TBM技术在盖孜水电站引水隧洞开挖中的可行性

张 亚

(广西水利电业集团新疆克州水利发电有限公司，新疆 喀什 844000)

1 工程概况

新疆克州盖孜水电站工程位于新疆维吾尔自治区克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克陶县境内，是新疆克州盖孜河中游河段梯级水电开发项目的第二梯级水电站，位于第一梯级布仑口-公格尔水电站下游，衔接公格尔水电站尾水。电站发电额定水头342m，装机容量11.6万kW，保证出力4.09万kW，年利用小时数3241h，多年平均年发电量3.76亿kW·h。工程区位于盖孜河中游河段侵蚀、剥蚀山区，山体总体呈北西-南东走向，地形总趋势西高东低。盖孜河斜切山体，流向近东西。河谷两岸山坡陡峻，基岩多裸露，山顶高程一般3000-4000m，河谷两岸有现代冰川分布，常沿冲沟发育冰舌、冰水洪积扇等地貌。坡面凸凹不平，冲沟广布，河谷呈“U”型，宽200-500m, 平均河床比降31%。

根据工程合同文件控制性工期要求，结合本工程的实际情况，本工程主要分为引水隧洞、埋涵段、引水调节池及闸井三部分，其中引水隧洞工程施工工期长且施工难度大。引水隧洞从起始点进口进入主洞向下游掘进，其他工作面从1#、2#、3#支洞进入分上游、下游两个工作面进行掘进。

2 引水隧洞TBM可行性分析

根据盖孜水电站引水隧洞开挖机械设备选型流程(图1)，对反井钻机、多臂台车、悬臂掘进机、TBM掘进机等隧洞开挖设备从施工条件、技术优劣势、经济效益及社会效益等方面进行比较论证。很显然，TBM掘进机械在各个方面均具有凸出优势，故该技术在盖孜水电站引水隧洞开挖方面具有可行性及适应性。

2.1 施工地质条件

反井钻机、多臂台车、悬臂掘进机、TBM掘进机等开挖设备所适用的工程地质条件具体见表1，从围岩类型、围岩强度、设计埋深、洞径尺寸、转弯半径等地质条件角度考虑，TBM掘进机械较为适应盖孜水电站引水隧洞工程地质。

2.2 施工管理

TBM施工人员可以在盾体保护下开展施工，开挖直径因受到刀盘和刀具的保护而不会出现钻爆法超欠挖及洞室围岩扰动问题，施工安全性及质量比钻爆法有保证。虽然TBM技术在施工开始之初及末期需要组装和拆卸机械，但该技术能实现连续掘进施工，开挖效率较高。钻爆法因受到爆破管制、安全管理等方面的限制，开挖进度难保证；现有工程资料显示，TBM技术综合开挖效率是传统钻爆法的5-8倍[1]。

表1 引水隧洞开挖机械地质条件适用比较

2.3 经济效益及社会效益

TBM掘进机为定制设备，初期一次性投入较大，与常规钻爆法相比无成本优势，但是通过加强规划设计、统一断面，采用多站连打的操作能有效分摊设备定制成本，降低施工段单位掘进施工成本。

TBM技术属于非爆工法，在环境保护及人员健康方面具有显著优势，符合绿色施工要求。而常规的钻爆法施工现场作业人员多、干扰因素多，不符合水利水电工程施工现场少人化、智能化的发展方向，钻爆施工还将对周围建筑物及居民产生较大的扰动及烟尘、噪声危害。

3 引水隧洞TBM关键技术

3.1 引水隧洞TBM应用方案

反井钻设备施工能力是限制和影响盖孜水电站引水系统斜井布置的主要因素，其单级斜井长度应控制在400m以内，斜井倾角的设置必须充分为自行溜渣提供便利，故倾角应控制在45°-60°之间，布置方式为三级平洞+两级斜井。如果采用TBM掘进施工技术，则斜井角度只需在10°-60°之间便可实现自行溜渣；三级平洞+两级斜井的布置方式可简化为一级长斜井方案，单级斜井长度可延伸至800-1000m。

3.2 开挖料工程应用

应用TBM开挖引水隧洞的过程中TBM旋转刀头以挤压方式切削破岩，刀盘则通过喷水冷却，所以开挖料主要呈片状，石粉含量及含水率均较高，石渣颗粒细、料块隐含裂隙多、对母岩强度损伤大[2]。为充分利用TBM开挖料，必须展开开挖料试验。当前国内相关工程中对TBM开挖料的试验成果并不多，且已有成果存在较大差异。文章从理论上判断，TBM开挖料作为砂石骨料料源的可利用性主要与其母岩岩性、完整性及强度等有关。对于母岩完整性好、强度高的情况，TBM掘进机主要通过挤压方式破岩，导致开挖料有较高的石粉含量；而对于完整性和强度均一般的母岩，TBM开挖料形状更为规则、骨料获取率高。通过调整混凝土配合比，合理确定水泥、减水剂、外加剂掺量，可以改善TBM开挖料所生产骨料级配、粒型不良的情况，也就是说，在处理成本较小的情况下，TBM开挖料作为人工砂、豆砾石填充灌浆混凝土骨料料源、喷混凝土骨料料源等应用具备可行性。

图1 TBM施工引水斜井总剖面图

3.3 出渣

盖孜水电站引水隧洞TBM开挖采用自下而上的施工工艺，故应结合排水廊道开挖料进行溜渣试验。根据几何相似原则构建出渣试验平台模型，并根据试验需要调整溜渣槽角度。盖孜水电站引水隧洞排水廊道围岩主要为单轴抗压强度100-150MPa的Ⅰ类和Ⅱ类石英二长岩、二长花岗岩，TBM开挖料含水率在1.2-1.5%之间，筛分开挖料后粒径10mm以下、10-20mm、20-40mm、40mm以上的颗粒含量分别为44%、12%、14%、30%。针对不同溜渣角度进行开挖料敏感性试验，根据试验结果，溜渣倾角在28°以上时开挖料完全能自行溜渣；而当溜渣倾角在26°以下时开挖料便无法自行溜渣，必须予以辅助[3]。具体结果见表2。

表2 TBM开挖料溜渣试验结果

为此，盖孜水电站引水隧洞TBM开挖施工抽蓄斜井部位倾角应保持在28°以上，以方便自行溜渣，考虑到环保等方面的要求，不应采用水力辅助溜渣措施，而应配合以螺旋输送机、溜渣钢板、高频振动器及人工清渣等方面，保证TBM开挖料顺畅出渣。

3.4 斜井衬砌

考虑到TBM引水斜井长度在800-1000m，钢管安装及钢管混凝土回填施工难度均较大。为解决钢管安装、钢管混凝土回填、衬砌滑膜就位等技术问题，应保留斜井中部施工支洞，并在钢衬起点上方设置支洞端点，用于钢衬、混凝土回填衬砌的施工通道，并为上部混凝土衬砌和下部钢衬同时施工提供条件。

4 结 论

综上所述，TBM掘进机与常规钻爆法施工机械相比，围岩适用范围广，属于定制设备；TBM开挖料可以通过掺配、调整配合比等方式改善级配及粒型后作为人工砂、豆砾石填充灌浆混凝土骨料料源、喷混凝土骨料等使用，还可以用于垫层填料、制作石粉、级配碎石料等使用，在改良工艺难度及费用等较低的情况下，TBM施工技术在新疆克州盖孜水电站引水隧洞开挖中的应用切实可行，且具有很强的经济效益和社会效益。