基于TBM施工的抽水蓄能电站进厂交通洞断面研究

尚海龙，吴朝月，李 冰，潘福营，王 凯

(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；2.国网新源控股有限公司，北京 100761)

0 引言

抽水蓄能电站地下隧洞群规模大、项目繁多、工程量大，特别是地下隧洞断面形式多样，尺寸大小不一，比较适合钻爆法施工，但钻爆法开挖存在施工机械化程度低、劳动力投入大、安全风险高、施工工期长、作业面环境差等不利因素。

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(tunnel boring machine，简称 TBM)。TBM施工技术具有安全环保、自动化程度高、节约劳动力、施工速度快等优点, 可以实现隧洞工程的全机械化施工,可显著提升隧洞开挖的施工质量、安全水平和工期保证率。

由于TBM设备开挖的洞径尺寸可调整范围很小(一般不超过30 cm)，单个抽水蓄能电站进厂交通洞设计长度又有限(一般不超过2 km)，而根据水电工程已有研究成果[1]表明，TBM施工洞长为5～10 km才能与钻爆法具有相同的经济合理性，因此，一般单座抽水蓄能电站进厂交通洞施工时不具备单独配置TBM设备的经济性。为了在抽水蓄能电站进厂交通洞开挖中发挥TBM安全环保、高效快速等优点，并实现TBM多站连打，以降低隧洞开挖安全管理风险，提高抽水蓄能电站工程总体进度保证率，需考虑通过提高TBM在多座抽水蓄能电站间的应用洞长以提高其经济性。

目前，国内对TBM施工技术已经开展了广泛的应用研究。杜立杰[2]、荆留杰等[3]主要对TBM设备研制和应对复杂地质、大坡度、高海拔、不同直径、不同机型、超长隧洞TBM施工方面取得的经验、技术积累和施工新技术进行了总结，预测了TBM未来发展趋势并提出了改进建议。邓铭江等[4]提出对深埋超长距离输水隧洞TBM独头掘进、出碴、通风等施工组织方面，应结合现代化的科学手段进行系统攻关。赵海雷等[5]、孙振川等[6]结合工程实践，对敞开式TBM应对灰岩隧洞不良地质段提出了超前地质预报、钢拱架、钢筋排和喷射混凝土联合及时支护等一系列施工方案和措施。宋法亮等[7]针对高地热、高地应力、断层破碎带、高压突涌水等地质条件，研究提出了TBM超前地质预报、钢筋排和钢拱架联合喷射混凝土及时支护、合理调整掘进参数的施工方案和措施。郑孝福[8]以西秦岭特长隧道TBM施工有轨运输系统运行情况为例，对整个运输系统设置的方法和调整过程进行了总结，提出临时工程设计应重视洞外车场布置，施工过程中对有轨运输系统要运用信息化手段进行实时调整。文献[9-12]对TBM导洞扩挖法在国内外隧洞工程中的应用情况进行了介绍和分析，就TBM直径及导洞位置进行比选, 认为TBM导洞扩挖法能达到经济合理、安全可靠、缩短工期的目的，同时结合锦屏二级电站施工实践，认为在极强岩爆工况下采用TBM导洞扩挖法具有良好的效果。在文登抽水蓄能电站中，通过对抽水蓄能电站进厂交通洞和引水压力管道方面进行TBM方案研究，提出了引水压力斜井和交通洞、通风洞短洞长打的施工方案[13]。吕永航[14]对抽水蓄能电站应用TBM的开挖方式进行了探讨，提出TBM在抽水蓄能电站的开挖建设上具有推广应用价值。刘长利[15]针对铁路隧道TBM施工与断面统一问题，提出了采用刚性接触网、减小疏散通道宽度、缩小净空有效面积等优化隧道内轮廓和断面的方法。

国内对TBM施工技术从整体发展到具体工程应用、从设备结构到施工配套均开展了深入的研究，但很少针对抽水蓄能电站的隧洞系统进行具体的应用研究。本文依托国内拟建的抽水蓄能电站，对各拟建抽水蓄能电站进厂交通洞进行通用断面研究。首先，分析国内已建和拟建的钻爆法施工抽水蓄能电站进厂交通洞断面尺寸范围；然后，对控制交通洞断面尺寸的关键因素进行分析，并确定其控制条件；最后，基于TBM施工技术，优化抽水蓄能电站进厂交通洞运输功能，提出能同时满足多个抽水蓄能电站进厂交通洞功能的通用化断面尺寸，为TBM在抽水蓄能电站进厂交通洞的广泛应用创造条件，在发挥TBM技术优势的条件下，提高其应用经济性。

1 进厂交通洞断面特性

一般的抽水蓄能电站工程的进厂交通洞断面形式和尺寸主要受运送输水系统钢管和机电设备等大件尺寸的限制，因此，断面尺寸各不相同，比较适合于钻爆法施工。如国内已建的十三陵、敦化、洪屏等项目，其进厂交通洞断面均采用城门洞型，断面尺寸由于考虑整体运输钢岔管的需要也各不相同，具体见表1。

表1 国内已建和在建抽水蓄能电站进厂交通洞尺寸

本次研究的拟建抽水蓄能电站在已确定的进厂交通洞设计方案(采用钻爆法施工)中，进厂交通洞断面也采用城门洞型，其尺寸差异较大,无论是断面形式还是尺寸以及单洞洞长均不满足现有TBM设备的施工经济性需要，具体见表2。

表2 国内拟建抽水蓄能电站进厂交通洞尺寸(钻爆法)

通过对上述已建、在建和拟建的抽水蓄能电站交通洞特性分析可知，各工程交通洞净宽基本在7.5～8.5 m，净高在7.0～9.0 m。其中，已建和在建工程中单机容量300 MW的大部分工程的交通洞净宽在7.5～8.0 m，净高在7.5～8.5 m，如西龙池、宝泉、洪屏、呼蓄、沂蒙。单机容量大于300 MW的工程除洛宁、浑源交通洞净高尺寸较大外(8.8～9.0 m)，其他如平江、桐城工程交通洞净宽尺寸均接近8.0 m，净高尺寸接近8.5 m；装机容量小于300 MW的工程项目交通洞净宽均在7.5 m以内，净高在8.2 m以内。

综上分析，已建和在建单机容量300 MW的抽水蓄能工程的交通洞净宽基本在7.5～8.0 m，净高基本在7.5～8.5 m，均可满足工程钢岔管整体运输、机电设备运输和施工期车辆通行需要，同时该尺寸范围也基本能满足单机容量小于和大于300 MW的已建和在建工程的运输需要。

因此，对于拟建工程应用TBM工法完成交通洞掘进施工(含支护)，完成后的交通洞如能形成净宽在7.5～8.5 m、净高在8.5 m左右的断面，就基本可以满足工程对进厂交通洞功能的要求。

2 进厂交通洞洞径控制因素确定

2.1 控制因素分类

采用钻爆法施工的抽水蓄能电站交通洞开挖断面尺寸通常主要受重大件运输和施工车辆交通影响，并需考虑断面形状、初期支护和永久衬砌厚度的需要。因此，决定进厂交通洞开挖尺寸的一般因素有钢岔管运输、机电设备运输、施工车辆交通、断面形状、支护形式、路面结构尺寸等。其中，钢岔管运输是进厂交通洞断面尺寸的控制因素。

2.2 控制因素对比分析

基于TBM施工的进厂交通洞，钢岔管整体运输是否还可以作为其断面尺寸的控制因素，需从断面通用性、TBM设计制造和造价等方面进行深入的研究。

为了便于对控制因素进行对比分析，现以抚宁抽水蓄能电站为例，以是否整体运输钢岔管作为基本分类开展研究。

2.2.1 方案拟定

抚宁抽水蓄能电站单机容量为300 MW，钢岔管整体尺寸为7.6 m×6.6 m×6.2 m，钢管运输尺寸为φ6.2 m×3.0 m，变压器运输尺寸为3.6 m×4.0 m(宽×高)，施工车辆双向交通尺寸为6.0 m×3.4 m。

对比方案按照钢岔管是否整体运输的原则拟定。

1)钢岔管整体运输方案。钢岔管为主要控制因素，并满足除钢岔管外的压力钢管、机电设备和施工车辆的运输和交通需要。

2)钢岔管分片运输方案。机电设备为主要控制因素，并满足除钢岔管外的压力钢管、施工车辆的运输和交通需要。

2.2.2 钢岔管整体运输方案

对于钢岔管整体运输，进厂交通洞断面需首先满足钢岔管、机电设备等重大件的运输要求，其次满足施工车辆的双向通行要求。钢岔管(整体运输)是重大件运输中的控制尺寸(6.6 m×6.2 m)，施工车辆双向通行所要求的控制尺寸为6.0 m×3.4 m。

根据上述控制尺寸要求，并考虑到TBM开挖形成的隧洞断面为圆形，在确定断面尺寸时，可先用重大件运输控制尺寸6.6 m×6.2 m作为圆形设计断面的控制尺寸，初步确定设计断面，再用已初步确定的设计断面，复核施工车辆交通控制尺寸是否满足要求，如满足要求即可将初定断面作为确定设计断面。

按照大件运输控制尺寸初步设计的断面见图1，在初步设计断面中钢岔管运输与洞壁的最小距离为45 cm，符合净空高度大于水电工程重大件最大运输高度0.2 m的要求[16]；根据初步设计断面进行车辆双向通行复核(见图2)，该断面满足施工期自卸汽车的双向交通需要，由此确定整体运输钢岔管条件下进厂交通洞的断面开挖直径为10.6 m。

图1 钢岔管整体运输设计断面(单位：cm)

图2 施工车辆通行设计断面1(单位：cm)

2.2.3 钢岔管分片运输方案

对于钢岔管分片运输，进厂交通洞断面需首先满足除钢岔管外的压力钢管、机电设备等重大件的运输要求，其次满足施工车辆的双向通行要求。进厂交通洞运输重大件的尺寸分别为φ6.2 m×3.0 m和3.6 m×4.0 m(宽×高)，进厂交通洞车辆双向通行尺寸为6.0 m×3.4 m。

根据进厂交通洞断面为圆形的特点，在确定断面尺寸时，先用重大件运输中的最大尺寸6.2 m×3.0 m作为进厂交通洞设计断面的控制尺寸，初步确定设计断面，再用已初步确定的圆形断面复核其他控制尺寸是否满足要求，如满足要求即可将初定尺寸作为确定设计尺寸。

按照控制尺寸6.2 m×3.0 m(钢管)，初步设计的断面见图3，在初步设计断面中钢岔管运输与洞壁的最小距离为57 cm，符合净空高度大于水电工程重大件最大运输高度0.2 m的要求[16]；根据初步设计断面进行变压器运输和车辆双向通行复核(见图4和图5)，该断面满足变压器运输和车辆双向交通需要，由此确定分片运输钢岔管条件下进厂交通洞的断面开挖直径为9.5 m。

图3 压力钢管运输设计断面(单位：cm)

图4 变压器运输设计断面(单位：cm)

图5 施工车辆通行设计断面2(单位：cm)

2.3 控制因素确定

就抚宁抽水蓄能电站而言，以钻爆法施工确定的进厂交通洞断面为城门洞型，其最大开挖断面尺寸为9.4 m×9.7 m；而以TBM施工的断面为圆形，在满足同等功能条件下，满足钢岔管整体运输需要的开挖直径为10.6 m，满足钢岔管分片运输需要的开挖直径为9.5 m。可见，采用分片运输钢岔管，进厂交通洞开挖洞径可由10.6 m调整为9.5 m，减少开挖直径1.1 m，TBM设备设计制造直径也随之减少1.1 m，这不仅可降低TBM设备的设计制造难度，还可降低设备造价，从技术和经济上都非常有利。

另外，从有利于不同抽水蓄能电站进厂交通洞断面的统一和满足抽水蓄能电站进厂交通洞常用基本功能方面考虑，在进行抽水蓄能电站进厂交通洞通用洞径研究时，不再将钢岔管整体运输作为进厂交通洞断面设计的控制因素。

总之，基于TBM施工的抽水蓄能电站进厂交通洞，控制其通用断面的一般因素为：断面形状、支护形式、路面结构尺寸、施工车辆尺寸、机电设备运输尺寸、钢管运输尺寸。其中，机电设备是进厂交通洞断面尺寸的控制因素。钢岔管整体运输作为特殊功能需要，是否作为决定进厂交通洞尺寸的决定性因素需要另外通过综合比较确定。

3 基于TBM施工的进厂交通洞通用断面研究

本次以国内拟建的抽水蓄能电站进厂交通洞为研究对象，按照满足施工期和运行期进厂交通洞常用功能需要的原则，基于TBM施工技术，主要从机电设备、压力钢管和施工车辆等所需的交通要求方面，对进厂交通洞通用断面设计方案进行研究。

3.1 进厂交通洞通用断面设计方案拟定原则

1)针对TBM施工的抽水蓄能电站进厂交通洞，确定的进厂交通洞断面应尽量小，从而有利于减小TBM直径。

2)进厂交通洞断面需满足机电设备重大件以及输水系统压力钢管运输需要，钢岔管尺寸适宜时可考虑整体运输，尺寸较大的项目需分片运输至洞内组装。

3)进厂交通洞断面尺寸应满足抽水蓄能电站地下洞室施工期物料运输车辆双向通行需要，车辆与隧洞洞壁之间安全距离不小于0.5 m。

4)TBM施工需满足进厂交通洞初期支护(挂网喷护或钢支撑)厚度20 cm的需要，当不良地质段需要增加二次支护时，增加衬砌后的进厂交通洞断面尺寸需满足机电设备大件通行以及施工期双向交通需要。

5)进厂交通洞路面需设置排水沟，不设置电缆沟。路面两侧设置排水沟时，路面总宽度不小于7.5 m；设置中心排水沟时，路面总宽度不小于6.5 m。

3.2 设计方案拟定

通过比较分析，基于TBM施工的进厂交通洞不受整体运输钢岔管的限制，进厂交通洞通用洞径设计方案从隧洞支护和路面设置要求方面考虑，有以下2种方案。

1)方案1——一次开挖成型设计方案。TBM全断面开挖形成初期支护断面，隧洞路面结构通过回填形成。设计方案示意图见图6。

图6 一次开挖成型设计方案示意图

2)方案2——二次扩挖底板仰拱设计方案。TBM全断面开挖形成初期支护断面后，隧洞路面结构通过二次拉底扩挖形成。设计方案示意图见图7。

图7 二次扩挖底板仰拱设计方案示意图

3.3 通用断面尺寸控制条件

根据拟定的2种方案，按照满足机电设备大件运输和施工期主厂房车辆交通需要确定TBM开挖隧洞的最小直径。

3.3.1 机电设备大件运输需要

抽水蓄能电站较重的大件设备主要有变压器、进水阀及顶盖等。本次研究的典型项目的重大件参数见表3。通过对比分析，拟建的抽水蓄能电站工程中最重件为主变压器，最宽件为蜗壳/座环，最长件为桥机大梁，最高件为定子机座和主变压器。通过对拟建抽水蓄能工程中机电设备重大件尺寸的分析，进厂交通洞的运输控制尺寸为6.7 m×3.5 m(宽×高)、6.0 m×4.5 m(宽×高)和3.8 m×4.5 m(宽×高)。

表3 拟建抽水蓄能电站工程的机电设备尺寸

3.3.2 施工期开挖运输需要

施工期交通洞出渣运输车辆选择载重20 t的自卸汽车，车宽按照2.5 m控制，车辆间横向间距1 m，车辆与洞壁距离0.5 m，路面按照双向单车道设计，行车道宽度不小于6.5 m，路面需考虑设置排水沟。

进行通用断面设计时，出渣运输车辆总宽取2.5 m，总高取3.4 m；运输大件平板车高度取1.0 m，按照基本满足运输总高度需要控制隧洞设计净高。

3.4 进厂交通洞通用断面设计

3.4.1 一次开挖成型设计方案(方案1)

TBM全断面开挖形成初期支护断面,回填形成路面，其断面设计同2.2.3节钢岔管分片运输断面设计，设计净断面见图8。

图8 一次开挖成型方案设计净断面(单位：cm)

3.4.2 二次扩挖底板仰拱设计方案(方案2)

TBM全断面开挖形成初期支护断面,拉底扩挖形成路面，设计断面示意图见图9—12。

图9 二次扩挖底板仰拱方案运输座环设计断面(单位：cm)

3.5 设计断面分析比较

一次开挖成型设计方案(方案1)，TBM施工完成后，可立即进行路面结构的回填施工，后续无扩挖施工；但是,该设计断面最小开挖洞径(9.5 m)较大，需要进行二次支护施工，路面结构回填工作量较大，形成的有效净空尺寸(6.50 m×7.73 m)较小。

图10 二次扩挖底板仰拱方案运输变压器设计断面(单位：cm)

二次扩挖底板仰拱设计方案(方案2)，设计断面开挖洞径(8.8 m)较小，通过二次扩挖后形成的有效净空尺寸(7.5 m×8.3 m)大；但是，该方案TBM施工完成后还需进行二次扩挖形成路面结构，并需要进行二次支护施工。

3.5.1 设计断面特性对比

对2个设计断面特性进行对比分析(见表4)：方案2，以8.8 m直径的TBM开挖进厂交通洞，并采用二次拉底扩挖形成的施工期交通断面为7.5 m×8.3 m，该方案对于TBM开挖形成的断面回填量少，并满足所有拟建项目施工交通需要。从减少设备投资和降低回填工程费用的角度考虑，方案2比较适合作为拟建工程的通用设计断面；从拟建项目地质条件特点和便于现场施工组织方面考虑，方案1可作为备选方案。

表4 最小设计断面特性对比

图11 二次扩挖底板仰拱方案施工车辆通行设计断面(单位：cm)

图12 二次扩挖底板仰拱方案设计净断面(单位：cm)

3.5.2 费用对比

在抽水蓄能电站选址阶段，已对地下隧洞进行过详细的勘察，通过钻孔和探洞查明了地下厂房包括进厂交通洞沿线区域的断层裂隙等不良地质条件，地下隧洞布置时已最大限度避开了不良地质区域。同时，为适应不同地质条件下的支护要求，可在TBM设备中预留锚杆钻机、拱架安装器等支护设备的位置，根据不同电站地质条件加装。

本次研究的拟建抽水蓄能电站地下厂房及进厂交通洞围岩分类均为Ⅲ类及以上，适用于抽水蓄能电站进厂交通洞TBM施工。根据抽水蓄能电站枢纽布置特点，进厂交通洞最小转弯半径为70 m，最大纵坡10%，可变直径不小于30 cm, TBM设备初步选型采用敞开式。按照以上特性经过初步询价，8.8 m直径的敞开式TBM设备费用为1.35亿元，9.5 m直径的敞开式TBM设备费用为1.6亿元；此外，两者之间的主要差异在于，TBM掘进完成后，8.8 m直径进厂交通洞需增加仰拱扩挖，9.5 m直径进厂交通洞需增加仰拱回填。

经分析，方案2单位长度8.8 m直径的TBM隧洞掘进后增加扩挖费用为756元，方案1单位长度9.5 m直径的TBM隧洞掘进后增加仰拱回填费用为3 240元，方案2单位长度增加费用较方案1减少2 484元，具体见表5。

表5 不同设计断面单位长度增加费用对比

4 基于TBM施工的进厂交通洞掘进线路

由于抽水蓄能电站隧洞围岩均以Ⅲ类及以上围岩为主，并且TBM掘进完成后，对全洞段的地质条件均已查明，进行仰拱扩挖时Ⅱ或Ⅲ类围岩采用控制爆破，不良地质段采用短进尺、弱爆破开挖并进行及时加固支护，其安全风险可控。此类扩挖与台阶法开挖隧洞类似，施工技术已十分成熟，施工难度不大；另外，为减少对既有支护的影响也可采用切割法。

抽水蓄能电站地下厂房一般设计尺寸较大，长约200 m，宽约25 m，高约50 m，其中上部开挖施工通道为通风洞，中下部开挖施工通道为进厂交通洞，进厂交通洞和通风洞进口均在地面。根据抽水蓄能电站进厂交通洞和通风洞布置特点，应用于抽水蓄能电站进厂交通洞施工的TBM，其安装和拆卸分别在各自洞口外，安装和拆卸场地均在TBM进场或者出洞前准备好，对隧洞开挖工期影响不大，其施工路径为一进一出的线性路径，见图13。

图13 进厂交通洞TBM掘进路线图

钻爆法施工路径则由各自隧洞进口独头掘进，进厂交通洞和通风洞TBM掘进完成后的地下厂房开挖施工则与钻爆法相同。抽水蓄能电站地下厂房的开挖顺序为自上而下分层开挖，首先利用通风洞开挖地下厂房中上层，控制开挖总高度为16 m左右，一般施工工期为8～12月；中上层开挖完成后，再利用进厂交通洞开挖地下厂房中下层，因此，进厂交通洞TBM掘进完成后，可利用地下厂房中上层开挖的施工时段进行进厂交通洞的仰拱开挖及路面施工。进厂交通洞掘进完成后的施工不会对抽水蓄能电站地下厂房的开挖造成影响，且进厂交通洞后续工作的施工进度符合抽水蓄能电站地下厂房总体开挖进度需要。

5 结论与建议

1)抽水蓄能电站进厂交通洞作为地下发电系统的主要通道，单座抽水蓄能电站的进厂交通洞断面和尺寸差异性较大，长度短，不利于TBM的应用。

2)基于TBM施工的抽水蓄能电站的进厂交通洞通过一次开挖成型或者二次扩挖底板仰拱均可满足进厂交通洞功能需要，其中一次开挖成型需要的最小开挖直径为9.5 m，二次扩挖底板仰拱需要的最小开挖直径为8.8 m。

3)通过对拟建抽水蓄能电站群的进厂交通洞的设计洞径分析，8.8 m的设计开挖洞径相对于9.5 m的设计开挖洞径，可以减少已开挖断面的回填量，降低设备造价，有利于降低应用TBM施工进厂交通洞的费用。

4)由于拟建电站建设管理方式和工程条件各具特点，进厂交通洞断面也可先根据各自特点按照一次开挖成型或者二次扩挖底板仰拱的方式进行分类后，再通过对比分析重新确定合适的尺寸，做到同类开挖方式下的断面统一，达到实现多站连打、提高TBM施工经济性的目的。

5)对于采用TBM施工的拟建抽水蓄能电站，还需解决各个拟建项目的应用时序问题，以保证TBM在各拟建工程之间有序转移和衔接。

6)对于应用TBM施工的抽水蓄能电站进厂交通洞，建议开展支护标准研究工作，建立相应的规范和标准体系作为抽水蓄能电站隧洞TBM施工质量控制和评定的依据。