呂 輝

（中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

隨著風(fēng)電和光伏等可再生電能在我國(guó)總電能中占比的增加，這些可再生能源發(fā)電的間歇性與波動(dòng)性問(wèn)題日益突出[1-5]。對(duì)于我國(guó)這樣的電能消耗大國(guó)而言，日益增大的電網(wǎng)峰谷差也增加了電網(wǎng)調(diào)峰的難度。為了緩解電網(wǎng)調(diào)峰的壓力同時(shí)減少棄風(fēng)棄光率，使得可再生電能高效利用，儲(chǔ)能技術(shù)的研究逐漸受到重視。而壓縮空氣儲(chǔ)能以儲(chǔ)能容量大、周期長(zhǎng)及范圍廣等優(yōu)勢(shì)成為儲(chǔ)存可再生電能的首選方式[6-8]。從空間利用率、選址靈活性、安全可靠性及經(jīng)濟(jì)性價(jià)比等角度綜合考慮，人工地下硐庫(kù)儲(chǔ)氣是發(fā)展的趨勢(shì)，而人工地下硐庫(kù)的修建以新奧法與盾構(gòu)法為主[9-10]。孫冠華等[11]將淺埋隧道式人工地下硐室的潛在失穩(wěn)模式等效為常微分方程組的初值問(wèn)題，在求解的同時(shí)還研究了埋深、硐徑、地應(yīng)力系數(shù)以及內(nèi)摩擦角對(duì)地下硐室失穩(wěn)形態(tài)的影響。吳金龍等[12]研究了級(jí)數(shù)、上端差、節(jié)流閥后壓力等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱力學(xué)效率與經(jīng)濟(jì)性的影響。徐英俊等[13]假定巖體符合Hoek-Brown 準(zhǔn)則基于極限分析上限定理研究壓氣儲(chǔ)能地下巖石洞室在高氣體內(nèi)壓作用下的隆起破壞模式?？煽闯鰧?duì)于壓縮空氣地下硐庫(kù)的研究主要在力學(xué)性能的分析，而對(duì)于人工地下硐庫(kù)修建工法的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比研究較少。本文以某壓縮空氣儲(chǔ)能人工地下儲(chǔ)氣硐庫(kù)工程為例，比較新奧法與盾構(gòu)法施工造價(jià)與工期的差異，為壓縮空氣儲(chǔ)能人工地下儲(chǔ)氣硐庫(kù)施工方法的合理選擇提供參考建議與借鑒。

1 壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能是儲(chǔ)存電能的一種新型物理儲(chǔ)能技術(shù)，儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，利用壓縮空氣作為介質(zhì)轉(zhuǎn)換能量形式來(lái)儲(chǔ)存電能的新技術(shù)，起到調(diào)節(jié)電力峰谷和改善電力品質(zhì)的作用 。壓縮空氣儲(chǔ)能與釋能的過(guò)程可以由圖1 所示。在用電低谷期，當(dāng)風(fēng)能或者太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能無(wú)法消納完時(shí)，為了避免浪費(fèi)，此時(shí)利用電動(dòng)機(jī)壓縮空氣來(lái)儲(chǔ)能，將電能轉(zhuǎn)換為高壓空氣的勢(shì)能。當(dāng)遇到用電高峰期時(shí)，將壓縮空氣釋放到膨脹機(jī)中，通入多級(jí)透平膨脹做功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，完成壓力空氣轉(zhuǎn)換為電能的釋能過(guò)程。儲(chǔ)氣裝置可分為地面鋼儲(chǔ)氣罐、天然洞室與人工地下硐庫(kù)儲(chǔ)氣?？蓪?bào)廢礦井、過(guò)期油氣井與鹽穴等作為地下硐庫(kù)儲(chǔ)氣，實(shí)現(xiàn)資源的再次利用。由于儲(chǔ)氣不僅需要多達(dá)數(shù)十萬(wàn)方的容積且最大內(nèi)壓可達(dá)18MPa，因此選址的圍巖一般為致密硬巖需具有一定的穩(wěn)定性與氣密性。利用鹽穴建設(shè)成本相對(duì)低且技術(shù)相對(duì)成熟，但國(guó)內(nèi)閑置鹽穴資源和具備適用性條件的場(chǎng)址稀缺。廢棄礦井或過(guò)期油氣井地質(zhì)條件不盡相同，理論上可通過(guò)改造加固等方案達(dá)到使用條件，但改造過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)性較大，改造加固費(fèi)用往往高于新建人工地下硐庫(kù)。雖然人工地下硐庫(kù)需用混凝土襯砌加固，建設(shè)成本相對(duì)較高，但是因其選址自由而具備大規(guī)模推廣的條件。從空間利用率、安全可靠性、選址靈活性及經(jīng)濟(jì)性價(jià)比等角度綜合考慮，人工地下硐庫(kù)儲(chǔ)氣是發(fā)展的趨勢(shì)。人工地下硐庫(kù)根據(jù)布置形式一般可分為大罐式、廠房式及隧道式等。大罐式是將地下硐庫(kù)建成大型罐體結(jié)構(gòu)，適用于大容積的存儲(chǔ)但是需要多設(shè)置交通道增加工作面出碴等，相對(duì)隧道式開(kāi)挖跨度大、穹頂施工難度大、造價(jià)高。廠房式是將地下硐庫(kù)建成具有分區(qū)的硐庫(kù)結(jié)構(gòu)，雖然可分區(qū)存儲(chǔ)壓縮空氣，但為分區(qū)增加了地下輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而增加費(fèi)用，同時(shí)還因設(shè)置地下室進(jìn)出口而占用地面空間。隧道式就是挖掘地下通道并設(shè)置存儲(chǔ)設(shè)施，將地下硐庫(kù)建成隧道的結(jié)構(gòu)。相較于前兩種形式，隧道式地下硐庫(kù)在空間利用率、工藝成熟度、造價(jià)等方面具有綜合優(yōu)勢(shì)。因此，隧道式更適合大容積存儲(chǔ)人工地下硐庫(kù)的修建。隧道式人工地下硐庫(kù)的修建可借鑒公路、鐵路及地鐵隧道修建過(guò)程中常采用的新奧法施工或者盾構(gòu)法施工，對(duì)于大斷面隧道修建具備非常成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

圖1 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖

2 人工地下硐庫(kù)新奧法與盾構(gòu)法施工

盾構(gòu)法是指利用盾構(gòu)機(jī)完成開(kāi)挖及支護(hù)的施工方法，即利用盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)開(kāi)挖土體，運(yùn)用刀盤(pán)穩(wěn)定開(kāi)挖面、盾構(gòu)鋼殼支護(hù)周?chē)馏w，掘進(jìn)同時(shí)在機(jī)內(nèi)完成支護(hù)、拼裝管片形成襯砌，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)示意圖如圖2 所示。該工法機(jī)械化程度高，但是相比新奧法，在前期需要建設(shè)盾構(gòu)始發(fā)井與接收豎井、管片廠等配套設(shè)施，總花費(fèi)較高，對(duì)于短區(qū)間經(jīng)濟(jì)效益差。并且盾構(gòu)機(jī)尺寸固定，截面靈活性較差。盾構(gòu)機(jī)的選型與定制還需遵循三角理論總則，設(shè)備有一定的專(zhuān)款專(zhuān)用性，即“一個(gè)中心、兩個(gè)基點(diǎn)、三依三實(shí)、三大目標(biāo)”。

圖2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)示意圖

施工工法的選擇是一項(xiàng)綜合性分析評(píng)價(jià)的結(jié)果。對(duì)于城市地鐵而言，由于地面與地下建筑的密集度與復(fù)雜性，作業(yè)空間受限，加之保障居民日常生活、交通出行與安全等因素，采用盾構(gòu)法施工。一般而言，當(dāng)施工區(qū)間短于500m 時(shí)，若采用盾構(gòu)法造價(jià)將高于新奧法。這是由于盾構(gòu)法固定費(fèi)用（盾構(gòu)裝拆、端頭加固、設(shè)備攤銷(xiāo)等）占總費(fèi)用的比例是隨區(qū)間長(zhǎng)度增加而降低。當(dāng)圍巖等級(jí)越高且越均質(zhì)，新奧法的輔助工法花費(fèi)越少。因此，當(dāng)區(qū)間較短時(shí)新奧法從造價(jià)角度是優(yōu)選工法。

3 某壓縮空氣儲(chǔ)能人工地下儲(chǔ)氣硐庫(kù)工程

3.1 工程概況

通過(guò)儲(chǔ)氣容積10 萬(wàn)m3的某壓縮空氣儲(chǔ)能人工地下儲(chǔ)氣硐庫(kù)項(xiàng)目，來(lái)比較新奧法與盾構(gòu)法在經(jīng)濟(jì)與工期方面的差異性。該項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期儲(chǔ)氣壓力為10MPa，最小埋深為100m。采用外徑13m，長(zhǎng)度為1 000m 的圓形截面隧道式地下硐庫(kù)布置形式。該區(qū)域海拔平均為1 500m 左右，以沖洪積平原、低山丘陵及中高山為主。巖層以第四系松散層及巖漿巖為主，硐庫(kù)區(qū)圍巖以?shī)W陶系輝長(zhǎng)巖為主，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，地下水以基巖裂隙水為主。

3.2 新奧法造價(jià)與工期構(gòu)成

關(guān)于本工程新奧法施工造價(jià)與工期主要包含前期準(zhǔn)備階段、開(kāi)挖及支護(hù)施工階段與后期工序等三部分，各部分具體包含內(nèi)容及造價(jià)在下面詳細(xì)介紹。

3.2.1 前期準(zhǔn)備階段

前期準(zhǔn)備階段包含后續(xù)新奧法施工所需建設(shè)的輔助施工斜井與臺(tái)車(chē)的拼裝等，新奧法施工所需建設(shè)的斜井總長(zhǎng)度為405m，建設(shè)工期及造價(jià)如表1 所示。新奧法前期準(zhǔn)備所需時(shí)間為5.5 個(gè)月。

原料：大米 25 g，黑米 25 g，大豆 25 g，紅豆 25 g，核桃仁 25 g，花生 25 g，紅棗 15 g，桂圓 10 g（2人份）。

表1 新奧法工序造價(jià)及工期

3.2.2 開(kāi)挖及支護(hù)施工階段

本工程新奧法開(kāi)挖及支護(hù)施工階段包含有開(kāi)挖施工、初期支護(hù)施工、仰拱施工及二次襯砌施工四個(gè)部分。前三個(gè)施工進(jìn)度是90m/月，二次襯砌施工進(jìn)度為100m/月，本階段所需工期為11.5 個(gè)月，新奧法施工在本階段是人工投入最大的階段。本階段具體工期與造價(jià)如表1 所示。

3.2.3 后期工序

新奧法后期工序僅為臺(tái)車(chē)的拆除，所需時(shí)間為半個(gè)月。

3.3 盾構(gòu)法造價(jià)與工期構(gòu)成

盾構(gòu)法造價(jià)主要包含前期準(zhǔn)備、盾構(gòu)施工與后期工序等三部分，各部分包含內(nèi)容及造價(jià)如下。

3.3.1 前期準(zhǔn)備階段

盾構(gòu)法前期準(zhǔn)備工作包含盾構(gòu)始發(fā)豎井施工、盾構(gòu)接收豎井施工及支護(hù)管片的生產(chǎn)三部分。對(duì)于盾構(gòu)始發(fā)與接收豎井可以同時(shí)施工以減少所需工期，本工程盾構(gòu)豎井建設(shè)需要6 個(gè)月時(shí)間。管片生產(chǎn)可建管片廠自產(chǎn)或利用既有管片廠訂購(gòu)?？紤]本工程周邊環(huán)境及運(yùn)輸情況，選擇建廠自產(chǎn)。隧道開(kāi)挖掘進(jìn)前需將管片生產(chǎn)完，管片混凝土養(yǎng)護(hù)周期為28d，需要養(yǎng)護(hù)存放檢驗(yàn)。隧道襯砌面積40 840m2，按規(guī)范3 層堆放，存儲(chǔ)面積13 613m2。因此，本工程建廠生產(chǎn)線面積為6 000m2，混凝土養(yǎng)護(hù)池使用面積為2 400m2，管片儲(chǔ)存場(chǎng)地使用面積為5 200m2，總面積約占地21 畝。本工程生產(chǎn)支護(hù)管片的臨時(shí)用地與建廠費(fèi)用約500 萬(wàn)元。由于管片生產(chǎn)場(chǎng)地需要自建，因此預(yù)留給生產(chǎn)管片的時(shí)間僅有3 個(gè)月。本工程需使用556 環(huán)大直徑盾構(gòu)管片，每環(huán)寬1.8m，每環(huán)管片由10 片組成。每套模具生產(chǎn)能力為2 環(huán)/d，日產(chǎn)量8 環(huán)/d，生產(chǎn)線配備4 套模具，生產(chǎn)管片花費(fèi)時(shí)間為2.5 個(gè)月。本工程投入的管片生產(chǎn)線包含4 套模具、6臺(tái)門(mén)吊及其他周轉(zhuǎn)材料，共花費(fèi)約1 350 萬(wàn)元。前期準(zhǔn)備階段具體所需工期及造價(jià)如表2 所示。

表2 盾構(gòu)法工序造價(jià)及工期

3.3.2 盾構(gòu)施工階段

盾構(gòu)施工階段包含盾構(gòu)機(jī)的拼裝、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)與注漿施工及管片安裝三個(gè)部分。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的拼裝除了盾構(gòu)機(jī)的組裝以外還包括盾構(gòu)始發(fā)部位、接收部位采用凍結(jié)法加固，所需時(shí)間為2 個(gè)月。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)、注漿及管片安裝的進(jìn)度為330m/月，所需工期為3 個(gè)月。具體工期及造價(jià)如表2 所示。

3.3.3 后期工序

盾構(gòu)法后期工序包含盾構(gòu)機(jī)的接收及拆除兩個(gè)部分，具體造價(jià)與工期如表2 所示。

3.4 新奧法與盾構(gòu)法施工經(jīng)濟(jì)性比對(duì)結(jié)果與建議

3.4.1 施工方法的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

依據(jù)表1 與表2 對(duì)比可知，對(duì)于本工程截面外徑13m，施工區(qū)間長(zhǎng)度為1 000m 的情況，采用新奧法施工所需的工期為17 個(gè)月，而盾構(gòu)法施工工期為12 個(gè)月。由圖3 可看出，新奧法工期主要是花費(fèi)在施工中期的隧道開(kāi)挖與支護(hù)工序之上，這是由于新奧法機(jī)械化程度低的原因。而盾構(gòu)法由于施工前期準(zhǔn)備工作眾多花費(fèi)時(shí)間較多，由于機(jī)械化程度高，開(kāi)挖與支護(hù)階段花費(fèi)時(shí)間少，采用盾構(gòu)法施工會(huì)縮短工期5 個(gè)月。這說(shuō)明采用盾構(gòu)法機(jī)械化程度明顯提高，節(jié)省工期明顯。而在經(jīng)濟(jì)維度，采用新奧法施工造價(jià)約為1.4 億元，而盾構(gòu)法施工造價(jià)約為3.99 億元，采用盾構(gòu)法施工造價(jià)多2.59 億元。由圖4 可看出，采用新奧法施工，施工中期的開(kāi)挖與支護(hù)階段花費(fèi)占總造價(jià)的比例高；而采用盾構(gòu)法施工，施工前期的準(zhǔn)備階段花費(fèi)占總造價(jià)的比例高。這說(shuō)明盾構(gòu)施工前期一次性投入過(guò)大，而新奧法則是施工階段投入過(guò)大，隨著施工距離的增加，盾構(gòu)法施工的經(jīng)濟(jì)性才能體現(xiàn)出來(lái)。對(duì)于本工程這種單一任務(wù)且施工區(qū)間距離短的情況是不具備經(jīng)濟(jì)性的。因此對(duì)于新奧法與盾構(gòu)法的選取除了施工區(qū)間這種單一指標(biāo)判斷外，還需充分考慮其他因素，下面將對(duì)盾構(gòu)法施工經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行剖析。

圖3 不同時(shí)期新奧法與盾構(gòu)法施工工期圖

圖4 不同時(shí)期新奧法與盾構(gòu)法施工造價(jià)占比圖

3.4.2 盾構(gòu)法經(jīng)濟(jì)效益剖析與建議

對(duì)于本工程而言采用盾構(gòu)法施工所產(chǎn)生的造價(jià)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新奧法施工，對(duì)于盾構(gòu)法施工的經(jīng)濟(jì)效益需要詳細(xì)地論證并針對(duì)盾構(gòu)法施工造價(jià)高提出合理建議：

（1）盾構(gòu)機(jī)本身造價(jià)高

本工程所需的13m 直徑盾構(gòu)機(jī)造價(jià)約為1.3 億元，大修壽命一般為10km，所產(chǎn)生的攤銷(xiāo)費(fèi)用約為20 000 元/m，而市場(chǎng)租賃一般為自購(gòu)攤銷(xiāo)費(fèi)的2 ～3 倍左右，需要一次性投入。壓縮空氣儲(chǔ)能人工地下硐庫(kù)對(duì)地質(zhì)條件要求較高，且硐庫(kù)斷面直徑較大，盾構(gòu)機(jī)可租可用的概率較小。如果不考慮盾構(gòu)機(jī)本身攤銷(xiāo)費(fèi)用，在水文地質(zhì)條件、施工條件與支護(hù)強(qiáng)度等相同條件下，新奧法與盾構(gòu)法施工造價(jià)是基本相當(dāng)?shù)?。所以，?dāng)施工區(qū)間較長(zhǎng)且考慮提早營(yíng)運(yùn)收益可觀的情況下，可以適當(dāng)考慮盾構(gòu)法施工。

（2）盾構(gòu)始發(fā)與接收豎井建設(shè)費(fèi)用

與新奧法施工相比，盾構(gòu)法施工存在較大的一次性投入項(xiàng)目，即盾構(gòu)始發(fā)與接收豎井的建設(shè)費(fèi)用，本項(xiàng)目而言就增加了1.07 億元豎井建設(shè)費(fèi)用。盾構(gòu)機(jī)主機(jī)為整體鋼殼，不能拆卸解小運(yùn)出，考慮掘進(jìn)的同時(shí)需要考慮作業(yè)完成后設(shè)備退出路徑。在城市地鐵項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，地鐵車(chē)站、通風(fēng)井在施工階段被兼做始發(fā)井、接收井功能使用，在貫通后繼續(xù)修建其地鐵車(chē)站、通風(fēng)井的永久性結(jié)構(gòu)功能。為了將豎井與盾構(gòu)主機(jī)鋼殼應(yīng)用在儲(chǔ)氣硐庫(kù)中以優(yōu)化造價(jià)，降低成本。本文提出在滿足儲(chǔ)氣安全與穩(wěn)定的前提下，降低硐庫(kù)的埋深，這樣可以減少豎井施作深度，進(jìn)而降低造價(jià)。并優(yōu)化豎井設(shè)計(jì)，將豎井轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)氣硐庫(kù)的永久結(jié)構(gòu)，這樣減少了施工結(jié)束對(duì)豎井的綜合處理與棄置賦閑。目前壓氣儲(chǔ)能內(nèi)襯洞室密封層的研究，原理分為兩種，剛性約束原理和柔性約束原理；材料方向主要分為高分子材料和鋼材。隨著工藝、工法、工裝、成本等不斷迭代升級(jí)，從降低制造成本出發(fā)，硐庫(kù)從選址、設(shè)計(jì)階段，降低埋深和支護(hù)參數(shù)都將是趨勢(shì)。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)主機(jī)棄殼而言，可將其作為儲(chǔ)氣硐庫(kù)鋼內(nèi)襯的一部分。

（3）管片廠費(fèi)用

對(duì)于本工程而言，當(dāng)采用盾構(gòu)法施工時(shí)，預(yù)制管片廠使用完成后按照50%折舊處理，需要花費(fèi)925 萬(wàn)元。假設(shè)儲(chǔ)氣硐庫(kù)所處位置偏遠(yuǎn)，周邊城市沒(méi)有可利用管片廠定制生產(chǎn)的條件，且其他城市運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)、路況不良，運(yùn)輸成本高；管片廠只得采用自建方式。優(yōu)化造價(jià)，降低成本。可通過(guò)合理規(guī)劃地下儲(chǔ)氣硐庫(kù)地面的設(shè)施，將地面永久建筑物與地面臨時(shí)建筑物結(jié)合實(shí)施，來(lái)降低管片廠建設(shè)投入費(fèi)用。也可通過(guò)優(yōu)化施工工法，綜合研究論證，盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖加模筑施工二襯砼方法。

4 結(jié)論

為了緩解電網(wǎng)調(diào)峰的壓力并高效利用可再生電能，儲(chǔ)能技術(shù)的研究逐漸受到重視，人工地下硐庫(kù)儲(chǔ)氣是發(fā)展的趨勢(shì)。本文以某壓縮空氣儲(chǔ)能人工地下儲(chǔ)氣硐庫(kù)工程為例，比較了盾構(gòu)法與新奧法施工造價(jià)與工期的差異，提出主要結(jié)論：

（1）對(duì)于本工程盾構(gòu)法施工一次性投入過(guò)大，在本工程中不具備經(jīng)濟(jì)性；

（2）論證了盾構(gòu)法施工的經(jīng)濟(jì)效益，提出合理建議，為壓縮空氣儲(chǔ)能人工地下儲(chǔ)氣硐庫(kù)施工方法的選擇提供參考。