張 亞

(廣西水利電業(yè)集團新疆克州水利發(fā)電有限公司，新疆 喀什 844000)

1 工程概況

新疆克州蓋孜水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣境內(nèi)，是新疆克州蓋孜河中游河段梯級水電開發(fā)項目的第二梯級水電站，位于第一梯級布侖口-公格爾水電站下游，銜接公格爾水電站尾水。電站發(fā)電額定水頭342m，裝機容量11.6萬kW，保證出力4.09萬kW，年利用小時數(shù)3241h，多年平均年發(fā)電量3.76億kW·h。工程區(qū)位于蓋孜河中游河段侵蝕、剝蝕山區(qū)，山體總體呈北西-南東走向，地形總趨勢西高東低。蓋孜河斜切山體，流向近東西。河谷兩岸山坡陡峻，基巖多裸露，山頂高程一般3000-4000m，河谷兩岸有現(xiàn)代冰川分布，常沿沖溝發(fā)育冰舌、冰水洪積扇等地貌。坡面凸凹不平，沖溝廣布，河谷呈“U”型，寬200-500m, 平均河床比降31%。

根據(jù)工程合同文件控制性工期要求，結(jié)合本工程的實際情況，本工程主要分為引水隧洞、埋涵段、引水調(diào)節(jié)池及閘井三部分，其中引水隧洞工程施工工期長且施工難度大。引水隧洞從起始點進口進入主洞向下游掘進，其他工作面從1#、2#、3#支洞進入分上游、下游兩個工作面進行掘進。

2 引水隧洞TBM可行性分析

根據(jù)蓋孜水電站引水隧洞開挖機械設備選型流程(圖1)，對反井鉆機、多臂臺車、懸臂掘進機、TBM掘進機等隧洞開挖設備從施工條件、技術優(yōu)劣勢、經(jīng)濟效益及社會效益等方面進行比較論證。很顯然，TBM掘進機械在各個方面均具有凸出優(yōu)勢，故該技術在蓋孜水電站引水隧洞開挖方面具有可行性及適應性。

2.1 施工地質(zhì)條件

反井鉆機、多臂臺車、懸臂掘進機、TBM掘進機等開挖設備所適用的工程地質(zhì)條件具體見表1，從圍巖類型、圍巖強度、設計埋深、洞徑尺寸、轉(zhuǎn)彎半徑等地質(zhì)條件角度考慮，TBM掘進機械較為適應蓋孜水電站引水隧洞工程地質(zhì)。

2.2 施工管理

TBM施工人員可以在盾體保護下開展施工，開挖直徑因受到刀盤和刀具的保護而不會出現(xiàn)鉆爆法超欠挖及洞室圍巖擾動問題，施工安全性及質(zhì)量比鉆爆法有保證。雖然TBM技術在施工開始之初及末期需要組裝和拆卸機械，但該技術能實現(xiàn)連續(xù)掘進施工，開挖效率較高。鉆爆法因受到爆破管制、安全管理等方面的限制，開挖進度難保證；現(xiàn)有工程資料顯示，TBM技術綜合開挖效率是傳統(tǒng)鉆爆法的5-8倍[1]。

表1 引水隧洞開挖機械地質(zhì)條件適用比較

2.3 經(jīng)濟效益及社會效益

TBM掘進機為定制設備，初期一次性投入較大，與常規(guī)鉆爆法相比無成本優(yōu)勢，但是通過加強規(guī)劃設計、統(tǒng)一斷面，采用多站連打的操作能有效分攤設備定制成本，降低施工段單位掘進施工成本。

TBM技術屬于非爆工法，在環(huán)境保護及人員健康方面具有顯著優(yōu)勢，符合綠色施工要求。而常規(guī)的鉆爆法施工現(xiàn)場作業(yè)人員多、干擾因素多，不符合水利水電工程施工現(xiàn)場少人化、智能化的發(fā)展方向，鉆爆施工還將對周圍建筑物及居民產(chǎn)生較大的擾動及煙塵、噪聲危害。

3 引水隧洞TBM關鍵技術

3.1 引水隧洞TBM應用方案

反井鉆設備施工能力是限制和影響蓋孜水電站引水系統(tǒng)斜井布置的主要因素，其單級斜井長度應控制在400m以內(nèi)，斜井傾角的設置必須充分為自行溜渣提供便利，故傾角應控制在45°-60°之間，布置方式為三級平洞+兩級斜井。如果采用TBM掘進施工技術，則斜井角度只需在10°-60°之間便可實現(xiàn)自行溜渣；三級平洞+兩級斜井的布置方式可簡化為一級長斜井方案，單級斜井長度可延伸至800-1000m。

3.2 開挖料工程應用

應用TBM開挖引水隧洞的過程中TBM旋轉(zhuǎn)刀頭以擠壓方式切削破巖，刀盤則通過噴水冷卻，所以開挖料主要呈片狀，石粉含量及含水率均較高，石渣顆粒細、料塊隱含裂隙多、對母巖強度損傷大[2]。為充分利用TBM開挖料，必須展開開挖料試驗。當前國內(nèi)相關工程中對TBM開挖料的試驗成果并不多，且已有成果存在較大差異。文章從理論上判斷，TBM開挖料作為砂石骨料料源的可利用性主要與其母巖巖性、完整性及強度等有關。對于母巖完整性好、強度高的情況，TBM掘進機主要通過擠壓方式破巖，導致開挖料有較高的石粉含量；而對于完整性和強度均一般的母巖，TBM開挖料形狀更為規(guī)則、骨料獲取率高。通過調(diào)整混凝土配合比，合理確定水泥、減水劑、外加劑摻量，可以改善TBM開挖料所生產(chǎn)骨料級配、粒型不良的情況，也就是說，在處理成本較小的情況下，TBM開挖料作為人工砂、豆礫石填充灌漿混凝土骨料料源、噴混凝土骨料料源等應用具備可行性。

圖1 TBM施工引水斜井總剖面圖

3.3 出渣

蓋孜水電站引水隧洞TBM開挖采用自下而上的施工工藝，故應結(jié)合排水廊道開挖料進行溜渣試驗。根據(jù)幾何相似原則構(gòu)建出渣試驗平臺模型，并根據(jù)試驗需要調(diào)整溜渣槽角度。蓋孜水電站引水隧洞排水廊道圍巖主要為單軸抗壓強度100-150MPa的Ⅰ類和Ⅱ類石英二長巖、二長花崗巖，TBM開挖料含水率在1.2-1.5%之間，篩分開挖料后粒徑10mm以下、10-20mm、20-40mm、40mm以上的顆粒含量分別為44%、12%、14%、30%。針對不同溜渣角度進行開挖料敏感性試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，溜渣傾角在28°以上時開挖料完全能自行溜渣；而當溜渣傾角在26°以下時開挖料便無法自行溜渣，必須予以輔助[3]。具體結(jié)果見表2。

表2 TBM開挖料溜渣試驗結(jié)果

為此，蓋孜水電站引水隧洞TBM開挖施工抽蓄斜井部位傾角應保持在28°以上，以方便自行溜渣，考慮到環(huán)保等方面的要求，不應采用水力輔助溜渣措施，而應配合以螺旋輸送機、溜渣鋼板、高頻振動器及人工清渣等方面，保證TBM開挖料順暢出渣。

3.4 斜井襯砌

考慮到TBM引水斜井長度在800-1000m，鋼管安裝及鋼管混凝土回填施工難度均較大。為解決鋼管安裝、鋼管混凝土回填、襯砌滑膜就位等技術問題，應保留斜井中部施工支洞，并在鋼襯起點上方設置支洞端點，用于鋼襯、混凝土回填襯砌的施工通道，并為上部混凝土襯砌和下部鋼襯同時施工提供條件。

4 結(jié) 論

綜上所述，TBM掘進機與常規(guī)鉆爆法施工機械相比，圍巖適用范圍廣，屬于定制設備；TBM開挖料可以通過摻配、調(diào)整配合比等方式改善級配及粒型后作為人工砂、豆礫石填充灌漿混凝土骨料料源、噴混凝土骨料等使用，還可以用于墊層填料、制作石粉、級配碎石料等使用，在改良工藝難度及費用等較低的情況下，TBM施工技術在新疆克州蓋孜水電站引水隧洞開挖中的應用切實可行，且具有很強的經(jīng)濟效益和社會效益。