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(xiàn)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(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)團隊,共同參與“永寧號”TBM的研發(fā)應(yīng)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(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(shè)備意外斷電造成支撐力不足,攻關(guān)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(xiàn)設(shè)備鎖定,共同防止設(shè)備下滑。攻關(guān)團隊還為“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,并在引水斜井掘進起點開挖組裝洞室,才能實現(xiàn)設(shè)備進場、組裝、調(diào)試及始發(fā)任務(wù)。
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(nèi)完成“永寧號”TBM組裝調(diào)試并始發(fā)是攻關(guān)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(diào)整困難等技術(shù)難點,攻關(guān)團隊經(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(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,到達電站1號引水斜井掘進起點。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)定掘進帶來極大的挑戰(zhàn)。
攻關(guān)團隊開展了多次研討,邀請國內(nèi)知名TBM專家進行現(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。
在掘進過程中,攻關(guān)團隊降低設(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(zhì)段施工增加安全砝碼。
為保證“永寧號”TBM的順利掘進,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)、掘進全過程。
在掘進過程中,國網(wǎng)新源洛寧公司優(yōu)化施工組織順序,調(diào)整設(shè)備維護班組與掘進班組工作時間,同步推進設(shè)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(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。
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