滇中引水工程隧洞施工“九超”浅析

胡朝碧

（云南省滇中引水工程建设管理局，650051,昆明）

一、滇中引水工程概述

滇中引水工程主要建设内容包括提水工程和输水工程。提水工程位于丽江市玉龙县石鼓镇，将建设一座装机48万kW提水泵站。输水工程全部为地下洞室工程，途经丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪、红河等6个州（市），终点位于红河州个旧市新坡背，长664 km；另外还有120条施工支洞长91 km，地下洞室总长755 km。

工程具有隧洞输水世界最长、地质条件在引调水工程中最复杂等六项世界之最，存在深埋隧洞施工难、地下水处理难、破碎断层穿越难、软岩大变形应对难、岩爆危害处理难等十大世界级技术难题。工程跨越金沙江、澜沧江、红河、南盘江四大水系，穿越滇西北横断山系高、中山地貌区及滇中、滇东南盆地山原区，工程区域经历了多期强烈的构造运动，形成了极为复杂的构造格架及断裂系统，地貌演变过程与岩溶水文地质条件极其复杂，隧洞工程中存在的所有地质问题本工程几乎都能遇到。特别是面临超长隧洞、超高外水压力、超高地应力“三超”特点的隧洞施工极端挑战，使滇中引水工程成为国内外综合施工难度最大的隧洞工程。因此有效进行“三超”隧洞施工安全风险、建设成本控制具有十分重要的意义。

二、世界罕见的“三超”隧洞特点

1.超长隧洞群世界罕见

滇中引水工程隧洞群中长度超100 km的有1座（昆玉隧洞）、超60 km的有1座（香炉山隧洞）、超20 km的有7座，超长隧洞密集程度世界范围罕见。其中昆玉隧洞跨越昆明、玉溪两市，长104.56 km、最大埋深340 m，最大开挖断面尺寸9.82 m×9.22 m（高×宽），隧洞穿越盘龙江，两次穿越区域活动断裂带，穿越多个岩溶水系统，10余次穿越铁路，多次穿越昆明城区道路等，施工面临区域活动断裂带、白云岩砂化、突泥涌水等诸多风险以及复杂地表环境浅埋隧洞施工影响控制的难题，工程地质、水文地质、社会协调条件极其复杂。

香炉山隧洞跨越丽江、大理两州（市），起于丽江市玉龙县石鼓镇，止于大理州鹤庆县松桂镇，线路长62.6 km。隧洞沿线属高、中山地貌区，隧洞最大埋深1 450 m，埋深大于1 000 m洞段累计长21.43 km，埋深大于600 m洞段累计长42.18 km。隧洞穿越9条断裂带，其中3条为活动断裂。隧洞设计断面为圆形，采用“钻爆法+TBM”施工，其中钻爆法施工段总长27.08 km，两 台TBM掘 进 段 总 长35.52 km。

开挖香炉山隧洞的“云岭号”TBM为当前世界引调水工程最大直径敞开式TBM，TBM刀盘直径9.83 m，最长独头掘进23 km（含支洞），面临超长距离施工组织的世界级施工技术难题。在TBM超长距离掘进中，人员、物料、出渣等运输效率低，供电、排水困难，通风效果差，施工安全救援难度大，同时还对作业人员的身心健康和意志带来巨大考验。另外，岩溶及软岩地质条件下TBM易受困卡机，并面临“栽头”风险；涌突水和高外水压力给TBM施工带来潜在的淹机风险；高地应力岩爆及隧洞围岩坍塌存在砸坏设备的风险。

据不完全统计，目前已建成的世界最长连续输水隧洞是芬兰赫尔辛基调水工程的派延奈隧洞，其单洞长120 km，埋深50～70 m。在建的世界最长引水隧洞（单洞）为我国某供水工程隧洞，其单洞长度达283.3 km，最大埋深774 m。国外埋深最大输水隧洞是非洲莱索托有压隧洞，单洞长45 km，最大埋深1 200 m；国内埋深最大输水隧洞是锦屏二级输水隧洞，单洞长16.67 km，最大埋深2 525 m。因此，滇中引水工程超长隧洞群中，特别是昆玉隧洞、香炉山隧洞从单洞长度、埋深、断面尺寸等方面，工程综合规模、建设难度均居世界前列。

2.超高地应力影响世界罕见

滇中引水工程隧洞群中埋深大于1 000 m隧洞1条、埋深大于600 m隧洞5条。其中香炉山隧洞最大埋深1 450 m为全线最典型深埋长隧洞，埋深大于1 000 m洞段累计长21.43 km，地应力可达40～46 MPa极高应力量级，中、强岩爆洞段累计长4.49 km，占比7.18%，其中强烈岩爆段长0.32 km。狮子山、凤屯、蔡家村、松林等隧洞最大埋深605～740 m，地应力可达16～24 MPa中～高应力量级，发生中、强岩爆的风险非常大。

对于高地应力条件下隧洞穿越硬岩洞段，由于开挖产生围岩卸荷，储存在岩体内的势能可能突然猛烈释放，导致岩石爆裂并将岩块弹射出来，即发生岩爆。轻微岩爆可能导致隧洞围岩局部超挖，初期支护受损；剧烈岩爆则往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡。同时，由于岩爆出现的时间、位置、强度等均难以预测，这也会给施工人员心理上造成一定程度的畏惧情绪。对于高地应力条件下隧洞穿越软岩地层，隧洞断面易发生挤压大变形，围岩变形量可达到米级，导致支护结构屈服破坏，造成隧洞断面严重欠挖，对工程建设成本和施工效率产生较大的不利影响。高地应力围岩挤压大变形可能导致TBM卡机灾害，包括卡刀盘、卡护盾，甚至机器损毁。

3.超高外水压力危害世界罕见

滇中引水工程地下水问题在各段均不同程度存在，全线预测高外水压力（大于1 MPa）洞段总长约68 km，占隧洞总长11%以上，主要分布于香炉山、芹河、北衙、海东、狮子山、凤屯、凤凰山、蔡家村等10余条隧洞。其中香炉山隧洞高外水压力问题突出，隧洞存在高外水压力洞段累计长29.94 km、占总长47.83%，隧洞深埋段地下水水位一般在300～500 m，局部达700 m以上，最大超过1 300 m，最大外水压力在12 MPa以上。另外，柳家村、蔡家村、鸡米冲、小路南、龙树等隧洞部分洞段还存在承压含水层高外水压力问题，最大外水压力达3 MPa。

施工期，高外水压力下高压突涌水高速向隧洞临空面喷射而造成严重危害，相比于一般性涌水灾害更具破坏性。高外水压力与断层破碎带、岩溶等不良地质条件耦合后，带来更严重后果，如香炉山隧洞#4、#5施工支洞断层破碎带叠加高外水压力，涌水突泥后处置难度大，严重制约工期。运行期，隧洞衬砌结构可能因承受高外水压力而产生开裂和渗漏水现象。

三、施工中全面运用“三超”安全风险控制措施

面对滇中引水工程隧洞群罕见的“三超”特点，施工过程中必须全面运用超前探、超前灌、超前护“三超”措施，确保工程质量、严控安全风险。

1.全面运用超前探

为最大限度降低施工安全风险，滇中引水工程全线都开展了超前探，即实施超前地质预报工作。通过超前探及时了解掌子面前方的地质问题和风险，为预防隧洞涌水、突泥、塌方等可能形成的灾害性事故及时提供地质信息，提前采取处置措施，尽可能规避地质风险，保障了隧洞施工安全、优化了工程设计、实现了施工安全风险信息化管理，为工程顺利施工奠定了坚实基础。滇中引水工程施工中主要采取超前探手段有施工巡视和观测、综合地质分析、物探、超前钻探等，并按照“凡挖必探”原则将超前地质预报纳入了施工工序强化管理。

2.全面运用超前灌

对深埋长隧洞，在施工中遭遇断层破碎带、高外水压力、岩溶等富水不良地质洞段时，为降低突涌水风险、保障施工安全，减少地表水枯竭、地面塌陷等伴生环境问题，对渗水量大的洞段特别是软弱破碎洞段，经超前探测研判后，开挖前必须进行超前灌浆。超前灌浆在富水软弱破碎洞段主要起加固围岩、防突水突泥、防坍塌作用，在富水硬岩可溶岩洞段主要起控水作用。超前灌浆最直接的效果是保证隧洞安全掘进，进一步的效果是控制地下水排水量，为二衬施作提供仓面条件，同时减缓对环境敏感区的影响。滇中引水工程全线不良地质段、富水洞段大量运用了超前灌浆的施工工艺，其中当前正处理涌水突泥问题的香炉山隧洞#4、#5施工支洞，已完成灌浆13 584.1 t。

3.全面运用超前护

在隧洞施工中，对于不稳定的围岩体系，对工作面前方围岩的预加固和预支护是控制和减少隧洞开挖后围岩收敛变形以及防止坍塌失稳的关键。在滇中引水工程隧洞施工中，常用的超前支护措施主要有超前锚杆、超前小导管和超前管棚等。

超前锚杆支护柔性较大，整体刚度较小，主要适用于地下水较少的Ⅳ、Ⅴ类破碎、软弱围岩。超前锚杆的超前长度为循环进尺的3～5倍，外插角10°～30°，搭接长度为超前长度的40%～60%，形成双层或双排锚杆。

超前小导管支护主要用于隧洞Ⅴ类围岩中性状较差的含水洞段顶拱临时支护。在掌子面岩体开挖前，沿断面拱顶一定范围斜向前方钻孔安装带孔小导管，随后通过小导管向围岩压入起胶结作用的浆液，待浆液硬化后便可在掌子面岩体外围形成有一定厚度的加固圈，以保护作业安全。超前小导管一般采用热轧无缝钢花管，单根长3～4.5 m，外径42 mm，壁厚3.5 mm，在前部钻注浆孔，孔径10 mm，孔间距15 cm，呈梅花形布置，前端加工成锥形，尾部留不小于30 cm的无孔止浆段。

超前管棚支护主要用于特殊不良地质Ⅴ类、浅埋洞段顶拱临时支护。在隧洞开挖前采用钻机沿隧洞外周打设超前长钢管，通过钢管向围岩灌浆与钢拱架联合形成棚架体系。滇中引水工程施工中使用超前管棚一般长12 m至30 m，利用自进式管棚机最长可以钻进50 m管棚。管棚一般采用热轧无缝钢管，直径108 mm，壁厚至少6 mm，前端加工成锥形，管壁四周钻15 mm注浆孔，间距30 cm，采用梅花形布置，尾部预留4.5 m无孔止浆段。

四、严控“三超”降低建设成本

工程建设成本控制是工程建设管理中的重要内容。全面理解滇中引水工程隧洞“三超”特点，全面运用好“三超”措施降低施工安全风险后还需要全面控制超挖、超填、超灌，降低工程建设成本，实现工程建设效益最大化。在滇中引水工程施工管理中针对隧洞“三超”特点，结合施工安全风险控制“三超”措施，有针对性、系统地建立健全完善了一套超挖、超填、超灌“三超”控制的方法、措施。经过2020年下半年开展的“三超”专项整治，与2020年相比，2021年一季度工程全线隧洞超挖率下降11.8%，喷混凝土超耗率下降8.1%，衬砌超耗率下降6.1%，每延米超耗费用降低560元；炸药单耗降低0.06 kg/m3，每延米火工品消耗减少26.11元。

1.严格控制隧洞超挖

超挖会带来出渣量增加、支护衬砌量增加、施工循环时间延长、施工成本增加及可能影响围岩稳定等影响，为施工“三超”控制首要环节。滇中引水工程施工超挖主要控制措施：

技术层面。一是合理确定开挖轮廓线。根据围岩变形监测分析成果，合理确定隧洞预留变形量、隧洞计划开挖轮廓线，过程中严格控制测量放样精度。二是严格控制隧洞爆破参数。超挖控制的核心在于爆破控制。在爆破作业前要有针对性地组织开展爆破试验，根据不同围岩类别、岩土特性、隧洞断面尺寸、单循环计划进尺，合理选择爆破钻孔数量、布置方式、钻孔深度、装药量，并且通过电子雷管合理设定各孔爆破时序。超挖控制重点在于周边孔，周边孔一般采用钻孔加密、减少单孔装药、跳孔装药等方式以求取得良好的开挖轮廓和残孔率，在围岩较好洞段争取形成光面爆破。滇中引水工程施工中对于9 m左右洞径和Ⅲ、Ⅳ类围岩洞段全断面开挖，一般单循环进尺约3 m，共设置爆破孔约160个，其中周边孔约50个、孔距0.5～0.6 m、孔深3.5 m，采用跳孔装药方式单孔装药约0.8 kg，爆破后残孔率能达到90%以上，一般平均径向超挖值平洞控制在200 mm内、斜井控制在250 mm内基本形成光面爆破。三是支护及时跟进，减少被动超挖。每循环开挖后及时进行一次支护，必要时二衬紧跟，对于特殊地质洞段，还采取了超前支护措施，尽量减少被动产生的超挖。

管理层面。一是完善管理制度体系。联合参建单位中国中铁滇中引水项目总指挥部制定了《中国中铁滇中引水工程隧洞超挖超耗专项整治实施细则（试行）》等，以严格的制度和管理手段保证技术方案的执行落实；二是推进现场精准管理，以项目部为单位，自项目经理、生产副经理、相关管理部门一直到班组、劳务工人，明确每一个人的岗位职责和每一道工序、环节责任目标，并与考核奖励直接挂钩，实现施工过程精准管理；三是严格规范现场计量，杜绝将因工艺控制不到位导致的超挖认定为地质缺陷，通过规范计量倒逼施工方严格控制超挖；四是做好分析评估和提升，开挖完成后及时评估分析超挖控制成果，总结经验教训，不断完善超挖控制方案、提升超挖控制水平，做到“事前可知、过程可控、事后分析”的全过程、可定量的精细化管理。

2.严格控制隧洞超填

隧洞超填来源于超挖和坍塌变形包括正常开挖中的超挖、不良地质引起的坍塌、施工不当引起的坍塌、底板保护不当引起的清底超挖、模板变形等。根据不同原因分别加以控制。一是正常作业超挖产生的超填，须按前述技术和管理措施控制超挖；二是不良地质引起坍塌产生的超填，着重从超前地质预报、超前支护等技术和管理措施控制坍塌；三是施工不当引起坍塌产生的超填，主要从严格工序控制、爆破控制（钻孔、爆破、装药、起爆时序等）、按时间要求和质量要求及时支护等方面控制；四是底板保护不当引起清底超挖产生的超填，主要采取底板垫渣或混凝土保护、加强临时排水、加强重载运输通道维护、底板预留保护层等措施加以控制；五是模板变形产生的超填，主要从加强模板刚度设计、加强支撑结构设计、加强模板准确定位、加强模板整体位移控制、加强正常维护保养及按规操作等方面加以控制。

3.严格控制隧洞超灌

灌浆工程为隐蔽工程，因围岩类别、地下水分布、围岩孔隙裂隙的不确定性及围岩物理力学性状的非均一性，导致灌浆工程量具有不确定性。在保证灌浆效果的前提下，控制超灌对于工程投资和工期控制都具有重要意义。在滇中引水工程施工中，对于超灌的控制措施主要包括：

一是合理确定灌浆方案，灌浆的目的主要是为控制地下水、加固补强围岩。施工中要根据围岩稳定性、地下水分布情况，结合施工现场抽排水条件、对堵水和围岩稳固性的要求，综合分析研判灌浆时机，科学合理确定灌浆设计方案，避免过度灌浆。二是严格灌浆工序控制，要点在于“三控”，即通过控配比、控压力、控凝固时间，实现控范围、减少超灌。如果灌浆浆液浓度过低、灌浆压力过大、凝固时间过长（或三者兼有）则浆液将随着岩溶裂隙灌注到固结范围外，造成超灌。如果灌浆浆液浓度过大、灌浆压力不足、凝固时间过短（或三者兼有）则将造成灌注范围过小，不能达到灌浆目的。因此，灌浆工序控制的核心在于控制好浆液配比、灌浆压力、凝固时间，同时合理布设灌浆孔、合理选择灌浆时序，实现超灌控制。以滇中引水工程9 m左右洞径Ⅴ类围岩富水洞段为例，一般灌浆固结半径为10 m，一般采用浆液配比为1∶1～0.5∶1、灌浆压力为2～6 MPa，能够达到要求的堵水、加固效果。三是严格灌浆计量，作为隐蔽工程，应重点加强现场管理，主要加强对灌浆过程监理旁站、采用经率定的灌浆自动记录仪对灌浆压力、灌入量等全过程实时记录，严格审核灌浆结算依据，通过从严管理减少和杜绝灌浆造假行为，降低工程建设成本。

五、结 语

滇中引水工程投资规模大、建设难度高。自2018年10月工程开工以来，云南省滇中引水建管局联合广大参建单位深入分析研究隧洞工程施工特点，及时总结施工经验，不断归纳提炼好的建设管理理念，逐步深化对工程超长隧洞群“三超”特点的认识，不断探索运用“三超”措施控制安全风险，严格控制“三超”降低建设成本。截至2021年6月中旬，累计完成隧洞开挖245 km，完成投资326亿元，在工程建设快速、有序推进的同时未发生任何质量、安全责任事故，催生了一批管理、技术、科研创新成果，初步实现了工程建设管理各项目标。总体上，“九超”认识和措施在滇中引水工程建设管理实践中效果良好。