引漢濟渭深埋超長引水隧洞應(yīng)注意的關(guān)鍵技術(shù)問題

梁文灝，劉 赪，魏軍政

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，710043，西安）

自20世紀90年代以來，隨著我國經(jīng)濟實力和技術(shù)力量的迅速增長，水工隧洞建設(shè)取得了巨大發(fā)展?！熬盼濉逼陂g，我國開挖水工隧洞約50條，總長近300 km。截至2005年，我國已建成水工隧洞約600 km。而目前僅陜西省，在建水工隧洞長度達205 km。隨著水工隧洞建設(shè)的發(fā)展，隧洞單體長度在被不斷刷新和突破，20世紀90年代初期甘肅引大入秦工程最長單洞15.7 km，而后山西萬家寨引黃入晉一期工程單洞長42.3 km，遼寧大伙房水庫輸水工程單洞長85.3 km，正在建設(shè)的陜西省引漢濟渭工程秦嶺隧洞單洞長度98.3 km。隧洞長度和埋深的不斷增加，使隧洞施工面臨更多特殊地質(zhì)、施工方法、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)等新問題，解決這些問題對推動隧洞修建技術(shù)水平、經(jīng)濟發(fā)展意義深遠。

目前世界上已建成單項長度第一的隧洞為芬蘭赫爾辛基調(diào)水工程隧洞，總長120 km，其最大埋深僅100 m；世界最大埋深的隧洞是四川錦屏二級水電站引水隧洞，最大埋深2 525 m，但其長度僅16.7 km。引漢濟渭秦嶺隧洞長達98.3 km、最大埋深2 012 m，埋深1 000 m以上的段落長達30多km，工程規(guī)模及難度世界矚目。因此，修建引漢濟渭工程秦嶺隧洞必須注意以下幾個問題。

一、隧洞位置的確定

隧洞位置的選擇應(yīng)重視隧洞的工程地質(zhì)條件，特別是控制段應(yīng)加深地質(zhì)工作，隧洞位置是在大量地質(zhì)工作的基礎(chǔ)上確定下來的。除地形條件外，更重要的是要考慮巖層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖層走向及傾角、主應(yīng)力大小及方向、地下水發(fā)育情況等條件，并對關(guān)鍵控制點進行分析評價。洞線高程及接線受控于工程的功能要求及總體籌劃，應(yīng)與兩端工程進行總體考慮，通過詳盡的經(jīng)濟技術(shù)比較來確定。

秦嶺區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和巖性分區(qū)等均較為復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造與隧洞圍巖的相互作用機理復(fù)雜，可采用遙感、物探、鉆探等多種立體勘測手段，查明區(qū)內(nèi)各方案的巖性條件和地質(zhì)構(gòu)造格局，特別是控制隧道選線的巖性、斷裂、地應(yīng)力、地下水、放射性、地溫等地質(zhì)因素，并進行地質(zhì)條件的綜合分析及評價，判斷越嶺隧洞的走行通道。秦嶺隧洞的位置選取是在兩端工程已基本確定的前提下進行的，根據(jù)秦嶺地區(qū)的多年地質(zhì)工作和隧洞穿越地區(qū)的詳細地質(zhì)勘察，經(jīng)過對可行通道的地質(zhì)條件分析對比，最后確定自三河口水利樞紐壩后右岸接黃三段，洞線在子午河右岸穿行2.75 km后穿越椒溪河，然后穿越秦嶺至周至縣的黃池溝出洞的越嶺方案。

秦嶺是黃河、長江兩大水系的分水嶺，在地理和氣候上是我國南北方的分界線。秦嶺山區(qū)山巒重疊、地勢險要、溝壑縱橫，地形條件異常復(fù)雜。應(yīng)對實施中將會遇到的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險、工期風(fēng)險、實施方案等進行評估，確定輔助坑道的功能定位，結(jié)合地質(zhì)、地形，同時考慮環(huán)境保護的條件，選取合理的輔助坑道。輔助坑道選取時，除考慮地質(zhì)、地形條件外，還應(yīng)考慮施工中的運輸、通風(fēng)、排水等因素。經(jīng)綜合分析比較，最終確定鉆爆段分區(qū)合理、盡量降低TBM段實施風(fēng)險、工期匹配的十斜井方案。

二、隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的選擇

水工隧洞的結(jié)構(gòu)形式通常分為：不襯砌、噴錨襯砌、混凝土襯砌、鋼筋混凝土襯砌、鋼板襯砌等幾種基本類型?；炷烈r砌又有裝配式和現(xiàn)澆式。按受力劃分又有普通混凝土襯砌和預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌。隧洞結(jié)構(gòu)是圍巖及其加固措施構(gòu)成的統(tǒng)一體，不應(yīng)一味地致力于襯砌結(jié)構(gòu)的研究分析，應(yīng)考慮圍巖及支護體系的整體穩(wěn)定及襯砌結(jié)構(gòu)的安全。秦嶺隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)主要應(yīng)考慮施工方法、地層地質(zhì)條件、地下水情況、耐久性及可維護性等因素。

①施工方法的影響。施工方法主要指TBM和鉆爆法兩種，其中TBM施工具有對圍巖擾動小、開挖斷面圓順光滑等特點。在圍巖自穩(wěn)能力好、二襯不受力的Ⅰ、Ⅱ類圍巖TBM施工段，可采用噴錨襯砌；而鉆爆法施工的Ⅱ類圍巖段落，應(yīng)采用混凝土減糙襯砌。我國目前暫沒有TBM施工的圍巖類別劃分體系，TBM與鉆爆法施工的圍巖分類沒有區(qū)別，而圍巖的自穩(wěn)對地下工程的結(jié)構(gòu)影響甚大，不同施工方法對圍巖失穩(wěn)的影響不同。另外，施工方法對斷面形式的影響較大，不同斷面形式的受力條件差別較大。因此，在確定襯砌結(jié)構(gòu)時要充分考慮施工方法的影響。

②地層地質(zhì)條件的影響。目前的地下工程在設(shè)計時，根據(jù)不同地層地質(zhì)條件將圍巖簡單地劃分為六大類，而具體實施中應(yīng)在分類基礎(chǔ)上從地層條件和地質(zhì)條件兩方面區(qū)別對待。地層方面主要需對地層的產(chǎn)狀、節(jié)理發(fā)育程度等深入分析，確定襯砌的初期支護系統(tǒng)；地質(zhì)條件方面主要需對圍巖的特性及物理性能進行詳細了解，尤其應(yīng)重視一些特殊巖性，比如圍巖的膨脹性、塑性等。另外，對地質(zhì)構(gòu)造帶等也應(yīng)區(qū)別對待。

③地下水的影響。秦嶺隧洞埋深大、水頭高，精確合理地確定地下水對結(jié)構(gòu)的影響較為困難。地下水應(yīng)按巖溶水、大的儲水構(gòu)造和地下裂隙水兩種情況分別對待。首先應(yīng)結(jié)合勘察資料對隧洞的地下水分布有一個宏觀的段落劃分，然后根據(jù)節(jié)理裂隙發(fā)育情況等判斷滲水能力，依滲水能力考慮外水壓力的折減。就結(jié)構(gòu)體系而言，秦嶺隧洞與交通隧道的區(qū)別在于結(jié)構(gòu)的防排水體系。交通隧道具有完善的防排水系統(tǒng)，襯砌外側(cè)設(shè)防水板及盲溝，襯砌背后不會產(chǎn)生有效的水壓，有完善排水系統(tǒng)的深埋隧道中基本可不考慮外水壓力的影響。秦嶺隧洞因埋深較大、水頭過高，外水壓按水工規(guī)范折減較難操作，參考類似工程經(jīng)驗，于拱頂120°范圍設(shè)置排水孔，于較差圍巖段落采取固結(jié)灌漿等，排水后的外水壓分圍巖按5～25 m考慮。對于埋深、長度與秦嶺隧洞類似的地下工程，地下水頭高，即使在考慮泄水孔的基礎(chǔ)上進行折減，襯砌結(jié)構(gòu)亦相對交通洞要強，同時，隧洞過長，地下水頭的確定較為困難，采用系數(shù)折減分段確定襯砌結(jié)構(gòu)難度較大。是否考慮在滿足環(huán)境要求的基礎(chǔ)上進一步加強排水、優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)，有待思考和研究。

另外，秦嶺隧洞作為引漢濟渭的控制性、關(guān)鍵性工程，應(yīng)根據(jù)其使用年限和使用環(huán)境充分考慮隧洞結(jié)構(gòu)的耐久性和可維護性。

三、施工方案的選擇

1.越嶺段、嶺脊段施工方案

秦嶺隧洞越嶺段長達82 km，兩端各20余km埋深在地下900 m以下，屬嶺南、嶺北中低山區(qū)，溝壑縱橫。從地質(zhì)條件來看，其主要巖性為大理巖、石英片巖、云母片巖、千枚巖、花崗巖等，巖性較差，地下水豐富。云母片巖、千枚巖、斷層破碎帶等段落軟巖變形；可溶巖、破碎帶等段落的突涌水等地質(zhì)問題突出，施工風(fēng)險大，適于結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報采用鉆爆法穩(wěn)扎穩(wěn)打地施工。從投資及工期來看，鉆爆法相對TBM施工有明顯的投資優(yōu)勢，加之兩端工期不控制，采用鉆爆法不會影響項目的總工期。從施工通風(fēng)來看，兩端相對埋深小，輔助坑道的選取相對靈活容易些，雖然部分斜井過長，但施工通風(fēng)技術(shù)可行，可以解決施工通風(fēng)問題。

嶺脊段近40 km，埋深大，山體巨厚，輔助坑道的選取異常困難，該段為項目的工期控制節(jié)點，必須加快建設(shè)。另外受制于施工通風(fēng)，該段已經(jīng)不具備采用鉆爆法施工的條件，因此采用TBM施工以加快工程建設(shè)。

綜合研判地質(zhì)條件、工期要求、投資等，隧洞兩端采用鉆爆法施工，中間嶺脊段采用兩臺TBM的施工方案是合理、可行的。

2.秦嶺隧洞施工方案中需重視的問題

（1）TBM 的選型

TBM選型應(yīng)考慮功能、工期、長距離掘進、掘進方向、處理不良地質(zhì)靈活性等因素。秦嶺隧洞TBM施工段涉及的主要地層屬硬巖～中硬巖，巖石飽和抗壓強度從30 MPa到133 MPa，圍巖透水性差，絕大部分處于貧水及弱富水區(qū)，自穩(wěn)能力較好。經(jīng)過對圍巖的整體性、穩(wěn)定性、巖石強度、耐磨性等對比分析，認為秦嶺隧洞的地質(zhì)條件，大部分適合開敞式TBM；雖有約5 km千枚巖地層和局部的斷裂帶，但采取一些必要技術(shù)措施可以適應(yīng)開敞式TBM施工，通過技術(shù)措施可以降低工程風(fēng)險，以按期完成掘進任務(wù)。通過對TBM及后配套相關(guān)技術(shù)參數(shù)的選取和比較，確定采用開敞式TBM及皮帶出砟方式。

（2）TBM 長距離掘進

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展需要，大批長距離施工的工程實例也不斷涌現(xiàn)，長距離掘進對其技術(shù)提出了更高要求，長距離掘進技術(shù)也得到了進步和發(fā)展。目前國內(nèi)TBM單次掘進最長的是為遼寧大伙房輸水隧洞，掘進長度分別為17.2 km、13.1 km和14.3 km，其中有兩臺TBM在掘進過程中更換過主軸承。國外為瑞士新圣哥達隧道，東線掘進13.955 km后更換主軸承又繼續(xù)掘進11.581 km，西線掘進14.795 km后更換主軸承又繼續(xù)掘進12.22 km。秦嶺隧洞兩臺TBM將完成39.08 km的掘進任務(wù)，在隧道施工中較為罕見，任務(wù)非常艱巨。

TBM長距離掘進的受控因素較多，歸納起來主要有地質(zhì)條件的不確定性和設(shè)備壽命等兩方面的問題。地質(zhì)條件的不確定性主要是因為地下工程中地質(zhì)條件本身的復(fù)雜性，加之人類認識、了解、掌握地質(zhì)條件的手段有限，全面精準解析長距離深埋地下工程的地質(zhì)條件異常困難，破碎帶失穩(wěn)、突涌水、巖爆等地質(zhì)災(zāi)害將給長距離施工帶來巨大風(fēng)險。在TBM制造前，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件，對設(shè)備自身的超前預(yù)報和實施應(yīng)急措施的功能提出要求，做好超前地質(zhì)預(yù)報，并提前制定對應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。影響TBM長距離掘進的核心是主軸承，本工程TBM的掘進距離近20 km，這個長度已基本為TBM主軸承的更換長度，國內(nèi)外的TBM施工中，均有未達20 km而更換主軸承的先例。因此，應(yīng)重視TBM的掘進、檢修、維護等，加強設(shè)備的維修保養(yǎng)，招標中應(yīng)提出軸承壽命的有關(guān)要求。

為了保證長距離有效掘進，除了有效的保養(yǎng)，總結(jié)TBM施工的支護方式、掘進參數(shù)與圍巖適應(yīng)性等很有必要。應(yīng)開展掘進參數(shù)與巖石耐磨性指標、強度指標、完整性系數(shù)等相關(guān)性分析；不同段落TBM支護方式、掘進參數(shù)與圍巖的適應(yīng)性研究；不同地質(zhì)條件下TBM施工的合理支護參數(shù)研究；不同圍巖條件下的掘進參數(shù)研究等。通過試驗研究，找到影響TBM效率及支護參數(shù)的地質(zhì)參數(shù)指標，并通過對地質(zhì)參數(shù)指標的研究與分析，找出其對掘進機的影響趨勢，進一步總結(jié)出影響規(guī)律。

（3）長距離獨頭施工通風(fēng)

國內(nèi)外TBM施工獨頭通風(fēng)長度大多控制在10～15 km，鉆爆法施工獨頭通風(fēng)長度多控制在3～5 km。蘭渝鐵路西秦嶺隧道采用TBM施工，獨頭施工通風(fēng)距離12.5 km；遼寧大伙房輸水隧洞采用TBM施工，獨頭施工通風(fēng)距離11.23 km；西康線秦嶺鐵路隧道平導(dǎo)采用鉆爆法施工，獨頭施工通風(fēng)距離達7.5 km。本工程TBM施工長度達20余km，設(shè)置輔助坑道后獨頭通風(fēng)距離約16 km；鉆爆段斜井工區(qū)獨頭通風(fēng)長度約6.7 km，該項目的施工通風(fēng)距離最長。

秦嶺隧洞獨頭通風(fēng)距離過長，突破了現(xiàn)有的工程經(jīng)驗，實施存在一定的風(fēng)險。如隧洞沒有平行的旁洞可利用，巷道式通風(fēng)受限；斜井長度長且縱坡度大，重載車輛產(chǎn)生的廢氣排放增加，洞內(nèi)環(huán)境質(zhì)量差；埋深大、地溫高。本隧洞施工通風(fēng)的特殊性對通風(fēng)設(shè)計提出了更高要求，解決好施工通風(fēng)問題，對隧洞的工程規(guī)模、布局和施工組織安排均有影響。分析研究施工通風(fēng)方案、風(fēng)管材料、風(fēng)管計算參數(shù)、漏風(fēng)率、洞內(nèi)環(huán)境分布、設(shè)備選擇等意義重大。

應(yīng)根據(jù)隧洞的地質(zhì)條件、運輸方式、設(shè)備條件、掘進長度、斷面及洞內(nèi)污染物的種類和含量等開展施工通風(fēng)方案研究。重點研究縱向接力、風(fēng)道式、射流誘導(dǎo)洞內(nèi)送排的混合式，以及增設(shè)必要的輔助坑道等方案。秦嶺隧洞的施工通風(fēng)方案最終確定為巷道+獨頭送風(fēng)。目前TBM及鉆爆法施工中，通風(fēng)方案效果良好，后續(xù)效果如何尚有待進一步驗證。

通風(fēng)方案研究中應(yīng)采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試等手段，以確定長距離風(fēng)管阻力參數(shù)、漏風(fēng)參數(shù)、混合式通風(fēng)的布置、洞內(nèi)環(huán)境指標等，為施工通風(fēng)技術(shù)積累一手數(shù)據(jù)，取得的一些經(jīng)驗和公式有待在后續(xù)施工中驗證和修正。預(yù)測隧洞巖溫可能達41℃，通風(fēng)降溫成本高、難度較大，建議采用移動或固定降溫系統(tǒng)，同時研究降溫與通風(fēng)系統(tǒng)配合的方案。

（4）巖爆問題

目前，巖爆理論的研究已取得了一定進展，常用的巖爆預(yù)測方法主要有現(xiàn)場實際測試及理論分析兩大類，現(xiàn)場測試主要有微重力法、流變法、回彈法、微震法、應(yīng)力測試法等；理論法主要以能量和應(yīng)力兩大判據(jù)進行理論分析預(yù)判。錦屏二級水電站長隧洞最大埋深2 525 m，實測最大應(yīng)力 46.51 MPa，推測 30～70 MPa，施工中發(fā)生各類巖爆數(shù)以千計，強烈以上巖爆近百起，給安全生產(chǎn)帶來了巨大威脅，施工中采用微震監(jiān)測法取得了一定的效果。但由于地應(yīng)力的不確定性和地層巖性的復(fù)雜性，導(dǎo)致巖爆問題較為復(fù)雜，巖爆預(yù)測方面的技術(shù)尚不完全成熟。

引漢濟渭秦嶺隧洞最大埋深2 012 m，將穿過多個復(fù)雜地質(zhì)單元和構(gòu)造帶。其中變質(zhì)巖和巖漿巖地段，巖性復(fù)雜多變。推測隧洞最大水平地應(yīng)力將超過50～60 MPa，圍巖開挖可能會產(chǎn)生巖爆，應(yīng)通過地質(zhì)方法對圍巖的高地應(yīng)力有一個宏觀上的預(yù)判，然后從高地應(yīng)力、巖性、構(gòu)造、地下水等方面綜合評判，達到預(yù)測前方巖爆的可能。不僅要考慮埋深及地應(yīng)力，還一定要分析地質(zhì)構(gòu)造，重視現(xiàn)場微震監(jiān)測法的應(yīng)用。同時在掘進中加強預(yù)報工作，從掘進參數(shù)、超前支護、初期支護等方面研究對策，并不斷總結(jié)對比，以期獲得較為滿意的巖爆預(yù)測及防治方法。

（5）水工隧洞的運行和維修

秦嶺隧洞作為引漢濟渭工程的輸水咽喉，具有舉足輕重的作用。運行中，應(yīng)對可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷、不可預(yù)見的風(fēng)險源等，考慮制定必要的檢修維護和安全監(jiān)測方案。宜考慮永久—臨時結(jié)合，預(yù)留合適的施工支洞作為檢修洞，以滿足后期的檢修維護使用，并研究預(yù)留電源、照明等條件。

世界范圍大規(guī)模的隧洞工程有瑞士新圣哥達鐵路隧道（約57 km），日本青函鐵路隧道（約53 km）、英法海底隧道（約48 km）；國內(nèi)有遼寧大伙房輸水隧洞（約85 km）等。由于歷史背景及擔(dān)負的任務(wù)、功能不同，各自均有其顯著特點。秦嶺隧洞作為復(fù)雜山嶺區(qū)超長深埋隧洞，除了在解決工業(yè)生產(chǎn)、生活、保護水資源等功能方面意義顯著外，還將通過修建秦嶺隧洞，組織好關(guān)鍵技術(shù)的研究和實施，進一步提升我國修建隧洞的技術(shù)水平。