中小型TBM盾构机在抽水蓄能电站隧洞开挖中的应用

摘要：从可研阶段、筹建及准备期阶段和主体施工阶段着手，采用TBM工法施工，可有效加快工程建设进度。科研阶段超小转弯半径硬岩掘进机、可研阶段勘探平洞 TBM 施工、筹建期阶段两洞 TBM 施工（TBM 小导洞开挖+钻爆法扩挖施工等）、主体施工阶段引水斜井、竖井隧道施工等。

01 回顾往昔

抽水蓄能作为最早的大容量储能技术，从20世纪中期开始就被大量运用，逐渐成为全世界应用最为广泛的储能技术。

我国抽水蓄能电站选址处于山区峡谷地带，地形起伏大，地下洞室存在岩石坚硬致密、洞室种类多、单洞长度短、不良地质少、转弯半径小、洞径差异大等特点。2019年之前，普遍的施工方式还是手风钻，有一些项目把凿岩台车等大机配套装备引入了进来，斜井、竖井方面以反井钻机为主，当然更早的还有爬罐法这种方式。这几种装备结合在一起，形成了半机械化的施工方式。存在施工进度慢、作业环境差、安全风险高、人员投入多、管理难度大等系列施工难题。

2021年，随着我国“3060”目标的提出，以新能源为主的新型电力系统开始加速构建，我国抽水蓄能电站建设进入快车道，如何提高电站建设的机械化程度、加快电站建设进度、缩短建设周期，成为现阶段亟需解决的问题。

02 业务风采

2019年，文登电站承担了《抽水蓄能电站地下隧洞开挖机械化施工关键技术研究及应用》课题中小直径 TBM 应用试验任务，由中铁装备负责 TBM 研发并带机试点应用。同年9月13日，全球首台紧凑型超小转弯半径硬岩 TBM“文登号”在河南洛阳下线，并于次年9月30日完成中平洞压力钢管廊道和厂房中下层排水廊道 TBM 施工任务。“文登号”TBM 成果应用，极大限度解决了抽水蓄能电站小洞室施工难、风险高、进度慢等问题，降低了施工安全风险、提升了工艺质量、保障了开挖进度、改善了施工环境。“文登号”TBM 的成功应用，为行业施工向好向优变革注入了强劲动力，自此，洞室设计标准化、线路优化、行规、定额以及多场景 TBM 研究逐渐成为趋势。

世界首台超小转弯半径硬岩掘进机“文登号”下线

为此，中铁装备通过对抽水蓄能电站建设周期和地下洞室群系统研究，认为，从可研阶段、筹建及准备期阶段和主体施工阶段着手，采用TBM工法施工，可有效加快工程建设进度。

（一）可研阶段勘探平洞 TBM 施工

可研阶段控制工期的主要因素为勘探平洞施工，通常采用传统钻爆法施工，洞室尺寸为宽度约3米，长度为 1-1.5千米的城门洞型，钻爆法施工进尺指标为60米/月，整体施工工期超过1年，严重制约电站核准。为此，中铁装备集团在2座电站开展了TBM施工研究和尝试。

一个是，浙江永嘉抽水蓄能电站位于浙江省温州市永嘉县，原设计探洞长度1072米，后经研究，利用规划的进厂交通洞和通风兼安全洞线路，兼具探洞和两洞功能，施工总长度 1900米，采用一台开挖直径 3.5 米的 TBM 施工。施工完成后，通过已有 TBM 施工洞室作为凌空面，钻爆法扩挖交通洞和通风洞，既达到施工勘探平洞、地质素描的作用，同时也加快了筹建期施工进度，为快速施工地下厂房创造条件。本项目已完成TBM施工任务，达到预期效果。

另一个是，福建木兰抽水蓄能电站位于福建省福州市仙游县，设计探洞长度 1470米，经研究，采用一台开挖直径3.5 米 TBM 施工。2022年10 月 20 日 TBM 正式始发掘进，12 月 28 日全隧贯通，TBM 综合月进度超过600米，为电站节约勘察设计工期超过 1 年。

“木兰号”TBM始发掘进

但受制于勘探平洞进场道路、水电、洞口场地等因素限制，大部分电站还不具备采用 TBM 施工的条件，需从政策层面加以引导，明确相关标准。

（二）筹建期阶段两洞 TBM 施工

筹建期属于电站建设主线工期，通风兼安全洞和进厂交通洞作为进入地下厂房的唯一通道，施工进度尤为重要。通常情况下采用传统钻爆法或三臂凿岩台车施工，施工进度指标100-150米/月，整体施工工期均在一年以上。通过研究，将几种TBM 工法试点引入两洞建设。

一个是河北抚宁抽水蓄能电站，为了充分发挥 TBM 施工长洞室的优势，对交通洞、通风洞的洞线、洞径适当调整，“抚宁号”TBM 已于2022 年 10 月贯通，验证了大直径 TBM 在 90 米转弯半径下施工和超小转弯半径下连续皮带机出渣的可行性，在采用连续皮带机出渣后，月均进尺超过300米，达到预期效果。

“抚宁号”始发掘进

另一个是内蒙古乌海抽水蓄能电站，该项目首次引入了 TBM 小导洞开挖+钻爆法扩挖的施工方案，两洞线路施工长度 2800米，采用 1 台 3.5米 直径 TBM 施工导洞，并于2023 年 5月导洞洞通，TBM 月均进尺超过670米，最高月进尺 920米，目前项目正在进行钻爆扩挖工序，扩挖进度预计将超过200米/月。TBM+钻爆组合工法的应用，将为筹建期节约工期 3 个月以上。

“乌海号”TBM贯通

（三）主体施工阶段 TBM 施工

主体施工阶段，小断面TBM廊道施工已趋于成熟，正在开展线路优化方案，同时我们也在引水斜井、竖井TBM工法，厂房机械化施工方面开展相关研究工作，其中引水斜井TBM已在河南洛宁抽水蓄能电站试点施工，截止目前，施工距离已超过600米，最高日进尺超过15米，最高月进尺突破170米。

斜井TBM工法

“永宁号”TBM

截至2023年9月，中铁装备已累计提供19台TBM用于23座抽蓄电站，市场占有率达85%。

03 奋进方向

双碳风潮下，抽水蓄能正迎来前所未有的发展机遇。国家能源局发布《抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035年）》。《规划》明确，目标到2030年，我国抽水蓄能电站投产总规模达到1.2亿千瓦。抽水蓄能既是储能产业的基石，又是风电、光伏及核电等整个新型电力系统的压舱石。我国抽水蓄能电站发展进入了新发展期，加快发展成为抽水蓄能产业的主旋律。

作为隧道掘进机领军企业，中铁装备始终将习近平总书记的嘱托牢记心中，在“三个转变”指引下，以科技创新为引擎，以隧道及地下工程装备产业一体化发展为核心优势，致力于构建完整产业生态。在隧道掘进机领域，公司横向形成了“大”“小”“异”不同断面以及土压、泥水、硬岩等不同适应性的全系列盾构/TBM产品，基本实现地铁、铁路、公路、水利、水电、煤矿、矿山、市政等各应用领域“全覆盖”，纵向拓展了设计研发、新机制造、旧机再制造、技术服务、工程服务、机况评估、操作培训、技能鉴定等于一身的产业链条。

近年来,我国全断面隧道掘进机技术由常规断面向超大/微小断面发展、由圆形断面向异形断面发展、由单一模式向多模式发展、由传统水平方向向多维度发展。中铁装备在复合盾构、大直径盾构/TBM、异型断面掘进机等方面取得了系列创新与突破,并先后在多个典型工程中得到成功应用。

岁月如歌声声急，事业如棋局局新。未来,中铁装备将围绕“重视生命安全、挑战地质极限、发展智能装备、拓展宇宙空间”的总体思路,从装备的多元化、智能化方面持续开展创新研究，致力于开发“多模式、新型破岩、智能化”等智能装备。一是多模式。在长大隧道施工中，地质复杂多变,隧道可能穿越软硬不均、硬岩、孤石、断裂破碎带和水底浅覆土等多种地层,面临局部高水压、高地应力、软岩大变形等多种不良地质,从施工安全、技术难度、工期、成本及环境保护等方面考虑,传统单一模式无法应对复杂地质的挑战,对于能够实现多种工法掘进的多功能、多模式隧道掘进机的研发需求日益迫切。二是新型破岩。为应对当前极硬岩隧道施工过程中存在的掘进速度缓慢、刀具损耗巨大等难题,研究开发以激光、水射流、声波、射线、核能源、化学物质等一种或多种物质为主进行掘进破岩的第5代隧道掘进机。三是智能化。传统隧道掘进机复杂地质环境施工时，由于“缺感知、缺平台、缺决策”造成的工程事故频繁发生，造成施工不安全、不高效、不经济。基于5G、大数据、人工智能等现代新型信息技术,研究开发可感-可掘-可控的智能装备与施工技术体系，从复杂工况下掘进状态识别与地质环境感知、地质环境与装备掘进运行参数映射规律与匹配方法、多系统协调智能化控制等方面开展研究，突破掘进效率和寿命瓶颈，实现隧道掘进装备的长距离、智能化、无人值守、安全快速掘进。

峥嵘岁月茧化蝶，风雷激荡正前行。中铁装备将继续紧跟国家战略，践行责任担当，以强大的技术实力，丰富的施工经验，继续为抽水蓄能领域提供各类型应用性较好的隧道掘进设备，为推进我国抽水蓄能产业高质量发展不断贡献力量。

来源：抽水蓄能产业科技服务团。