張學清, 賈連輝, 張興彬, 李超杰, *

(1. 國網(wǎng)新源集團有限公司, 北京 100161; 2. 中鐵工程裝備集團有限公司,河南 鄭州 450016; 3. 河南洛寧抽水蓄能有限公司, 河南 洛陽 471700)

0 引言

自1967年崗南抽水蓄能電站建成以來,經(jīng)過幾十年的建設(shè),我國抽水蓄能電站發(fā)展迅速。2021年9月,國家能源局發(fā)布《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》[1],規(guī)劃指出,到2025年,我國抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十三五”期間翻一番,裝機容量達到62 GW以上;到2030年,抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十四五”期間再翻一番,裝機容量達到120 GW左右。國內(nèi)抽水蓄能項目正處在開發(fā)的快車道,其建設(shè)呈井噴之勢[2]。

在大規(guī)模抽水蓄能電站建設(shè)的推動下,我國抽水蓄能電站隧洞施工技術(shù)不斷完善,機械化水平持續(xù)提高。抽水蓄能電站地下洞室數(shù)量多且復雜,洞室線路、斷面形狀、尺寸、傾角、長度不一,分類也不相同,如根據(jù)傾斜角度可分為水平隧洞(平洞)、傾斜隧洞(斜井)和豎直隧洞(豎井),而開挖這些洞室的機械設(shè)備又可分為平洞開挖裝備、斜井開挖裝備和豎井開挖裝備。

抽水蓄能電站地下洞室開挖裝備在經(jīng)歷了風動鉆機、鑿巖臺車等階段[3]后,機械化水平不斷提高。鉆爆法施工機械不斷更新?lián)Q代,新技術(shù)、新工法、新裝備為抽水蓄能電站隧道開挖注入新的活力。反井鉆機等開挖設(shè)備得到普及和推廣,先進的全斷面巖石隧道掘進機(以下稱TBM)在抽水蓄能電站各類隧洞開挖工程中成功應用,填補了多項技術(shù)空白。盡管如此,與瑞士、日本等國的抽水蓄能電站建設(shè)相比,我國抽水蓄能電站隧洞開挖機械化水平仍然很低。

目前對抽水蓄能電站機械化開挖方面的研究多聚焦某一特定類型的設(shè)備。如: 王洪玉等[2-3]在對抽水蓄能電站地質(zhì)和施工條件研究的基礎(chǔ)上,提出了抽水蓄能電站用TBM開發(fā)關(guān)鍵技術(shù);董兆南[4]介紹了鑿巖臺車在清遠抽水蓄能電站地下廠房系統(tǒng)中的應用; 呂旦等[5]解析了上排渣式全斷面豎井掘進機在抽水蓄能電站上的設(shè)計和應用;張學清等[6]梳理了斜井TBM在抽水蓄能電站引水斜井上應用的關(guān)鍵技術(shù)。以上文獻均未對我國抽水蓄能電站隧洞開挖機械化水平整體現(xiàn)狀和未來展望進行闡述。本文在總結(jié)我國抽水蓄能電站隧洞開挖機械化施工現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,指出我國隧洞開挖機械化存在的問題,并分析造成我國抽水蓄能電站洞室開挖機械化水平仍然很低的原因,探討我國抽水蓄能電站隧洞開挖施工機械的發(fā)展方向,以期能為我國抽水蓄能電站隧洞開挖裝備的技術(shù)進步和機械化施工的發(fā)展提供參考和幫助。

1 我國抽水蓄能電站隧洞開挖機械化施工現(xiàn)狀

1.1 地下平洞開挖機械化現(xiàn)狀

抽水蓄能電站地下平洞數(shù)量眾多,多達幾十條,主要包括進廠交通洞、通風安全洞、自流排水洞、排水廊道、引水隧洞、尾水隧洞、泄洪排沙洞和施工支洞等。各洞室斷面型式、大小、長度不一,直徑集中在3～10 m,長度一般在1～3 km。地下平洞可采用風動鉆機、潛孔鉆機、鑿巖臺車、懸臂掘進機、TBM、盾構(gòu)等機械設(shè)備開挖。目前鉆爆法仍是主要施工方法,但是懸臂掘進機、TBM工法已開始應用到抽水蓄能電站地下平洞工程中。

1.1.1 鑿巖臺車普遍應用

目前,國內(nèi)抽水蓄能電站地下平洞開挖雖然仍以鉆爆法為主,但用于鉆孔的機械已逐漸從風動鉆機、潛孔鉆等鉆機過渡到鑿巖臺車。鑿巖臺車在水電工程地下廠房施工中應用已經(jīng)很普遍,其高效、安全、可靠且機動靈活的特性已經(jīng)成為不可或缺的重要手段[4]。相比傳統(tǒng)鉆機,鑿巖臺車雖然購置費高,適用范圍小(適用于Ⅲ、Ⅳ及部分Ⅴ級圍巖地段,開挖斷面9～130 m2)[7],但其鉆孔速度更快,施工質(zhì)量更好。表1統(tǒng)計了采用鑿巖臺車開挖抽水蓄能電站地下洞室的部分應用案例。

表1 抽水蓄能電站采用鑿巖臺車施工案例

表1(續(xù))

目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)五臂鑿巖臺車,但從表1可以看出,抽水蓄能電站常采用單臂鑿巖臺車、兩臂鑿巖臺車和三臂鑿巖臺車施工,尤以三臂鑿巖臺車為主。三臂鑿巖臺車的鉆孔速度約為3 m/min,單孔鉆進時間為2.5～3 min[8]。廣東清遠抽水蓄能電站地下廠房尺寸為169.5 m×26.5 m×59.9 m(長×寬×高),地質(zhì)條件為微風化—新鮮的燕山三期花崗巖,圍巖類別以Ⅰ～Ⅱ類為主,2010年采用了1臺阿特拉斯(型號352)兩臂鑿巖臺車,工作覆蓋面積約168 m2,鉆孔直徑為43～100 mm,平均日進尺為3～4 m,應用信息如表2所示。

表2 清遠抽水蓄能電站鑿巖臺車應用信息

1.1.2 懸臂掘進機初步應用

懸臂掘進機的特點是集截割、裝渣、轉(zhuǎn)運和自行于一身,機動簡便、運行靈活,截割、裝運同步施工[9]。相比鉆爆法,懸臂掘進機安全性高,成洞質(zhì)量好,對周圍巖層擾動小,還可以實現(xiàn)連續(xù)施工,已經(jīng)被廣泛應用于礦山巷道、公路和鐵路隧道;其缺點是設(shè)備造價較高,地質(zhì)適應性差,主要適用于中軟巖(Ⅲa、Ⅳ、Ⅴ級),巖石單軸抗壓強度超過90 MPa后施工效率低,截齒損耗將急劇增加[10]。近年來,國內(nèi)個別抽水蓄能電站嘗試采用懸臂掘進機開挖洞室,如五岳抽水蓄能電站。

河南五岳抽水蓄能電站工程1#尾水隧洞工程懸臂掘進機施工長度為1 111.4 m,開挖斷面尺寸為7.2 m×7.2 m,隧洞巖性以變質(zhì)巖為主,圍巖類別以Ⅳ類為主,節(jié)理、裂隙發(fā)育,巖石單軸抗壓強度為50～126 MPa,洞室埋深20～90 m。該工程采用了徐工XTR7/360懸臂掘進機施工,這臺設(shè)備總質(zhì)量為145 t,切割范圍寬7.2 m,高7.2 m。設(shè)備進場后,由于巖石單軸抗壓強度過高,造成懸臂掘進機施工效率低、截齒損耗大、施工成本提高,遂改用鉆爆法開挖剩余隧道。五岳抽水蓄能電站懸臂掘進機應用信息如表3所示。

表3 五岳抽水蓄能電站懸臂掘進機應用信息

1.1.3 TBM開始應用

TBM是一種隧洞專用設(shè)備,依靠滾刀破巖,能同時完成開挖、出渣、支護等作業(yè),開挖速度一般是鉆爆法的3～5倍,最適合掘進抗壓強度為30～150 MPa的巖石,小于30 MPa不易產(chǎn)生擠壓帶;大于150 MPa,滾刀消耗變大,刀盤磨損加劇[11]。TBM施工技術(shù)已成功應用于國內(nèi)外重大水利、鐵路、地鐵等施工[12]。近幾年,抽水蓄能電站交通洞、通風洞、排水廊道、排水自流洞、地勘平洞等抽水蓄能電站地下平洞也開始采用TBM開挖。表4統(tǒng)計了采用TBM開挖抽水蓄能電站地下洞室的部分應用案例。

表4 抽水蓄能電站TBM施工案例

山東文登抽水蓄能電站排水廊道分為高壓引水上層排水廊道(引水中平洞鋼管外排水廊道)和地下廠房中、下層排水廊道,3層排水廊道總長度約2 300 m,以花崗巖為主,石英質(zhì)量分數(shù)為30%～40%,Ⅰ、Ⅱ類圍巖占比超過90%,巖石抗壓強度高,平均超過120 MPa,最高達200 MPa。

該項目首次采用了1臺中鐵裝備研制的緊湊型超小轉(zhuǎn)彎半徑硬巖TBM開挖,成洞效果好,洞壁光滑平整,如圖1和圖2所示。該設(shè)備開挖直徑為3.53 m,整機長度約37 m,整機質(zhì)量約250 t,最小轉(zhuǎn)彎半徑為30 m,實現(xiàn)了最高日進尺21 m、最高月進尺540 m、平均月進尺超過300 m的排水廊道施工紀錄。該項目的成功首次驗證了TBM在抽水蓄能電站隧道開挖方面的可行性,填補了TBM在抽水蓄能領(lǐng)域施工技術(shù)的空白。文登抽水蓄能電站排水廊道TBM主要應用信息如表5所示。

圖1 “文登號”TBM

圖2 TBM施工的隧洞

1.2 抽水蓄能電站斜、豎井開挖機械化現(xiàn)狀

抽水蓄能電站斜井和豎井與平洞不同,一般傾角很大,集中在35°～90°,施工難度非常大。

抽水蓄能電站的斜井主要為引水斜井,傾角多為35°～60°,斜井導井可采用爬罐、反井鉆機、斜井TBM等機械設(shè)備施工,目前我國主要采用反井鉆機法施工,同時國內(nèi)第1臺斜井TBM已經(jīng)投入到實際應用中。

抽水蓄能電站的豎井主要包括引水豎井、進/出水口閘門井、調(diào)壓井(大井)、廠房排風豎井、出線豎井等,深度為50～400 m,開挖直徑為6～15 m,目前我國主要采用反井鉆機法開挖,但已有項目嘗試采用上排渣式豎井掘進機開挖。

表5 文登抽水蓄能電站TBM應用信息

1.2.1 反井鉆機普遍推廣

反井鉆機法最早于1949年由德國工程師赫爾·貝德(Herr Bade)提出并付諸實踐[13]。1992年,北京十三陵抽水蓄能電站首次將反井鉆機技術(shù)引入抽水蓄能電站豎井導井開挖中,并順利完成了158 m出線井導井的施工[14],為抽水蓄能電站斜(豎)井施工提供了新的方向。自2013年國家逐步禁止使用爬罐法后,反井鉆機法因施工速度快、安全性高,成了抽水蓄能電站斜(豎)井導井機械化施工的主流技術(shù)。但反井鉆機也有不足,如開挖深度、直徑和傾角有限,且需要人工二次擴孔,工序繁瑣。

目前,國內(nèi)采用反井鉆機法施工的豎井最大開挖直徑為6 m,最大開挖深度為562 m,最小傾角為36°,一次擴挖成型最大直徑為5.0 m,具備鉆進抗壓強度達到300 MPa極硬巖石的能力[15]。北京中煤礦山工程有限公司與寧夏天地奔牛集團有限公司目前正在聯(lián)合研制直徑7 m、深度1 000 m的反井鉆機。雖然與國外最大開挖直徑8 m、最大深度1 382 m的紀錄還有一定差距,但隨著國內(nèi)技術(shù)的進步,國內(nèi)外的差距將逐步縮小。表6統(tǒng)計了采用反井鉆機施工抽水蓄能電站斜、豎井的部分案例。

表6 抽水蓄能電站采用反井鉆機施工部分案例

隨著抽水蓄能電站的發(fā)展,反井鉆機技術(shù)也在不斷進步。陽江抽水蓄能電站采用反井鉆機鉆出了深達382 m的引水上豎井,并對反井鉆機改造后開挖了深257.07 m、傾角只有36°的高壓電纜洞斜井;浙江長龍山抽水蓄能電站采用國產(chǎn)反井鉆機,配合定向鉆技術(shù),鉆成了斜長415 m、傾角58°的引水下斜井導井;此外,正在建設(shè)的張掖盤道山抽水蓄能電站深達669.42 m的引水豎井也擬采用反井鉆機開挖,屆時將創(chuàng)造反井鉆機在抽水蓄能電站豎井施工領(lǐng)域的又一紀錄。陽江抽水蓄能電站反井鉆機應用主要信息如表7所示。

表7 陽江抽水蓄能電站反井鉆機應用信息

1.2.2 豎井掘進機開始應用

上排渣式豎井掘進機(SBM)是集掘進、支護、出渣、井壁襯砌(管片拼裝)等功能于一體,可實現(xiàn)多工序同步施工,專門用于豎井施工的設(shè)備[16],如圖3所示。相比鉆爆法,其成洞質(zhì)量好,安全性高,井下作業(yè)人員少,但施工效率及各系統(tǒng)需要進一步提升[5]。

圖3 SBM施工示意圖

2021年,浙江寧海抽水蓄能電站項目首次采用SBM開挖排風豎井,并獲得成功。該項目的廠房排風豎井總深度為198 m,井口3～5 m巖體較為破碎,井深5～70 m為弱風化—微風化巖石,井深70 m以下為微新巖石,巖體完整性差—較完整,以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主,成井條件良好。圍巖強度為90～120 MPa,巖質(zhì)脆硬且石粉含量較高,遇水易結(jié)塊。井身位于地下水位以下,沿節(jié)理、破碎帶有滲滴水或線狀流水現(xiàn)象。該項目采用的SBM由中鐵裝備研制,開挖直徑為7.83 m,采用分體式設(shè)計,由主機和后配套吊盤系統(tǒng)組成[17]。該設(shè)備于2020年12月10日完成現(xiàn)場組裝調(diào)試并始發(fā),2021年12月26日豎井貫通,施工周期為12個月[5]。該項目對于國內(nèi)各抽水蓄能電站及其他行業(yè)相同類型的大直徑、深豎井施工具有示范意義[17]。寧海抽水蓄能電站SBM主要應用信息如表8所示。

表8 寧海抽水蓄能電站SBM應用信息

1.2.3 斜井TBM試點掘進

自1968年瑞士Emosson 項目首次采用斜井TBM開挖引水斜井后,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,國外有近80個項目采用了敞開式TBM、護盾式TBM和擴孔TBM等多種類型的斜井TBM,斜井TBM技術(shù)已臻于成熟,而國內(nèi)較少大坡度斜井TBM應用方面的相關(guān)實施案例[18]。與傳統(tǒng)的鉆爆法相比,斜井TBM施工安全性和作業(yè)環(huán)境大大改善,成洞質(zhì)量好[19];其缺點是購置費用較高,運維成本高,必要時還需要準備組裝洞和接收洞,前期準備工程量大。

2022年8月,由中鐵裝備研制的國產(chǎn)首臺最大直徑、大傾角斜井TBM下線,用于洛寧抽水蓄能電站引水斜井。該項目引水斜井布置方案優(yōu)化調(diào)整后,1號引水主洞斜井段長約928 m,傾角約為36°;2號引水主洞斜井段長873 m,傾角約39°,洞室圍巖類別以Ⅱ～Ⅲ類為主,微新巖體單軸飽和抗壓強度為80～100 MPa[6]?！坝缹幪枴毙本甌BM如圖4所示,開挖直徑7.23 m,最大爬坡能力40°。針對大傾角TBM技術(shù)難題,該設(shè)備對32個系統(tǒng)進行創(chuàng)新性改進,首次搭載了雙重防溜車技術(shù)、尾部自動安全門技術(shù)、大坡度有軌物料運輸技術(shù)等,目前該設(shè)備已經(jīng)始發(fā),掘進速度有望達到180 m/月。

圖4 “永寧號”TBM

2 我國抽水蓄能電站隧洞開挖機械化施工存在的問題及分析

近年來,隨著技術(shù)的進步,我國抽水蓄能電站不斷嘗試應用新型隧洞開挖設(shè)備,隧洞開挖機械化水平也在不斷提高。但與國外相比,我國抽水蓄能電站隧洞開挖機械化水平仍然很低,設(shè)備智能化、自動化水平不高,部分先進的隧道開挖設(shè)備尚未得到廣泛應用。之所以出現(xiàn)這種局面,是由多方面原因造成的。

2.1 大型成套開挖設(shè)備施工成本高、推廣困難

眾所周知,TBM、豎井掘進機等大型成套開挖設(shè)備施工效率高,作業(yè)環(huán)境好,成洞質(zhì)量高,卻未能在抽水蓄能電站領(lǐng)域得到廣泛推廣,重要原因之一就是施工綜合成本高。采用1臺開挖直徑8.2 m的TBM,開挖1條長10.24 km的隧洞,綜合造價指標為4 966萬元/km[20]。

此外,由于國內(nèi)建筑市場“僧多粥少”[21],最低價中標制度被普遍濫用,不合理的工程造價和不合理的合同現(xiàn)象普遍存在[22]。為了降低施工成本,最低價中標者更愿意采用效率低,但綜合成本較低的鉆爆法,而非效率相對較高、同時工程造價較高的大型成套開挖設(shè)備。

2.2 部分機械化設(shè)備普適性不強、應用案例缺乏

抽水蓄能電站工程洞室繁多,且各洞室斷面尺寸、長度、坡度、地質(zhì)條件等各不相同,而目前市場上開發(fā)的大型成套隧洞開挖設(shè)備適應性較單一,如TBM,單臺設(shè)備只能開挖1種直徑或坡度的隧洞;再如反井鉆機,只能開挖60°～90°的斜井導井,很難應用于50°以下的斜井,而且需要底部存在既有隧洞。

近些年,用于開挖地下洞室的新型機械設(shè)備相繼問世,但由于這些新設(shè)備存世時間短,應用案例少,很多重要技術(shù)細節(jié)、技術(shù)理念尚未得到很好的驗證及總結(jié)[17],導致工程建設(shè)、設(shè)計、施工等相關(guān)單位在面對是否采用新設(shè)備施工問題時顧慮重重,應用意愿不強。

2.3 成熟體系難打破、觀念保守

目前,抽水蓄能電站絕大部分隧洞主要采用鉆爆法開挖,雖然鉆爆法施工已經(jīng)加入了鑿巖臺車、傘型鉆機、潛孔鉆機、反井鉆機等機械設(shè)備元素,安全性和施工效率都有大幅提升,但相比TBM、豎井掘進機等機械化開挖設(shè)備,作業(yè)環(huán)境仍然很差,開挖效率仍然不高。即便如此,很多建設(shè)單位、規(guī)劃設(shè)計單位和施工單位并不愿意打破既有成熟體系,摒棄鉆爆法施工傳統(tǒng)。

究其原因,一方面,由于鉆爆法在抽水蓄能領(lǐng)域的應用已經(jīng)非常成熟,成本、利潤、工期都相對可控,而改用機械化開挖設(shè)備施工意味著一系列的變化,如工程的設(shè)計和施工;另一方面,與建設(shè)方和規(guī)劃設(shè)計單位的認知也有關(guān)系,許多單位固守自己的觀念,疏于了解新工法、新設(shè)備,或者對新產(chǎn)品、新技術(shù)持有懷疑或觀望的態(tài)度[17]。

2.4 設(shè)備操作人員少、綜合素質(zhì)不高

隨著抽水蓄能電站隧洞群開挖機械化水平的提高,機械設(shè)備得到逐漸普及,但由于大型成套開挖設(shè)備程序復雜、操作難度大,對于操作人員的技能水平要求高,導致短時間內(nèi)符合要求的設(shè)備操作人員缺乏,難以滿足抽水蓄能電站機械化開挖設(shè)備對于操作人員數(shù)量的需求。

由于市場供求關(guān)系、用人單位的認知、政策和待遇等問題,素質(zhì)高的設(shè)備操作員不能及時到位,為滿足施工需要,只能由“速成”和對設(shè)備“一知半解”的操作員頂崗作業(yè),再加上部分操作人員不按規(guī)范操作和保養(yǎng),造成機械化開挖設(shè)備難以達到預期開挖效率的局面,導致使用單位以及潛在用戶的疑慮增加,從而影響到抽水蓄能電站隧洞開挖機械化水平的進展。

3 展望

3.1 隧洞開挖裝備向標準化發(fā)展

抽水蓄能電站地下洞室群尺寸不一,甚至各抽水蓄能電站同類型的地下洞室尺寸不盡相同,這制約著機械化開挖裝備的應用。但近年來TBM在抽水蓄能電站上的成功應用實踐,如撫寧抽水蓄能電站,通過統(tǒng)一部分洞室尺寸,分攤設(shè)備成本,降低了開挖單價,使TBM的優(yōu)勢得以施展,為抽水蓄能電站大型開挖設(shè)裝備推廣開辟了新的思路。

未來有望通過統(tǒng)一抽水蓄能電站尺寸和形狀相近的洞室(如通風洞和交通洞,排水廊道和自流排水洞),以及不同抽水蓄能電站相同類型的洞室(如排水廊道統(tǒng)一建設(shè)為直徑3.5 m的圓形隧洞),進而推動標準化開挖裝備在抽水蓄能電站上的應用,降低開挖裝備的單位施工成本,提高裝備的利用率。

3.2 自動化、智能化、綠色裝備成為趨勢

為了推動“機械化換人、自動化減人、智能化無人”工作和實現(xiàn)“雙碳”目標,適應未來老齡化社會和環(huán)境友好型社會的發(fā)展需要,抽水蓄能電站隧洞開挖裝備向綠色、自動化、智能化方向發(fā)展的趨勢成為必然?？梢灶A見不久的將來,抽水蓄能電站隧洞開挖領(lǐng)域,以柴油為行走動力的傳統(tǒng)鉆爆法相關(guān)機械設(shè)備勢必會被淘汰,取而代之的是以新能源為動力,自動化、智能化程度更高的設(shè)備。

目前市場上已出現(xiàn)諸如小松無軟管ZJ32Bi電池的電動鑿巖臺車、山特維克配備電力傳動系統(tǒng)的DL422iE鑿巖臺車、鐵建重工全電腦四臂鑿巖臺車(如圖5所示)等一大批綠色、自動化、智能化開挖裝備。這些裝備施工更為安全,效率也更為高效,它們必將在抽水蓄能電站施工領(lǐng)域得到推廣和應用,并將進一步提升隧洞開挖的機械化水平。

圖5 全電腦四臂鑿巖臺車

3.3 掘進機施工技術(shù)進一步推廣

與鉆爆法相比,TBM和豎井掘進機工法優(yōu)勢明顯,成洞質(zhì)量好、施工速度快、工期短,單臺設(shè)備若快速轉(zhuǎn)場連續(xù)開挖多個電站的隧洞則施工成本較低。TBM和豎井掘進機工法對抽水蓄能電站平洞、斜井和豎井施工中的技術(shù)難點提供了更好的解決方案,隨著抽水蓄能電站的建設(shè)需要和技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)有各類型TBM和豎井掘進機將得到進一步應用和推廣。

3.4 新型開挖設(shè)備需求迫切

隨著抽水蓄能電站的建設(shè),隧洞開挖規(guī)模不斷增加,隧道施工條件和需求也變得多樣化,各種新形式、新概念的開挖設(shè)備必將逐漸問世,百花齊放[17]。

3.4.1 一次擴孔成型大直徑、大深度、小傾角反井鉆機

開發(fā)能夠開挖大直徑、大深度、小傾角斜(豎)井,并能一次擴孔成型的反井鉆機,將成為未來抽水蓄能電站斜(豎)井施工領(lǐng)域需要重點研究的課題。

新型反井鉆機裝備需要重點解決大直徑、小傾角、長距離掘進帶來的基座不穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩不足、偏斜率控制難度加大、鉆桿連接不牢等問題,以及刀具更換、井壁支護等難題。這些問題和難題可以通過加固基座、改造斜支撐、重新設(shè)計擴挖鉆頭、加大鉆桿直徑、增加支撐裝置、增大設(shè)備的轉(zhuǎn)矩和推力等措施予以解決。相信在不遠的將來,具備以上功能的反井鉆機必將會被開發(fā)出來,并將給抽水蓄能電站斜(豎)井施工帶來一次革新。

3.4.2 可變徑、可變坡TBM

目前在抽水蓄能電站采用的TBM開挖直徑固定,只能開挖特定直徑的洞室,非斜井TBM不具備較強的爬坡能力,只適合開挖平洞。鑒于此,需要開發(fā)一款可變徑、可變坡、普適性強的TBM,用于開挖不同直徑和坡度的洞室,將成為抽水蓄能電站隧洞開挖的又一利器。

新型可變徑、可變坡TBM應配備可變徑刀盤,通過改變刀盤分塊結(jié)構(gòu)、增加或減少不同規(guī)格的變徑塞塊等形式實現(xiàn)變徑。針對變坡問題,需增大主機推力,后配套部件設(shè)置傾角可調(diào)整,拖車之間增加縱向鉸接,設(shè)置防溜裝置,多種出渣方式、物料運輸方式可切換,以適應不同傾角的隧洞施工需要。

3.4.3 斜井擴孔TBM

采用斜井擴孔TBM(如圖6所示)開挖引水斜井,主要取決于施工前對于地質(zhì)條件的掌握情況[23],其施工步驟是首先利用小斷面TBM開挖導井(或?qū)Ф?,然后再采用斜井擴孔TBM二次擴挖。由于在施工前不能完全掌握斜井沿線地質(zhì)條件,只能通過采用小斷面TBM開挖導洞確認地質(zhì)條件后,再安排后續(xù)擴挖的施工方案[24]。相比敞開式TBM,斜井擴孔TBM施工更為安全,各種工況也都可以靈活應對,而且斷面尺寸適應性更強。

斜井擴孔TBM施工技術(shù)在國外抽水蓄能電站斜井施工方面已得到驗證,例如日本的神流川、鹽原、葛野川、小丸川等抽水蓄能電站,最大直徑可達10 m[6],但在國內(nèi)還沒有應用,甚至對其研究也很少,未來有必要加強對擴孔TBM的研究,開發(fā)適應我國抽水蓄能電站斜井設(shè)計要求的擴孔TBM,并將其與小斷面TBM和反井鉆機等裝備結(jié)合起來,改變目前抽水蓄能電站斜井采用反井鉆井機開挖導井再鉆爆擴挖成型的施工現(xiàn)狀,提高機械化水平,以及施工效率和安全性。

3.4.4 導井式豎井掘進機

近年來,豎井施工方法不斷發(fā)展,新的工法和設(shè)備不斷涌現(xiàn),為抽水蓄能電站豎井開挖提供了借鑒。2021年,“金沙江1號”導井式豎井掘進機成功貫通以禮河四級水電站直徑5.8 m、井深282.5 m的出線豎井,平均日進尺6 m,開啟了國內(nèi)豎井施工新篇章,同時也為抽水蓄能電站豎井施工提供了新的思路。

在抽水蓄能電站上應用導井式豎井掘進機需要考慮在“金沙江1號”的基礎(chǔ)上,結(jié)合抽水蓄能電站的實際需求優(yōu)化升級,包括減速機的優(yōu)化、開挖尺寸的擴大、支護裝置的完善、組裝洞室的特殊設(shè)計等,從而適應抽水蓄能電站的施工狀況。

3.4.5 異形/自由斷面隧道掘進機

抽水蓄能電站交通洞、通風洞、排水廊道等隧洞常采用城門洞形設(shè)計,引水斜井隧洞既有圓形設(shè)計,也有馬蹄形設(shè)計。如果嚴格按照設(shè)計形狀施工,采用鉆爆法和TBM開挖則會不可避免地產(chǎn)生超挖,造成能耗增加和資源浪費。異形斷面隧道掘進機(如城門洞形、馬蹄形、類矩形),甚至可開挖自由斷面形狀的隧道掘進機可以為非圓形隧洞開挖提供更多選擇。

2020年,我國自主設(shè)計制造的世界首臺矩形硬巖掘進機“牛頓號”TBM(如圖7所示)下線,主要用于類矩形斷面的巖石巷道開挖。美國的羅賓斯公司也開發(fā)了一款矩形硬巖掘進機MDM5000,能夠在強度高達200 MPa的硬巖地層中開挖出矩形斷面;瑞典的安百拓研制了一種擺臂式刀盤硬巖掘進機,可實現(xiàn)類矩形斷面硬巖的開挖;日本的小松公司開發(fā)了可開挖自由斷面的硬巖懸臂設(shè)備MC51。針對非全斷面硬巖掘進技術(shù),國內(nèi)也開展了并聯(lián)機器人TBM、懸臂TBM等機型方案的設(shè)計[17],其中,機器人支撐的柔臂TBM(如圖8所示)、盤形滾刀硬巖懸臂掘進設(shè)備可作為抽水蓄能電站地下廠房等非規(guī)則斷面機械化開挖掘進的備選設(shè)備[25]。

圖7 “牛頓號”TBM

圖8 柔臂TBM

4 建議

盡管我國抽水蓄能電站隧洞開挖機械化發(fā)展取得了長足的進步,但仍然存在很多問題。抽水蓄能電站的建設(shè)在理念上必須建立大局意識,綜合考慮改革創(chuàng)新與技術(shù)進步、環(huán)境保護、勞動保護、成本收益、建設(shè)模式等因素,改變設(shè)計理念,以人為本,提高工程建設(shè)機械化施工意識。

在技術(shù)開發(fā)上,需結(jié)合抽水蓄能電站地下洞室的特點及目前存在的難題,攻克“卡脖子”技術(shù),開發(fā)適用于抽水蓄能電站洞室的開挖技術(shù)和裝備,提高設(shè)備的開挖效率和適用性;設(shè)備制造商應從材料、工藝、零部件采購等方面考慮降低設(shè)備的施工成本和操作難度;設(shè)備使用方可以從設(shè)備推廣和應用反饋等方面,推動抽水蓄能電站洞室機械化開挖裝備的應用和普及,并為先進開挖裝備的研制和改進提供意見和建議。

懸臂掘進機、TBM、豎井掘進機等多種創(chuàng)新技術(shù)在我國抽水蓄能電站地下隧洞群的探索性應用,具有巨大引領(lǐng)和示范作用,已深刻影響到國內(nèi)抽水蓄能電站地下隧洞施工技術(shù),有望進一步得到推廣和應用。隨著技術(shù)的發(fā)展,開挖效率高、施工質(zhì)量好、投入成本低的新型開挖裝備也必將被研制出來,給抽蓄能電站隧洞開挖領(lǐng)域帶來革命性的影響。

抽水蓄能電站機械化施工是發(fā)展大趨勢,施工效率低、安全性低、綜合效益差的機械設(shè)備必將被淘汰,新產(chǎn)品、新工法和新技術(shù)必將不斷涌現(xiàn),綠色、自動化、智能化的抽水蓄能電站隧洞機械化施工新時代也必將到來。