抽水蓄能电站引水系统采用可变径TBM施工的布置研究

岳金文，朱静萍，杨 朝，童 慧，任 鑫，张祥富，耿必君

(1.湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南 岳阳 471700；2.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

抽水蓄能是目前技术最为成熟的大规模储能方式，对优化电网电源结构、缓解电网调节压力、提高当地风电光伏等新能源消纳具有重要作用。我国进入“十四五”时期，国家对抽水蓄能电站的需求更加强烈。为了更好地完成中国二氧化碳排放的承诺目标，国内抽水蓄能项目正处在开发的快车道，其建设呈井喷之势[1]。

抽水蓄能电站具有高水头的特点，在引水系统的选择上，目前开工建设的电站普遍选择多级斜井的布置方案，施工方法常采用反井钻开挖导井，然后钻爆法正向扩挖。上述施工方法存在着施工质量控制难度大、开挖进度慢、施工安全风险大、施工作业面环境差等问题，已经成为工程建设的制约因素[2]。

目前，TBM施工技术已成功应用于国内外重大水利、铁路、地铁等施工[3]。而在大坡度斜井TBM应用方面，国内尚无相关实施案例。国外已有80多个斜井项目成功应用TBM进行施工[4- 6]，斜井TBM的施工方法和安全性得到了充分验证。若采用TBM进行抽水蓄能电站的斜井施工，既可显著提高施工效率，缩短引水系统建设时间，降低施工安全风险，保护作业人员的安全；同时施工装备及技术提升，也将反哺抽水蓄能电站设计，可考虑将多级短斜井合并成一级长斜井的可能性，从而优化引水系统设计。因此，研究斜井TBM施工对抽水蓄能电站设计、施工以及我国TBM技术的发展都有较大的技术创新意义。

1 可变径TBM技术的研究意义

本文立足于抽水蓄能电站引水系统采用可变径TBM施工的布置研究，有两方面意义：

(1)对于抽水蓄能电站群、洞室群而言，可变径TBM的适用范围更广。在碳达峰、碳中和的目标下，近几年开工建设的抽水蓄能项目在现有基础上将会大幅增加，将会形成“抽水蓄能电站群”和“地下洞室群”的态势。这一背景为可变径TBM的应用提供了较为有利的应用环境。在“抽水蓄能电站群”的概念下，不同水头、不同流量电站引水斜井的经济洞径将有所不同，若TBM可实现一定范围内的变径，对电站引水斜井的开挖直径的适应性将大大提高；在“地下洞室群”的概念下，同一电站中除引水斜井以外，引水平洞、尾水洞、施工支洞、电缆廊道等大部分地下洞室开挖断面均在6～8 m左右，可变径TBM的变径能力基本可以覆盖这一直径范围，具备应用于同一电站内多处地下洞室开挖条件。总之，可变径将极大地提高TBM的适用范围，提高设备摊销里程，降低建设成本，应用前景较为广阔。

(2)可变径TBM技术可优化引水斜井的施工方案设计。目前，针对TBM施工下的斜井设计方案，研究方向一般是将两级斜井合并为一级斜井的不变径方案，主要目的是为了缩短引水系统长度，取消中部施工支洞，引水斜井的布置也更为灵活。同时该方案也带来了引水系统布置调整较大、两级斜井断面必须统一、长斜井衬砌施工困难和安全风险增加等新难题。TBM可变径、可变坡的施工性能能较好的解决这些问题，能较好的适应原钻爆法引水系统设计方案，保持两级斜井布置，不增加斜井长度和施工安全风险，两级斜井洞径可保持原设计不统一，较为经济。

2 引水系统布置方案

2.1 项目概况及可变径TBM参数

某抽水蓄能电站引水系统由上平段、上斜井段、中平洞段、下斜井段和下平段组成。上平段为坡度5%，长50.375 m。后接倾角为50°的上斜井，垂直高差约358 m，转弯半径30 m，上斜井长度438.913 m。中平洞坡度5%，长245.501 m。下斜井倾角50°，转弯半径30 m，垂直高差约355 m，长433.260 m。下平洞与下斜井转弯半径采用30 m，水平布置，长50.504 m，其后经对称“Y”形钢岔管与引水支洞相连。引水系统为两级斜井，斜井长度均超过400 m，上斜井、中平洞、下斜井开挖尺寸分别为8、7.5、6.5 m，布置见图1。

图1 某抽水蓄能电站引水系统布置示意

该引水系统的布置有三大特点：①平洞短，对立面转弯半径要求高；②斜井长，施工难度大，工期长；③上下斜井开挖断面不统一。这三大特点对TBM的应用也提出了相应的要求：①设备小型化，能适应小转弯半径的要求；②进行斜井TBM的研发，同时需兼顾平洞施工能力，实现可变坡；③适应开挖断面的变化，TBM要实现变径。

从TBM设备适应抽水蓄能电站引水系统布置的角度出发，提出并设计了可变径、可变坡TBM设备，其主要的设备参数见表1。

表1 TBM设备主要参数

2.2 方案拟定

某抽水蓄能电站原引水隧洞水平距离约1 090 m，引水上平洞与下平洞高差约726 m。采用TBM施工，可采用一级长斜井的布置方式和两级斜井的布置方式。

(1)方案1。考虑采用TBM施工时，由于TBM设备施工不限制斜井长度，因此首选将引水上斜井、中平洞和下斜井调整为一级斜井布置(见图2)。考虑到水力条件及开挖回填工程量，在斜井中部进行变径，开挖直径由6.5 m变径为8.0 m，考虑到对开挖断面的适应性，拟采用可变径TBM进行施工。

图2 一级斜井布置型式

(2)方案2。由于在一级长斜井布置形式下，斜井长度超1 000 m，在钢管安装、混凝土回填、混凝土衬砌等施工上带来了新的技术难点，为解决这些问题，利用TBM设备可变径、可变坡性能，适应引水系统两级斜井布置形式(见图1)。

2.3 方案比较

2.3.1 引水系统特征参数比较

TBM施工一级斜井方案与TBM施工两级斜井方案的引水系统特征参数比较见表2。

表2 两方案输水系统特征参数对比表

2.3.2 地形地质条件

两个方案输水系统平面位置相同，地形地质条件相同，区别仅在于因为立面布置方式不同，隧洞各部位埋深有所差异。因此两个方案从地形地质条件角度而言条件相当，基本无优劣之分。

2.3.3 输水系统水力学条件

从水力学角度而言，两个方案都是可行的，一级斜井方案转弯较少或较缓，水流较为顺畅，水头损失相对较小，因此一级斜井方案略优。从对机组的调速性能的影响而言，两个方案Tw值差别较小，均位于调速性能好的区域。

2.3.4 施工程序

两个方案的主要区别在于是否设中平段。

(1)方案1。引水斜井采用全断面自下而上TBM施工，在下平洞组装调试及始发，立面转弯通过下弯段进入斜井掘进，在斜井中部由6.5 m变径至8.0 m，完成上部斜井掘进，从上平洞接收洞室拆机运出。根据目前可变径的TBM设备要求，斜井下半段6.5 m的隧洞开挖完后，在斜井中部变径处需设一段平洞作为TBM设备的变径洞室，考虑利用②施工支洞端部进行扩挖，变径洞室断面要求为20 m×10 m×13 m，TBM在变径洞室变径到8.0 m后，二次始发进行斜井上半段的施工。

(2)方案2。在下平洞组装调试及始发，立面转弯通过下弯段进入下斜井掘进，开挖直径为6.5 m；完成下斜井掘进后进入中平洞，中平洞内布置变径洞室，设备变径为8.0 m直径；从中平洞掘进至上斜井，完成上斜井的开挖施工；自上平洞拆机运出。

方案1需在斜井中部②施工支洞端部布置变径及始发洞室，洞室位于三角区，形状不规则，为满足最小断面要求，开挖回填规模较大，且布置上不顺畅，需在斜井中部进行二次始发(见图3)。方案2利用中平洞布置变径洞室，布置上较为顺畅，二次始发位于平洞部位，难度较小，所需空间也较小，可有效降低变径洞室及始发洞室规模。

图3 ②施工支洞端部变径洞室布置示意

2.3.5 衬砌施工

衬砌是压力隧洞的重要组成部分，一般包括不衬砌、混凝土衬砌和钢衬等类型。目前，高水头抽水蓄能电站引水系统不衬砌较为少见，一般在低水头段采用混凝土衬砌、高水头段采用钢衬。当采用TBM施工后，若两级斜井变为一级斜井，则出现了同一条斜井中，上部采用混凝土衬砌、下部采用钢衬的情况。

下部钢衬施工，一般采用场外制作6 m大管节，利用卷扬机进行吊装，若采用一级长斜井方案，则斜井长度较长(1 000 m级)，从上平洞进行钢管安装的难度将显著提高，施工工效也将大幅降低。同时钢管混凝土回填施工也难度较大，小湾水电站400 m级、倾角32°斜井的混凝土溜槽入仓已属国内较为先进的水平，超长斜井混凝土入仓将成为制约施工的一大难题。

上部混凝土衬砌施工，从施工质量、效率等方面考虑，推荐采用滑膜施工，但是一级长斜井条件下，混凝土衬砌起点位于斜井中部，滑膜就位难度较大，也是制约施工的关键点。

斜井的施工程序为开挖施工→钢衬施工→混凝土衬砌施工，由于钢衬及混凝土衬砌需依次施工，往往导致整条引水斜井工期过长，成为制约整个工程的关键线路。

同时由于取消了中平洞，以上施工均位于同一超长斜井之中，施工干扰大、安全隐患高。

为解决钢管安装、混凝土入仓及混凝土衬砌滑膜就位等难题，同时也为优化斜井施工程序，缩短斜井施工工期，需在斜井中部保留施工工作面，因此，两级斜井布置下中平洞的保留，可有效降低斜井长度，降低钢衬、混凝土回填、混凝土衬砌施工难度，同时可为下部钢衬施工与上部混凝土衬砌同时施工提供条件。而两级斜井的布置，也为可变径TBM的施工，提供了更好的布置上的条件。

在衬砌施工难度、施工干扰、施工进度控制等方面，方案2优势较为明显。

2.4 推荐方案

综上所述，2个方案在隧洞长度、水头损失对机组稳定运行有利等方面，一级斜井方案略有优势、但无本质差别。在变径洞室的布置上，方案2的布置更为顺畅，施工难度小、工程量较省。在后续衬砌施工方面，方案2可有效降低斜井长度，后续衬砌施工技术成熟有保障，工期可控。

因此，采用TBM施工引水斜井时，推荐两级斜井的立面布置方案，相应的，需采用可变径TBM技术以适应该布置方案。

3 结 语

(1)抽水蓄能引水斜井采用TBM施工时，两级斜井布置可控制斜井长度，降低开挖、支护、衬砌等施工难度及安全风险，对原钻爆法工艺下的设计方案调整较小，钢管安装、混凝土衬砌等施工技术成熟有保障，施工工期更为可控，该布置方案优势明显、可靠度高。

(2)考虑到斜井TBM的可变径、可变坡性能，对引水系统的适应性更强，也可应用至类似断面范围的平洞和斜井项目中，可扩大TBM设备摊销范围，降低设备成本，应用前景较广。