某压缩空气储能人工地下硐库新奥法与盾构法施工的经济性研究

吕 辉

（中铁一局集团有限公司，陕西 西安 710054）

0 引言

随着风电和光伏等可再生电能在我国总电能中占比的增加，这些可再生能源发电的间歇性与波动性问题日益突出[1-5]。对于我国这样的电能消耗大国而言，日益增大的电网峰谷差也增加了电网调峰的难度。为了缓解电网调峰的压力同时减少弃风弃光率，使得可再生电能高效利用，储能技术的研究逐渐受到重视。而压缩空气储能以储能容量大、周期长及范围广等优势成为储存可再生电能的首选方式[6-8]。从空间利用率、选址灵活性、安全可靠性及经济性价比等角度综合考虑，人工地下硐库储气是发展的趋势，而人工地下硐库的修建以新奥法与盾构法为主[9-10]。孙冠华等[11]将浅埋隧道式人工地下硐室的潜在失稳模式等效为常微分方程组的初值问题，在求解的同时还研究了埋深、硐径、地应力系数以及内摩擦角对地下硐室失稳形态的影响。吴金龙等[12]研究了级数、上端差、节流阀后压力等关键参数对绝热压缩空气储能系统的热力学效率与经济性的影响。徐英俊等[13]假定岩体符合Hoek-Brown 准则基于极限分析上限定理研究压气储能地下岩石洞室在高气体内压作用下的隆起破坏模式。可看出对于压缩空气地下硐库的研究主要在力学性能的分析，而对于人工地下硐库修建工法的经济性对比研究较少。本文以某压缩空气储能人工地下储气硐库工程为例，比较新奥法与盾构法施工造价与工期的差异，为压缩空气储能人工地下储气硐库施工方法的合理选择提供参考建议与借鉴。

1 压缩空气储能

压缩空气储能是储存电能的一种新型物理储能技术，储能系统技术基于燃气轮机技术，利用压缩空气作为介质转换能量形式来储存电能的新技术，起到调节电力峰谷和改善电力品质的作用 。压缩空气储能与释能的过程可以由图1 所示。在用电低谷期，当风能或者太阳能产生的电能无法消纳完时，为了避免浪费，此时利用电动机压缩空气来储能，将电能转换为高压空气的势能。当遇到用电高峰期时，将压缩空气释放到膨胀机中，通入多级透平膨胀做功驱动发电机发电，完成压力空气转换为电能的释能过程。储气装置可分为地面钢储气罐、天然洞室与人工地下硐库储气。可将报废矿井、过期油气井与盐穴等作为地下硐库储气，实现资源的再次利用。由于储气不仅需要多达数十万方的容积且最大内压可达18MPa，因此选址的围岩一般为致密硬岩需具有一定的稳定性与气密性。利用盐穴建设成本相对低且技术相对成熟，但国内闲置盐穴资源和具备适用性条件的场址稀缺。废弃矿井或过期油气井地质条件不尽相同，理论上可通过改造加固等方案达到使用条件，但改造过程的安全风险性较大，改造加固费用往往高于新建人工地下硐库。虽然人工地下硐库需用混凝土衬砌加固，建设成本相对较高，但是因其选址自由而具备大规模推广的条件。从空间利用率、安全可靠性、选址灵活性及经济性价比等角度综合考虑，人工地下硐库储气是发展的趋势。人工地下硐库根据布置形式一般可分为大罐式、厂房式及隧道式等。大罐式是将地下硐库建成大型罐体结构，适用于大容积的存储但是需要多设置交通道增加工作面出碴等，相对隧道式开挖跨度大、穹顶施工难度大、造价高。厂房式是将地下硐库建成具有分区的硐库结构，虽然可分区存储压缩空气，但为分区增加了地下辅助结构设计而增加费用，同时还因设置地下室进出口而占用地面空间。隧道式就是挖掘地下通道并设置存储设施，将地下硐库建成隧道的结构。相较于前两种形式，隧道式地下硐库在空间利用率、工艺成熟度、造价等方面具有综合优势。因此，隧道式更适合大容积存储人工地下硐库的修建。隧道式人工地下硐库的修建可借鉴公路、铁路及地铁隧道修建过程中常采用的新奥法施工或者盾构法施工，对于大断面隧道修建具备非常成熟的技术和经验。

图1 压缩空气储能系统示意图

2 人工地下硐库新奥法与盾构法施工

盾构法是指利用盾构机完成开挖及支护的施工方法，即利用盾构机刀盘开挖土体，运用刀盘稳定开挖面、盾构钢壳支护周围土体，掘进同时在机内完成支护、拼装管片形成衬砌，盾构机掘进示意图如图2 所示。该工法机械化程度高，但是相比新奥法，在前期需要建设盾构始发井与接收竖井、管片厂等配套设施，总花费较高，对于短区间经济效益差。并且盾构机尺寸固定，截面灵活性较差。盾构机的选型与定制还需遵循三角理论总则，设备有一定的专款专用性，即“一个中心、两个基点、三依三实、三大目标”。

图2 盾构机掘进示意图

施工工法的选择是一项综合性分析评价的结果。对于城市地铁而言，由于地面与地下建筑的密集度与复杂性，作业空间受限，加之保障居民日常生活、交通出行与安全等因素，采用盾构法施工。一般而言，当施工区间短于500m 时，若采用盾构法造价将高于新奥法。这是由于盾构法固定费用（盾构装拆、端头加固、设备摊销等）占总费用的比例是随区间长度增加而降低。当围岩等级越高且越均质，新奥法的辅助工法花费越少。因此，当区间较短时新奥法从造价角度是优选工法。

3 某压缩空气储能人工地下储气硐库工程

3.1 工程概况

通过储气容积10 万m3的某压缩空气储能人工地下储气硐库项目，来比较新奥法与盾构法在经济与工期方面的差异性。该项目运营期储气压力为10MPa，最小埋深为100m。采用外径13m，长度为1 000m 的圆形截面隧道式地下硐库布置形式。该区域海拔平均为1 500m 左右，以冲洪积平原、低山丘陵及中高山为主。岩层以第四系松散层及岩浆岩为主，硐库区围岩以奥陶系辉长岩为主，围岩等级为Ⅴ级，地下水以基岩裂隙水为主。

3.2 新奥法造价与工期构成

关于本工程新奥法施工造价与工期主要包含前期准备阶段、开挖及支护施工阶段与后期工序等三部分，各部分具体包含内容及造价在下面详细介绍。

3.2.1 前期准备阶段

前期准备阶段包含后续新奥法施工所需建设的辅助施工斜井与台车的拼装等，新奥法施工所需建设的斜井总长度为405m，建设工期及造价如表1 所示。新奥法前期准备所需时间为5.5 个月。

原料：大米 25 g，黑米 25 g，大豆 25 g，红豆 25 g，核桃仁 25 g，花生 25 g，红枣 15 g，桂圆 10 g（2人份）。

表1 新奥法工序造价及工期

3.2.2 开挖及支护施工阶段

本工程新奥法开挖及支护施工阶段包含有开挖施工、初期支护施工、仰拱施工及二次衬砌施工四个部分。前三个施工进度是90m/月，二次衬砌施工进度为100m/月，本阶段所需工期为11.5 个月，新奥法施工在本阶段是人工投入最大的阶段。本阶段具体工期与造价如表1 所示。

3.2.3 后期工序

新奥法后期工序仅为台车的拆除，所需时间为半个月。

3.3 盾构法造价与工期构成

盾构法造价主要包含前期准备、盾构施工与后期工序等三部分，各部分包含内容及造价如下。

3.3.1 前期准备阶段

盾构法前期准备工作包含盾构始发竖井施工、盾构接收竖井施工及支护管片的生产三部分。对于盾构始发与接收竖井可以同时施工以减少所需工期，本工程盾构竖井建设需要6 个月时间。管片生产可建管片厂自产或利用既有管片厂订购。考虑本工程周边环境及运输情况，选择建厂自产。隧道开挖掘进前需将管片生产完，管片混凝土养护周期为28d，需要养护存放检验。隧道衬砌面积40 840m2，按规范3 层堆放，存储面积13 613m2。因此，本工程建厂生产线面积为6 000m2，混凝土养护池使用面积为2 400m2，管片储存场地使用面积为5 200m2，总面积约占地21 亩。本工程生产支护管片的临时用地与建厂费用约500 万元。由于管片生产场地需要自建，因此预留给生产管片的时间仅有3 个月。本工程需使用556 环大直径盾构管片，每环宽1.8m，每环管片由10 片组成。每套模具生产能力为2 环/d，日产量8 环/d，生产线配备4 套模具，生产管片花费时间为2.5 个月。本工程投入的管片生产线包含4 套模具、6台门吊及其他周转材料，共花费约1 350 万元。前期准备阶段具体所需工期及造价如表2 所示。

表2 盾构法工序造价及工期

3.3.2 盾构施工阶段

盾构施工阶段包含盾构机的拼装、盾构机掘进与注浆施工及管片安装三个部分。对于盾构机的拼装除了盾构机的组装以外还包括盾构始发部位、接收部位采用冻结法加固，所需时间为2 个月。盾构机掘进、注浆及管片安装的进度为330m/月，所需工期为3 个月。具体工期及造价如表2 所示。

3.3.3 后期工序

盾构法后期工序包含盾构机的接收及拆除两个部分，具体造价与工期如表2 所示。

3.4 新奥法与盾构法施工经济性比对结果与建议

3.4.1 施工方法的经济性对比

依据表1 与表2 对比可知，对于本工程截面外径13m，施工区间长度为1 000m 的情况，采用新奥法施工所需的工期为17 个月，而盾构法施工工期为12 个月。由图3 可看出，新奥法工期主要是花费在施工中期的隧道开挖与支护工序之上，这是由于新奥法机械化程度低的原因。而盾构法由于施工前期准备工作众多花费时间较多，由于机械化程度高，开挖与支护阶段花费时间少，采用盾构法施工会缩短工期5 个月。这说明采用盾构法机械化程度明显提高，节省工期明显。而在经济维度，采用新奥法施工造价约为1.4 亿元，而盾构法施工造价约为3.99 亿元，采用盾构法施工造价多2.59 亿元。由图4 可看出，采用新奥法施工，施工中期的开挖与支护阶段花费占总造价的比例高；而采用盾构法施工，施工前期的准备阶段花费占总造价的比例高。这说明盾构施工前期一次性投入过大，而新奥法则是施工阶段投入过大，随着施工距离的增加，盾构法施工的经济性才能体现出来。对于本工程这种单一任务且施工区间距离短的情况是不具备经济性的。因此对于新奥法与盾构法的选取除了施工区间这种单一指标判断外，还需充分考虑其他因素，下面将对盾构法施工经济效益进行剖析。

图3 不同时期新奥法与盾构法施工工期图

图4 不同时期新奥法与盾构法施工造价占比图

3.4.2 盾构法经济效益剖析与建议

对于本工程而言采用盾构法施工所产生的造价是远远高于新奥法施工，对于盾构法施工的经济效益需要详细地论证并针对盾构法施工造价高提出合理建议：

（1）盾构机本身造价高

本工程所需的13m 直径盾构机造价约为1.3 亿元，大修寿命一般为10km，所产生的摊销费用约为20 000 元/m，而市场租赁一般为自购摊销费的2 ～3 倍左右，需要一次性投入。压缩空气储能人工地下硐库对地质条件要求较高，且硐库断面直径较大，盾构机可租可用的概率较小。如果不考虑盾构机本身摊销费用，在水文地质条件、施工条件与支护强度等相同条件下，新奥法与盾构法施工造价是基本相当的。所以，当施工区间较长且考虑提早营运收益可观的情况下，可以适当考虑盾构法施工。

（2）盾构始发与接收竖井建设费用

与新奥法施工相比，盾构法施工存在较大的一次性投入项目，即盾构始发与接收竖井的建设费用，本项目而言就增加了1.07 亿元竖井建设费用。盾构机主机为整体钢壳，不能拆卸解小运出，考虑掘进的同时需要考虑作业完成后设备退出路径。在城市地铁项目设计时，地铁车站、通风井在施工阶段被兼做始发井、接收井功能使用，在贯通后继续修建其地铁车站、通风井的永久性结构功能。为了将竖井与盾构主机钢壳应用在储气硐库中以优化造价，降低成本。本文提出在满足储气安全与稳定的前提下，降低硐库的埋深，这样可以减少竖井施作深度，进而降低造价。并优化竖井设计，将竖井转化为储气硐库的永久结构，这样减少了施工结束对竖井的综合处理与弃置赋闲。目前压气储能内衬洞室密封层的研究，原理分为两种，刚性约束原理和柔性约束原理；材料方向主要分为高分子材料和钢材。随着工艺、工法、工装、成本等不断迭代升级，从降低制造成本出发，硐库从选址、设计阶段，降低埋深和支护参数都将是趋势。对于盾构机主机弃壳而言，可将其作为储气硐库钢内衬的一部分。

（3）管片厂费用

对于本工程而言，当采用盾构法施工时，预制管片厂使用完成后按照50%折旧处理，需要花费925 万元。假设储气硐库所处位置偏远，周边城市没有可利用管片厂定制生产的条件，且其他城市运输距离较远、路况不良，运输成本高；管片厂只得采用自建方式。优化造价，降低成本。可通过合理规划地下储气硐库地面的设施，将地面永久建筑物与地面临时建筑物结合实施，来降低管片厂建设投入费用。也可通过优化施工工法，综合研究论证，盾构机开挖加模筑施工二衬砼方法。

4 结论

为了缓解电网调峰的压力并高效利用可再生电能，储能技术的研究逐渐受到重视，人工地下硐库储气是发展的趋势。本文以某压缩空气储能人工地下储气硐库工程为例，比较了盾构法与新奥法施工造价与工期的差异，提出主要结论：

（1）对于本工程盾构法施工一次性投入过大，在本工程中不具备经济性；

（2）论证了盾构法施工的经济效益，提出合理建议，为压缩空气储能人工地下储气硐库施工方法的选择提供参考。