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地下厂房急曲线小断面螺旋上升TBM排水廊道优化布置

2025-05-05 79 上传者：管理员

摘要：平江抽水蓄能电站地下厂房洞室群规模巨大，洞室空间关系复杂，TBM排水廊道线路具有螺旋式上升、小半径急转弯、陡坡等特点。根据地下厂房排水廊道空间布置、功能需求和TBM设备技术参数，利用MicroStation V8i三维设计软件对地下厂房洞室群及TBM排水廊道进行三维建模，确定了排水廊道TBM掘进线路布置方案，优化了排水廊道TBM断面尺寸及断面设计支护参数。目前排水廊道已全线贯通，排水廊道洞室围岩稳定。

关键词：
TBM
急曲线小断面
抽水蓄能电站
排水廊道
螺旋上升
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目前,国内抽水蓄能电站厂房排水廊道开挖仍普遍采用“钻爆法”进行施工,排水廊道断面小,长度长,采用钻爆法施工工期长,施工作业效率低､环境差,安全隐患大[1]｡TBM掘进施工技术作为目前最为先进的隧洞施工技术之一,已被广泛应用于铁路､交通､水利等行业的大型长隧道的施工[2]｡随着TBM掘进技术在这些领域的推广应用,TBM掘进技术应用于抽水蓄能电站已成为大势所趋,山东文登抽水蓄能电站在排水廊道隧洞工程中就率先研究设计了一种可实现超小转弯半径的紧凑型TBM,并成功应用[3];洛宁抽水蓄能电站与平江抽水蓄能电站也相继在排水廊道和自流排水洞以及斜井等隧洞工程中使用TBM掘进技术,TBM掘进技术在抽水蓄能电站工程中的不断推广应用必将加速抽水蓄能行业技术手段的革新与创新｡

1、工程简介

平江抽水蓄能电站位于湖南省平江县福寿山镇境内,地处连云山脉福寿山西北坡｡距离长沙市直线距离75km,距平江县城39km｡电站为日调节纯抽水蓄能电站,总装机容量1400MW,工程为一等大(1)型工程｡地下厂房洞室埋深大,为防止下水库库水､山体内地下水和高压管道渗漏水通过断层､节理裂隙等地质构造渗入地下厂房及主变洞等洞室,降低钢管和厂房边墙所承受的外水压力,保持厂房围岩的稳定,改善地下厂房的运行环境,环绕主厂房､主变洞以及尾闸洞布置有三层排水廊道,排水廊道底部与自流排水洞相连,围岩等渗漏水通过自流排水洞排出厂外｡

2、厂房排水廊道TBM掘进线路布置

2.1TBM掘进线路设计思路

厂房排水廊道TBM掘进线路布置主要结合功能需求,地下洞室群空间关系,TBM设备爬坡能力,设备组装及始发要求等,可分为自上而下螺旋式下降掘进和自下而上螺旋式上升掘进的方式｡基于平江抽水蓄能电站实际情况,厂房排水廊道TBM掘进线路布置采用自下而上螺旋式上升的掘进方式,掘进线路串联自流排水洞､排水廊道､下平段压力钢管外排水廊道,实现TBM对多个非连续､短距离隧洞的“短洞长打､多站连打”以充分发挥TBM长距离高效施工的优势,更大限度地利用TBM掘进设备,使TBM掘进施工更经济[4]｡TBM设备在自流排水洞洞口段始发,并在洞口设置有TBM工业广场,用于设备组装､维修､生产调度及监控､废水处理系统布置等｡

2.2TBM掘进线路设计总体方案

平江抽水蓄能电站地下厂房洞室群规模巨大,洞室空间关系复杂,为防止上下洞室之间的空间交叉部位因岩体厚度不足,坍塌导致影响TBM设备运行安全的情况发生,利用MicroStationV8i三维设计软件对地下厂房洞室群及TBM排水廊道掘进路线进行三维正向设计与建模,通过三维建模使洞室空间交叉关系更加直观和准确,确保空间相交洞室岩体厚度满足规范1~1.5倍下层洞室开挖宽度,且不小于5m的要求｡TBM排水廊道与地下厂房洞室群空间关系见图1,行进路线示意见图2｡

图1TBM排水廊道与地下厂房洞室群空间关系

图2TBM排水廊道总体掘进路线

图3小断面TBM设备

平江厂房排水廊道TBM掘进线路设计方案受厂家TBM设备动力与安全制动等因素的限制,最大爬坡能力限制在5%以内｡TBM排水廊道线路具有螺旋式上升､小半径急转弯､陡坡等特点,根据设备厂家资料,TBM设备总重量300t,整机长40m,最大推力798t,小断面TBM设备如图3所示｡TBM掘进线路总长度为3116m,圆形断面,直径3.63m,平面最小转弯半径30m,平面小半径急弯段共计18处,其中S形弯道2处｡厂房排水廊道分上､中､下三层,为建立立体的排水体系,在主厂房､主变洞､尾闸洞顶部布置有D110的人字形斜向排水孔幕,上下层排水廊道之间采用D110垂直排水孔幕连通,以形成围绕主厂房､主变洞､尾闸洞的排水帷幕,排水廊道与自流排水洞连接,达到快速排泄围岩渗漏水的目的｡

2.3排水廊道与相邻洞室空间关系

平江地下洞室规模巨大､埋深大,洞室关系复杂｡TBM排水廊道分别与引水支管､尾水支管､尾闸交通洞､进厂交通洞､通风兼安全洞､尾闸通风洞､高压电缆平洞等地下洞室存在空间交叉关系,表1列出了排水廊道与主要洞室空间相交部位岩体厚度,从中可进一步了解洞室之间复杂的空间关系｡

表1排水廊道与其他主要洞室空间关系

3、排水廊道TBM断面设计

TBM掘进设备断面为圆形,直径3.63m,因此排水廊道洞身段开挖断面尺寸与TBM掘进设备的断面尺寸保持一致,施工期底部铺设轨道用于出渣｡为满足后续检修及人行通道的要求,排水廊道底部设置排水沟和人行通道｡对于围岩渗水点,采用设置Φ56随机排水孔的方式引接围岩渗水｡排水廊道TBM断面设计2种断面形式,见图4｡

两种设计断面的对比情况见表2

图4排水廊道TBM断面设计

表2排水廊道TBM设计断面对比情况

经比较,两种设计断面均可满足要求,但设计断面一相对更经济,因此排水廊道TBM掘进断面选择设计断面一的布置型式｡底板混凝土及排水沟除采用现浇方式外,可根据施工进度需要设置成对称的预制构件进行拼装,拼装部位采用水泥砂浆填缝,以加快施工进度｡

4、排水廊道

TBM开挖断面支护设计地下厂房排水廊道布置区埋深约410m,岩性以燕山早期花岗岩为主,局部分布花岗伟晶岩脉和花岗片麻岩,围岩以微风化~新鲜花岗岩为主,围岩岩体完整性较好｡围岩类别总体以Ⅱ~Ⅲ1类为主,局部Ⅲ2类和Ⅳ类,其中Ⅱ~Ⅲ类围岩占比93.6%,Ⅳ类围岩占比6.4%｡Ⅱ~Ⅲ类围岩单抽饱和抗压强度为45~90MPa,地应力最大主应力值介于-16.8~-17.3MPa之间,平均-17.1MPa,方位角平均70.2°,平均倾角3.1°,具备轻微岩爆的条件｡

排水廊道断面根据围岩类别进行支护设计,相比传统钻爆法施工,TBM掘进围岩扰动小,岩石松动圈浅,排水廊道断面小,利用圆形断面的拱效应,支护参数相比钻爆法可进行优化｡西安交通大学李强通过建立GA-BP神经网络模型,对围岩松动圈内的弹性模量､内摩擦角､粘聚力三个力学参数进行位移反分析,得到的松动圈围岩力学参数分别降低了53.44%､47.26%､49.13%,并基于围岩松动圈,对TBM隧道的锚杆和钢拱架参数进行了优化[5]｡结合平江抽水蓄能电站排水廊道围岩地质条件,排水廊道TBM掘进断面针对不同围岩类别对应的设计支护参数见表3｡

表3排水廊道TBM断面设计支护参数

5、结语

本文根据平江抽水蓄能电站排水廊道TBM设备掘进技术的特点及要求,开展了小断面螺旋上升排水廊道的布置及断面开挖支护设计｡同时利用MicroSta⁃tionV8i三维设计软件对排水廊道与地下厂房洞室群的空间关系进行了直观而准确的表达｡目前排水廊道已全线贯通,排水廊道洞室围岩稳定,实现了“机械化减人､自动化换人､智能化无人”的工程施工理念,可为其他类似工程的TBM技术的推广应用提供借鉴和参考｡

参考文献:

[1]李富春,吴朝月.抽水蓄能电站TBM施工技术[M].北京:中国电力出版社,2018.

[2]王洪玉,朱静萍,蒋滟.抽水蓄能电站TBM应用研究思路[J].电力设备管理,2021(3):65-67,71.

[3]路振刚,王建华,朱安平,等.适用于超小转弯半径的紧凑型TBM设计关键技术研究及应用-以山东文登抽水蓄能电站排水廊道隧洞工程为例[J].隧道建设(中英文),2021,41(6):1047-1057.

[4]钟庆丰,李坤,陈良武,等.超小曲线新型TBM研制及掘进关键技术研究[J].建筑机械,2022(4):27-31.

[5]李强.基于围岩松动圈的深埋TBM隧道支护体系研究[D].成都:西南交通大学,2022.

文章来源:徐旭,辛继勇,童恩飞.地下厂房急曲线小断面螺旋上升TBM排水廊道优化布置[J].水电与新能源,2025,39(04):17-20.