引漢濟渭深埋超長引水隧洞應注意的關鍵技術問題

梁文灝，劉 赪，魏軍政

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安）

自20世紀90年代以來，隨著我國經濟實力和技術力量的迅速增長，水工隧洞建設取得了巨大發展。“九五”期間，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。隨著水工隧洞建設的發展，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、施工方法、結構、通風等新問題，解決這些問題對推動隧洞修建技術水平、經濟發展意義深遠。

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

隧洞位置的選擇應重視隧洞的工程地質條件，特別是控制段應加深地質工作，隧洞位置是在大量地質工作的基礎上確定下來的。除地形條件外，更重要的是要考慮巖層巖性、地質構造、巖層走向及傾角、主應力大小及方向、地下水發育情況等條件，并對關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，應與兩端工程進行總體考慮，通過詳盡的經濟技術比較來確定。

秦嶺區地質構造和巖性分區等均較為復雜，地質構造與隧洞圍巖的相互作用機理復雜，可采用遙感、物探、鉆探等多種立體勘測手段，查明區內各方案的巖性條件和地質構造格局，特別是控制隧道選線的巖性、斷裂、地應力、地下水、放射性、地溫等地質因素，并進行地質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，根據秦嶺地區的多年地質工作和隧洞穿越地區的詳細地質勘察，經過對可行通道的地質條件分析對比，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。秦嶺山區山巒重疊、地勢險要、溝壑縱橫，地形條件異常復雜。應對實施中將會遇到的地質災害風險、工期風險、實施方案等進行評估，確定輔助坑道的功能定位，結合地質、地形，同時考慮環境保護的條件，選取合理的輔助坑道。輔助坑道選取時，除考慮地質、地形條件外，還應考慮施工中的運輸、通風、排水等因素。經綜合分析比較，最終確定鉆爆段分區合理、盡量降低TBM段實施風險、工期匹配的十斜井方案。

二、隧洞襯砌結構的選擇

水工隧洞的結構形式通常分為：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。混凝土襯砌又有裝配式和現澆式。按受力劃分又有普通混凝土襯砌和預應力混凝土襯砌。隧洞結構是圍巖及其加固措施構成的統一體，不應一味地致力于襯砌結構的研究分析，應考慮圍巖及支護體系的整體穩定及襯砌結構的安全。秦嶺隧洞的襯砌結構主要應考慮施工方法、地層地質條件、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別，而圍巖的自穩對地下工程的結構影響甚大，不同施工方法對圍巖失穩的影響不同。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，在確定襯砌結構時要充分考慮施工方法的影響。

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

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構的影響較為困難。地下水應按巖溶水、大的儲水構造和地下裂隙水兩種情況分別對待。首先應結合勘察資料對隧洞的地下水分布有一個宏觀的段落劃分，然后根據節理裂隙發育情況等判斷滲水能力，依滲水能力考慮外水壓力的折減。就結構體系而言，秦嶺隧洞與交通隧道的區別在于結構的防排水體系。交通隧道具有完善的防排水系統，襯砌外側設防水板及盲溝，襯砌背后不會產生有效的水壓，有完善排水系統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，外水壓按水工規范折減較難操作，參考類似工程經驗，于拱頂120°范圍設置排水孔，于較差圍巖段落采取固結灌漿等，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上進行折減，襯砌結構亦相對交通洞要強，同時，隧洞過長，地下水頭的確定較為困難，采用系數折減分段確定襯砌結構難度較大。是否考慮在滿足環境要求的基礎上進一步加強排水、優化襯砌結構，有待思考和研究。

另外，秦嶺隧洞作為引漢濟渭的控制性、關鍵性工程，應根據其使用年限和使用環境充分考慮隧洞結構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，溝壑縱橫。從地質條件來看，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問題突出，施工風險大，適于結合超前地質預報采用鉆爆法穩扎穩打地施工。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，但施工通風技術可行，可以解決施工通風問題。

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點，必須加快建設。另外受制于施工通風，該段已經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。

綜合研判地質條件、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選型應考慮功能、工期、長距離掘進、掘進方向、處理不良地質靈活性等因素。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，自穩能力較好。經過對圍巖的整體性、穩定性、巖石強度、耐磨性等對比分析，認為秦嶺隧洞的地質條件，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措施可以適應開敞式TBM施工，通過技術措施可以降低工程風險，以按期完成掘進任務。通過對TBM及后配套相關技術參數的選取和比較，確定采用開敞式TBM及皮帶出砟方式。

（2）TBM 長距離掘進

隨著國民經濟的發展需要，大批長距離施工的工程實例也不斷涌現，長距離掘進對其技術提出了更高要求，長距離掘進技術也得到了進步和發展。目前國內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掘進11.581 km，西線掘進14.795 km后更換主軸承又繼續掘進12.22 km。秦嶺隧洞兩臺TBM將完成39.08 km的掘進任務，在隧道施工中較為罕見，任務非常艱巨。

TBM長距離掘進的受控因素較多，歸納起來主要有地質條件的不確定性和設備壽命等兩方面的問題。地質條件的不確定性主要是因為地下工程中地質條件本身的復雜性，加之人類認識、了解、掌握地質條件的手段有限，全面精準解析長距離深埋地下工程的地質條件異常困難，破碎帶失穩、突涌水、巖爆等地質災害將給長距離施工帶來巨大風險。在TBM制造前，應結合地質條件，對設備自身的超前預報和實施應急措施的功能提出要求，做好超前地質預報，并提前制定對應的應急預案。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，國內外的TBM施工中，均有未達20 km而更換主軸承的先例。因此，應重視TBM的掘進、檢修、維護等，加強設備的維修保養，招標中應提出軸承壽命的有關要求。

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

（3）長距離獨頭施工通風

國內外TBM施工獨頭通風長度大多控制在10～15 km，鉆爆法施工獨頭通風長度多控制在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，獨頭施工通風距離11.23 km；西康線秦嶺鐵路隧道平導采用鉆爆法施工，獨頭施工通風距離達7.5 km。本工程TBM施工長度達20余km，設置輔助坑道后獨頭通風距離約16 km；鉆爆段斜井工區獨頭通風長度約6.7 km，該項目的施工通風距離最長。

秦嶺隧洞獨頭通風距離過長，突破了現有的工程經驗，實施存在一定的風險。如隧洞沒有平行的旁洞可利用，巷道式通風受限；斜井長度長且縱坡度大，重載車輛產生的廢氣排放增加，洞內環境質量差；埋深大、地溫高。本隧洞施工通風的特殊性對通風設計提出了更高要求，解決好施工通風問題，對隧洞的工程規模、布局和施工組織安排均有影響。分析研究施工通風方案、風管材料、風管計算參數、漏風率、洞內環境分布、設備選擇等意義重大。

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

通風方案研究中應采用數值模擬、現場測試等手段，以確定長距離風管阻力參數、漏風參數、混合式通風的布置、洞內環境指標等，為施工通風技術積累一手數據，取得的一些經驗和公式有待在后續施工中驗證和修正。預測隧洞巖溫可能達41℃，通風降溫成本高、難度較大，建議采用移動或固定降溫系統，同時研究降溫與通風系統配合的方案。

（4）巖爆問題

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

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

（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，應對可能出現的結構質量缺陷、不可預見的風險源等，考慮制定必要的檢修維護和安全監測方案。宜考慮永久—臨時結合，預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，并研究預留電源、照明等條件。

世界范圍大規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）；國內有遼寧大伙房輸水隧洞（約85 km）等。由于歷史背景及擔負的任務、功能不同，各自均有其顯著特點。秦嶺隧洞作為復雜山嶺區超長深埋隧洞，除了在解決工業生產、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，組織好關鍵技術的研究和實施，進一步提升我國修建隧洞的技術水平。