航拍洛寧抽水蓄能電站上水庫。袁夢 攝
“永寧號”TBM始發(fā)掘進位置示意圖。
1號引水斜井貫通后，工作人員開展現場評估。王洋 攝
1月24日，斜井硬巖隧道掘進機（TBM）“永寧號”主機拆除工作在國網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)的首次試點應用取得成功。“永寧號”TBM在完成拆機、轉場、維修保養(yǎng)、組裝調試等工序后，將在該電站2號引水斜井繼續(xù)開展掘進作業(yè)。
裝上24條“腿”，大傾角也不下滑
抽水蓄能電站在電力負荷低谷時將水從下水庫抽至上水庫，在電力負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化，實現電能的存儲與釋放。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，是國內抽水蓄能電站中最長的斜井，具有掘進傾角大、長度長、高差大的特點。斜井穿越兩條大斷層破碎帶，施工地質條件復雜。為提高抽水蓄能電站建設的機械化水平，降低安全風險，提高建設質效，國網新源河南洛寧抽水蓄能有限公司結合電站工程建設實際，在1號引水斜井探索應用TBM進行機械化施工。
將TBM應用于開挖抽水蓄能電站引水斜井尚屬國內首例。國網新源洛寧公司聯(lián)合中南設計院、中鐵裝備、水電六局、水電七局、華咨監(jiān)理等單位相關專業(yè)人員成立攻關團隊，共同參與“永寧號”TBM的研發(fā)應用。
掘進施工時傾角大，掘進機容易下滑。“永寧號”TBM直徑7.23米，長121米，自重達1500噸，掘進角度約39度，如果出現停電等突發(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？攻關團隊在“永寧號”TBM上加裝了四套支撐裝置。支撐裝置共有24條“腿”，在掘進過程中全程撐在巖壁上，確保不發(fā)生溜車情況。為防止設備意外斷電造成支撐力不足，攻關團隊研發(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設備鎖定，共同防止設備下滑。攻關團隊還為“永寧號”TBM配備了柴油發(fā)電機以應對緊急狀況。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。
在有限空間內組裝調試并始發(fā)
“永寧號”TBM具有掘進傾角大、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，需要先從山體外側開挖出交通隧道，并在引水斜井掘進起點開挖組裝洞室，才能實現設備進場、組裝、調試及始發(fā)任務。
組裝洞室在掘進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完成“永寧號”TBM組裝調試并始發(fā)是攻關團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)調整困難等技術難點，攻關團隊經過多次試驗討論，決定采用先始發(fā)后分段組裝的方式進行掘進。
“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號后配套臺車承擔控制、配電等功能，6號至8號后配套臺車承擔通風、存儲等功能。攻關團隊分析了引水斜井巖石條件和現場施工條件，研究了各個裝置的作用，在充分考慮設備掘進性能、施工投入和施工工期的基礎上，經過研討驗證，得出“永寧號”TBM只需要完成主機、附屬設備及1號至5號后配套臺車組裝便可以滿足設備初步始發(fā)功能的結論。6號至8號后配套臺車可在設備始發(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，在有限空間內完成設備組裝調試并始發(fā)的難題得以解決。
2022年11月，貨車載著“永寧號”TBM的設備部件駛過2000米長的地下交通隧道，到達電站1號引水斜井掘進起點。設備現場組裝完畢后，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實現始發(fā)，為后續(xù)掘進作業(yè)打下基礎。
多措并舉成功穿越不良地質段
“永寧號”TBM施工過程中遇到的不良地質段長度共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掉塊、坍塌等情況，給“永寧號”TBM安全穩(wěn)定掘進帶來極大的挑戰(zhàn)。
攻關團隊開展了多次研討，邀請國內知名TBM專家進行現場實勘和方案論證，并制訂了“永寧號”TBM通過不良地質段的專項應急預案。
在掘進過程中，攻關團隊降低設備推力和轉速，使用沙袋和鋼板填充巖石塌腔體，以減少設備掘進對圍巖的擾動，提升巖石承載能力，確保“永寧號”TBM的24條“腿”通過不良地質段時能獲得有效支撐。針對不良地質段巖石條件，攻關團隊還用自進式錨桿、鋼筋排等對圍巖進行初期支護，給不良地質段施工增加安全砝碼。
為保證“永寧號”TBM的順利掘進，國網新源洛寧公司建立了包括質量預控、過程管控、質量約束、工藝改進在內的質量管理體系，搭建了領導小組會、協(xié)調會、專家咨詢會等溝通協(xié)調平臺，確保“永寧號”TBM應用的每個環(huán)節(jié)都追求高品質、每道工序都可追溯、每次操作都實名記錄，把質量管理貫穿設計、制造、組裝、始發(fā)、掘進全過程。
在掘進過程中，國網新源洛寧公司優(yōu)化施工組織順序，調整設備維護班組與掘進班組工作時間，同步推進設備維修保養(yǎng)，將掘進效率由0.5米/小時提升至1米/小時，每日有效掘進時間由平均5小時提高至平均16.6小時。1號引水斜井掘進施工過程中，“永寧號”TBM最大單日進尺達到16.086米，最大月進尺達171米。
“永寧號”TBM的應用提升了洛寧抽水蓄能電站引水斜井的開挖質量和工藝水平，提高了工程建設安全水平，改善了施工環(huán)境，為抽水蓄能電站機械化施工積累了經驗。
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