引汉济渭秦岭输水隧洞关键技术问题及其研究进展

杜小洲

摘 要：引汉济渭工程是国务院确定的172项重大水利项目之一，秦岭输水隧洞是引汉济渭工程的控制性工程。针对秦岭输水隧洞施工过程中遇到的高地应力、岩爆、长距离施工通风、超长距离的贯通测量、突涌水、硬岩掘进、围岩失稳、软岩变形、高地温等问题，开展了超长隧洞岩爆预测与防治、突涌水分析和防治、施工通风、衬砌结构外水压力确定及应对、测量设计分析评估及施测精度控制分析、深层围岩基本工程特性、高地应力软岩变形及防治、TBM硬岩掘进、微震监测等关键技术研究，并提炼了主要研究成果及创新点。下一步，将对亟待解决的岩爆频发影响施工进度和硬岩大变形等问题进行重点研究。

关键词：输水隧洞;贯通测量;施工通风;软岩变形;岩爆;突涌水;硬岩掘进;引汉济渭工程

中图分类号：TV68;TV672   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.030

Abstract：Hanjiang-to-Weihe River Diversion Project is one of the 172 major water conservancy projects determined by the State Council. Qinling water diversion tunnel is the controlling works of Hanjiang-to-Weihe River Diversion Project. In response to the issues encountered during the construction of the Qinling diversion tunnel， including high ground stress， rock bursts， long-distance construction ventilation， ultra-long-distance through survey， gushed water， hard rock tunneling， surrounding rock instability， soft rock deformation， high ground temperature， etc， the key technologies were carried out such as prediction and prevention of rock burst in ultra-long tunnel， analysis and prevention of gushed water， construction ventilation， determination and response of external water pressure of lining structure， analysis and evaluation of measurement design and control analysis of construction accuracy， basic engineering characteristics of deep surrounding rock， deformation and prevention of soft rock with high geostress， TBM hard rock tunneling and micro-seismic monitoring. The main research contents and innovation points were summarized. The next research will focus on the urgent issues， including frequent rock bursts affecting construction progress and large deformation of hard rock.

Key words： water conveyance tunnel; through survey; construction ventilation; soft rock deformation; rock burst; gushed water; hard rock tunneling; Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project

引漢济渭工程是国务院确定的172项重大水利项目之一，由调水工程和输配水工程两部分组成。作为调水工程“两库一隧”的控制性工程，秦岭输水隧洞连通汉江与渭河，全长98.26 km，纵坡1/2 500，最大埋深2 012 m，以三河口水利枢纽坝后泵站控制闸为界，分为黄三段和越岭段，沿线布设14条施工支洞。目前，秦岭输水隧洞所有支洞开挖支护工程已全部完成，长16.48 km的黄三段已于2018年12月18日全线贯通;长81.78 km的越岭段钻爆法施工段46.82 km全部完成，长34.96 km的TBM施工段仅剩3.5 km，采用从德国、美国引进的2台TBM相向掘进。

秦岭输水隧洞工程布置示意见图1。

1 地质特征

秦岭输水隧洞穿越的地层主要有中生界、古生界、元古界、太古界，受多期构造运动影响，断裂构造发育，岩浆活动强烈，变质作用复杂，主要分布变质岩、侵入岩两大类[1-2]。岩性以变砂岩、千枚岩、片岩、石英岩、变粒岩、大理岩、片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩等为主。地形地质条件极为复杂，施工中遇到高地应力、岩爆、突涌水、围岩失稳、软岩变形、高地温及热害、有害气体等多种工程地质问题[3-4]。

2 工程面临的主要技术难题

秦岭输水隧洞是人类第一次从底部横穿世界十大山脉之一秦岭的通道，修建过程中（尤其是越岭段施工过程中），面临诸多世界性的难题。

（1）工程的总体布局、规划、实施难度空前。秦岭输水隧洞穿越区山体宽厚、埋深大，其中越岭段长81.78 km，最大埋深2 012 m。岭脊长40 km施工困难段洞线两侧约4 km范围较难选择合理的支洞口位置，最长支洞长达5.82 km。工程布局、施工组织的确定及实施难度高。秦岭输水隧洞越岭段工程布置示意见图2。

图2 秦岭输水隧洞越岭段工程布置示意

（2）超长距离的贯通测量难度超出测量规范。秦岭输水隧洞是世界上在建贯通距离最长的山岭隧洞，国内长大隧洞多采取长隧短打施工，尚未有相向开挖贯通距离超出20 km的先例。秦岭输水隧洞3#支洞至4#支洞及4#支洞至5#支洞间的隧洞贯通距离分别达21.962、27.320 km，该距离远远超出了现有的工程实践。另外，目前国内外相关的测量规范中，对于相向开挖长度大于20 km的隧洞，还没有相应的洞内外测量控制技术标准。

（3）长距离施工通风难度世界罕见。秦岭输水隧洞岭脊段施工通风距离长，钻爆法施工段已实施独头通风距离分别为3#支洞工区6 385 m，7#支洞工区6 433 m，出口工区6 493 m，4#支洞超过7 200 m。TBM施工段已完成段独头通风距离达14 754 m，规划岭北TBM最长通风距离达16 540 m，若考虑工区不平衡接应，则距离或更长。无论是钻爆法，还是TBM法，上述通风距离均远远超越了现有的工程实践，鲜有类似工程实例。另外，隧洞埋深大、地温高（预测最高达42 ℃），加上洞内电气设备散热、机械设备散热、刀盘与掌子面摩擦发热，洞内温度最高达50 ℃，使得施工通风难度极大。

（4）软岩变形问题。岭北TBM围岩相对软弱，主要由千枚岩、变砂岩、千枚岩夹变砂岩、角閃石英片岩及局部碳质千枚岩等组成。岩性变化大，变质岩中劈理面发育，其间掘进机穿越多条断层及次生小断层，断层破碎带物质复杂，造成岩石力学性质及强度差异很大，岩体稳定性较差，在高地应力条件下易出现挤压性隧洞大变形问题。2016年5月31日，TBM通过断层时出现卡机，当时机器顶护盾最大压强达到34 MPa，洞内压力盒围岩压力显示为10.22 MPa，30 cm间距的密排钢架的最大应力达322 MPa，部分钢架屈服。

（5）高地应力及岩爆问题。秦岭输水隧洞埋深大，超过500 m埋深的段落长61.369 km，在洞址11个深孔中，实测水平主应力最大值为65.01 MPa，大埋深洞段位于高水平应力区，易产生岩爆灾害，隧洞最大水平地应力预计达到100 MPa。目前区内共发生了不同程度岩爆近1 000次，其中发生中等以上岩爆超过434次，滞后性岩爆7次，对施工生产和人员安全带来诸多不利影响。随着施工的不断深入，岭南TBM施工段埋深已超1 500 m，在高应力条件下岩爆发生次数增加，目前岩爆主要发生在拱顶部位150°、掌子面后方6 m的范围内，80%的岩爆会在掌子面开挖之后的2 d内发生，有60%为强烈岩爆。

2019年8月12日，岭南TBM施工段桩号K40+190—K40+195发生滞后性强烈岩爆，最大能量58.9万J，该段现场采用H150全圆型钢拱架加强支护，间距为45 cm，此次岩爆导致5榀拱架拱部范围局部变形，右侧腰部凸出侵限近15 cm，拱顶均有不同程度下沉侵限，岩爆导致拱架安装器环形梁断裂、弧形齿断裂错位以及整体严重变形，无法进行拱架拼装作业，现场被迫停机15 d。2019年5月31日岭北TBM掘进至桩号K45+711处停机检修，6月26日掌子面发生强烈岩爆，对主轴承造成损坏。

（6）突涌水问题。隧洞通过各断层破碎带、大理岩地段时，由于构造裂隙水及岩溶水发育，因此地下水循环较快，施工中发生突涌水风险非常高。目前区内共出现过不同程度突涌水600余处，其中涌水量大于1 000 m3/d的有123处，对施工生产带来诸多不利影响。其中，钻爆段椒溪河主洞区涌水量达2.36万 m3/d。2016年2月28日，TBM岭南工区掘进至K30+382.6处，出现单点涌水量达2.064万 m3/d的突涌水，加之隧洞在2015年11月9日和之前段落断断续续的突涌水，涌水量突增至4.6万m3/d，对TBM设备和人员带来极大安全威胁，随即停工，召集各方力量进行抢险，在距主电控柜被淹没还有3 cm时，因及时抽水而水位停止上升，保住了TBM设备，此次事件直接造成停工75 d。

（7）硬岩掘进带来的问题。岭南段主要为硬岩或极硬岩，岩体较为完整，现场揭示岩石的平均单轴抗压强度为148 MPa，最高达306 MPa，石英含量25%～40%，在掘进机开挖过程中刀具磨损量大，大约每掘进2 m就磨废一个刀头。岭脊段长距离TBM施工的难度极大[5]，自2015年2月28日至2016年6月9日累计掘进了2 000 m，其间共计更换中心刀38把，单刀1 668把，消耗单刀刀圈858个、轴承388套、金属密封615套。从TBM掘进施工的实践来看，对于大直径的TBM在硬岩地层中掘进，用于刀具的费用约占掘进施工费用的三分之一。

3 开展的主要研究及技术成果

针对秦岭输水隧洞面临的众多技术难题，陕西省引汉济渭工程建设有限公司（以下简称公司）联合设计单位、科研单位及有关高校，开展了关键技术研究，以切实解决设计、施工中的关键技术问题为重点，系统整理工程现场技术资料，保障工程顺利建设，为我国超长深埋隧洞的勘察设计、工程施工、运营管理等积累了经验。

（1）秦岭超长隧洞施工通风技术研究。探明了长距离隧洞施工的洞内环境特征，提出了分别把一氧化碳浓度和温度作为钻爆法及TBM法施工通风的主要控制因素，给出了适用于长距离隧洞钻爆法施工和TBM施工的环境控制标准，填补了国内空白;建立了各种不同施工环境下的通风模式和计算方法;首次对隧洞施工通风接力式风仓进行了研究，提出了风仓长度、高度和宽度的设计方法，解决了控制长管路漏风率和风压损失的技术难题;建立了复杂条件下长距离TBM施工隧洞的洞内温度和粉尘分布预测模型，并提出了配套的施工措施。

（2）秦岭超长隧洞突涌水、岩爆预测与防治技术研究。构建了秦岭输水隧洞突涌水灾害危险性等级评价体系，提出了突涌水灾害危险性等级评价指标，并确立了各指标的致灾程度;针对不同水文地质单元，建立了相应的隧洞突涌水预测模型，提出了适宜的超前地质灾害预报方法及防治措施;提出了秦岭输水隧洞的岩爆等级判定方法、分级标准和不同施工方法的岩爆灾害分级防治措施。

（3）隧洞衬砌结构外水压力确定及应对技术研究。基于施工期围岩内水压监测数据，建立了以围岩渗透系数的渗流连续方程来确定初始水压的方法，提出了外水压力折减系数的确定方法，为隧洞衬砌设计提供了依据;提出了“限量排放，排堵结合”深埋隧洞衬砌结构外水压力的量化设计方法，制定了整体设计流程框架，并在秦岭输水隧洞的排水措施設计中首次应用。

（4）超长深埋隧洞测量设计分析评估及施测精度控制分析研究。提出了顾及对中与观测误差影响的洞内导线网精度仿真计算方法，该方法能仿真实际测量误差，预测的横向贯通误差可靠，为超长隧洞洞内控制测量方案的制订提供了理论依据;提出了固定测站和自由测站相结合的构网方式进行平面联系测量方法，通过对联系测量网的严密平差和精度评定，选择最佳的进洞联系边;首次在长大输水隧洞内平面控制测量中采用自由测站边角交会网，避免了对中误差和减弱旁折光的影响，显著提高了贯通精度;探明了加测陀螺边对长大隧洞横向贯通误差的增益规律，根据横向贯通误差最小的原则，优化了洞内控制网加测陀螺方位角位置和数量。

（5）超长深埋隧洞深层围岩基本工程特性研究。首次将以板块构造和陆内构造为核心的秦岭造山带理论应用于秦岭地区隧洞围岩地质环境研究中，提出了实施方法，为评价深埋隧洞围岩工程特性提供了理论依据;从岩体结构、岩石显微构造、多期变形特征、围岩力学特征及应力场等因素着手，对岩石不同破坏机制从地质角度提出了指导性意见;采用岩石微观组构与岩体宏观构造分析相结合的方法，阐明岩体力学特征，为地质条件区域划分和设计提供了依据。

（6）秦岭超长深埋隧洞高地应力软岩变形及防治技术研究。提出了考虑应力分区的超长深埋隧洞工程地应力场非线性分析方法，通过大量数据积累可以做到精细化反演分析，获得了不同岩性、不同围岩洞段的地应力分布特征，为隧洞支护设计和施工方案制订提供支撑;构建了反映卸荷岩石时效力学机制的复合黏弹塑模型，并应用于秦岭深埋隧洞中，具有理论上的创新意义和实践应用性。

（7）硬岩长距离TBM施工参数与围岩特性相关性研究。提出了利用TBM掘进速度预测模型和滚刀破岩试验结果相结合的综合分析方法，分段给出了TBM掘进参数建议值，提高了TBM开挖功效;首次将岩石摩擦性（CAI值）纳入TBM利用率分析，提出了TBM利用率与围岩分级（RMR值）及岩石摩擦性的相关性预测模型;初步确定了典型的岩体条件段TBM开挖围岩损伤区的范围，可为TBM施工各岩体条件的支护设计参数提供参考。

（8）秦岭输水隧洞TBM施工刀具选型研究[6]。针对硬岩掘进，为了减少刀具更换时间，公司通过对国内外数十家刀具供应商进行现场掘进比选，从磨损量、岩石抗压强度两项指标定量分析刀具选型，结合过渡区域刀具磨损量及速率、面刀区域刀具磨损情况、整刀使用寿命、极限磨损情况、2 km试掘进阶段刀具消耗情况，综合评价各类型刀具性能，建立了刀具与地质条件的匹配管理，对超硬岩隧洞TBM刀具的选取具有一定的参考价值，也对刀具材料的研究提供了基础数据。相关成果获陕西省水利行业优秀论文一等奖。

（9）微震监测技术的研究应用[7]。秦岭输水隧洞越岭段岩爆频发，严重威胁施工人员及设备的安全，也制约着施工进度。因此，公司从2017年9月开始引进了微震监测技术对岩爆进行监测预报，每天将过去24 h内发生的微震次数、累计能量等监测结果以数据分析报告的形式发送参建单位，并给出监测区域即将发生岩爆风险的预警信息，提示施工单位提前做好防范措施，经过不断地摸索、改进，岩爆风险范围的预测准确率在80%以上，现场结合微震监测分析数据，及时调整掘进与支护参数、采取相应措施，有效地降低了岩爆灾害对现场人员、设备的伤害程度。例如，2019年8月4日12时左右发生了强烈岩爆，在这之前，施工单位已于7时收到岩爆预警，提前采取了防护措施。随着人工智能、自动预警等技术的引入，微震监测的定位精度、时效性将会进一步提高，对隧洞开挖设计和施工的指导作用将会越来越明显。

（10）秦岭输水隧洞超前地质预报研究[8]。公司联合山东大学，应用信息化技术对掌子面前方地质情况进行综合预报。采用聚焦测深型电阻率法，实现了掌子面前方30～40 m范围的断层、溶洞等含水致灾构造的三维成像;采用三维地震波法，实现了掌子面前方80～100 m范围的断层、破碎带的超前探测;采用多元地球物理探测解释方法，在物探数据的处理与解释层面实现突破性创新。在秦岭输水隧洞施工应用中，超前地质预报与开挖验证结果吻合度高，有效保障了隧洞安全高效掘进。2016年5月31日，岭北TBM掘进至K51+597.6处遭遇卡机，通过超前地质预报，准确探明了掌子面前方软弱破碎带的空间位置、形态和规模，指导了脱困方案的设计和实施，使TBM提前21 d脱困。

（11）研发了秦岭输水隧洞智能管理系统。为保障隧洞施工作业，公司研发建立了秦岭输水隧洞智能管理系统，实现安全、质量、进度、TBM的有效监测与管控。基于BIM模型，能够直观看到断裂、岩爆、变形等不同类型风险点在隧洞中的分布情况，还原了隧洞的地质情况，临近风险点时能够及时提醒参建单位对前方围岩重点监测，提前做好施工准备。通过高频次采集TBM传感器数据，对TBM工作状态、轴力、扭矩、掘进速度等参数进行实时监控，通过大数据分析，对TBM健康状态进行监测，对于可能出现的故障尽早检修维护，正在研究预测TBM关键掘进参数，最终实现TBM施工辅助巡航。

上述研究成果成功应用在秦岭输水隧洞的建设中，节省了工程投资、极大地保障了施工和生产安全，为后期隧洞安全平稳运行夯实了基础，也为今后类似工程提供了较好的参考和借鉴。

此外，公司参与承担国家重点研发计划项目“长距离调水工程建设与安全运行集成研究及应用”中的6个子课题，其中针对大埋深隧洞开展研究的有5项，包括岩体工程特性测试技术与综合评价方法、围岩大变形及岩爆预测与防控技术、围岩-支护体系协同承载机理与全寿命设计理论及方法、高压水害等不良地质条件下深埋长隧洞施工灾害处治和成套技术、隧洞建设智能仿真与建设信息集成技术。

结合科研成果及工程实践，由中国科学院陈祖煜院士牵头，公司目前正在编制《秦岭引水隧洞工程》《三河口水利枢纽》等七部分内容组成的工程技术系列丛书，参编《全断面岩石掘进机法水工隧洞工程技術规范》，主编《长距离水工隧洞控制测量技术规范》《水工长隧洞施工期通风技术规范》两项陕西省地方标准。

4 下一步研究重点

目前，秦岭输水隧洞TBM施工还剩余最后的3.5 km，同时也是全段掘进开挖中最困难的一段，埋深进入1 300 ～ 2 012 m区间，岩性以花岗岩（岭南）、闪长岩（岭北）居多。下一步将针对目前亟待解决的突出难题开展以下重点研究。

（1）开展岩爆频发致使施工进度迟缓问题研究。经统计，截至2019年12月，TBM掘进施工岩爆段长度为4 763.3 m，共发生岩爆998次，其中轻微岩爆557次、中等岩爆345次、强烈岩爆89次、滞后性强烈岩爆7次。岩爆的发生，导致现场不得不采取加强支护等措施，岭南TBM第二掘进段每掘进百米实际发生岩爆频次约为42次，支护时间占施工总时间的56.4%，TBM设备利用率仅19.8%。

截至2019年10月，岭北TBM施工段累计完成掘进15 864.9 m，综合月进尺310 m，其中岭北TBM接应段自2019年1月28日掘进以来，综合月进尺仅为136 m;岭南TBM施工段累计完成掘进9 365.8 m，综合月进尺为180 m，其中TBM第二掘进段自2019年3月28日转场完成恢复掘进以来，综合月进尺仅为112 m。

为了解决当前技术难题，保障施工安全和施工进度，工地正在准备采用水锤压力破岩技术，同时公司联合清华大学探索应用微波破岩技术等。

（2）开展岭北硬岩大变形问题研究。岭北TBM施工段在埋深千米以上硬岩洞段掘进完成后，拱部钢架下沉、底部向上隆起，岩体剥落、掉块现象严重，严重影响隧洞正常施工，并可能导致侵限、TBM卡机等问题。

2018年12月7日，岭北TBM掘进至桩号K46+505处，遭遇硬岩大变形，该段岩石强度约65 MPa，拱部最大下沉49 cm，底部最大隆起达61 cm。

为保障大埋深洞段围岩稳定、支护安全、TBM正常掘进以及后期隧洞结构稳定，公司正在联合中铁第一勘察设计院，探索TBM大埋深硬岩洞段围岩破裂机制与大变形控制技术。

5 结 语

本文系统地分析了引汉济渭工程秦岭输水隧洞施工过程中面临的关键技术问题，对已开展的超长隧洞岩爆预测与防治、突涌水分析和防治、施工通风、衬砌结构外水压力确定及应对、测量设计分析评估及施测精度控制分析、深层围岩基本工程特性、高地应力软岩变形及防治、TBM硬岩掘进、微震监测等关键技术研究进行梳理，并提炼了主要研究内容及创新点。提出下一步要有针对性地开展岩爆频发致使施工进度迟缓问题研究和岭北硬岩大变形问题研究等。秦岭输水隧洞施工关键技术研究，为保障隧洞顺利掘进提供了技术支持，也可为其他同类超长深埋隧洞的修建提供参考。

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【责任编辑 赵宏伟】