1、101潘福营等：TBM 在抽水蓄能电站排水洞中的应用0引言抽水蓄能电站地下厂房系统主要由主厂房、主变压器室和尾水闸门室、输水系统以及交通洞、通风兼安全洞、排水洞等隧洞群组成。排水洞主要有地下厂房周边排水洞、引水高压管道排水洞、自流排水洞等。排水洞一般采用人工钻爆法施工，人工钻爆法具有劳动力投入大、安全风险高、施工工期长、作业面环境差等问题，对人员职业健康及安全存在风险隐患等。TBM 是目前最先进的洞挖施工设备1，其具有安全环保、自动化程度高、节约劳动力、施工速度快等优点，实现隧洞开挖全机械化施工，可显著提升隧洞开挖的施工质量、安全水平和工期保证率，已在公路、铁路及水利工程的隧洞开挖中广泛应用。
2、抽水蓄能电站隧洞群具有洞径差异大、纵坡变化大、单洞长度短、转弯半径小等特点2，制约了 TBM 应用。为助力“双碳”目标的实现，国内开始大规模建设抽水蓄能电站，形成了抽水蓄能电站群的管控模式，TBM 可以在多个电站连续应用，充分发挥其优势。2018 年，国网新源控股有限公司开始在文登电站排水洞开展了 TBM 应用研究工作，取得了良好的效果，现已在抽水蓄能电站全面推广应用 TBM 开挖排水洞。本文就TBM 在排水洞应用中的设计、设备和施工情况进行总结分析。1TBM 施工排水洞设计方案1.1洞径、转弯半径、坡度设计文登电站高压管道周边排水廊道和地下厂房周边排水廊道开挖尺寸为 3.0m3.0m（宽 高
3、），采用圆拱直墙型断面，TBM 施工为圆形断面，将圆形断面与圆拱直墙型断面拟合比选，直径 3.5m 的圆形断面符合现设计断面要求，因此确定TBM 开挖排水洞的设计断面为直径 3.5m 的圆形，综合 TBM设备施工要求最小转弯半径 30m，纵向坡度不大于 5%。最终确定 TBM 开挖排水洞的设计断面为直径 3.5m 的圆形、最小转弯半径 30m、排水洞坡度不大于 5%。此设计参数也能满足所有电站排水廊道施工期和运行期的功能要求，具有推广性。1.2排水洞布置方案为了充分发挥 TBM 施工优势，需要隧洞尽可能长，同时满足 TBM 转弯和施工坡度要求，对原设计排水洞分层布置方案调整为环形或螺旋形布置，
4、形成一条隧洞3。这种排水洞螺旋形或环形布置方案对抽水蓄能电站隧洞设计通用性强，对抽水蓄能电站隧洞群 TBM 施工技术适应性最强，对抽水蓄能电站群的通用性也最好。根据各电站的布置方式，主要分为三种情况。（1）一层排水洞布置方案。一层排水洞采用 TBM 施工时，排水洞由矩形布置调整为环形布置，平面洞线的设计转弯半径最小为 30m，隧洞洞径为3.5m 的圆形4。具体布置形式见图 1。（2）主厂房集水井排水洞布置方案。根据枢纽布置特点，通常地下厂房排水洞分三层布置，地下水汇流至集水井，由集水井设置水泵集中排出洞外。采用 TBM 施工时，地下厂房周边三层排水洞螺旋形布置成一条隧洞，洞线的设计转弯半径最小
5、为 30m，纵向坡度不大于 5%，隧洞洞径为3.5m 的圆形。具体布置形式见图 2。（3）自流排水洞布置方案。地下洞室排水洞结合地形条件，按照地下洞室排水洞自流排水设置。排水洞自通风洞起始，环绕地下洞室群降坡布置，最终自自流排水洞排出地下洞室群汇水。采用 TBM 施TBM 在抽水蓄能电站排水洞中的应用潘福营，张菊梅（国网新源控股有限公司基建部，北京市100052）摘要：TBM 是目前最先进的洞挖施工设备，但在水电工程极少应用，国网新源控股有限公司率先在抽水蓄能电站开展了TBM试点应用工作，现已在地下排水洞工程全面推广应用。TBM施工实现了隧洞“机械化、工厂化、自动化”作业，极大提高了工程安全和
6、质量。本文就TBM在排水洞应用中的设计、设备和施工情况进行总结分析，供交流借鉴。关键词：TBM；抽水蓄能电站；排水洞；施工中图分类号：TV52文献标识码：A学科代码：570.30DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2023.02.017102水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023工时，布置方式为自流排水洞与地下厂房周边螺旋形排水洞连接成一条隧洞。洞线的设计转弯半径最小为 30m，纵向坡度不大于 5%，隧洞洞径为
7、3.5m 的圆形。具体布置形式见图 3。2TBM 施工设备2.1设备整体结构排水洞 TBM 为针对抽水蓄能电站地下洞室特性专门设计的新型护盾式 TBM，其结合双护盾 TBM 与敞开式 TBM技术特点，主机采用双护盾 TBM 主机设计，支护系统采用敞开式 TBM 锚网喷支护系统设计，具备实现小半径转弯能力。TBM 从刀盘向后依次由主机、后配套组成，包括开挖系统、推进系统、物料运输系统、轨线延伸系统、通风除尘系统、供排水系统、照明系统等，整机全长约 37m。掘进时，通过支撑靴支撑洞壁来提供掘进反力，排水洞 TBM 整机示意图见图 4。主变压器室尾闸室排水洞排水洞排水洞排水洞起点主厂房图 3地下厂房
8、自流排水洞布置示意图Figure 3Schematic diagram of underground workshop artesian drainage hole layout始发洞安装洞施工支洞排水廊道图 1一层排水洞布置示意图Figure 1Layout diagram of drainage hole on the first floor主变压器室尾水闸门室主厂房排水廊道起点排水廊道终点排水廊道排水幕图 2厂房排水洞布置示意图Figure 2Layout diagram of drainage hole in workshop103潘福营等：TBM 在抽水蓄能电站排水洞中的应用2.2T
9、BM 设备主要技术参数排水洞 TBM 设备主要技术参数见表 1。表 1排水洞 TBM 设备主要技术参数表Table1MaintechnicalparametersofdrainagetunnelTBMequipment项目参数列表单位开挖直径3530mm刀盘转速0-8.5-14.5r/min最大推进速度100mm/min最大推力897t整机总长约 37m主机总长约 7m总重（主机+后配套）约 250t装机功率1452kW整机最小水平转弯半径30m纵向爬坡能力5%刀盘规格（直径 长度）35301527mm旋转方向正/反分块数量和方式1 块结构总重30t主要结构件材质Q345D中心滚刀数量/直径6
10、/432把/mm边滚刀数量/直径8/432把/mm正滚刀数量/直径8/432把/mm扩径刀数量/直径4/432把/mm3TBM 施工3.1TBM 施工路线根据排水洞布置形式，TBM 施工分三种情况规划施工路线。（1）一层排水洞布置方案。TBM 在施工支洞与排水洞交叉部位的始发洞组装始发，环排水洞一周后在始发洞拆机。（2）无自流排水洞，只有地下厂房周边排水洞布置方案。TBM 在通风洞与排水洞交叉部位的始发洞组装始发，自上而下螺旋形环绕地下厂房排水洞掘进，在下层廊道集水井部位拆机运出。（3）有自流排水洞和地下厂房周边排水洞布置方案。此布置方案分为两种施工路线，第一种方式 TBM 在自流排水洞洞口组
11、装始发，先沿自流排水洞掘进，再自下而上螺旋形环绕地下厂房排水洞，在上层排水洞和通风洞交叉部位拆机运出。第二种方式 TBM 在地下厂房上层排水洞和通风洞交叉部位组装始发，再自上而下螺旋形环绕地下厂房排水洞掘进，在自流排水洞洞口拆机。第一种方式为上坡掘进，有利于排水，同时自流排水洞出口独立，与其他部位施工干扰少，推荐优先采用。3.2TBM 施工出渣方式根据排水洞断面和洞内运输要求，洞内采用梭矿车有轨运输，轨距为 900mm，采用 43kg/m 钢轨，钢轨加工成每段长度 3.125m，轨道用螺栓固定在 H150 的型钢上，随设备前进在设备桥预留槽口下放并安装钢轨5；洞外采用 20t 自卸汽车运输。电
12、瓶车设定最大行驶速度为 10km/h，梭式矿车储渣量为 8m3。TBM 采用滚刀破岩，切削的岩渣沿刀圈周围空隙挤入刀盘内，落入挂渣板，随刀盘转动落入集渣斗，到达运输皮带后一直被运输至 TBM 设备尾部，落入梭矿车储渣斗内。储渣梭矿车尾部与出渣梭矿车头部高低相接，岩渣从储渣梭矿车下护盾推进油缸撑靴一号滑车二号滑车三号滑车四号滑车设备桥梭式矿车油脂泵皮带机电缆箱通风系统变压器内循环水泵站变频柜配电柜空压机储气罐支撑盾主驱动上护盾刀盘图 4排水洞 TBM 设备构造图示意图Figure 4Schematic diagram of drainage tunnel TBM equipment struct
13、ure104水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023转到出渣梭矿车后由电瓶车拉至洞口皮带基坑处，将岩渣卸至皮带机上，通过转渣皮带机提升落入自卸车后运至指定弃渣场。3.3TBM 施工进度（1）组装调试工期。TBM 设备在洞口组装 15 20 天，调试 3 天，始发试掘进 3 天；设备全部进洞后，安装洞外道闸、错车轨线、风机、出渣皮带机等 4 天。共计需要有效时间 25 30 天。（2）掘进进度。TBM 正常掘进后配置两个掘进班组循环作业
14、，每日换刀、维保时间 3 4h，其余时间全部掘进作业。每周在设备维保时间进行一次现场开挖验收，对揭露围岩进行地质素描，判定支护方案。对宁海电站排水洞 TBM 施工进度进行了统计分析，具体见表 2。表 2TBM施工进度统计分析表Table2StatisticalanalysistableofTBMconstructionprogress2021 年/月月进尺/m有效工作天数/d日平均进尺（md-1）2111.911110.173530.7630.517.404465.9026.517.585412.262814.726352.562613.567343.7125.313.598413.5029.
15、514.029210.3223.19.10累计2840.92199.914.21由表 3 看出，TBM 最高月掘进进尺达到 530m，3 8 月平均月掘进进尺 420m，有效工作时间掘进效率 14.21m/d，掘进速度远高于人工钻爆法每月 90m 左右的进尺。（3）拆机工期。TBM 掘进完成后，在拆机洞室进行拆机，拆机时间为8 12 天。3.4开挖效果3.4.1排水洞轴线控制TBM 配置有激光自动导向系统，通过工业电脑中的导向系统软件联系起来，构成一个完整的系统进行测量工作，实时调整掘进方向与设计的洞轴线一致。复测文登电站、宁海电站实际洞轴线水平、垂直误差均控制在 5cm 以内，低于设计规范要
16、求。3.4.2开挖质量方面TBM 设备开挖排水洞采用刀具旋转切割而成，开挖后几乎没有超欠挖，隧洞表面只有刀痕形成的 1 2cm 不平整度，整体外观趋于镜面，远低于规范要求。同时在不良地质段开挖还带有自密实作用，极大提升工程实体质量。排水洞实际开挖成型效果见图 5。图 5TBM 开挖排水洞成型效果图Figure 5Forming effect of TBM excavation drainage3.4.3TBM 法与钻爆法开挖变形对比实测排水洞不同围岩类别 TBM 法与钻爆法两种方法开挖后变形情况见表 3。根据表 4，TBM 法隧道变形明显小于钻爆法，且随着围压类别的降低，TBM 法对隧道变形的控制效果越来越优于钻爆法。3.4.4钻爆法及 TBM 法塑性区对比排水洞不同围岩类别 TBM 法与钻爆法两种方法开挖后塑性区深度见表 4。105潘福营等：TBM 在抽水蓄能电站排水洞中的应用表 3 排水洞 TBM 法与钻爆法不同围岩类别开挖变形对比表Table3ComparisonofexcavationdeformationofdrainagetunnelwithTBMmethodanddril
