[德國] P.施麥 等

設(shè)計(jì)與施工

小型水電站隧洞的機(jī)械化施工

[德國] P.施麥 等

隨著外界對水電開發(fā)關(guān)注度的不斷增加，世界各地正在建設(shè)或擴(kuò)容改造各種規(guī)模的水電站，因此對水電站開挖技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的需求也日益迫切。水平或傾斜長隧洞(包括受壓襯砌隧洞)往往是解決水電站引水和排水問題的重要建筑物。主要論述了小型水電站開發(fā)的重要進(jìn)展，并通過精選案例，概述了當(dāng)前隧洞機(jī)械化開挖的相關(guān)技術(shù)。

小型水電站；隧洞開挖；隧洞機(jī)械化；施工技術(shù)

如今，由于中小型水電站建設(shè)速度快且符合分散能源供給的要求，無需配套建設(shè)大量基礎(chǔ)設(shè)施，越來越受到歡迎。小型水電站往往需要開挖小型隧洞，由于預(yù)算有限，因此須從經(jīng)濟(jì)性和適用性方面考慮小型隧洞的開挖和襯砌方案。初期投資高，研制周期長，一直是中小型水電站隧洞不采用隧洞掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工的主要因素。然而，經(jīng)詳細(xì)調(diào)研表明，中小型水電站隧洞機(jī)械化施工往往能實(shí)現(xiàn)更高的成本效率。其次，許多水電工程往往位于偏遠(yuǎn)山區(qū)或環(huán)境敏感區(qū)，交通和后勤保障也面臨巨大挑戰(zhàn)。

1 小型水電站的開發(fā)背景

目前，對于中小型和大型水電站的分類還沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，阿爾卑斯山地區(qū)通常將裝機(jī)容量小于10 MW的水電站定義為小型水電站。

20世紀(jì)末期，水電行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展了裝機(jī)容量大于100 MW的大型水電站的建造技術(shù)，而忽視了小型水電站的開發(fā)潛力，認(rèn)為其成本效率低。自20世紀(jì)90年代初，國際上為尋求替代能源，開始傾向于開發(fā)裝機(jī)容量小于5 MW的小型水電站。由于這類水電站能保證當(dāng)?shù)胤€(wěn)定的電力供應(yīng)，因此常常被認(rèn)為是偏遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長和社會(huì)進(jìn)步的象征。由于統(tǒng)一電網(wǎng)無法到達(dá)偏遠(yuǎn)地區(qū)，分散的小型水電站往往是能為這些地區(qū)居民生活和工業(yè)用電提供綠色能源的唯一途徑。工業(yè)化國家正在通過建設(shè)小型水電站，推動(dòng)可再生能源有效和可持續(xù)化的能源政策改革。在發(fā)展中國家，小型水電站則是替代柴油發(fā)電機(jī)的理想選擇。

大型水電站建設(shè)及科學(xué)研究積累的經(jīng)驗(yàn)大大促進(jìn)了小型水電站的發(fā)展，目前小型水電站建設(shè)可以采用最先進(jìn)的技術(shù)。由于修建水電站的主要目的是將水能轉(zhuǎn)化為電能，因此小型水電站往往被設(shè)計(jì)成徑流式水電站。

對于任何一座水電站而言，引水隧洞和尾水隧洞的布置往往受地形條件制約。輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅依賴于可利用水頭和水力梯度，還依賴于需輸送水的流量。如瑞士什萬登(Schwanden)雙輸水隧洞方案為，當(dāng)向低處輸送大流量的水時(shí)，隧洞只需很小的傾角。

2 隧洞TBM施工與傳統(tǒng)方法對比

相對于傳統(tǒng)的鉆爆開挖法，TBM開挖施工有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，TBM具有高度靈活性，不但可以在任何巖石和變化的土體中工作，還可在任何深度的水下和“液化土”中工作，且對環(huán)境影響較小。其次，TBM非常適合長隧洞施工，既可降低成本，縮短工期，還可提高施工規(guī)劃的可靠度，確保現(xiàn)場施工安全。

另一方面，和傳統(tǒng)開挖方式相比，TBM開挖初始投資可能較高，建造周期可能需要持續(xù)幾個(gè)月，甚至1 a，因此開工時(shí)間可能較晚。

如今，機(jī)械化的地下巖質(zhì)隧洞開挖技術(shù)可為大多數(shù)地下電站施工提供解決方案。根據(jù)預(yù)期土體情況，可采用盾構(gòu)或非盾構(gòu)TBM施工，且可采用多種形式的襯砌，甚至能在土體變化或不穩(wěn)定的條件下確保施工安全。

TBM的成本優(yōu)勢包括：①初始投資較高，但總體運(yùn)行成本較低，操作和維護(hù)人員少；②開挖斷面精度高，避免超欠挖和材料浪費(fèi)。TBM的工期優(yōu)勢包括：①可連續(xù)施工，單日掘進(jìn)速度快；②當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件變化時(shí)，通過機(jī)械設(shè)計(jì)和支護(hù)可將風(fēng)險(xiǎn)最小化，提高施工規(guī)劃可靠度。采用TBM開挖輸水系統(tǒng)可從以下方面降低間接成本。

(1) 靈活性。TBM可在任何巖石中掘進(jìn)，并能在任何深度的水或“液化土”中開挖。

(2) 安全性。通過控制開挖過程提高人員安全性。

(3) 影響性。噪音小，對周圍環(huán)境、建筑、基礎(chǔ)設(shè)施的擾動(dòng)小。

(4) 環(huán)保性。在隧洞內(nèi)外的尾氣排放較少。

(5) 開挖料可再利用。均一化的開挖料可用于鋪設(shè)道路等。

3 水電站隧洞施工技術(shù)

多數(shù)電站地下建筑物均涉及當(dāng)今所有機(jī)械化地下巖石開挖技術(shù)，而對于軟弱介質(zhì)開挖技術(shù)的需求則較少。根據(jù)地形條件，在某些情況下需要通過隧洞實(shí)現(xiàn)長距離輸水。

3.1 隧洞傾角

水電站利用水頭差實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能，因此傾斜隧洞和豎井是輸水系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。對于傾角小于5%的隧洞，機(jī)械開挖與水平開挖差別不大；傾角在5%～15%之間時(shí)，需對施工等級和TBM供給系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，其中包括TBM的材料處理系統(tǒng)和吊機(jī)，尤其是開挖料輸出系統(tǒng)和材料供給系統(tǒng)；傾角在15%～25%之間時(shí)，則需根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，對TBM進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，不僅TBM控制和材料供給系統(tǒng)受到影響，TBM的基本開挖和主要出碴功能還需和人行通道、物資通道以及工作臺協(xié)同調(diào)整。此外，維護(hù)工作和刀片控制等次生作業(yè)也需要重新設(shè)計(jì)和調(diào)整，還需重新考慮和設(shè)計(jì)液壓及潤滑系統(tǒng)、承載力等全套純機(jī)械技術(shù)工藝。

根據(jù)EN16191規(guī)范要求，對于傾角在15%～25%之間的隧洞，需要根據(jù)隧洞項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評估來確定TBM是否需要獨(dú)立的夾持系統(tǒng)，當(dāng)隧道傾角大于25%時(shí)，則強(qiáng)制要求增加夾持系統(tǒng)。

3.2 施工方法

對于大型水電站的隧洞，可采用眾所周知的硬巖TBM施工，能根據(jù)項(xiàng)目需要和機(jī)械類型提供不同的支護(hù)型式。中小型水電站的隧洞規(guī)模一般較小，通常采用頂管法或水平定向鉆進(jìn)法等施工工藝。總之，最有利于項(xiàng)目施工的方案為最佳方案。

在特定條件下，通過對施工工藝進(jìn)行調(diào)整，如特定的刀頭設(shè)計(jì)，可以提高施工效果。

3.3 開挖支護(hù)

確定隧洞施工方案后，需要根據(jù)機(jī)械類型和隧洞直徑確定支護(hù)方案。隧洞襯砌需要滿足兩個(gè)要求：

(1) 能承受不穩(wěn)定巖體或周圍土體壓力(外部壓力)；

(2) 對于有壓隧洞，襯砌要能夠承受隧洞內(nèi)部高壓。

頂管法(鋼管或玻璃鋼管)施工可同時(shí)滿足這兩個(gè)要求，對于圍巖超挖區(qū)域，甚至可以采用預(yù)制混凝土管片結(jié)合固結(jié)灌漿進(jìn)行處理，用該工藝局部處理的區(qū)域可承受高達(dá)2 MPa的內(nèi)水壓力。

由于大多數(shù)水電站為巖石介質(zhì)，因此巖質(zhì)隧洞的支護(hù)和機(jī)械開挖方案更受關(guān)注。頂管法可使用各種類型的管材，包括鋼管、玻璃鋼管及鋼筋混凝土管，而在地下鋼管安裝中，則大多采用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)。

3.4 TBM靈活性設(shè)計(jì)

在考慮小型水電站隧洞機(jī)械化施工時(shí)，機(jī)械設(shè)備的投資是決定性因素。因此，TBM設(shè)計(jì)需考慮其使用靈活性，以適用于不同工程，節(jié)約投資。選用能靈活適應(yīng)隧洞地質(zhì)條件、傾角、長度的TBM及相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范是降低水電站投資、保證水電站良好收益的重要途徑。根據(jù)不同的項(xiàng)目地點(diǎn)和具體條件，水電站常規(guī)的投資準(zhǔn)則是將每兆瓦裝機(jī)容量的投資控制在200～400萬美元。

4 精選歷史案例

4.1 巴西里奧韋爾梅柳電站撐靴式TBM施工

在偏遠(yuǎn)地區(qū)，越來越多的小型水電工程采用TBM施工。在巴西南部里奧韋爾梅柳(Rio Vermelho)地區(qū)幾座小型水電站的建設(shè)中，德國海瑞克(Herrenknecht)公司設(shè)計(jì)了一種緊湊型撐革化式TBM(直徑2 850 mm)，利用其開挖了6條隧洞(總長7.7 km)，分別對應(yīng)6座小型水電站，裝機(jī)容量分別為2～8.5 MW。第一條隧洞長775 m，傾角0.4%，裝機(jī)為 3.1 MW，月發(fā)電量達(dá)1 268 kW·h。

撐靴式TBM設(shè)計(jì)可在不同類型、長度和傾角的水工隧洞中靈活使用，其緊湊設(shè)計(jì)使現(xiàn)場控制和后勤工作得到簡化，TBM甚至可以在空間非常局限的情況下完成組裝，其可回收設(shè)計(jì)可使TBM得到重復(fù)利用。安裝、運(yùn)行、維護(hù)和拆卸所需的成本和時(shí)間被最小化，從而提高了總體成本效率。為應(yīng)對傾角近5%的隧洞施工，兩臺多功能車輛為TBM提供后勤服務(wù)，車輛設(shè)計(jì)得非常纖細(xì)，能應(yīng)對傾角高達(dá)8%的坡度(或可能應(yīng)對高達(dá)16%的坡度)，而這是軌道安裝系統(tǒng)所不能實(shí)現(xiàn)的。自2015年7月該項(xiàng)目第一條隧洞完工以來，施工單位繼續(xù)使用這臺TBM開挖了5座水電站的隧洞，總長度達(dá)3 km，包括轉(zhuǎn)彎半徑300 m的弧線段。

4.2 斯里蘭卡烏馬奧亞電站雙護(hù)盾TBM施工

烏馬奧亞 (Uma Oya)電站為在建多功能項(xiàng)目，包括兩座碾壓混凝土大壩，地下電站裝機(jī)容量為134 MW，地下隧洞總長度達(dá)25 km。該項(xiàng)目的主要任務(wù)是將烏馬奧亞河的水輸送到斯里蘭卡的東南部地區(qū)，并修建一座水電站。自2014年開工以來，兩臺海瑞克雙護(hù)盾TBM(內(nèi)徑3 600 mm，外徑4 100 mm)已在抗壓強(qiáng)度高達(dá)250 MPa的硬巖中完成了尾水洞(3.3 km)和引水洞(15.6 km)的開挖。襯砌管片在TBM尾部完成拼裝，刀片也針對高強(qiáng)度巖石條件做了調(diào)整。此外，后勤保障和現(xiàn)場管理對保證高速率掘進(jìn)非常重要。長3.3 km的尾水洞在2014年12月初竣工，最高開挖速率為46 m/d。

4.3 澳大利亞齊勒爾山谷小型水電站氣壓泥水平衡盾構(gòu)機(jī)頂管法施工

共計(jì)2 800座小水電站為澳大利亞170萬戶家庭提供電力，以滿足該國約9%的電力需求。在齊勒爾(Ziller)山谷地區(qū)，需另建一座水電站，可利用水頭為144 m，預(yù)計(jì)裝機(jī)容量為1.7 MW。由于環(huán)境規(guī)定有嚴(yán)格限制，壓力隧洞只能使用機(jī)械方法開挖。承包商選擇了一臺1600氣壓泥水平衡盾構(gòu)機(jī)(AVN)向山上開挖863 m，這臺設(shè)備具有通往刀盤更換工具的通道。

在地形不利及隧洞6°傾角條件下施工是人們面臨的主要挑戰(zhàn)。設(shè)備和所有頂管必須利用全輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)單獨(dú)運(yùn)送到現(xiàn)場。在隧洞施工初期，起始洞段地形坡度達(dá)11%，且部分洞段巖石含水量高。線路在空間上形成弧線且?guī)缀跖c小溪平行。針對此情形，海瑞克公司開發(fā)了一套特殊的監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量管理最優(yōu)化。通過該系統(tǒng)的監(jiān)測計(jì)算，能識別出施工早期關(guān)鍵的超負(fù)荷頂管，為建設(shè)質(zhì)量高、壽命長的建筑物奠定了基礎(chǔ)。

該電站于2008年9月開工，6個(gè)月后竣工。期間，施工團(tuán)隊(duì)克服了90 m的地勢高差和最大厚度達(dá)80 m的深厚覆蓋層難題。

4.4 意大利瓦爾達(dá)斯蒂科電站壓力水管水平定向掘進(jìn)施工

瓦爾達(dá)斯蒂科(Valdastico)電站位于意大利北部的維琴察(Vicenza)省，壓力鋼管長920 m。該項(xiàng)目通過收集艾斯阿格(Asiago)高原與艾斯蒂科(Astico)山谷的水資源進(jìn)行集中發(fā)電。

在采用鉆擴(kuò)法鋪設(shè)長約1 km、直徑30 cm的不銹鋼管線期間，需對450 m的高度差進(jìn)行修整。在施工場地受限且地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，這項(xiàng)工程的施工效果令人贊嘆。海瑞克公司的水平定向TBM在抗壓強(qiáng)度高達(dá)160 MPa、且常有孔穴和裂隙的石灰?guī)r中運(yùn)行良好。

5 結(jié)論與展望

在中小型水電站地下工程施工中，有多種機(jī)械化施工方案可供選擇，因此為每個(gè)項(xiàng)目選擇合適的方案尤為重要。機(jī)械化施工為水電工程提供了更多的施工方案選擇，為了實(shí)現(xiàn)能源開發(fā)最優(yōu)化，需要根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目的特點(diǎn)，對施工方案進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整。

這些機(jī)械化的隧洞施工技術(shù)將替代鉆爆法施工，為復(fù)雜地下洞室群施工提供便利。

截止目前，許多大型水電站站址已基本得以開發(fā)，但中小型水電站開發(fā)潛力巨大，尤其是在南美洲、亞洲及歐洲等地區(qū)。目前這些地區(qū)僅開發(fā)了50%的小水電潛能。2010年，在歐盟27個(gè)國家中，共建成21 800座小型水電站，總裝機(jī)容量超過了13 000 MW，年發(fā)電量達(dá)41 000 GW·h。為提高發(fā)電量及增加小水電在電網(wǎng)中的發(fā)電比例，未來需在滿足環(huán)保要求的前提下，大力開發(fā)中小型水電工程。

羅 憶 郭重汕 譯

(編輯：唐湘茜)

2016-12-26

1006-0081(2017)02-0023-03

TV742：TV554.9

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