引漢濟渭秦嶺特長隧洞設計概況

李凌志

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安）

引漢濟渭調水項目是解決陜西省關中地區水資源短缺、影響全局、改變缺水局面的戰略性工程，工程的實施對保障關中地區經濟社會可持續發展具有重要意義。該工程由黃金峽水利樞紐、秦嶺特長輸水隧洞、三河口水利樞紐3個部分組成，秦嶺特長隧洞（越嶺段）全長81.779 km，最大埋深2 012 m，進口位于三河口水庫壩后匯流池，出口位于黑河金盆水庫右側2 km處黃池溝，洞內平均縱坡 1/2500，設計流量 70 m3/s，年平均調水量15.0億m3，越嶺段建筑物級別為1級。工程采用鉆爆法+2臺TBM法施工，全隧洞共設置10座施工支洞輔助施工，工期約6.5年。

秦嶺隧洞將第一次從底部橫穿世界十大山脈之一——秦嶺；深埋超長隧洞屬世界第一；TBM掘進機單機連續掘進超過20 km屬世界第一；兩座施工支洞難度世界罕見；長距離施工通風、連續皮帶機運輸及反坡排水是施工的一大難題；高地應力軟巖變形、巖爆及高巖溫是施工的另一大難題。該工程地跨長江、黃河兩大流域，穿越秦嶺山脈，工程浩大，意義深遠。

一、工程地質及水文地質

秦嶺特長隧洞主要穿越變質巖和巖漿巖地層，以石英巖、大理巖、片麻巖和花崗巖等為主。隧洞穿越3條區域性大斷層及其4條次一級斷層和33條地區性一般性斷層。秦嶺隧洞通過地下水以潛水為主，地表溝谷發育，地下水補給來源主要為大氣降水及地表水，地下水不具侵蝕性，預測正常涌水量為87340m3/d，最大涌水量為196160m3/d。秦嶺隧洞位于基巖中，巖體較完整，圍巖類別以Ⅲ類為主，圍巖穩定性總體較好，以硬質巖為主，Ⅰ～Ⅲ類圍巖總長60515m，約占74%；Ⅳ、Ⅴ圍巖總長21264m，約占26%。主要的水文、工程地質問題是大理巖及構造破碎帶有可能出現較大涌水；深埋段可能產生巖爆、軟巖變形、圍巖失穩等不良地質。

二、工程布局

選擇合理的工程布局和施工方法是保證工程順利實施的先決條件。根據秦嶺地區地質情況，結合現場的地形，經對鉆爆法在內的多種施工方法和不同形式、不同數量的施工支洞進行多組合、同精度比選，最終選定經濟合理、技術可行的“2臺TBM+鉆爆”的施工方法，即秦嶺嶺脊段采用2臺TBM施工，其余地段采用鉆爆法施工。具體為全隧洞布設10座施工支洞，出口、所有支洞及其相連的主洞鉆爆段采用鉆爆法施工，其中椒溪河、0號、0-1號、1號、2號、7號斜井為鉆爆工區施工支洞，輔助施工主洞；3號、6號斜井為TBM設備進洞通道，TBM通過斜井運至支洞底組裝，4號、5號斜井僅為TBM中間輔助施工支洞，僅當TBM施工通過4號、5號支洞后，將其出渣、進料、施工通風、供電等分別轉場至4號、5號斜井，嶺脊地段TBM拆卸洞設在兩臺TBM貫通面附近。工區布置示意見圖1。

圖1 工程布置圖

三、關鍵技術

秦嶺特長隧洞 （越嶺段）全長81.779km，為引漢濟渭調水項目的控制性關鍵工程，具有選線困難、地質復雜、埋深大、高地應力，巖爆、單臺TBM連續掘進及施工通風距離長等特點。系統解決上述技術問題，對項目的順利實施至關重要，同時在揭示深層地質的特性和影響、研究應對方法、解決復雜地質、長距離條件下施工及總結實施經驗等方面意義非凡，對行業技術發展意義重大。

1.復雜山區特長隧洞的綜合選線技術

選擇一條經濟合理、技術可行、綠色環保的越嶺洞線是成功實施的關鍵。在秦嶺隧洞越嶺方案選線過程中，采用了衛星定位技術進行無通視測量，采用了可控源音頻大地電磁測深和音頻大地電磁測深技術，鉆探、物理勘探、遙感等立體化綜合勘探技術及原地應力測試技術等，開展了“點、線、面結合，深淺結合，多層次、多參數的立體化綜合勘探”。在650 km2范圍內進行綜合勘察選線，查明了該地區各越嶺埡口的地質條件；在可選擇的5個埡口中研究各種有價值的隧洞方案長度累計約800 km，形成了四大類越嶺隧洞方案，最后選定了地質條件最好、洞線較短、對自然環境影響最少的蒲河埡口作為主隧洞的越嶺通道。

2.單臺TBM長距離施工

TBM的單機連續掘進長度是方案選擇的重要指標。掘進機能施工的最大長度主要取決于掘進機主軸承的使用壽命。主軸承是掘進機的最關鍵部位，它的重要性在于制造周期長（半年左右），更換時間長（超過6周以上），其壽命等同于掘進機壽命。目前主軸承的使用壽命一般為15 000～20 000 h，保守計算可以使用 10 000～12 000 h，也就是說一般掘進機在不更換大軸承的情況下可以完成20～25 km隧洞的掘進任務，而其他大型結構件一般使用40～60 km也是完全可能的。本工程嶺脊段兩臺TBM施工長度分別為20.22 km及18.87 km，技術上雖然是可行的，但本隧洞2臺TBM掘進長度在國內外工程中均位于前列，且涉及的主要地層堅硬完整，屬硬質巖類，2臺TBM施工如此長距離段落存在一定施工風險。因此，在施工中需通過加強TBM施工狀態監測與故障診斷工作，合理制定日常保養計劃，切實做好TBM第二階段施工前在4號和5號支洞底維修保養，保障TBM配件供應等措施，提高保證率，確保工程的順利實施。

3.施工通風問題

施工通風是項目成功實施的關鍵。地下作業一切耗氧源的氧氣需求均來源于供風系統，其技術水平制約著輔助坑道的布置，是工程規模的控制因素之一，如何解決好超長距離的施工通風問題是本項目的另一大難點。本工程嶺脊段2臺TBM施工長度分別為20.22 km及18.87 km，其獨頭通風距離最長達16.2 km。為解決其通風難題，保證通風效果，本項目通過包含標準、環境、13個通風方案及各種材質比對分析的科研攻關，制定科學合理的通風方案，施工中除選用合理的通風方式、加強長距離送風技術應用、采用先進的通風設備及加強管理，結合秦嶺公鐵路研究成果，借鑒國內外類似工程的成功經驗，TBM段最大通風長度16.2 km在技術上是可行的。

4.高地應力及巖爆

長期以來，高地應力及巖爆是困擾深埋隧洞施工的一大難題，解決好這一難題對保證工程的順利實施至關重要。根據本工程地應力測試成果，巖體最大水平主應力為29.85 MPa，隧洞施工中可能會產生巖爆。通過采取向巖面噴水、噴霧或深孔注水辦法，保持巖層表面濕度，降低巖面脆性或巖石硬度，及時噴錨網支護及鋼拱架支護，減少圍巖暴露時間，減小片剝造成的安全隱患，對施工設備和施工人員加強防護和安全教育，減少不必要的安全損失。加強地質監測和預報，及早采取措施，減少事后對策。

5.斷層破碎帶及軟巖變形地段施工

本工程首先采取TSP、HSP、地質雷達等超前地質預報方法，進一步判明地質情況，獲取施工掌子面前方的物性參數，制定相應的處置措施；其次通過采用超前鉆孔進行預注漿，加固地層，防止涌水，必要時采取雙液漿進行止水；最后還需加強監控量測，當監控量測顯示開挖后隧洞的變形速度或變形值按監控量測評價系統評價需采取處理措施時，可進行超前預注漿加固地層并加強初期支護等措施。

四、結 語

盡管從技術上存在以上諸方面難題，但是通過大量的地質勘探工作及研究，可以認為該項目在地質方面不存在制約工程實施的重大問題，面臨的地質風險可以通過工程措施加以解決；技術方面可以在借鑒國內外類似工程成功經驗的基礎上通過技術攻關及研究解決。結合秦嶺公路、鐵路及引乾濟石等5條18 km特長隧洞的通風、運輸等多項科研試驗成果及對各種不良地質（如巖爆、高溫、高地應力及斷層破碎帶等）總結出的設計及施工經驗，依托關鍵技術的科研攻關及創新，成功修建秦嶺隧洞是有信心的。