一种适于TBM施工的抽水蓄能硐室及施工方法与流程

本发明属于水利水电工程领域，具体涉及一种适于tbm施工的抽水蓄能硐室及施工方法。

背景技术：

抽水蓄能工程硐室包括引输水系统、厂房发电系统、尾水系统等，按照传统设计，其断面设计一般仅需功能要求，在输水系统与厂房系统间设计布置斜井或竖井，在采用传统的钻爆法施工时，竖井开挖虽然较容易，但抽蓄电站引水长斜井方案，相比较竖井由于洞线短、尤其是高压引水洞线缩短投资较省，因此，从经济方面长斜井得到广泛的应用。为了解决深长竖斜井施工安全和工期风险，现在采用爬罐、反井钻机，以及近年刚刚采用的定向钻+反井钻机法(如，黑龙江荒沟的trc3000和吉林敦化的bmc500型钻机)，以及由此组合的各种正反井开挖方法，其斜井倾斜角等布置受施工方法影响较大，从爆破后石渣能自由滑落、不易堵井考虑，倾角不宜小于45°，一般采用45°～60°。

机械化、智能化无疑是现代工业的发展方向，大型土建工程施工也正沿着这条路线飞速发展。我国抽水蓄能电站建设刚刚进入建设高峰，随着人工单价、环保要求和职业卫生健康需求的提高，及火工品管控、安全法规的颁布，传统施工方法暴露出许多问题。目前交通、矿产等地下硐室工程已进入tbm开挖技术时代，长大隧洞tbm施工技术安全高效，而且经济，即使在地质条件复杂的情况下tbm的应用也越来越广泛。抽水蓄能电站地质条件相对较好,均为抽水蓄能电站采用tbm创造了基础。

但目前的硐室设计均不适合tbm设备的施工，因此迫切需要一种可以使用tbm设备施工的硐室。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适于tbm施工的抽水蓄能硐室及施工方法，以解决现有硐室设计及施工方法不适合tbm设备施工的问题，

一种适于tbm施工的抽水蓄能硐室，包括：输水隧洞、长缓斜井、厂房隧洞、厂房发电系统硐室和尾水隧洞，其中输水隧洞前端连接至上水库，输水隧洞后端连接至向下倾斜的长缓斜井前端，长缓斜井后端连接至厂房隧洞前端，厂房隧洞穿过厂房发电系统硐室和厂房发电系统硐室后方的尾水隧洞相连，尾水隧洞，其中尾水隧洞包括首尾依次相连的第一尾水隧洞、尾水斜坡和第二尾水隧洞，其中第一尾水隧洞与厂房隧洞相连，第二尾水隧洞出口与下水库相连，尾水斜坡斜向上。

进一步的，所述长缓斜井的长缓斜井上倾角小于等于25°。

进一步的，所述尾水斜坡的尾水斜坡上倾角小于等于18°。

进一步的，所述输水隧洞上方还连接有调压井。

进一步的，所述输水隧洞、长缓斜井、厂房隧洞和尾水隧洞的断面相同。

进一步的，所述输水隧洞和尾水隧洞中均连接有开关闸门。

进一步的，所述厂房隧洞段中有一段最小半径为500m的转弯。

一种适于tbm施工的抽水蓄能硐室施工方法，包括以下步骤：

第一步，尾水隧洞围堰建造，在尾水隧洞在下水库的出口处建造防水围堰，避免水流倒灌进还未施工完的尾水隧洞中；第二步，尾水隧洞施工，从尾水隧洞后方使用tbm设备依次沿水平方向开挖第二尾水隧洞至设计位置，然后继续实用tbm设备斜向下开挖尾水斜坡至设计位置，再实用tbm设备开挖水平的第一尾水隧洞至设计位置；

第三步，厂房隧洞和厂房发电系统硐室施工，沿第一尾水隧洞继续使用tbm设备开挖厂房隧洞至设计位置，并在厂房隧洞的设计位置挖掘出厂房发电系统硐室；

第四步，长缓斜井施工，使用tbm设备沿厂房隧洞斜向上开挖长缓斜井至设计位置；

第五步，输水隧洞施工，沿长缓斜井继续使用tbm设备开挖输水隧洞，直至按设计要求与上水库联通，由此上水库和下水库由输水隧洞、长缓斜井、厂房隧洞、和尾水隧洞组成的隧道联通起来，水流可以经隧道在上水库和下水库之间流动。

进一步的，所述第三步，厂房隧洞施工时，若厂房隧洞的中轴线与长缓斜井的中轴线不在一条水平线上时，则将厂房隧洞中开挖最小半径为500m的弯道，直至厂房隧道一端与长缓斜井位于同一水平线上。

进一步的，所诉第五步前，若上水库中有水，则还需在输水隧洞施工前，在输水隧洞与上水库的设计联通口处先建造输水隧洞围堰，之后输水隧洞与上水库打通。

本发明的有益效果在于：1、通过改变长缓斜井的倾角，使得可以施工时采用tbm设备，支护效果及时，能较好的适应地质条件的变化，技术安全高效；能较好的适应地质条件的变化,进度快；机械化程度高，节约人工，对于3000～5000m以上长度的隧洞采用tbm施工法在经济

附图说明

图1为硐室结构示意图；

图中1、输水隧洞；2-1、厂房隧道；2-2、厂房发电系统硐室；3、尾水隧洞；3-1、第一尾水隧洞；3-2、尾水斜坡；3-3、第二尾水隧洞；4、长缓斜井；5、调压井；α、长缓斜井上倾角；β、尾水斜坡上倾角。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明；

具体实施方式

【实施例1】

如图1所示，一种适于tbm施工的抽水蓄能硐室，包括输水隧洞1、长缓斜井4、厂房隧洞2-1、厂房发电系统硐室2-2和尾水隧洞3，其中输水隧洞1前端连接至上水库，输水隧洞1后端连接至向下倾斜的长缓斜井4前端，长缓斜井4后端连接至厂房隧洞2-1前端，厂房隧洞2-1穿过厂房发电系统硐室2-2和厂房发电系统硐室2-2后方的尾水隧洞3相连，尾水隧洞3，其中尾水隧洞3包括首尾依次相连的第一尾水隧洞3-1、尾水斜坡3-2和第二尾水隧洞3-3，其中第一尾水隧洞3-1与厂房隧洞2-1相连，第二尾水隧洞3-2出口与下水库相连，尾水斜坡3-2斜向上。

输水隧洞1、长缓斜井4、厂房隧洞2-1和尾水隧洞3为首尾依次相连的四段隧道，输水隧洞1连接着上水库，尾水隧洞3连接着下水库，厂房隧洞2-1段开挖有厂房发电系统硐室2-2，蓄能时厂房发电系统硐室2-2段内的电机驱动，将下水库中的水由尾水隧洞3输送到上水库中，发电时让上水库的水由输水隧洞1流至下水库中，途径厂房发电系统硐室2-2中的发电机，水力驱动实现发电。其中尾水隧洞3包括第一尾水隧洞3-1、尾水斜坡3-2和第二尾水隧洞3-3三部分，水平的第一尾水隧洞3-1与厂房隧洞2-1相连，水平的第二尾水隧洞3-2出口与下水库相连，与第一尾水隧洞3-1尾部相连的尾水斜坡3-2向上倾斜成一个斜坡状，尾水斜坡3-2尾部与第二尾水隧洞3-2首部相连。

所述长缓斜井4的长缓斜井上倾角α小于等于25°。其中长缓斜井4相对厂房隧洞2-1为上倾斜坡，长缓斜井上倾角α小于等于25°。

所述尾水斜坡3-2的尾水斜坡上倾角β小于等于18°。其中尾水斜坡3-2相对厂房隧洞2-1为上倾斜坡，尾水斜坡上倾角β小于等于18°。

所述输水隧洞1上方还连接有调压井5。也称压力井，水电站的调压井是起到调节水压的作用。由于发电站的引水管道较长，当机组运行中突然甩负荷关闭导叶时，由于水流的惯性作用，有很大的水锤效应，易损毁发电设备，如无调压井，水锤会击毁导水叶和其它过流部件。调压井的作用就是让水锤有一个释放的通道，以减小过流部件的压力。

所述输水隧洞1、长缓斜井4、厂房隧洞2-1和尾水隧洞3的断面相同。输水隧洞1、长缓斜井4、厂房隧洞2-1和尾水隧洞3的断面都开挖为相同的大小与形状。

所述输水隧洞1和尾水隧洞3中均连接有开关闸门。用于开关输水隧洞1和尾水隧洞3，使得上水库或者下水库的水不流进整个隧道中。

所述厂房隧洞2-1段中有一段最小半径为500m的转弯。当厂房隧洞2-1中轴线与输水隧洞1中轴线不在一条直线时，那么为了连接厂房隧洞2-1与输水隧洞1，那就需要将厂房隧洞的一部分修成弯道，经过转弯后使得转弯后的厂房隧洞2-1与输水隧洞1相连，其中这段转弯的最小半径不小于500m。

【实施例2】

如图1所示，一种适于tbm施工的抽水蓄能硐室施工方法，包括以下步骤：

第一步，尾水隧洞3围堰建造，在尾水隧洞3在下水库的出口处建造防水围堰，避免水流倒灌进还未施工完的尾水隧洞3中；

施工时先从尾水隧洞3开始，因为尾水隧洞3最后要与下水库相连，为了避免下水库中的水倒灌进施工中的尾水隧洞3，以上水库为首，下水库为尾，首先先在尾水隧洞3尾部在下水库的出口处附近修建防水围堰。

第二步，尾水隧洞3施工，从尾水隧洞3后方使用tbm设备依次沿水平方向开挖第二尾水隧洞3-3至设计位置，然后继续实用tbm设备斜向下开挖尾水斜坡3-2至设计位置，再实用tbm设备开挖水平的第一尾水隧洞3-1至设计位置；

当下水库的防水围堰建造完毕后，开始从尾水隧洞3尾部向首部施工，使用tbm设备按照设计要求依次开挖水平的第二尾水隧洞3-3、下坡的尾水斜坡3-2和水平的第一尾水隧洞3-1，直到设计位置，如图1所示，其中尾水斜坡3-2相比厂房隧洞2-1是上坡，上倾的角度小于等于18°。

第三步，厂房隧洞2-1和厂房发电系统硐室2-2施工，沿第一尾水隧洞3-1继续使用tbm设备开挖厂房隧洞2-1至设计位置，并在厂房隧洞2-1的设计位置挖掘出厂房发电系统硐室2-2；

沿着第一尾水隧洞3-1继续按设计要求使用tbm设备开挖厂房隧洞2-1，直到厂房隧洞2-1到达设计位置，并按设计要求，在厂房隧洞2-1段使用钻爆法挖掘出厂房发电系统硐室2-2，厂房隧洞2-1穿厂房发电系统硐室2-2而过，

第四步，长缓斜井4施工，使用tbm设备沿厂房隧洞2-1斜向上开挖长缓斜井4至设计位置；

沿厂房隧洞2-1，按设计要求使用tbm设备开挖斜向上的长缓斜井4，其中长缓斜井4的上倾角度小于等于25°。

第五步，输水隧洞1施工，沿长缓斜井4继续使用tbm设备开挖输水隧洞1，直至按设计要求与上水库联通，由此上水库和下水库由输水隧洞1、长缓斜井4、厂房隧洞2-1、和尾水隧洞3组成的隧道联通起来，水流可以经隧道在上水库和下水库之间流动。

沿长缓斜井4，按设计要求使用tbm开挖出输水隧洞1，直到按设计要求，输水隧洞1首端与上水库联通。由此水库和下水库由输水隧洞1、长缓斜井4、厂房隧洞2-1、和尾水隧洞3组成的隧道联通起来，水流可以经隧道在上水库和下水库之间流动。

之后在输水隧洞1段商法开挖调压井5，并在输水隧洞1和尾水隧洞3段安装开关闸门。

所述第三步，厂房隧洞2-1施工时，若厂房隧洞2-1的中轴线与长缓斜井4的中轴线不在一条水平线上时，则将厂房隧洞2-1中开挖最小半径为500m的弯道，直至厂房隧道2-1一端与长缓斜井4位于同一水平线上。

其中在施工中，很有可能长缓斜井4的中轴线与厂房隧洞2-1中轴线不在一条直线上，两者之间有水平的位置差，为了将长缓斜井4与厂房隧洞2-1联通，那么就需要在厂房隧洞2-1中设置一个转弯结构，这个转弯的最小半径为500m。

所诉第五步前，若上水库中有水，则还需在输水隧洞1施工前，在输水隧洞1与上水库的设计联通口处先建造输水隧洞1围堰，之后输水隧洞1与上水库打通

在施工当中，上水库会有两种情况，一种是上水库中本身无水，一种是上水库中本身就有水，在上水库有水的情况下，则需要在输水隧洞1在上水库的出口处先建造输水隧洞1围堰，等围堰建造完毕后，再进行输水隧洞1的施工。防止输水隧洞1在没有施工完全的情况下，上水库中的水倒灌。

在整个施工中ⅳ类以上围岩可选用开敞式tbm，v类围岩为主岩石采用护盾式掘进机，并且因为tbm下坡能力弱，爬坡能力强，所以从尾水隧洞3挖起，只需下较短的尾水斜坡3-2，而长的长缓斜井4则是爬坡，这样便于施工。