前不久，全球首臺(tái)緊湊型、超小轉(zhuǎn)彎半徑硬巖全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）“文登號(hào)”順利出洞，完成了山東文登抽水蓄能電站工程高壓引水上層排水廊道試驗(yàn)段的掘進(jìn)。這也是TBM工法在我國抽水蓄能電站工程建設(shè)領(lǐng)域的首次成功應(yīng)用。
“文登號(hào)”處于始發(fā)狀態(tài)。
文登抽水蓄能電站三維透視圖
我國隧道工程施工技術(shù)經(jīng)歷了鋼釬大錘（20世紀(jì)四五十年代）、手持風(fēng)鉆（20世紀(jì)五六十年代）、鑿巖臺(tái)車（20世紀(jì)八九十年代）、隧道掘進(jìn)機(jī)（2000年后）幾個(gè)發(fā)展階段。硬巖全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)是目前最先進(jìn)的掘進(jìn)設(shè)備，其設(shè)計(jì)、制造技術(shù)已被我國掌握，并在交通、礦山等長隧道中應(yīng)用，提高了隧道工程的安全、質(zhì)量水平及施工效率。
TBM有何技術(shù)特點(diǎn)？在抽水蓄能電站隧道洞室施工中引入TBM工法具有哪些優(yōu)勢？適用于抽水蓄能電站的TBM又做了哪些優(yōu)化？
TBM的發(fā)展歷程
我國TBM自主研發(fā)、制造、施工技術(shù)已成熟
我國一般將硬巖全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)簡稱為TBM。TBM主要適用于直徑2.5～10米的全斷面巖石隧道，可一次截割出所需斷面，且形狀多為圓形，多用于工程隧道施工中，主要分為敞開式、單護(hù)盾式和雙護(hù)盾式三種型式。
1851年，美國工程師設(shè)計(jì)了世界首臺(tái)可連續(xù)掘進(jìn)的TBM。然而由于一些技術(shù)問題沒有得到有效解決，直到20世紀(jì)50年代，TBM才得到廣泛應(yīng)用。此前，TBM技術(shù)一直被國外壟斷。1996年，我國首次引進(jìn)TBM，應(yīng)用于西康鐵路秦嶺隧道的施工，建立起自主的TBM施工隊(duì)伍，并逐步進(jìn)入聯(lián)合設(shè)計(jì)制造、自主施工的發(fā)展階段。目前，我國TBM自主研發(fā)、制造、施工技術(shù)已經(jīng)成熟。2017年8月，我國首臺(tái)再制造TBM“彩云1號(hào)”在大瑞鐵路項(xiàng)目高黎貢山隧道順利始發(fā)，標(biāo)志著我國TBM施工技術(shù)邁上更高臺(tái)階。
TBM是怎樣連續(xù)掘進(jìn)并打通隧道的？
TBM通過支撐機(jī)構(gòu)撐緊洞壁，承受刀盤旋轉(zhuǎn)掘進(jìn)傳來的反作用力和反扭矩，推進(jìn)液壓系統(tǒng)推壓刀盤。隨著刀盤旋轉(zhuǎn)，鑲嵌在刀盤上的滾刀切入巖石，在巖石面上做同心圓軌跡的滾動(dòng)破巖，巖渣靠自重落在隧洞底部，由刀盤上的渣斗鏟起，再經(jīng)溜槽進(jìn)入皮帶機(jī)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)成洞。
抽蓄電站應(yīng)用TBM有何優(yōu)勢
掘進(jìn)速度約為傳統(tǒng)鉆爆法的4～6倍，更加安全經(jīng)濟(jì)
抽水蓄能電站的隧道洞室深藏于山體內(nèi)，是電站的核心區(qū)域。洞室和通道的開挖、支護(hù)是抽水蓄能電站施工中難度最大的部分。
國內(nèi)抽水蓄能電站隧道洞室多采用傳統(tǒng)人工鉆爆法施工。現(xiàn)場施工作業(yè)人員較多且以外來務(wù)工人員為主，勞動(dòng)力流動(dòng)性較大、專業(yè)技能水平不高。采用人工鉆爆法施工，隧道洞室超挖、欠挖控制難度較大，對(duì)洞室圍巖還會(huì)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，造成環(huán)境污染。爆破施工中，火工品采購、出庫、運(yùn)輸、裝藥、聯(lián)網(wǎng)起爆、爆后安全檢查、退庫等環(huán)節(jié)均存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，安全管理成本較高。此外，受法定節(jié)假日及國內(nèi)大型活動(dòng)期間火工品停止供應(yīng)等限制，現(xiàn)場還可能停工，影響工程進(jìn)度。
TBM在日本的抽水蓄能電站施工中已得到廣泛應(yīng)用。在相同條件下，TBM的掘進(jìn)速度約為傳統(tǒng)鉆爆法施工的4～6倍，具有快速、安全、經(jīng)濟(jì)、利于環(huán)境保護(hù)和勞動(dòng)力保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)前綠色施工的新要求。
TBM工法在抽水蓄能電站的應(yīng)用，不僅能大幅提升工程的安全性和實(shí)體質(zhì)量，還可縮短工程工期，實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化換人，自動(dòng)化提效”，是貫徹創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享新發(fā)展理念的重要舉措。
“文登號(hào)”和常規(guī)TBM有何不同
體積小、更靈活，適用于抽水蓄能工程彎曲隧道掘進(jìn)施工
此前，TBM多應(yīng)用于交通、水利等領(lǐng)域的隧道施工。此次在抽水蓄能隧道洞室應(yīng)用的TBM，和常見的TBM有何不同，做了哪些改進(jìn)？
交通、水利等工程的隧道長且直。抽水蓄能電站的隧道洞室與之不同，洞室間的距離很近，常常需要打通彎曲的隧道。如文登抽水蓄能電站此次應(yīng)用TBM挖掘的試驗(yàn)段就是環(huán)形布置，橫剖圖看起來像一個(gè)被橫向拉扁的橢圓形跑道。
常規(guī)TBM的轉(zhuǎn)彎半徑為150～500米，整機(jī)長度在150～300米左右，相對(duì)抽水蓄能電站地下短洞室，顯得龐大笨重，并且轉(zhuǎn)彎半徑太大。經(jīng)過科學(xué)論證，國網(wǎng)新源控股有限公司提出適用于抽水蓄能電站隧道洞室施工的TBM技術(shù)要求：靈活，具有較短的后配套、較小的轉(zhuǎn)彎半徑。通過設(shè)計(jì)單位、制造廠家各方的共同努力，2019年9月10日，緊湊型超小轉(zhuǎn)彎半徑硬巖全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)“文登號(hào)”下線。為抽水蓄能電站隧道洞室施工量身定制的“文登號(hào)”長約37米，體積只有常規(guī)TBM的80%左右，開挖直徑3.53米，轉(zhuǎn)彎半徑30米，是常規(guī)TBM的十分之一，最大程度提高了靈活性、機(jī)動(dòng)性。整臺(tái)設(shè)備在掘進(jìn)中可以進(jìn)行60度左右的轉(zhuǎn)彎操作。
4月14日，“文登號(hào)”在山東文登抽水蓄能電站高壓引水上層排水廊道試驗(yàn)段應(yīng)用成功，掘進(jìn)總長度達(dá)872.8米，實(shí)現(xiàn)直線段最高日進(jìn)尺20.548米、曲線段最高日進(jìn)尺11.165米。
“文登號(hào)”將轉(zhuǎn)場文登抽水蓄能電站地下廠房，開展第二階段的試驗(yàn)。國網(wǎng)新源公司總結(jié)應(yīng)用成果，計(jì)劃在河南洛寧、浙江寧海、河北撫寧等抽水蓄能項(xiàng)目中推廣應(yīng)用TBM工法。TBM在抽水蓄能電站施工中的應(yīng)用將進(jìn)一步拓展TBM在國內(nèi)工程領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，提升國內(nèi)TBM研發(fā)制造水平，提高國內(nèi)抽水蓄能電站建設(shè)的安全性和先進(jìn)性，為抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)、施工和建設(shè)管理注入新的理念，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
（供圖及作者單位：國網(wǎng)新源公司山東文登抽水蓄能有限公司）
