乌海抽水蓄能电站TBM导洞施工技术研究

李佳宁

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

抽水蓄能电站地下洞室群规模大，洞室布置错综复杂，采用钻爆法开挖，作业面环境差、施工工期长、安全风险高、职业健康安全风险突出。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，并可实现隧洞开挖全机械化施工，显著提升隧洞开挖施工质量、安全水平和工期保证率，有效改善施工作业环境，有利于洞室围岩稳定。目前，国内抽水蓄能电站厂房排水廊道、自流排水洞等小断面隧洞已广泛应用TBM 施工技术，通风兼安全洞、进厂交通洞、输水系统竖井和斜井等大断面隧洞TBM 施工也已成功试点应用。

2 工程概况

乌海抽水蓄能电站位于内蒙古乌海市海勃湾区境内，主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房系统及地面开关站等组成，设计单机容量300MW，总装机容量1200MW。地下厂房系统由交通洞、厂房、主变洞、母线洞、通风兼安全洞等构成，其主要洞室地质条件如下：

a.交通洞。交通洞沿线地形较为起伏，地表高程1200～1527m，地形陡缓相间，上覆岩体厚度7～392m，沿线共有12条断层，其中规模较大的断层主要为f2、F18和F19。洞室沿线地下水埋藏较深，交通洞位于地下水位线以上。洞室围岩以Ⅲ类为主，进洞口段、页岩、不整合界面及构造发育部位围岩类别为Ⅳ类，F19断层带围岩类别为Ⅴ类，其中，Ⅲ类围岩占59.6%，Ⅳ类围岩占39.4%，Ⅴ类围岩占比1.0%。

b.地下厂房。地下厂房上覆岩体厚度261～377m，地层岩性为长城系黄旗口群(Zchn1)石英砂岩，厚层—巨厚层状，下伏地层为长城系黄旗口群(Zchn2)紫红色砂质泥岩。厂房沿线构造不发育，未见断层及软弱夹层发育，裂隙主要发育缓倾角层间裂隙；地下厂房位于地下水位以上，洞室围岩以弱透水性为主。主厂房、主变室及母线洞的顶拱、边墙、端墙围岩类别均为Ⅲ类，局部偶遇小断层或裂隙密集带处围岩类别为Ⅳ类。

c.通风兼安全洞。通风兼安全洞桩号通1+225～通1+870段围岩岩性为寒武系徐庄组(C-3x)的中厚层豹皮灰岩、蓟县系王全口群(Zjwn)白云质灰岩与石英砂岩互层和长城系黄旗口群(Zchn)石英砂岩。沿线揭露f10、F19、fp11、fp7、fp9、fp106条断层。洞室围岩以Ⅲ类为主，Ⅲ类围岩占74%，Ⅳ类围岩占23%，Ⅴ类围岩占比1%。

3 TBM施工技术应用情况

抽水蓄能电站平洞采用TBM施工的分为两类：一是采用φ3.5m的小转弯半径的TBM进行地下厂房排水廊道和自流排水洞施工，以及地质探洞施工，此类施工方法在国内文登、平江、洛宁及垣曲二期等工程已有应用；二是采用φ9.5m的TBM进行交通洞和通风兼安全洞全断面开挖施工，此类施工方法在河北抚宁抽水蓄能电站首次使用(见表1)。

表1 国内抽水蓄能电站工程TBM应用情况

4 TBM导洞施工方案比选

乌海抽水蓄能电站工程施工控制性项目为地下厂房系统，通风兼安全洞工程是地下厂房首层开挖的唯一通道，采用全断面钻爆工艺进行洞挖爆破施工，受围岩条件复杂多变影响，施工工期存在较大的不确定性。因此，乌蓄公司组织专家和参建方经多次研究、论证，提出采用小直径TBM开挖导洞的施工方案。根据乌蓄地下洞室群布置的特点，其开挖路径方案有如下3种方案：

方案1：采用TBM仅施工通风兼安全洞剩余洞段导洞，贯通后空驶退出。

方案2：交通洞→地下厂房→通风兼安全洞一线。TBM施工导洞和通风兼安全洞全断面钻爆同时施工，TBM自交通洞口始发，经地下厂房至通风兼安全洞开挖面驶出形成导洞后，对交通洞、通风兼安全洞剩余洞段进行二次钻爆扩挖。

方案3：通风兼安全洞→地下厂房→交通洞一线。TBM施工导洞和交通洞全断面钻爆同时施工，TBM自通风兼安全洞现有开挖面始发，经地下厂房至交通洞开挖面驶出形成导洞后，对交通洞、通风兼安全洞进行二次钻爆扩挖。

经过论证分析，方案1需要TBM空驶退出，此时通风兼安全洞钻爆开挖无法进行，等待时间长，相对不合理；方案2、3均通过地下厂房，将通风兼安全洞、交通洞先形成导洞，方案2 TBM导洞施工与通风兼安全洞全断面开挖相向施工，对于通风兼安全洞提前贯通更有利，因此最终选定方案2。

TBM掘进路线从交通洞洞口始发，沿交通洞→主厂房→通风兼安全洞，至通风兼安全洞开挖面驶出，在通风兼安全洞内拆卸(见图1)。

图1 TBM掘进路线示意图

交通洞全长2041.385m，交通洞洞口段TBM始发洞掌子面桩号，即TBM掘进起始桩号为交0+18.891。厂房及通风机室水平投影长度为182m，TBM导洞在交通洞末端于顶拱部位进入厂房，进入厂房后以4.5%的坡比升坡至通风机室底板，掘进路线水平投影长度为182.082m，然后进入通风兼安全洞。通风兼安全洞全长1871.816m，通风兼安全洞全断面爆破开挖掌子面桩号，即TBM导洞贯通桩号为通1+224.328。共计掘进长度为2852.064m，平面曲线段历经5处半径100m/100.014m转弯，曲线段长604m。

5 TBM导洞施工成效

5.1 地质成果复核

根据TBM导洞实际揭露的地质条件，交通洞与之前设计图纸地质情况差别较大，厂房和通风洞地质情况略有差别，具体情况如下：

a.交通洞。洞口Ⅳ类围岩段长度增加，洞口段位于寒武系崮山组地层内，该地层受F1(桌子山西缘断裂活断层)和f2错动影响，岩体结构破碎，裂隙面多锈染夹泥，围岩以Ⅳ类为主，洞口段Ⅳ类围岩长度由20m增加到85m。

洞身页岩段Ⅳ类围岩长度变短，前期预测桩号 0+652.6～1+134.5段为徐庄组第三层页岩出露，实际开挖揭露岩层倾角变缓，页岩段几乎未出露，围岩以徐庄组第二层中厚层灰岩为主，围岩类别为Ⅲ类。

主要断层出露位置及产状略有差异，断层预测位置较准确。其中F18断层产状变化较大，预测产状为NE15°NW∠75°，实际揭露产状为NE20°NW∠35°，实际揭露断层宽度及性状较预测偏好。断层揭露更加全面，前期预测交通洞出露12条断层，TBM实际揭露出露20条断层，对断层的位置、产状及对围岩稳定的影响揭露得更加精准。前期地质资料预测了溶蚀宽缝出现的情况，但未预测准确，TBM导洞将溶蚀宽缝的出露位置、产状及宽度揭露得更加准确。

TBM导洞新揭露1条软弱夹层Rj1，对交通洞及地下厂房围岩稳定性分析及支护措施设计提供了准确的地质资料。围岩划分更加精准合理，前期预期Ⅲ类围岩占59.6%，Ⅳ类围岩占39.4%，Ⅴ类围岩占比1.0%；TBM揭露后优化为Ⅲ类围岩占87%，Ⅳ类围岩占13%。

b.地下厂房。导洞开挖揭露的厂房工程地质条件较前期预测基本无变化。沿线未见断层，裂隙密集带不发育，但裂隙发育程度较高，主要发育缓倾角层间裂隙及NEE、NNE及NNW向三组陡倾角裂隙，岩体完整性为差—较完整，围岩类别以Ⅲ类为主。

TBM新揭露软弱夹层Rj1在厂房上下游边墙出露，对厂房顶拱及岩锚梁影响较小，但不排除厂房开挖过程中新揭露平行于Rj1的其他软弱夹层的可能。

c.通风洞。主要断层出露位置及产状略有差异，洞室内规模较大的断层为f2、F18及F19，f2预测出露桩号为0+106.2～0+112.2，实际揭露桩号为0+100～0+111.5；F18预测出露桩号为0+570.8～0+602，实际揭露桩号为0+573～0+585；F19预测出露桩号为1+412.6～1+452.5，实际揭露桩号为1+345～1+325，其中，f2和F18为通风洞开挖揭露，F19为TBM导洞揭露。地层岩性分界更加优化，由于F19断层位置发生变化，其上盘为石英砂岩，下盘为徐庄组第一层的页岩和第二层的灰岩。

5.2 施工进度

TBM导洞施工从设备安装调试到导洞贯通，实际完成时间较合同节点提前约3个月，见表2。

表2 TBM施工关键节点工期对比

5.3 施工质量

洞室群TBM导洞开挖共30个单元，已评定23个单元，合格率100%，优良率100%，设计轮廓(除地质缺陷外)最小偏差1.3cm，最大偏差4.9cm，平均偏差3.4cm。支护共19个单元，已评定10个单元，已评定单元合格率100%，优良率100%。TBM导洞贯通误差：水平方向偏差1.6cm，垂直方向偏差1.4cm，实现精准贯通。

5.4 安全监测

交通洞TBM导洞采取布设反光片、全站仪测量的方式进行围岩表面变形监测。共布设监测断面31个，监测断面的位置一般选择在有不利构造或存在围岩变形失稳隐患的部位。监测频次最初一周每天1次，其后根据变形速率情况减小到一周2次、一周1次的频率，按照规范要求在变形速率不大于0.2mm/d后，再续测2～3周结束观测。目前已结束观测的断面有17个，其余断面已监测到2023年5月22日。

根据当前已测数据，围岩收敛累计值较大(超过10mm)的有4个断面，分别位于0+112、0+210、0+360、0+500处，其沉降量累计值也相对较大，均超过5mm。F19断层部位(1+500)经过支护后，收敛累计值2.7mm，沉降量累计值3.7mm。当前在测断面变形速率为0.007～0.023mm/d，围岩变形基本收敛。

6 结 语

乌海抽水蓄能电站工程采用TBM导洞+钻爆扩挖的施工技术，该技术充分结合了成熟的TBM技术与“钻爆法”，不仅加快了地下工程开挖施工进度，而且通过导洞进一步探明了地下洞室的地质条件，为优化洞室支护设计奠定了基础，确保了施工的安全性及经济性。