航拍洛寧抽水蓄能電站上水庫。袁夢 攝

“永寧號”TBM始發(fā)掘進(jìn)位置示意圖。

1號引水斜井貫通后，工作人員開展現(xiàn)場評估。王洋 攝

1月24日，斜井硬巖隧道掘進(jìn)機（TBM）“永寧號”主機拆除工作在國網(wǎng)新源河南洛寧抽水蓄能電站完成。去年年底，洛寧抽水蓄能電站1號引水斜井安全貫通，標(biāo)志著大傾角、大直徑斜井TBM在抽水蓄能行業(yè)的首次試點應(yīng)用取得成功。“永寧號”TBM在完成拆機、轉(zhuǎn)場、維修保養(yǎng)、組裝調(diào)試等工序后，將在該電站2號引水斜井繼續(xù)開展掘進(jìn)作業(yè)。

裝上24條“腿”，大傾角也不下滑

抽水蓄能電站在電力負(fù)荷低谷時將水從下水庫抽至上水庫，在電力負(fù)荷高峰時將水從上水庫放至下水庫，通過電能與水的勢能的相互轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)電能的存儲與釋放。如果將地下廠房比作抽水蓄能電站的心房，那么輸水系統(tǒng)就是實現(xiàn)上下水庫的水雙向流動的血管，輸水系統(tǒng)中的引水斜井就是動脈。

洛寧抽水蓄能電站1號引水斜井長927米，開挖直徑7.23米，高差近560米，是國內(nèi)抽水蓄能電站中最長的斜井，具有掘進(jìn)傾角大、長度長、高差大的特點。斜井穿越兩條大斷層破碎帶，施工地質(zhì)條件復(fù)雜。為提高抽水蓄能電站建設(shè)的機械化水平，降低安全風(fēng)險，提高建設(shè)質(zhì)效，國網(wǎng)新源河南洛寧抽水蓄能有限公司結(jié)合電站工程建設(shè)實際，在1號引水斜井探索應(yīng)用TBM進(jìn)行機械化施工。

將TBM應(yīng)用于開挖抽水蓄能電站引水斜井尚屬國內(nèi)首例。國網(wǎng)新源洛寧公司聯(lián)合中南設(shè)計院、中鐵裝備、水電六局、水電七局、華咨監(jiān)理等單位相關(guān)專業(yè)人員成立攻關(guān)團(tuán)隊，共同參與“永寧號”TBM的研發(fā)應(yīng)用。

掘進(jìn)施工時傾角大，掘進(jìn)機容易下滑。“永寧號”TBM直徑7.23米，長121米，自重達(dá)1500噸，掘進(jìn)角度約39度，如果出現(xiàn)停電等突發(fā)情況，有可能整體下滑。如何保證“永寧號”TBM在斜坡上不往下滑？攻關(guān)團(tuán)隊在“永寧號”TBM上加裝了四套支撐裝置。支撐裝置共有24條“腿”，在掘進(jìn)過程中全程撐在巖壁上，確保不發(fā)生溜車情況。為防止設(shè)備意外斷電造成支撐力不足，攻關(guān)團(tuán)隊研發(fā)了雙重防溜車系統(tǒng)，包括蓄能器、機械自鎖裝置。在斷電情況下，蓄能器可以保證支撐裝置的油壓，機械自鎖功能可以實現(xiàn)設(shè)備鎖定，共同防止設(shè)備下滑。攻關(guān)團(tuán)隊還為“永寧號”TBM配備了柴油發(fā)電機以應(yīng)對緊急狀況。柴油發(fā)電機在滿油的情況下可以保障“永寧號”TBM工作24小時。

在有限空間內(nèi)組裝調(diào)試并始發(fā)

“永寧號”TBM具有掘進(jìn)傾角大、體積大、重量重的特點。抽水蓄能電站引水斜井位于山體之間，需要先從山體外側(cè)開挖出交通隧道，并在引水斜井掘進(jìn)起點開挖組裝洞室，才能實現(xiàn)設(shè)備進(jìn)場、組裝、調(diào)試及始發(fā)任務(wù)。

組裝洞室在掘進(jìn)完成后要回填混凝土，所以需盡可能減少組裝洞室開挖施工工程量。如何在有限的空間內(nèi)完成“永寧號”TBM組裝調(diào)試并始發(fā)是攻關(guān)團(tuán)隊面臨的第二道難題。針對組裝洞室空間有限、始發(fā)姿態(tài)調(diào)整困難等技術(shù)難點，攻關(guān)團(tuán)隊經(jīng)過多次試驗討論，決定采用先始發(fā)后分段組裝的方式進(jìn)行掘進(jìn)。

“永寧號”TBM由主機、雙重防溜車系統(tǒng)和8臺后配套臺車等裝置組成，其中1號至5號后配套臺車承擔(dān)控制、配電等功能，6號至8號后配套臺車承擔(dān)通風(fēng)、存儲等功能。攻關(guān)團(tuán)隊分析了引水斜井巖石條件和現(xiàn)場施工條件，研究了各個裝置的作用，在充分考慮設(shè)備掘進(jìn)性能、施工投入和施工工期的基礎(chǔ)上，經(jīng)過研討驗證，得出“永寧號”TBM只需要完成主機、附屬設(shè)備及1號至5號后配套臺車組裝便可以滿足設(shè)備初步始發(fā)功能的結(jié)論。6號至8號后配套臺車可在設(shè)備始發(fā)后分段組裝。這樣一來，組裝洞室開挖空間減小了三分之一，施工費用降低了約800萬元，在有限空間內(nèi)完成設(shè)備組裝調(diào)試并始發(fā)的難題得以解決。

2022年11月，貨車載著“永寧號”TBM的設(shè)備部件駛過2000米長的地下交通隧道，到達(dá)電站1號引水斜井掘進(jìn)起點。設(shè)備現(xiàn)場組裝完畢后，被大號“千斤頂”推入1號引水斜井始發(fā)段。2023年1月初，“永寧號”TBM實現(xiàn)始發(fā)，為后續(xù)掘進(jìn)作業(yè)打下基礎(chǔ)。

多措并舉成功穿越不良地質(zhì)段

“永寧號”TBM施工過程中遇到的不良地質(zhì)段長度共28米。該段存在巖石破碎、裂隙發(fā)育等情況，圍巖整體穩(wěn)定性差。其中還有一段巖石蝕變帶，Ⅴ類圍巖達(dá)15米，巖石強度非常低，有的地方甚至用手就可以摳下石塊來，施工過程中極易出現(xiàn)掉塊、坍塌等情況，給“永寧號”TBM安全穩(wěn)定掘進(jìn)帶來極大的挑戰(zhàn)。

攻關(guān)團(tuán)隊開展了多次研討，邀請國內(nèi)知名TBM專家進(jìn)行現(xiàn)場實勘和方案論證，并制訂了“永寧號”TBM通過不良地質(zhì)段的專項應(yīng)急預(yù)案。

在掘進(jìn)過程中，攻關(guān)團(tuán)隊降低設(shè)備推力和轉(zhuǎn)速，使用沙袋和鋼板填充巖石塌腔體，以減少設(shè)備掘進(jìn)對圍巖的擾動，提升巖石承載能力，確保“永寧號”TBM的24條“腿”通過不良地質(zhì)段時能獲得有效支撐。針對不良地質(zhì)段巖石條件，攻關(guān)團(tuán)隊還用自進(jìn)式錨桿、鋼筋排等對圍巖進(jìn)行初期支護(hù)，給不良地質(zhì)段施工增加安全砝碼。

為保證“永寧號”TBM的順利掘進(jìn)，國網(wǎng)新源洛寧公司建立了包括質(zhì)量預(yù)控、過程管控、質(zhì)量約束、工藝改進(jìn)在內(nèi)的質(zhì)量管理體系，搭建了領(lǐng)導(dǎo)小組會、協(xié)調(diào)會、專家咨詢會等溝通協(xié)調(diào)平臺，確保“永寧號”TBM應(yīng)用的每個環(huán)節(jié)都追求高品質(zhì)、每道工序都可追溯、每次操作都實名記錄，把質(zhì)量管理貫穿設(shè)計、制造、組裝、始發(fā)、掘進(jìn)全過程。

在掘進(jìn)過程中，國網(wǎng)新源洛寧公司優(yōu)化施工組織順序，調(diào)整設(shè)備維護(hù)班組與掘進(jìn)班組工作時間，同步推進(jìn)設(shè)備維修保養(yǎng)，將掘進(jìn)效率由0.5米/小時提升至1米/小時，每日有效掘進(jìn)時間由平均5小時提高至平均16.6小時。1號引水斜井掘進(jìn)施工過程中，“永寧號”TBM最大單日進(jìn)尺達(dá)到16.086米，最大月進(jìn)尺達(dá)171米。

“永寧號”TBM的應(yīng)用提升了洛寧抽水蓄能電站引水斜井的開挖質(zhì)量和工藝水平，提高了工程建設(shè)安全水平，改善了施工環(huán)境，為抽水蓄能電站機械化施工積累了經(jīng)驗。