洛宁抽水蓄能电站引水斜井TBM施工关键技术研究

张学清，王炳豹，殷 康，杜 藏

(1.河南洛宁抽水蓄能有限公司，河南 洛阳 471700；2.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014；3.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

0 引 言

目前，国内开工建设的抽水蓄能电站引水系统普遍选择多级斜井或者竖井布置方案，斜井一般设计参数为倾角45°～60°，开挖直径6～10 m，采用反井钻机开挖，形成溜渣孔后用钻爆法扩挖，最大施工长度约400 m，该施工方法存在开挖成洞的平整性差，超挖和欠挖问题普遍，施工速度慢，安全性差等问题[1]。

TBM施工技术在国内水电、水利、铁路、市政等工程领域已得到广泛应用，但主要是用于平洞开挖，国外TBM技术应用于斜井开挖的成功案例较多。斜井TBM施工始于1968年，目前全球共有85个斜井项目采用了TBM施工，其中有60余个应用于抽水蓄能电站的调压井项目。国内目前抽水蓄能电站采用TBM施工技术应用主要是在排水廊道，引水斜井尚无实施案例[2-3]。通过TBM技术施工引水斜井，可以优化引水系统布置，缩短引水系统长度，在同等调节保证设计条件下，厂房位置可以适当向下游移动，可缩短水电站厂房辅助洞室长度，利于缩短厂房勘探平洞长度，提前探明厂房位置地质条件。此外，TBM施工技术作为一种机械化智能化施工技术手段，有利于安全文明施工，在抽水蓄能电站及其地下洞室群中有着广泛的应用前景。目前，河南洛宁抽水蓄能电站正在积极开展TBM施工技术用于引水斜井开挖的有关前期工作。

1 工程概况

洛宁抽水蓄能电站位于河南省洛阳市洛宁县城东南的涧口乡境内，工程开发任务主要是承担河南电网的调峰填谷、调频调相、紧急事故备用、黑启动和新能源消纳等。电站装机容量为1 400 MW，电站发电额定水头为604.00 m，连续满发小时数为6 h，设计年发峰荷电量11.91亿kW·h，年抽水耗用低谷电量15.88亿kW·h，电站的供电范围为河南电网。可研设计阶段引水系统采用“1洞2机”布置，引水立面采用两级斜井方案，引水上平洞长1 711 m，洞径6.5 m，上斜井直线段长267 m，洞径6.5 m，中平洞长424 m，洞径6.5/5.6 m，下斜井直线段长272 m，洞径5.6 m，引水隧洞上平洞末端设2号施工支洞，中平洞设置3号施工支洞，引水下平洞设置4号施工支洞。

2 工程地质情况

工程区位于华北地台的华熊台缘坳陷中部。经历了漫长的地质构造演化，并遭受多期的构造变动，工程区存在一些发育不充分且规模较小的断层，节理裂隙较发育，以陡倾角为主，缓倾角节理不发育，节理规模一般较小，断层、蚀变和节理裂隙较为发育。

根据前期勘察设计阶段资料，电站引水系统出露的基岩地层主要为燕山晚期花岗岩类侵入岩体，第四系松散地层主要为冲洪积、残坡积、崩坡积等作用形成的堆积物，花岗岩的组成主要为长石(55%～78%)和石英(15%～40%)。

引水系统沿线地下水类型主要是基岩裂隙水，主要向沿线大鱼沟、赵沟及白马涧排泄。洞室围岩类别以Ⅱ～Ⅲ类为主，微新岩体单轴饱和抗压强度为80～100 MPa，厂区应力场以自重应力为主导。最大主应力介于13.45～18.77 MPa之间，测试部位属中～低地应力区，引水斜井沿线埋深为229～647 m，通过自重应力场模拟洞室围岩地应力场，竖向地应力变化范围为6～17 MPa。

3 关键技术研究

通过分析工程特点及相关地质条件，可以梳理得出引水斜井采用TBM施工主要存在的关键技术问题为：①引水斜井布置方案；②引水斜井开挖尺寸拟定及其适用性；③引水斜井开挖支护设计原则。

3.1 引水斜井布置方案

3.1.1 TBM设备选择和倾角拟定

针对斜井项目，国外使用最多的是敞开式TBM，直径范围通常在3～5.8 m；其次是扩孔式TBM，最大直径可达到10 m；护盾式TBM应用相对较少，目前使用的最大直径是4.88 m。在现有案例中，全断面斜井TBM直径最大达到了8 m，最小在2 m左右，可实现的最大坡度达到了116%。具体应用案例见表1。由表1可知，当斜井直径超过7 m时，一般采用扩孔式TBM(倾角大于37°)或者自上而下的全断面TBM(倾角小于30°)；当斜井直径小于7 m时，一般采用全断面TBM(自下而上开挖)，倾角最陡角度为48°。

表1 国外抽水蓄能电站引水斜井TBM应用案例

表2为不同开挖方式的主要性能指标对比。表2主要对比了2种开挖方式，一种是采用全断面斜井TBM，单台设备一次开挖至设计断面；另一种是采用导孔TBM+扩孔TBM，导孔TBM由下至上开挖完成后，扩孔TBM由上至下二次开挖至设计断面。由表2可知，采用导孔TBM+扩孔TBM方式设备造价高，设备拆机转场复杂，而全断面TBM设备费用较低，掘进总线路较短，投资较省，施工综合进度更快。

表2 全断面TBM设备和导孔TBM+扩孔TBM设备主要性能指标对比

图1为斜井出渣轨道溜渣试验。对试验渣料从不同倾角的溜渣轨道(倾角26°～44°)进行自溜渣试验，对溜渣质量、渣料粒径进行分级统计，并计算溜渣时间、分析流速，试验结果如图1b所示。由图1b表明，渣料自溜的临界倾角为28°，即当倾角>30°时，渣料具备自溜条件，当倾角≤26°时，渣料不具备自溜条件，需采取辅助措施。

图1 斜井出渣轨道溜渣试验

结合洛宁抽水蓄能电站的工程地质特点，将TBM开挖洞渣料假定为表面粗糙的硬质岩，出渣轨道(U形钢槽)滑面假定为挡土墙，根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》，摩擦系数μ取值为0.65～0.75，取平均值后对应倾角角度为35°。

目前国外自下而上采用TBM施工的引水斜井最大开挖直径为6.6 m，倾角为48°。因此，国内首次应用TBM设备开挖斜井，倾角宜在35°～48°。

3.1.2 引水斜井布置方案

目前引水系统斜井采用TBM开挖主要有2种斜井布置方案。一种是根据电站引水系统立面布置特点，通过调整设计方案适应现有较为成熟的TBM施工技术，将引水上下斜(竖)井和平洞，调整为一级斜井布置，开挖断面进行统一，采用自下而上开挖，下平洞设置组装和始发洞室，上平洞设置接收洞室；另一种是采用可变径TBM施工，引水隧洞平、立面布置不变，斜井角度和开挖直径保持不变，上下斜井开挖断面统一，TBM从下斜井掘进到中平洞变径后再进行中平洞和上斜井开挖。2种布置方案见图2。

图2 引水斜井TBM施工布置方案

2种斜井布置方案各有优缺点，考虑到现有斜井TBM设备技术要求，并结合洛宁抽水蓄能电站的工程特点，洛宁抽水蓄能电站引水斜井最终设计方案采用方案1。引水斜井布置方案优化调整后，1号引水主洞斜井段长约928 m，倾角约为36°；2号引水主洞斜井段长873 m，倾角约为39°。

3.2 引水斜井开挖尺寸拟定及其适用性

3.2.1 引水斜井开挖尺寸拟定的原则

根据NB/T 10391—2020《水工隧洞设计规范》，斜井TBM开挖断面应为圆形，断面尺寸根据隧洞功能要求、支护及衬砌厚度、围岩变形量，并考虑掘进误差、刀头磨损等因素综合确定，且应满足掘进机设备开挖的最小尺寸要求。同时结合洛宁抽水蓄能电站的特点拟定如下设计原则：①不变径开挖，TBM开挖断面尺寸应具有一定的适用性。②压力管道水流惯性时间常数Tw值应满足调节保证设计要求。③斜井长度较短时，TBM施工引水斜井开挖洞径按照Ⅳ类围岩开挖尺寸进行确定；斜井长度较长时，TBM施工引水斜井的开挖洞径按照Ⅲ类围岩开挖尺寸进行确定。

在工程的可行性研究设计阶段，引水系统高压洞段采用钢筋混凝土和钢板衬砌。受洛宁抽水蓄能电站目前的场内运输条件限制，引水斜井钢衬段最大内径不宜超过5.6 m，与可行性研究设计阶段保持一致，同时，引水系统采用一级斜井布置方案，引水主洞长度减小了约110 m，为保证压力管道水流惯性时间常数Tw值以及水头损失与招标设计阶段推荐方案基本保持一致，引水斜井混凝土衬砌段内径可小于原招标设计方案6.5 m，但不宜小于5.6 m。

考虑到洛宁抽水蓄能电站引水斜井长度较短(<1 000 m)，TBM施工引水斜井开挖洞径按照Ⅳ类围岩开挖尺寸进行确定，同时应保证引水斜井压力钢管安装空间需要。

采用钻爆法施工时，5.6 m内径钢衬段最大开挖直径为7.36 m(Ⅳ类围岩)，最小开挖直径为7.0 m(Ⅱ类围岩)。采用TBM设备施工，设计开挖断面7.2 m，考虑TBM设备扩挖能力，最大开挖直径可以达到7.3 m。图3采用TBM施工时钢板衬砌段钢管安装及TBM施工围岩锚杆支护示意。由图3可知，压力钢管安装施工条件与钻爆法施工条件基本相当，Ⅱ、Ⅲ类围岩段安装条件更优。

图3 钢板衬砌段钢管安装及TBM施工锚杆支护示意

根据GB 50086—2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》表7.3.10有关于规定，对于埋深小于500 m的隧洞，Ⅲ类围岩隧洞、洞室周边允许相对收敛值(拱顶位移实测值与隧道宽度之比)最小值为0.4%。随着围岩类别和洞室埋深增加，洞室允许相对收敛值是增加的，考虑到洛宁引水斜井围岩类别主要是Ⅱ、Ⅲ类，因此以埋深300～500 m的Ⅲ类隧洞允许相对收敛值的下限作为引水斜井围岩变形量的控制值，即2.88 cm(0.4%)。综合考虑洞室围岩变形对衬砌结构的影响，掘进误差、刀头磨损，洛宁抽水蓄能电站引水斜井TBM设备直径为7.23 m；对于Ⅳ类围岩、埋深较大洞段，TBM设备的扩挖能力应满足引水斜井设计的要求。

3.2.2 斜井开挖尺寸的适用性

通过搜集整理各抽水蓄能电站发电水头、装机容量、额定流速、引水隧洞直径及流速，进行统计分析，初步拟定得到TBM施工下高压管道的经济流速；通过统计不同水头段高压管道设计Tw值及其变化规律、根据拟定高压管道经济流速，计算不同水头的电站高压管道直径及长度。统计表明，钢筋混凝土衬砌的隧洞，引水、尾水隧洞经济流速为3～5 m/s，高压隧洞经济流速为4～7 m/s，钢管道经济流速更大，一般在5～11 m/s。考虑到TBM施工开挖断面尺寸统一，并适当提高压力管道经济流速，初步拟定TBM施工斜井后断面流速为5.8 m/s。

结合洛宁抽水蓄能电站的调节保证设计性能，发现水头越高，允许Tw值越小，压力管道长度越长。根据初步拟定的TBM施工下斜井断面流速(5.8 m/s)以及压力管道运行Tw值，对不同水头和不同装机容量下TBM施工的斜井开挖直径和压力管道长度进行计算，计算结果见表3。

表3 不同水头、不同装机容量TBM施工斜井开挖直径计算结果

由表3可知，当电站额定水头在500 m以上时，斜井开挖直径至少要达到7.06 m。考虑到洛宁抽水蓄能电站目前TBM施工下斜井开挖直径为7.2 m，其推广适用性较广。因此，对于400 m水头段抽水蓄能电站，结合电站调节保证设计，对输水系统进行设计优化，以满足7.2 m开挖直径的要求。此外，TBM设备改造能力也能适应400 m水头段抽水蓄能电站的引水斜井施工。对于300 m水头段抽水蓄能电站，引水系统立面采用一级斜井(竖井)布置方式，斜井长度一般小于400 m，应用TBM施工经济性较差，不推荐采用TBM施工。

图4为不同经济流速、不同额定水头引水斜井过流断面开挖直径拟合曲线。由图4可知，引水斜井经济流速不同，引水斜井开挖直径差异较大，考虑到TBM施工引水斜井投资较高，建议适当提高经济流速，以降低TBM施工引水斜井的开挖直径和工程建设成本，同时提高7.2 m直径的TBM设备的适用性。

图4 不同经济流速、不同额定水头引水斜井过流断面开挖直径拟合曲线

3.3 引水斜井开挖支护原则

3.3.1 基于TBM施工的围岩分类系统

目前国内围岩分类主要依据设计前的地质勘探，分析影响围岩的各种因素，分析各种因素下的围岩的稳定性情况，并综合得出围岩分类。传统的围岩分类方法主要是依据岩体力学指标体系来进行分类和研究，主要的评价指标包括构造影响程度、结构面发育情况和组合状态、岩体完整性、岩石强度以及岩体强度应力比等。目前国内围岩分类系统评价指标中尚未引入施工方法的影响[4-5]。

相关学者研究比较了钻爆法开挖和TBM开挖对围岩扰动的影响，认为钻爆法开挖时，炸药爆炸会造成岩石裂纹区，即直接影响区(开挖面附近的第1影响区)，而TBM开挖时就没有这一裂纹区。无论采用哪种方法进行施工， 都会对围岩产生一种内应力重新分配而围岩仍完整稳定的区域。但当TBM开挖时，岩体中储存的变形能是逐步释放的，围岩应力应变曲线的连续性和过渡性较好， 而采用钻爆法开挖时， 开挖边界上的地应力瞬间动态释放， 位移和应力都不连续， 因此TBM开挖时的第2影响区(第1影响区外围)比钻爆开挖时小， 围岩支护成本明显降低[6]。

3.3.2 常规斜井TBM设备支护能力

采用TBM，施工开挖时的设备支护方案为顶拱180°采用挂网和系统锚杆支护(锚杆长度不超过3.5 m，与岩壁的法向夹角30°～35°)，顶拱270°采用喷混凝土支护，可以全断面采用型钢拱架支护。通过增加锚杆钻机后可实现顶拱270°挂网和系统锚杆支护。

3.3.3 常规钻爆法施工斜井支护要求

根据NB/T 10391—2020《水工隧洞设计规范》要求，Ⅰ类、Ⅱ类围岩，开挖洞径(洞宽)小于5 m的隧洞可不支护，5～10 m时宜采用喷混凝土支护，大于10 m的隧洞宜采用锚喷支护。遇有局部不稳定块体时应采用随机锚杆或锚杆束加固。Ⅲ类围岩宜采用挂网锚喷支护；Ⅳ类围岩宜进行钢筋混凝土衬砌，根据隧洞规模和地质条件，经分析也可采用锚喷、挂网或钢支撑等联合支护；V类围岩应进行钢筋混凝土或其他永久衬砌。在建类似工程斜井初期支护参数如表4所示。

表4 在建类似工程斜井初期支护参数

综合考虑TBM施工方法对围岩分类评价体系的影响、TBM设备支护能力、规程规范要求以及参考类似工程经验，初拟洛宁抽水蓄能电站引水斜井TBM开挖初期支护参数如表5所示(顶拱240°范围)。

表5 初拟抽水蓄能电站引水斜井TBM开挖初期支护参数(顶拱240°范围)

4 结 论

采用TBM技术进行引水斜井施工，可以优化引水系统布置，缩短引水系统长度，同等调节保证设计条件下，厂房位置可以适当向下游移动，可缩短水电站厂房辅助洞室长度，利于缩短厂房勘探平洞长度，提前探明厂房位置地质条件。此外，TBM施工技术作为一种机械化智能化施工技术手段，有利于安全文明施工，在抽水蓄能电站及其地下洞室群中有着广泛的应用前景。

综合考虑到斜井TBM开挖出渣效率和TBM设备掘进的安全性，洛宁抽水蓄能电站引水斜井倾角宜在35°～48°之间，当引水斜井倾角为36°～39°时TBM设备适用性较好。

当电站额定水头在500 m以上时，斜井开挖直径至少要达到7.06 m，考虑到洛宁抽水蓄能电站目前TBM施工下斜井开挖直径为7.2 m，其推广适用性较广。对于400 m水头段抽水蓄能电站，可以适当提高引水斜井流速，结合电站调节保证设计，对输水系统进行设计优化，以满足7.2 m开挖直径的要求。此外，TBM设备改造能力也能适应400 m水头段抽水蓄能电站的引水斜井施工。对于300m水头段抽水蓄能电站，引水系统立面一般采用一级竖井或一级斜井布置方式，引水斜井长度一般小于400 m，引水斜井应用TBM施工经济性较差，不推荐采用TBM施工。

在确定洛宁抽水蓄能电站引水斜井初期支护参数时，应综合考虑TBM施工方法对围岩分类评价体系的影响、TBM设备支护能力以及参考类似工程经验。此外，考虑到引水斜井后期需要进行钢筋混凝土或钢板衬砌，初期支护参数应根据工程的具体情况适当予以减小。