尚海龍，吳朝月，李 冰，潘福營，王 凱

(1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761)

0 引言

抽水蓄能電站地下隧洞群規(guī)模大、項目繁多、工程量大，特別是地下隧洞斷面形式多樣，尺寸大小不一，比較適合鉆爆法施工，但鉆爆法開挖存在施工機械化程度低、勞動力投入大、安全風險高、施工工期長、作業(yè)面環(huán)境差等不利因素。

目前,在公路、鐵路及水利工程的隧洞開挖中已廣泛應用全斷面巖石隧道掘進機(tunnel boring machine，簡稱 TBM)。TBM施工技術具有安全環(huán)保、自動化程度高、節(jié)約勞動力、施工速度快等優(yōu)點, 可以實現(xiàn)隧洞工程的全機械化施工,可顯著提升隧洞開挖的施工質量、安全水平和工期保證率。

由于TBM設備開挖的洞徑尺寸可調整范圍很小(一般不超過30 cm)，單個抽水蓄能電站進廠交通洞設計長度又有限(一般不超過2 km)，而根據(jù)水電工程已有研究成果[1]表明，TBM施工洞長為5～10 km才能與鉆爆法具有相同的經濟合理性，因此，一般單座抽水蓄能電站進廠交通洞施工時不具備單獨配置TBM設備的經濟性。為了在抽水蓄能電站進廠交通洞開挖中發(fā)揮TBM安全環(huán)保、高效快速等優(yōu)點，并實現(xiàn)TBM多站連打，以降低隧洞開挖安全管理風險，提高抽水蓄能電站工程總體進度保證率，需考慮通過提高TBM在多座抽水蓄能電站間的應用洞長以提高其經濟性。

目前，國內對TBM施工技術已經開展了廣泛的應用研究。杜立杰[2]、荊留杰等[3]主要對TBM設備研制和應對復雜地質、大坡度、高海拔、不同直徑、不同機型、超長隧洞TBM施工方面取得的經驗、技術積累和施工新技術進行了總結，預測了TBM未來發(fā)展趨勢并提出了改進建議。鄧銘江等[4]提出對深埋超長距離輸水隧洞TBM獨頭掘進、出碴、通風等施工組織方面，應結合現(xiàn)代化的科學手段進行系統(tǒng)攻關。趙海雷等[5]、孫振川等[6]結合工程實踐，對敞開式TBM應對灰?guī)r隧洞不良地質段提出了超前地質預報、鋼拱架、鋼筋排和噴射混凝土聯(lián)合及時支護等一系列施工方案和措施。宋法亮等[7]針對高地熱、高地應力、斷層破碎帶、高壓突涌水等地質條件，研究提出了TBM超前地質預報、鋼筋排和鋼拱架聯(lián)合噴射混凝土及時支護、合理調整掘進參數(shù)的施工方案和措施。鄭孝福[8]以西秦嶺特長隧道TBM施工有軌運輸系統(tǒng)運行情況為例，對整個運輸系統(tǒng)設置的方法和調整過程進行了總結，提出臨時工程設計應重視洞外車場布置，施工過程中對有軌運輸系統(tǒng)要運用信息化手段進行實時調整。文獻[9-12]對TBM導洞擴挖法在國內外隧洞工程中的應用情況進行了介紹和分析，就TBM直徑及導洞位置進行比選, 認為TBM導洞擴挖法能達到經濟合理、安全可靠、縮短工期的目的，同時結合錦屏二級電站施工實踐，認為在極強巖爆工況下采用TBM導洞擴挖法具有良好的效果。在文登抽水蓄能電站中，通過對抽水蓄能電站進廠交通洞和引水壓力管道方面進行TBM方案研究，提出了引水壓力斜井和交通洞、通風洞短洞長打的施工方案[13]。呂永航[14]對抽水蓄能電站應用TBM的開挖方式進行了探討，提出TBM在抽水蓄能電站的開挖建設上具有推廣應用價值。劉長利[15]針對鐵路隧道TBM施工與斷面統(tǒng)一問題，提出了采用剛性接觸網(wǎng)、減小疏散通道寬度、縮小凈空有效面積等優(yōu)化隧道內輪廓和斷面的方法。

國內對TBM施工技術從整體發(fā)展到具體工程應用、從設備結構到施工配套均開展了深入的研究，但很少針對抽水蓄能電站的隧洞系統(tǒng)進行具體的應用研究。本文依托國內擬建的抽水蓄能電站，對各擬建抽水蓄能電站進廠交通洞進行通用斷面研究。首先，分析國內已建和擬建的鉆爆法施工抽水蓄能電站進廠交通洞斷面尺寸范圍；然后，對控制交通洞斷面尺寸的關鍵因素進行分析，并確定其控制條件；最后，基于TBM施工技術，優(yōu)化抽水蓄能電站進廠交通洞運輸功能，提出能同時滿足多個抽水蓄能電站進廠交通洞功能的通用化斷面尺寸，為TBM在抽水蓄能電站進廠交通洞的廣泛應用創(chuàng)造條件，在發(fā)揮TBM技術優(yōu)勢的條件下，提高其應用經濟性。

1 進廠交通洞斷面特性

一般的抽水蓄能電站工程的進廠交通洞斷面形式和尺寸主要受運送輸水系統(tǒng)鋼管和機電設備等大件尺寸的限制，因此，斷面尺寸各不相同，比較適合于鉆爆法施工。如國內已建的十三陵、敦化、洪屏等項目，其進廠交通洞斷面均采用城門洞型，斷面尺寸由于考慮整體運輸鋼岔管的需要也各不相同，具體見表1。

表1 國內已建和在建抽水蓄能電站進廠交通洞尺寸

本次研究的擬建抽水蓄能電站在已確定的進廠交通洞設計方案(采用鉆爆法施工)中，進廠交通洞斷面也采用城門洞型，其尺寸差異較大,無論是斷面形式還是尺寸以及單洞洞長均不滿足現(xiàn)有TBM設備的施工經濟性需要，具體見表2。

表2 國內擬建抽水蓄能電站進廠交通洞尺寸(鉆爆法)

通過對上述已建、在建和擬建的抽水蓄能電站交通洞特性分析可知，各工程交通洞凈寬基本在7.5～8.5 m，凈高在7.0～9.0 m。其中，已建和在建工程中單機容量300 MW的大部分工程的交通洞凈寬在7.5～8.0 m，凈高在7.5～8.5 m，如西龍池、寶泉、洪屏、呼蓄、沂蒙。單機容量大于300 MW的工程除洛寧、渾源交通洞凈高尺寸較大外(8.8～9.0 m)，其他如平江、桐城工程交通洞凈寬尺寸均接近8.0 m，凈高尺寸接近8.5 m；裝機容量小于300 MW的工程項目交通洞凈寬均在7.5 m以內，凈高在8.2 m以內。

綜上分析，已建和在建單機容量300 MW的抽水蓄能工程的交通洞凈寬基本在7.5～8.0 m，凈高基本在7.5～8.5 m，均可滿足工程鋼岔管整體運輸、機電設備運輸和施工期車輛通行需要，同時該尺寸范圍也基本能滿足單機容量小于和大于300 MW的已建和在建工程的運輸需要。

因此，對于擬建工程應用TBM工法完成交通洞掘進施工(含支護)，完成后的交通洞如能形成凈寬在7.5～8.5 m、凈高在8.5 m左右的斷面，就基本可以滿足工程對進廠交通洞功能的要求。

2 進廠交通洞洞徑控制因素確定

2.1 控制因素分類

采用鉆爆法施工的抽水蓄能電站交通洞開挖斷面尺寸通常主要受重大件運輸和施工車輛交通影響，并需考慮斷面形狀、初期支護和永久襯砌厚度的需要。因此，決定進廠交通洞開挖尺寸的一般因素有鋼岔管運輸、機電設備運輸、施工車輛交通、斷面形狀、支護形式、路面結構尺寸等。其中，鋼岔管運輸是進廠交通洞斷面尺寸的控制因素。

2.2 控制因素對比分析

基于TBM施工的進廠交通洞，鋼岔管整體運輸是否還可以作為其斷面尺寸的控制因素，需從斷面通用性、TBM設計制造和造價等方面進行深入的研究。

為了便于對控制因素進行對比分析，現(xiàn)以撫寧抽水蓄能電站為例，以是否整體運輸鋼岔管作為基本分類開展研究。

2.2.1 方案擬定

撫寧抽水蓄能電站單機容量為300 MW，鋼岔管整體尺寸為7.6 m×6.6 m×6.2 m，鋼管運輸尺寸為φ6.2 m×3.0 m，變壓器運輸尺寸為3.6 m×4.0 m(寬×高)，施工車輛雙向交通尺寸為6.0 m×3.4 m。

對比方案按照鋼岔管是否整體運輸?shù)脑瓌t擬定。

1)鋼岔管整體運輸方案。鋼岔管為主要控制因素，并滿足除鋼岔管外的壓力鋼管、機電設備和施工車輛的運輸和交通需要。

2)鋼岔管分片運輸方案。機電設備為主要控制因素，并滿足除鋼岔管外的壓力鋼管、施工車輛的運輸和交通需要。

2.2.2 鋼岔管整體運輸方案

對于鋼岔管整體運輸，進廠交通洞斷面需首先滿足鋼岔管、機電設備等重大件的運輸要求，其次滿足施工車輛的雙向通行要求。鋼岔管(整體運輸)是重大件運輸中的控制尺寸(6.6 m×6.2 m)，施工車輛雙向通行所要求的控制尺寸為6.0 m×3.4 m。

根據(jù)上述控制尺寸要求，并考慮到TBM開挖形成的隧洞斷面為圓形，在確定斷面尺寸時，可先用重大件運輸控制尺寸6.6 m×6.2 m作為圓形設計斷面的控制尺寸，初步確定設計斷面，再用已初步確定的設計斷面，復核施工車輛交通控制尺寸是否滿足要求，如滿足要求即可將初定斷面作為確定設計斷面。

按照大件運輸控制尺寸初步設計的斷面見圖1，在初步設計斷面中鋼岔管運輸與洞壁的最小距離為45 cm，符合凈空高度大于水電工程重大件最大運輸高度0.2 m的要求[16]；根據(jù)初步設計斷面進行車輛雙向通行復核(見圖2)，該斷面滿足施工期自卸汽車的雙向交通需要，由此確定整體運輸鋼岔管條件下進廠交通洞的斷面開挖直徑為10.6 m。

圖1 鋼岔管整體運輸設計斷面(單位：cm)

圖2 施工車輛通行設計斷面1(單位：cm)

2.2.3 鋼岔管分片運輸方案

對于鋼岔管分片運輸，進廠交通洞斷面需首先滿足除鋼岔管外的壓力鋼管、機電設備等重大件的運輸要求，其次滿足施工車輛的雙向通行要求。進廠交通洞運輸重大件的尺寸分別為φ6.2 m×3.0 m和3.6 m×4.0 m(寬×高)，進廠交通洞車輛雙向通行尺寸為6.0 m×3.4 m。

根據(jù)進廠交通洞斷面為圓形的特點，在確定斷面尺寸時，先用重大件運輸中的最大尺寸6.2 m×3.0 m作為進廠交通洞設計斷面的控制尺寸，初步確定設計斷面，再用已初步確定的圓形斷面復核其他控制尺寸是否滿足要求，如滿足要求即可將初定尺寸作為確定設計尺寸。

按照控制尺寸6.2 m×3.0 m(鋼管)，初步設計的斷面見圖3，在初步設計斷面中鋼岔管運輸與洞壁的最小距離為57 cm，符合凈空高度大于水電工程重大件最大運輸高度0.2 m的要求[16]；根據(jù)初步設計斷面進行變壓器運輸和車輛雙向通行復核(見圖4和圖5)，該斷面滿足變壓器運輸和車輛雙向交通需要，由此確定分片運輸鋼岔管條件下進廠交通洞的斷面開挖直徑為9.5 m。

圖3 壓力鋼管運輸設計斷面(單位：cm)

圖4 變壓器運輸設計斷面(單位：cm)

圖5 施工車輛通行設計斷面2(單位：cm)

2.3 控制因素確定

就撫寧抽水蓄能電站而言，以鉆爆法施工確定的進廠交通洞斷面為城門洞型，其最大開挖斷面尺寸為9.4 m×9.7 m；而以TBM施工的斷面為圓形，在滿足同等功能條件下，滿足鋼岔管整體運輸需要的開挖直徑為10.6 m，滿足鋼岔管分片運輸需要的開挖直徑為9.5 m。可見，采用分片運輸鋼岔管，進廠交通洞開挖洞徑可由10.6 m調整為9.5 m，減少開挖直徑1.1 m，TBM設備設計制造直徑也隨之減少1.1 m，這不僅可降低TBM設備的設計制造難度，還可降低設備造價，從技術和經濟上都非常有利。

另外，從有利于不同抽水蓄能電站進廠交通洞斷面的統(tǒng)一和滿足抽水蓄能電站進廠交通洞常用基本功能方面考慮，在進行抽水蓄能電站進廠交通洞通用洞徑研究時，不再將鋼岔管整體運輸作為進廠交通洞斷面設計的控制因素。

總之，基于TBM施工的抽水蓄能電站進廠交通洞，控制其通用斷面的一般因素為：斷面形狀、支護形式、路面結構尺寸、施工車輛尺寸、機電設備運輸尺寸、鋼管運輸尺寸。其中，機電設備是進廠交通洞斷面尺寸的控制因素。鋼岔管整體運輸作為特殊功能需要，是否作為決定進廠交通洞尺寸的決定性因素需要另外通過綜合比較確定。

3 基于TBM施工的進廠交通洞通用斷面研究

本次以國內擬建的抽水蓄能電站進廠交通洞為研究對象，按照滿足施工期和運行期進廠交通洞常用功能需要的原則，基于TBM施工技術，主要從機電設備、壓力鋼管和施工車輛等所需的交通要求方面，對進廠交通洞通用斷面設計方案進行研究。

3.1 進廠交通洞通用斷面設計方案擬定原則

1)針對TBM施工的抽水蓄能電站進廠交通洞，確定的進廠交通洞斷面應盡量小，從而有利于減小TBM直徑。

2)進廠交通洞斷面需滿足機電設備重大件以及輸水系統(tǒng)壓力鋼管運輸需要，鋼岔管尺寸適宜時可考慮整體運輸，尺寸較大的項目需分片運輸至洞內組裝。

3)進廠交通洞斷面尺寸應滿足抽水蓄能電站地下洞室施工期物料運輸車輛雙向通行需要，車輛與隧洞洞壁之間安全距離不小于0.5 m。

4)TBM施工需滿足進廠交通洞初期支護(掛網(wǎng)噴護或鋼支撐)厚度20 cm的需要，當不良地質段需要增加二次支護時，增加襯砌后的進廠交通洞斷面尺寸需滿足機電設備大件通行以及施工期雙向交通需要。

5)進廠交通洞路面需設置排水溝，不設置電纜溝。路面兩側設置排水溝時，路面總寬度不小于7.5 m；設置中心排水溝時，路面總寬度不小于6.5 m。

3.2 設計方案擬定

通過比較分析，基于TBM施工的進廠交通洞不受整體運輸鋼岔管的限制，進廠交通洞通用洞徑設計方案從隧洞支護和路面設置要求方面考慮，有以下2種方案。

1)方案1——一次開挖成型設計方案。TBM全斷面開挖形成初期支護斷面，隧洞路面結構通過回填形成。設計方案示意圖見圖6。

圖6 一次開挖成型設計方案示意圖

2)方案2——二次擴挖底板仰拱設計方案。TBM全斷面開挖形成初期支護斷面后，隧洞路面結構通過二次拉底擴挖形成。設計方案示意圖見圖7。

圖7 二次擴挖底板仰拱設計方案示意圖

3.3 通用斷面尺寸控制條件

根據(jù)擬定的2種方案，按照滿足機電設備大件運輸和施工期主廠房車輛交通需要確定TBM開挖隧洞的最小直徑。

3.3.1 機電設備大件運輸需要

抽水蓄能電站較重的大件設備主要有變壓器、進水閥及頂蓋等。本次研究的典型項目的重大件參數(shù)見表3。通過對比分析，擬建的抽水蓄能電站工程中最重件為主變壓器，最寬件為蝸殼/座環(huán)，最長件為橋機大梁，最高件為定子機座和主變壓器。通過對擬建抽水蓄能工程中機電設備重大件尺寸的分析，進廠交通洞的運輸控制尺寸為6.7 m×3.5 m(寬×高)、6.0 m×4.5 m(寬×高)和3.8 m×4.5 m(寬×高)。

表3 擬建抽水蓄能電站工程的機電設備尺寸

3.3.2 施工期開挖運輸需要

施工期交通洞出渣運輸車輛選擇載重20 t的自卸汽車，車寬按照2.5 m控制，車輛間橫向間距1 m，車輛與洞壁距離0.5 m，路面按照雙向單車道設計，行車道寬度不小于6.5 m，路面需考慮設置排水溝。

進行通用斷面設計時，出渣運輸車輛總寬取2.5 m，總高取3.4 m；運輸大件平板車高度取1.0 m，按照基本滿足運輸總高度需要控制隧洞設計凈高。

3.4 進廠交通洞通用斷面設計

3.4.1 一次開挖成型設計方案(方案1)

TBM全斷面開挖形成初期支護斷面,回填形成路面，其斷面設計同2.2.3節(jié)鋼岔管分片運輸斷面設計，設計凈斷面見圖8。

圖8 一次開挖成型方案設計凈斷面(單位：cm)

3.4.2 二次擴挖底板仰拱設計方案(方案2)

TBM全斷面開挖形成初期支護斷面,拉底擴挖形成路面，設計斷面示意圖見圖9—12。

圖9 二次擴挖底板仰拱方案運輸座環(huán)設計斷面(單位：cm)

3.5 設計斷面分析比較

一次開挖成型設計方案(方案1)，TBM施工完成后，可立即進行路面結構的回填施工，后續(xù)無擴挖施工；但是,該設計斷面最小開挖洞徑(9.5 m)較大，需要進行二次支護施工，路面結構回填工作量較大，形成的有效凈空尺寸(6.50 m×7.73 m)較小。

圖10 二次擴挖底板仰拱方案運輸變壓器設計斷面(單位：cm)

二次擴挖底板仰拱設計方案(方案2)，設計斷面開挖洞徑(8.8 m)較小，通過二次擴挖后形成的有效凈空尺寸(7.5 m×8.3 m)大；但是，該方案TBM施工完成后還需進行二次擴挖形成路面結構，并需要進行二次支護施工。

3.5.1 設計斷面特性對比

對2個設計斷面特性進行對比分析(見表4)：方案2，以8.8 m直徑的TBM開挖進廠交通洞，并采用二次拉底擴挖形成的施工期交通斷面為7.5 m×8.3 m，該方案對于TBM開挖形成的斷面回填量少，并滿足所有擬建項目施工交通需要。從減少設備投資和降低回填工程費用的角度考慮，方案2比較適合作為擬建工程的通用設計斷面；從擬建項目地質條件特點和便于現(xiàn)場施工組織方面考慮，方案1可作為備選方案。

表4 最小設計斷面特性對比

圖11 二次擴挖底板仰拱方案施工車輛通行設計斷面(單位：cm)

圖12 二次擴挖底板仰拱方案設計凈斷面(單位：cm)

3.5.2 費用對比

在抽水蓄能電站選址階段，已對地下隧洞進行過詳細的勘察，通過鉆孔和探洞查明了地下廠房包括進廠交通洞沿線區(qū)域的斷層裂隙等不良地質條件，地下隧洞布置時已最大限度避開了不良地質區(qū)域。同時，為適應不同地質條件下的支護要求，可在TBM設備中預留錨桿鉆機、拱架安裝器等支護設備的位置，根據(jù)不同電站地質條件加裝。

本次研究的擬建抽水蓄能電站地下廠房及進廠交通洞圍巖分類均為Ⅲ類及以上，適用于抽水蓄能電站進廠交通洞TBM施工。根據(jù)抽水蓄能電站樞紐布置特點，進廠交通洞最小轉彎半徑為70 m，最大縱坡10%，可變直徑不小于30 cm, TBM設備初步選型采用敞開式。按照以上特性經過初步詢價，8.8 m直徑的敞開式TBM設備費用為1.35億元，9.5 m直徑的敞開式TBM設備費用為1.6億元；此外，兩者之間的主要差異在于，TBM掘進完成后，8.8 m直徑進廠交通洞需增加仰拱擴挖，9.5 m直徑進廠交通洞需增加仰拱回填。

經分析，方案2單位長度8.8 m直徑的TBM隧洞掘進后增加擴挖費用為756元，方案1單位長度9.5 m直徑的TBM隧洞掘進后增加仰拱回填費用為3 240元，方案2單位長度增加費用較方案1減少2 484元，具體見表5。

表5 不同設計斷面單位長度增加費用對比

4 基于TBM施工的進廠交通洞掘進線路

由于抽水蓄能電站隧洞圍巖均以Ⅲ類及以上圍巖為主，并且TBM掘進完成后，對全洞段的地質條件均已查明，進行仰拱擴挖時Ⅱ或Ⅲ類圍巖采用控制爆破，不良地質段采用短進尺、弱爆破開挖并進行及時加固支護，其安全風險可控。此類擴挖與臺階法開挖隧洞類似，施工技術已十分成熟，施工難度不大；另外，為減少對既有支護的影響也可采用切割法。

抽水蓄能電站地下廠房一般設計尺寸較大，長約200 m，寬約25 m，高約50 m，其中上部開挖施工通道為通風洞，中下部開挖施工通道為進廠交通洞，進廠交通洞和通風洞進口均在地面。根據(jù)抽水蓄能電站進廠交通洞和通風洞布置特點，應用于抽水蓄能電站進廠交通洞施工的TBM，其安裝和拆卸分別在各自洞口外，安裝和拆卸場地均在TBM進場或者出洞前準備好，對隧洞開挖工期影響不大，其施工路徑為一進一出的線性路徑，見圖13。

圖13 進廠交通洞TBM掘進路線圖

鉆爆法施工路徑則由各自隧洞進口獨頭掘進，進廠交通洞和通風洞TBM掘進完成后的地下廠房開挖施工則與鉆爆法相同。抽水蓄能電站地下廠房的開挖順序為自上而下分層開挖，首先利用通風洞開挖地下廠房中上層，控制開挖總高度為16 m左右，一般施工工期為8～12月；中上層開挖完成后，再利用進廠交通洞開挖地下廠房中下層，因此，進廠交通洞TBM掘進完成后，可利用地下廠房中上層開挖的施工時段進行進廠交通洞的仰拱開挖及路面施工。進廠交通洞掘進完成后的施工不會對抽水蓄能電站地下廠房的開挖造成影響，且進廠交通洞后續(xù)工作的施工進度符合抽水蓄能電站地下廠房總體開挖進度需要。

5 結論與建議

1)抽水蓄能電站進廠交通洞作為地下發(fā)電系統(tǒng)的主要通道，單座抽水蓄能電站的進廠交通洞斷面和尺寸差異性較大，長度短，不利于TBM的應用。

2)基于TBM施工的抽水蓄能電站的進廠交通洞通過一次開挖成型或者二次擴挖底板仰拱均可滿足進廠交通洞功能需要，其中一次開挖成型需要的最小開挖直徑為9.5 m，二次擴挖底板仰拱需要的最小開挖直徑為8.8 m。

3)通過對擬建抽水蓄能電站群的進廠交通洞的設計洞徑分析，8.8 m的設計開挖洞徑相對于9.5 m的設計開挖洞徑，可以減少已開挖斷面的回填量，降低設備造價，有利于降低應用TBM施工進廠交通洞的費用。

4)由于擬建電站建設管理方式和工程條件各具特點，進廠交通洞斷面也可先根據(jù)各自特點按照一次開挖成型或者二次擴挖底板仰拱的方式進行分類后，再通過對比分析重新確定合適的尺寸，做到同類開挖方式下的斷面統(tǒng)一，達到實現(xiàn)多站連打、提高TBM施工經濟性的目的。

5)對于采用TBM施工的擬建抽水蓄能電站，還需解決各個擬建項目的應用時序問題，以保證TBM在各擬建工程之間有序轉移和銜接。

6)對于應用TBM施工的抽水蓄能電站進廠交通洞，建議開展支護標準研究工作，建立相應的規(guī)范和標準體系作為抽水蓄能電站隧洞TBM施工質量控制和評定的依據(jù)。