孙朝斌
中国水利水电第十六工程局有限公司福建省福州市350000
摘要：近年来，水利水电工程日益受到相关能源部门关注，小型水利水电站建设正在蓬勃发展，隧洞施工作为水电站建设中的重要环节，其开挖技术的创新和发展也受到越来越多的关注。本文就水利水电小型隧洞机械化施工技术进行了探讨，详细阐述了小型隧洞机械化施工的相关技术及其应用。
关键词：小型水电站；隧洞挖掘；机械化施工；技术探讨
1引言
现如今，随着小型水电站建设的不断兴起，不仅解决了部分地区分散能源的供给问题，同时加快了我国的城市化建设进程。小型水电站建设施工研究引起了越来越多相关人员的关注，在水利水电工程中，隧洞施工是很重要的环节。隧洞施工质量将直接影响水电站的安全可靠性和整个水利工程的经济效益。因此，水利水电小型隧洞的施工前期需高标准设计，严格监测施工质量，对整体质量严格把控。本文针对水利水电小型隧洞的机械化施工进行了详细探讨。
2水利水电小型隧洞的应用背景
就目前而言，大型水电站和中小型水电站并没有国际化的统一标准，阿尔卑斯山地区小型水电站指的是装机容量小于10MW的水电站。
起初，水电行业仅仅注重装机容量大于100MW的大型水电站建设，忽略了小型水电站开发利用。直至20世纪90年代，装机容量小于5MW的小型水电站才引起关注。该类型小型水电站不仅可以有效确保当地稳定的电力供给，还表征了偏远地区经济增长带来的社会发展。通常国家统一电网无法到达较为偏远的地区，只有利用小型的水电站为当地提供居民生活和工业生产用电。现如今，工业化国家依靠小型水电站建设，推动了可再生能源有效可持续化的能源政策改革；同时，小型水电站在发展中国家中则是替代柴油发电，体现了科技的发展进步。
水电站目的在于将水能转化为电能，以往大型水电站建设积累的实践经验和科学理论十分有利于小型水电站开发研究，小型水电站通常被设计成径流式水电站。
现今中小型水电站越来越受欢迎，主要原因在于其建设速度快，符合分散能源供给需求，且不需要配套建设大量基础设施。通常小型水电站需要挖掘小型隧洞，其引水隧洞和尾水隧洞布置常常受地形限制，输水系统需同时依赖于可利用水头，水力梯度，还依赖于输送水流量，因此需综合经济效益最大化和适用性最强两方面考虑小型隧洞的施工方案。
3水利水电小型隧洞机械化施工与传统方法的对比
小型水利水电站建设中，隧洞机械化施工相较于传统钻爆开挖施工有很多方面的优越性，主要表现在以下几方面。第一，隧洞机械化施工灵活性较高，可以在任意岩石和变换的土体中作业，对深度没有限制要求，可以在任何深度的水下工作，对环境影响程度较小。第二，隧洞机械化施工尤其适用于长隧洞，既可以节约成本，又可有效提高施工规划的可靠性，保证施工现场的安全。其中，机械化施工的成本优势主要包括两方面，一是降低总体运行成本，减少操作和维护人员作业；二是提高了开挖断面的精度，有效避免了材料浪费问题。机械化施工可以连续施工，避免人为因素的时间延误，有效保证了单日的掘进速度；其次是在地质条件有变时，机械化设计可以将风险降到最低，从而提高施工规划的可靠性。采用机械化技术开挖输水系统可以从以下五方面降低成本，增大效益，体现在其灵活性，安全性，影响性，环保性和开挖料再利用等。
此外，隧洞机械化施工开挖初期投资较高，建造时间较长，开工时间会比较晚。现在，隧洞机械化施工技术可以为大多数地下电站施工提供解决方案。
4水利水电隧洞施工技术分析
水电站建设工程中，几乎所有地下建筑都有涉及现今的机械化地下岩石开挖技术，而在软弱介质中开挖较为少见。依据地形地势，在一些情况下需通过隧洞长距离输水，下面就隧洞施工技术进行了分析。
3.1隧洞倾角
众所周知，水电站是利用水头差来进行发电，所以，输水系统的关键在于倾斜隧洞和竖井。当隧洞倾角较小时（<5%），水平开挖和机械开挖没有较大区别；隧洞倾角在5%～15%之间时，要对施工等级和机械施工系统调整，当倾角在15%～25%范围内，需要根据项目特点，对机械化施工方案进行特定设计。根据EN16191规范要求，当隧洞倾角在15%～25%之间时，需要根据项目风险评估来确定TBM是否需要独立的夹持系统，当隧道倾角大于25%时，须强制增加夹持系统。
3.2施工方法
鉴于小型水电站的隧洞规模较小，一般采用顶管法或水平定向钻进法进行施工。在特定条件下，通过对施工工艺的调整，例如特定的刀头设计，还可以有效提高施工效果。
3.3开挖支护
隧洞施工方案确定之后，要依据机械类型和隧洞直径确定支护方案。隧洞衬砌需满足以下两个要求：第一，必须能承受不稳定岩体或周围土体压力（外部压力）；第二，当隧洞有压力时，衬砌要能够承受隧洞内部压力。顶管法（钢管或玻璃钢管）施工可同时满足这两点要求，用该工艺局部处理的区域可承受高达2MPa的内水压力。通常大多数水电站基底为岩石介质，所以岩质隧洞的支护和机械开挖方案备受关注。可供顶管法使用管材类型众多，包括钢管、玻璃钢管及钢筋混凝土管，而在地下钢管安装中，则大多采用水平定向钻进技术。
3.4TBM灵活性设计
小型水利水电工程隧洞机械化施工中，对于设备的投资十分关键。为此，TBM设计要综合考虑其使用灵活性，以便适用于不同工程，节约投资成本。为节约成本，并保证水电站良好的收益，需选用灵活性较高，能适应隧洞地质条件、倾角、长度的TBM及相应的技术规范。
4结语
综上所述，小型水电站隧洞施工过程中，无论地形再复杂，地质背景再特殊，都要依据施工具体情况进行相应调整，选择最科学合理的施工方案。水利水电小型隧洞的机械化施工为水电工程提供了不错的选择，为能源开发达到最优提供了便利。小型水电站隧洞机械化施工为水电站建设提供了便利，是国家电力能源系统不可忽视的重要节点。
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