置方式在很大程度上由所掘地层岩石力学性质决定。

图6 单刃盘形滚刀Fig.6 Single blade disc cutter

盘形滚刀是TBM的核心部件之一，其性能的好坏直接影响到TBM的破岩性能，要求其具有良好的承载力特性、耐磨性，并且具有很好的冲击韧性。目前常用的是直径为432mm和483mm的盘形滚刀。大直径盘形滚刀的特点在于允许较大的磨损量、具有较低的滚动阻力系数和允许使用较大的轴承，从而具有更大的承载能力。盘形滚刀刀圈部分直接与岩石接触，是影响滚刀寿命的重要部件，其破岩能力与破岩效率直接影响整个TBM的掘进能力。考虑到施工中地质条件复杂多变，刀圈设计需满足地质适应性要求，属于一种非标定制设计。

采用TBM掘进隧洞，先利用主撑靴对岩壁施加压力，固定掘进机；然后靠中部主千斤顶推动刀头切削岩石掘进，根据千斤顶的行程，一般一次可掘进1～1.5m；再通过前撑靴与岩壁压紧，放松主撑靴，缩回主千斤顶，把掘进机后部机体拉向前，这样就完成一个掘进循环。TBM设备除主体部分外，其后还带有若干个台车，以设置控制室、喷混凝土和打锚杆的支护设备、防滑落的装置、风水电油等辅助设备、出渣系统等。

采用TBM进行隧洞掘进，选择合适的TBM型号是降低事故发生率的关键环节。对当地的地质情况进行深入的勘查，选择与地质条件匹配的刀具等是降低事故发生率的首要条件。同时，在掘进施工过程中，技术员的操作不当、保养不当也是引发事故的重要原因。

应用超前地质预报技术是TBM掘进信息化施工管理中的重要组成部分，尤其对于那些埋深大、长距离、含地层破碎带工程，准确、及时的地质预报具有十分重要的意义。由于隧道长度、埋深等各方面因素的影响，地质条件越趋复杂，隧道施工中遇到的问题也会相应地增多，不可预料的地质灾害如涌水、塌方等成为困扰工程施工的主要难题。近十几年来，隧道施工技术已经有了很大的发展，为了保证在隧道施工时的安全和高效，根据岩土工程勘察及设计资料和已经揭露的地质情况，采用仪器设备和地质数学方法，对隧道掌子面前方一定范围内围岩级别变化、不良地质做出预测，根据预测的结果优化方案并指导施工，能够有效地控制TBM施工事故的发生。

断层破碎带是隧洞围岩失稳和出现地质灾害的突出地段，容易引起塌方、大量涌水，甚至突发性涌水。因此，TBM对断层破碎带的掘进适应性尤为重要。若超前地质预报显示围岩变形量大，TBM不能正常通过。停机利用TBM配置的超前钻机和注浆设备加固地层，然后通过。同时，TBM高强度的结构设计和足够的推力、扭矩等能力储备能保证TBM不易被变形的围岩损坏或卡住。利用地质雷达系统对断层破碎带进行超前地质预报。利用红外探水仪和TBM配置的超前钻机探水。利用TBM配置的超前钻机和注浆设备对地层进行超前加固，同时刀盘面板预留注浆孔的设计能满足对掌子面加固的需要[10]。

4 引水斜井TBM掘进施工

常见的TBM掘进的岩石隧道接近水平或者坡度比较小。而对于倾角在50°左右的引水斜井，采用TBM进行施工遇到的困难将会更多。斜井TBM结构图见图7。

图7 斜井TBM结构图Fig.7 The structure of TBM field assembly of inclined headrace tunnels

当采用TBM施工引水斜井时，需要根据岩层的强度、磨蚀性、节理分布、渗透性、含水性、遇水膨胀性等，对岩层的可TBM性进行评估，选择合理的TBM方式（例如敞开式还是护盾式，单护盾还是双护盾等）、刀盘的开口率、滚刀的形式、支护方式、掘进速度等。

对于坚硬岩石，可以采用敞开式TBM进行掘进，其掘进工作面和围岩的稳定性一般容易得到保证。而对于软岩和破碎带岩层，需要采用盾构式TBM（可选单护盾或者双护盾模式），有效控制掘进工作面和围岩的稳定性，将围岩的变形控制在允许范围内。

施工中由于盾壳周围岩体的变形，导致侵占开挖断面和盾壳被卡住的现象，或多或少在使用过TBM的工程上都曾发生过。卡住的后果，无论是对支撑式还是双护盾式，仅依靠加大油缸推力都不能使TBM前移，因为变形的围岩和管片的强度都不足以提供足够的支撑反力，刀盘顶不住掌子面，将使前方的坍塌面无法控制。断层破碎带TBM的适应性问题，应该基于事先地质勘探报告，进行有限元数值模拟分析，给施工方案的确定提供理论依据。

对于抽水蓄能电站引水斜井，最后都需要混凝土衬砌或安装压力钢管。因此，对于岩层稳定性较好的施工段，可以考虑裸洞或者锚喷支护作为临时支护；对于岩层稳定性一般的施工段，考虑锚喷支护作为临时支护；对断层破碎带施工段，除了采用锚喷网联合支护之外，还需要结合地质雷达、超前勘探等地质资料，采用灌浆等加固方法，对岩层进行超前加固。

TBM施工引水斜井在安排施工进度时尚应考虑设备组装、准备及解体撤出作业的影响。TBM设备组装和准备需3～4个月，其解体撤出需1～2个月。斜井开始一段不能用TBM，而需采用常规钻爆法施工，此段长度一般为50～60m。

5 结论

随着TBM掘进技术的不断完善，国内抽水蓄能电站引水斜井开挖采用TBM进行施工已经基本具备成熟的条件。采用TBM进行引水斜井掘进需要考虑以下因素：

（1）引水斜井传统的钻孔爆破开挖方法，具有效率低、速度慢和安全性差等固有的缺点；采用TBM掘进引水斜井将是一种具有竞争力的施工方法，可以使工人的作业安全和作业环境大大改善，提高成洞质量；可以省去长斜井中部施工支洞。

（2）需要根据前期地质勘查资料，并结合国外现有的施工经验，合理进行TBM设备选型，进行刀盘和滚刀对岩层地质条件的适应性的评估。

（3）对于隧洞穿越的地层破碎带、软岩大变形岩层和涌水溶洞，需要结合前期地质勘探资料和超前地质钻探技术，采取必要的超前加固措施，确保施工的安全性，避免掘进机卡机等事故发生。

（4）考虑到岩层物理力学性能和地质条件的多变性、随机性和不确定性，在项目论证期间，需要进行风险评估，并提出避险措施。

（5）与传统的钻孔爆破方法相对比，尽管TBM掘进隧洞具有明显的优势，但是在引水斜井施工中，对于局部施工段钻孔爆破方法可以作为辅助和补充。

（6）斜井TBM是专门的设备，与平洞TBM不同，平洞TBM不能直接用于陡倾角斜井施工。现在国内没有采用斜井TBM施工的原因首先是没有这种设备，需要自行研发或从国外引进，其次是受限于经济原因。目前，抽水蓄能电站引水斜井采用进口反井钻机和人工钻爆扩挖方法每米洞长（按6m直径计）的综合单价约为1.1万元（导井直径按2m计），而TBM购置价格为1.1亿～1.3亿元/套，如果单纯比较TBM和钻爆法的开挖单价，用TBM开挖长度仅几百米的斜井不一定经济。但是，当斜井较长时，钻爆法施工往往要设施工支洞及连接支洞的公路；同时可以考虑在指标接近的抽水蓄能电站应用同一套斜井TBM，增加摊销次数来降低工程造价，TBM在经济上就可能有利。再考虑工期缩短、人员安全和环境条件改善等因素后，TBM方案可能会具有吸引力。

[1] 彭军. 日本神流川抽水蓄能电站[J]. 水利水电快报，2004，25（12）：17-20.PENG Jun. Japanese Kanagawa storage power plant [J]. Water Conservancy and Hydropower Rapid Report，2004，25（12）：17-20.

[2] MARCO F，SUDIP G. Successful TBM drive in inclined pressure shaft under difficult ground conditions，a case study of hydropower project limmern，Switzerland[C]. Delhi：Proceedings of Indian Geotechnical Conference 2012：13-15.

[3] C.韦布.苏格兰格伦多水电站[J].水利水电快报，2007，28（22）：11-12.C. Webb，Scotland glendo hydropower station [J].Water Conservancy and Hydropower Rapid Report，2007，28（22）：11-12.

[4] 邱彬如，刘连希.抽水蓄能电站工程技术[M].北京：中国电力出版社，2008.QIU Binru，LIU Lianxi. Pumped storage power station engineering technology[M]. Beijing ：China Eectric Power Press，2008.

[5] 何川，盾构/TBM施工煤矿长距离斜井的技术挑战与展望[J].隧道建设，2014，34（4）：287-297.HE Chang. Challenges and prospectives of construction of longdistance inclined shafts of coal mines by shield /TBM[J]. Tunnel Construction，2014，34（4）：287-297.

[6] 唐跃志，姚满. 查干淖尔煤矿大坡度斜井敞口式盾构适应性设计探讨 [J]. 铁道建筑技术，2012，10，14-17.TANG Yuezhi，YAO Man. Analysis on applicability of large slope of open shield in chagannaoer coal mine[J]. Railway Construction Technology，2012，10，14-17.

[7] 王婷婷，邱彬如，靳亚东.应积极鼓励支持抽水蓄能电站的发展[J].水力发电学报，2010，01：62-65.WANG Tingting，QIU Binru，JIN Yadong. Support and promote the development of pump-storage hydroplants[J]. Journal of Hydroelectric Engineering. 2010，01 ：62-65.

[8] 何川，封坤，方勇.盾构法修建地铁隧道的技术现状与展望[J].西南交通大学学报，2015，50（1）：97-109.HE Chuan，FENG Kun，FANG Yong. Review and prospects on constructing technologies of metro tunnels using shield tunnelling method[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2015，50（1）：97-109.

[9] 雷升祥. 浅析煤矿长斜井TBM法综合施工技术[J]. 铁道建筑技术，2012，4，1-6.LEI Shengxiang. Analysis of comprehensive coal mine construction technology of long inclined shaft with TBM method[J]. Railway Construction Technology，2012，4，14-17.

[10] 乔平. 蒲石河抽水蓄能电站引水隧洞斜井滑模施工技术[J]. 中国水运，2010，12（2）：76-77.QIAO Ping. Pumped storage power station diversion tunnel inclined shaft slipform construction technology Pushihe pumped [J].China Water Transport，2010，12（2）：76-77.

[11] 曲海锋，刘志刚，朱合华. 隧道信息化施工中综合超前地质预报技术 [J]. 岩石力学与工程学报，2006，25（6）：1246-1341.QU Haifeng，LUI Zhigang，ZHU Hehua. Technique of synthetic geologic prediction ahead intunnel informational construction[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25（6）：1246-1341.

[12] 詹与，黄柏洪. 支撑式TBM与双护盾式TBM在设计选型中的比较 [J]. 现代隧道技术，2009，46（2）：68-72.ZHAN Yu，HUANG Baihong. Comparison of gripper TBM and double shield TBM for design and selection[J]. Modern Tunnelling Technology，2009，46（2）：68-72.

[13] KOUROSH S，MOSTAFA S，JAFAR K H. Geotechnical risk assessment based approach for rock TBM selection in difficult ground conditions[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2008，23：318-325.

[14] 李守巨，曹丽娟.掘进机掘进过程中的决策支持系统[J]. 信息技术，2011，10：39-43.LI Shouju，CAO Lijuan. Decision support system in shield tunneling[J]. Information Technology. 2011，10 ：39-43.

[15] ABDOLREZA Y C，SIAMAK H Y. Tunnel boring machine（TBM）selection using fuzzy multicriteria decision making methods[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2012，30：194-204.

[16] PILIP D，et al. Development of a new direct test method for estimating cutter life based on sievers J miniature drill test[J].Tunneling and Underground Space Technology，2007，22：106-116.

[17] SAFFET Y. Utilizing rock mass properties for predicting TBM performance in hard rock condition[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2008，23：326-339.

[18] ZHAO K，JANUTOLO M，BARLA G，CHEN G X，3D Simulation of TBM excavation in brittle rock associated with fault zones：The Brenner Exploratory Tunnel Case[J]. Engineering Geology，2014，181：93-111.

[19] 薛翊国，李术才，张庆松，等. 隧道信息化施工岩溶裂隙水超前地质预报 [J]. 岩石力学，2008，29（12）：3360-3364.XUE Yiguo，LI Shucai，ZHANG Qingsong，et al. Geological prediction of Karst-fractured groundwater in tunnel informational construction[J]. Rock and Soil Mechanics，2008，29（12）：3360-3364.

[20] 上官子昌，李守巨，孙伟，等. 掘进机掘进工作面土压力计算方法比较分析[J]. 哈尔滨工业大学学报，2011，41（增1）：111-114.SHANGGUAN Zichang，LI Shouju，SU Wei，et al.Comparison analysis for computing earth pressure acted on excavation face in shield tunneling[J]. Journal of Harbin Institute of Technology，2011，41（Sup1）：111-114.