引汉济渭深埋超长引水隧洞应注意的关键技术问题

梁文灏，刘 赪，魏军政

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，710043，西安）

自20世纪90年代以来，随着我国经济实力和技术力量的迅速增长，水工隧洞建设取得了巨大发展。“九五”期间，我国开挖水工隧洞约50条，总长近300 km。截至2005年，我国已建成水工隧洞约600 km。而目前仅陕西省，在建水工隧洞长度达205 km。随着水工隧洞建设的发展，隧洞单体长度在被不断刷新和突破，20世纪90年代初期甘肃引大入秦工程最长单洞15.7 km，而后山西万家寨引黄入晋一期工程单洞长42.3 km，辽宁大伙房水库输水工程单洞长85.3 km，正在建设的陕西省引汉济渭工程秦岭隧洞单洞长度98.3 km。隧洞长度和埋深的不断增加，使隧洞施工面临更多特殊地质、施工方法、结构、通风等新问题，解决这些问题对推动隧洞修建技术水平、经济发展意义深远。

目前世界上已建成单项长度第一的隧洞为芬兰赫尔辛基调水工程隧洞，总长120 km，其最大埋深仅100 m；世界最大埋深的隧洞是四川锦屏二级水电站引水隧洞，最大埋深2 525 m，但其长度仅16.7 km。引汉济渭秦岭隧洞长达98.3 km、最大埋深2 012 m，埋深1 000 m以上的段落长达30多km，工程规模及难度世界瞩目。因此，修建引汉济渭工程秦岭隧洞必须注意以下几个问题。

一、隧洞位置的确定

隧洞位置的选择应重视隧洞的工程地质条件，特别是控制段应加深地质工作，隧洞位置是在大量地质工作的基础上确定下来的。除地形条件外，更重要的是要考虑岩层岩性、地质构造、岩层走向及倾角、主应力大小及方向、地下水发育情况等条件，并对关键控制点进行分析评价。洞线高程及接线受控于工程的功能要求及总体筹划，应与两端工程进行总体考虑，通过详尽的经济技术比较来确定。

秦岭区地质构造和岩性分区等均较为复杂，地质构造与隧洞围岩的相互作用机理复杂，可采用遥感、物探、钻探等多种立体勘测手段，查明区内各方案的岩性条件和地质构造格局，特别是控制隧道选线的岩性、断裂、地应力、地下水、放射性、地温等地质因素，并进行地质条件的综合分析及评价，判断越岭隧洞的走行通道。秦岭隧洞的位置选取是在两端工程已基本确定的前提下进行的，根据秦岭地区的多年地质工作和隧洞穿越地区的详细地质勘察，经过对可行通道的地质条件分析对比，最后确定自三河口水利枢纽坝后右岸接黄三段，洞线在子午河右岸穿行2.75 km后穿越椒溪河，然后穿越秦岭至周至县的黄池沟出洞的越岭方案。

秦岭是黄河、长江两大水系的分水岭，在地理和气候上是我国南北方的分界线。秦岭山区山峦重叠、地势险要、沟壑纵横，地形条件异常复杂。应对实施中将会遇到的地质灾害风险、工期风险、实施方案等进行评估，确定辅助坑道的功能定位，结合地质、地形，同时考虑环境保护的条件，选取合理的辅助坑道。辅助坑道选取时，除考虑地质、地形条件外，还应考虑施工中的运输、通风、排水等因素。经综合分析比较，最终确定钻爆段分区合理、尽量降低TBM段实施风险、工期匹配的十斜井方案。

二、隧洞衬砌结构的选择

水工隧洞的结构形式通常分为：不衬砌、喷锚衬砌、混凝土衬砌、钢筋混凝土衬砌、钢板衬砌等几种基本类型。混凝土衬砌又有装配式和现浇式。按受力划分又有普通混凝土衬砌和预应力混凝土衬砌。隧洞结构是围岩及其加固措施构成的统一体，不应一味地致力于衬砌结构的研究分析，应考虑围岩及支护体系的整体稳定及衬砌结构的安全。秦岭隧洞的衬砌结构主要应考虑施工方法、地层地质条件、地下水情况、耐久性及可维护性等因素。

①施工方法的影响。施工方法主要指TBM和钻爆法两种，其中TBM施工具有对围岩扰动小、开挖断面圆顺光滑等特点。在围岩自稳能力好、二衬不受力的Ⅰ、Ⅱ类围岩TBM施工段，可采用喷锚衬砌；而钻爆法施工的Ⅱ类围岩段落，应采用混凝土减糙衬砌。我国目前暂没有TBM施工的围岩类别划分体系，TBM与钻爆法施工的围岩分类没有区别，而围岩的自稳对地下工程的结构影响甚大，不同施工方法对围岩失稳的影响不同。另外，施工方法对断面形式的影响较大，不同断面形式的受力条件差别较大。因此，在确定衬砌结构时要充分考虑施工方法的影响。

②地层地质条件的影响。目前的地下工程在设计时，根据不同地层地质条件将围岩简单地划分为六大类，而具体实施中应在分类基础上从地层条件和地质条件两方面区别对待。地层方面主要需对地层的产状、节理发育程度等深入分析，确定衬砌的初期支护系统；地质条件方面主要需对围岩的特性及物理性能进行详细了解，尤其应重视一些特殊岩性，比如围岩的膨胀性、塑性等。另外，对地质构造带等也应区别对待。

③地下水的影响。秦岭隧洞埋深大、水头高，精确合理地确定地下水对结构的影响较为困难。地下水应按岩溶水、大的储水构造和地下裂隙水两种情况分别对待。首先应结合勘察资料对隧洞的地下水分布有一个宏观的段落划分，然后根据节理裂隙发育情况等判断渗水能力，依渗水能力考虑外水压力的折减。就结构体系而言，秦岭隧洞与交通隧道的区别在于结构的防排水体系。交通隧道具有完善的防排水系统，衬砌外侧设防水板及盲沟，衬砌背后不会产生有效的水压，有完善排水系统的深埋隧道中基本可不考虑外水压力的影响。秦岭隧洞因埋深较大、水头过高，外水压按水工规范折减较难操作，参考类似工程经验，于拱顶120°范围设置排水孔，于较差围岩段落采取固结灌浆等，排水后的外水压分围岩按5～25 m考虑。对于埋深、长度与秦岭隧洞类似的地下工程，地下水头高，即使在考虑泄水孔的基础上进行折减，衬砌结构亦相对交通洞要强，同时，隧洞过长，地下水头的确定较为困难，采用系数折减分段确定衬砌结构难度较大。是否考虑在满足环境要求的基础上进一步加强排水、优化衬砌结构，有待思考和研究。

另外，秦岭隧洞作为引汉济渭的控制性、关键性工程，应根据其使用年限和使用环境充分考虑隧洞结构的耐久性和可维护性。

三、施工方案的选择

1.越岭段、岭脊段施工方案

秦岭隧洞越岭段长达82 km，两端各20余km埋深在地下900 m以下，属岭南、岭北中低山区，沟壑纵横。从地质条件来看，其主要岩性为大理岩、石英片岩、云母片岩、千枚岩、花岗岩等，岩性较差，地下水丰富。云母片岩、千枚岩、断层破碎带等段落软岩变形；可溶岩、破碎带等段落的突涌水等地质问题突出，施工风险大，适于结合超前地质预报采用钻爆法稳扎稳打地施工。从投资及工期来看，钻爆法相对TBM施工有明显的投资优势，加之两端工期不控制，采用钻爆法不会影响项目的总工期。从施工通风来看，两端相对埋深小，辅助坑道的选取相对灵活容易些，虽然部分斜井过长，但施工通风技术可行，可以解决施工通风问题。

岭脊段近40 km，埋深大，山体巨厚，辅助坑道的选取异常困难，该段为项目的工期控制节点，必须加快建设。另外受制于施工通风，该段已经不具备采用钻爆法施工的条件，因此采用TBM施工以加快工程建设。

综合研判地质条件、工期要求、投资等，隧洞两端采用钻爆法施工，中间岭脊段采用两台TBM的施工方案是合理、可行的。

2.秦岭隧洞施工方案中需重视的问题

（1）TBM 的选型

TBM选型应考虑功能、工期、长距离掘进、掘进方向、处理不良地质灵活性等因素。秦岭隧洞TBM施工段涉及的主要地层属硬岩～中硬岩，岩石饱和抗压强度从30 MPa到133 MPa，围岩透水性差，绝大部分处于贫水及弱富水区，自稳能力较好。经过对围岩的整体性、稳定性、岩石强度、耐磨性等对比分析，认为秦岭隧洞的地质条件，大部分适合开敞式TBM；虽有约5 km千枚岩地层和局部的断裂带，但采取一些必要技术措施可以适应开敞式TBM施工，通过技术措施可以降低工程风险，以按期完成掘进任务。通过对TBM及后配套相关技术参数的选取和比较，确定采用开敞式TBM及皮带出砟方式。

（2）TBM 长距离掘进

随着国民经济的发展需要，大批长距离施工的工程实例也不断涌现，长距离掘进对其技术提出了更高要求，长距离掘进技术也得到了进步和发展。目前国内TBM单次掘进最长的是为辽宁大伙房输水隧洞，掘进长度分别为17.2 km、13.1 km和14.3 km，其中有两台TBM在掘进过程中更换过主轴承。国外为瑞士新圣哥达隧道，东线掘进13.955 km后更换主轴承又继续掘进11.581 km，西线掘进14.795 km后更换主轴承又继续掘进12.22 km。秦岭隧洞两台TBM将完成39.08 km的掘进任务，在隧道施工中较为罕见，任务非常艰巨。

TBM长距离掘进的受控因素较多，归纳起来主要有地质条件的不确定性和设备寿命等两方面的问题。地质条件的不确定性主要是因为地下工程中地质条件本身的复杂性，加之人类认识、了解、掌握地质条件的手段有限，全面精准解析长距离深埋地下工程的地质条件异常困难，破碎带失稳、突涌水、岩爆等地质灾害将给长距离施工带来巨大风险。在TBM制造前，应结合地质条件，对设备自身的超前预报和实施应急措施的功能提出要求，做好超前地质预报，并提前制定对应的应急预案。影响TBM长距离掘进的核心是主轴承，本工程TBM的掘进距离近20 km，这个长度已基本为TBM主轴承的更换长度，国内外的TBM施工中，均有未达20 km而更换主轴承的先例。因此，应重视TBM的掘进、检修、维护等，加强设备的维修保养，招标中应提出轴承寿命的有关要求。

为了保证长距离有效掘进，除了有效的保养，总结TBM施工的支护方式、掘进参数与围岩适应性等很有必要。应开展掘进参数与岩石耐磨性指标、强度指标、完整性系数等相关性分析；不同段落TBM支护方式、掘进参数与围岩的适应性研究；不同地质条件下TBM施工的合理支护参数研究；不同围岩条件下的掘进参数研究等。通过试验研究，找到影响TBM效率及支护参数的地质参数指标，并通过对地质参数指标的研究与分析，找出其对掘进机的影响趋势，进一步总结出影响规律。

（3）长距离独头施工通风

国内外TBM施工独头通风长度大多控制在10～15 km，钻爆法施工独头通风长度多控制在3～5 km。兰渝铁路西秦岭隧道采用TBM施工，独头施工通风距离12.5 km；辽宁大伙房输水隧洞采用TBM施工，独头施工通风距离11.23 km；西康线秦岭铁路隧道平导采用钻爆法施工，独头施工通风距离达7.5 km。本工程TBM施工长度达20余km，设置辅助坑道后独头通风距离约16 km；钻爆段斜井工区独头通风长度约6.7 km，该项目的施工通风距离最长。

秦岭隧洞独头通风距离过长，突破了现有的工程经验，实施存在一定的风险。如隧洞没有平行的旁洞可利用，巷道式通风受限；斜井长度长且纵坡度大，重载车辆产生的废气排放增加，洞内环境质量差；埋深大、地温高。本隧洞施工通风的特殊性对通风设计提出了更高要求，解决好施工通风问题，对隧洞的工程规模、布局和施工组织安排均有影响。分析研究施工通风方案、风管材料、风管计算参数、漏风率、洞内环境分布、设备选择等意义重大。

应根据隧洞的地质条件、运输方式、设备条件、掘进长度、断面及洞内污染物的种类和含量等开展施工通风方案研究。重点研究纵向接力、风道式、射流诱导洞内送排的混合式，以及增设必要的辅助坑道等方案。秦岭隧洞的施工通风方案最终确定为巷道+独头送风。目前TBM及钻爆法施工中，通风方案效果良好，后续效果如何尚有待进一步验证。

通风方案研究中应采用数值模拟、现场测试等手段，以确定长距离风管阻力参数、漏风参数、混合式通风的布置、洞内环境指标等，为施工通风技术积累一手数据，取得的一些经验和公式有待在后续施工中验证和修正。预测隧洞岩温可能达41℃，通风降温成本高、难度较大，建议采用移动或固定降温系统，同时研究降温与通风系统配合的方案。

（4）岩爆问题

目前，岩爆理论的研究已取得了一定进展，常用的岩爆预测方法主要有现场实际测试及理论分析两大类，现场测试主要有微重力法、流变法、回弹法、微震法、应力测试法等；理论法主要以能量和应力两大判据进行理论分析预判。锦屏二级水电站长隧洞最大埋深2 525 m，实测最大应力 46.51 MPa，推测 30～70 MPa，施工中发生各类岩爆数以千计，强烈以上岩爆近百起，给安全生产带来了巨大威胁，施工中采用微震监测法取得了一定的效果。但由于地应力的不确定性和地层岩性的复杂性，导致岩爆问题较为复杂，岩爆预测方面的技术尚不完全成熟。

引汉济渭秦岭隧洞最大埋深2 012 m，将穿过多个复杂地质单元和构造带。其中变质岩和岩浆岩地段，岩性复杂多变。推测隧洞最大水平地应力将超过50～60 MPa，围岩开挖可能会产生岩爆，应通过地质方法对围岩的高地应力有一个宏观上的预判，然后从高地应力、岩性、构造、地下水等方面综合评判，达到预测前方岩爆的可能。不仅要考虑埋深及地应力，还一定要分析地质构造，重视现场微震监测法的应用。同时在掘进中加强预报工作，从掘进参数、超前支护、初期支护等方面研究对策，并不断总结对比，以期获得较为满意的岩爆预测及防治方法。

（5）水工隧洞的运行和维修

秦岭隧洞作为引汉济渭工程的输水咽喉，具有举足轻重的作用。运行中，应对可能出现的结构质量缺陷、不可预见的风险源等，考虑制定必要的检修维护和安全监测方案。宜考虑永久—临时结合，预留合适的施工支洞作为检修洞，以满足后期的检修维护使用，并研究预留电源、照明等条件。

世界范围大规模的隧洞工程有瑞士新圣哥达铁路隧道（约57 km），日本青函铁路隧道（约53 km）、英法海底隧道（约48 km）；国内有辽宁大伙房输水隧洞（约85 km）等。由于历史背景及担负的任务、功能不同，各自均有其显著特点。秦岭隧洞作为复杂山岭区超长深埋隧洞，除了在解决工业生产、生活、保护水资源等功能方面意义显著外，还将通过修建秦岭隧洞，组织好关键技术的研究和实施，进一步提升我国修建隧洞的技术水平。