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应用硬岩掘进机 抽蓄电站施工更安全更高效

作者:刘传军 来源:国家电网报 时间:2020-05-19 浏览:
       前不久,全球首台紧凑型、超小转弯半径硬岩全断面隧道掘进机(TBM)“文登号”顺利出洞,完成了山东文登抽水蓄能电站工程高压引水上层排水廊道试验段的掘进。这也是TBM工法在我国抽水蓄能电站工程建设领域的首次成功应用。

 “文登号”处于始发状态。

文登抽水蓄能电站三维透视图

我国隧道工程施工技术经历了钢钎大锤(20世纪四五十年代)、手持风钻(20世纪五六十年代)、凿岩台车(20世纪八九十年代)、隧道掘进机(2000年后)几个发展阶段。硬岩全断面隧道掘进机是目前最先进的掘进设备,其设计、制造技术已被我国掌握,并在交通、矿山等长隧道中应用,提高了隧道工程的安全、质量水平及施工效率。

TBM有何技术特点?在抽水蓄能电站隧道洞室施工中引入TBM工法具有哪些优势?适用于抽水蓄能电站的TBM又做了哪些优化?

TBM的发展历程

我国TBM自主研发、制造、施工技术已成熟

我国一般将硬岩全断面隧道掘进机简称为TBM。TBM主要适用于直径2.5~10米的全断面岩石隧道,可一次截割出所需断面,且形状多为圆形,多用于工程隧道施工中,主要分为敞开式、单护盾式和双护盾式三种型式。

1851年,美国工程师设计了世界首台可连续掘进的TBM。然而由于一些技术问题没有得到有效解决,直到20世纪50年代,TBM才得到广泛应用。此前,TBM技术一直被国外垄断。1996年,我国首次引进TBM,应用于西康铁路秦岭隧道的施工,建立起自主的TBM施工队伍,并逐步进入联合设计制造、自主施工的发展阶段。目前,我国TBM自主研发、制造、施工技术已经成熟。2017年8月,我国首台再制造TBM“彩云1号”在大瑞铁路项目高黎贡山隧道顺利始发,标志着我国TBM施工技术迈上更高台阶。

TBM是怎样连续掘进并打通隧道的?

TBM通过支撑机构撑紧洞壁,承受刀盘旋转掘进传来的反作用力和反扭矩,推进液压系统推压刀盘。随着刀盘旋转,镶嵌在刀盘上的滚刀切入岩石,在岩石面上做同心圆轨迹的滚动破岩,岩渣靠自重落在隧洞底部,由刀盘上的渣斗铲起,再经溜槽进入皮带机,实现连续掘进成洞。

抽蓄电站应用TBM有何优势

掘进速度约为传统钻爆法的4~6倍,更加安全经济

抽水蓄能电站的隧道洞室深藏于山体内,是电站的核心区域。洞室和通道的开挖、支护是抽水蓄能电站施工中难度最大的部分。

国内抽水蓄能电站隧道洞室多采用传统人工钻爆法施工。现场施工作业人员较多且以外来务工人员为主,劳动力流动性较大、专业技能水平不高。采用人工钻爆法施工,隧道洞室超挖、欠挖控制难度较大,对洞室围岩还会产生一定的扰动,造成环境污染。爆破施工中,火工品采购、出库、运输、装药、联网起爆、爆后安全检查、退库等环节均存在一定的安全风险,安全管理成本较高。此外,受法定节假日及国内大型活动期间火工品停止供应等限制,现场还可能停工,影响工程进度。

TBM在日本的抽水蓄能电站施工中已得到广泛应用。在相同条件下,TBM的掘进速度约为传统钻爆法施工的4~6倍,具有快速、安全、经济、利于环境保护和劳动力保护等优点,符合当前绿色施工的新要求。

TBM工法在抽水蓄能电站的应用,不仅能大幅提升工程的安全性和实体质量,还可缩短工程工期,实现“机械化换人,自动化提效”,是贯彻创新、协调、绿色、开放、共享新发展理念的重要举措。

“文登号”和常规TBM有何不同

体积小、更灵活,适用于抽水蓄能工程弯曲隧道掘进施工

此前,TBM多应用于交通、水利等领域的隧道施工。此次在抽水蓄能隧道洞室应用的TBM,和常见的TBM有何不同,做了哪些改进?

交通、水利等工程的隧道长且直。抽水蓄能电站的隧道洞室与之不同,洞室间的距离很近,常常需要打通弯曲的隧道。如文登抽水蓄能电站此次应用TBM挖掘的试验段就是环形布置,横剖图看起来像一个被横向拉扁的椭圆形跑道。

常规TBM的转弯半径为150~500米,整机长度在150~300米左右,相对抽水蓄能电站地下短洞室,显得庞大笨重,并且转弯半径太大。经过科学论证,国网新源控股有限公司提出适用于抽水蓄能电站隧道洞室施工的TBM技术要求:灵活,具有较短的后配套、较小的转弯半径。通过设计单位、制造厂家各方的共同努力,2019年9月10日,紧凑型超小转弯半径硬岩全断面隧道掘进机“文登号”下线。为抽水蓄能电站隧道洞室施工量身定制的“文登号”长约37米,体积只有常规TBM的80%左右,开挖直径3.53米,转弯半径30米,是常规TBM的十分之一,最大程度提高了灵活性、机动性。整台设备在掘进中可以进行60度左右的转弯操作。

4月14日,“文登号”在山东文登抽水蓄能电站高压引水上层排水廊道试验段应用成功,掘进总长度达872.8米,实现直线段最高日进尺20.548米、曲线段最高日进尺11.165米。

“文登号”将转场文登抽水蓄能电站地下厂房,开展第二阶段的试验。国网新源公司总结应用成果,计划在河南洛宁、浙江宁海、河北抚宁等抽水蓄能项目中推广应用TBM工法。TBM在抽水蓄能电站施工中的应用将进一步拓展TBM在国内工程领域的应用范围,提升国内TBM研发制造水平,提高国内抽水蓄能电站建设的安全性和先进性,为抽水蓄能电站的设计、施工和建设管理注入新的理念,带来巨大的经济效益和社会效益。

  (供图及作者单位:国网新源公司山东文登抽水蓄能有限公司)

关键字:抽蓄电站

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