航拍洛寧抽水蓄能電站上水庫(kù)。袁夢(mèng) 攝

“永寧號(hào)”TBM始發(fā)掘進(jìn)位置示意圖。

1號(hào)引水斜井貫通后，工作人員開展現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估。王洋 攝

1月24日，斜井硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）“永寧號(hào)”主機(jī)拆除工作在國(guó)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(hào)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(diǎn)應(yīng)用取得成功。“永寧號(hào)”TBM在完成拆機(jī)、轉(zhuǎn)場(chǎng)、維修保養(yǎng)、組裝調(diào)試等工序后，將在該電站2號(hào)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(shí)將水從下水庫(kù)抽至上水庫(kù)，在電力負(fù)荷高峰時(shí)將水從上水庫(kù)放至下水庫(kù)，通過電能與水的勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)上下水庫(kù)的水雙向流動(dòng)的血管，輸水系統(tǒng)中的引水斜井就是動(dòng)脈。

洛寧抽水蓄能電站1號(hào)引水斜井長(zhǎng)927米，開挖直徑7.23米，高差近560米，是國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站中最長(zhǎng)的斜井，具有掘進(jìn)傾角大、長(zhǎng)度長(zhǎng)、高差大的特點(diǎn)。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(jī)械化水平，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高建設(shè)質(zhì)效，國(guó)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(shí)際，在1號(hào)引水斜井探索應(yīng)用TBM進(jìn)行機(jī)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(guó)內(nèi)首例。國(guó)網(wǎng)新源洛寧公司聯(lián)合中南設(shè)計(jì)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(duì)，共同參與“永寧號(hào)”TBM的研發(fā)應(yīng)用。

掘進(jìn)施工時(shí)傾角大，掘進(jìn)機(jī)容易下滑。“永寧號(hào)”TBM直徑7.23米，長(zhǎng)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(hào)”TBM在斜坡上不往下滑？攻關(guān)團(tuán)隊(duì)在“永寧號(hào)”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(duì)研發(fā)了雙重防溜車系統(tǒng)，包括蓄能器、機(jī)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(jī)械自鎖功能可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備鎖定，共同防止設(shè)備下滑。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)還為“永寧號(hào)”TBM配備了柴油發(fā)電機(jī)以應(yīng)對(duì)緊急狀況。柴油發(fā)電機(jī)在滿油的情況下可以保障“永寧號(hào)”TBM工作24小時(shí)。

在有限空間內(nèi)組裝調(diào)試并始發(fā)

“永寧號(hào)”TBM具有掘進(jìn)傾角大、體積大、重量重的特點(diǎn)。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(diǎn)開挖組裝洞室，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備進(jìn)場(chǎng)、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(hào)”TBM組裝調(diào)試并始發(fā)是攻關(guān)團(tuán)隊(duì)面臨的第二道難題。針對(duì)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(diǎn)，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多次試驗(yàn)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(hào)”TBM由主機(jī)、雙重防溜車系統(tǒng)和8臺(tái)后配套臺(tái)車等裝置組成，其中1號(hào)至5號(hào)后配套臺(tái)車承擔(dān)控制、配電等功能，6號(hào)至8號(hào)后配套臺(tái)車承擔(dān)通風(fēng)、存儲(chǔ)等功能。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)分析了引水斜井巖石條件和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，研究了各個(gè)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(yàn)證，得出“永寧號(hào)”TBM只需要完成主機(jī)、附屬設(shè)備及1號(hào)至5號(hào)后配套臺(tái)車組裝便可以滿足設(shè)備初步始發(fā)功能的結(jié)論。6號(hào)至8號(hào)后配套臺(tái)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(fèi)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(hào)”TBM的設(shè)備部件駛過2000米長(zhǎng)的地下交通隧道，到達(dá)電站1號(hào)引水斜井掘進(jìn)起點(diǎn)。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)組裝完畢后，被大號(hào)“千斤頂”推入1號(hào)引水斜井始發(fā)段。2023年1月初，“永寧號(hào)”TBM實(shí)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(hào)”TBM施工過程中遇到的不良地質(zhì)段長(zhǎng)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(qiáng)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(hào)”TBM安全穩(wěn)定掘進(jìn)帶來極大的挑戰(zhàn)。

攻關(guān)團(tuán)隊(duì)開展了多次研討，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)知名TBM專家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)勘和方案論證，并制訂了“永寧號(hào)”TBM通過不良地質(zhì)段的專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案。

在掘進(jìn)過程中，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)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(duì)圍巖的擾動(dòng)，提升巖石承載能力，確保“永寧號(hào)”TBM的24條“腿”通過不良地質(zhì)段時(shí)能獲得有效支撐。針對(duì)不良地質(zhì)段巖石條件，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)還用自進(jìn)式錨桿、鋼筋排等對(duì)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(hào)”TBM的順利掘進(jìn)，國(guó)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(huì)、協(xié)調(diào)會(huì)、專家咨詢會(huì)等溝通協(xié)調(diào)平臺(tái)，確保“永寧號(hào)”TBM應(yīng)用的每個(gè)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(shí)名記錄，把質(zhì)量管理貫穿設(shè)計(jì)、制造、組裝、始發(fā)、掘進(jìn)全過程。

在掘進(jìn)過程中，國(guó)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(shí)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(shí)提升至1米/小時(shí)，每日有效掘進(jìn)時(shí)間由平均5小時(shí)提高至平均16.6小時(shí)。1號(hào)引水斜井掘進(jìn)施工過程中，“永寧號(hào)”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(hào)”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(jī)械化施工積累了經(jīng)驗(yàn)。