喀
—雙深埋超特長輸水隧洞建設關鍵技術

鄧銘江，周小兵，崔　東，馬　勇，李文新，徐明新

(1.新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊　830000；2.新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊　830000；3.石家莊鐵道大學，河北 石家莊　050000)

?

喀
—雙深埋超特長輸水隧洞建設關鍵技術

鄧銘江1，周小兵1，崔東2，馬勇2，李文新2，徐明新3

(1.新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊830000；2.新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊830000；3.石家莊鐵道大學，河北 石家莊050000)

摘要：深入分析喀—雙深埋超特長輸水隧洞施工中存在的主要工程地質問題，圍繞超特長隧洞TBM快速掘進與安全控制等重大需求，在隧洞規劃選線布置、TBM及配套系統適應性設計、主洞和支洞施工建設、施工風險控制、TBM機群施工綜合管理等主要環節，提出需重點研究解決的關鍵技術問題。從已探明的工程地質情況來看，發生地質災害的可能性不大，適合TBM快速施工。由于隧洞沿線地形較為平坦，開挖深長緩斜井、深埋中間豎井是不可避免的，但超長距離的獨頭掘進，給隧洞高速掘進與高效率的出碴、通風增加了難度，應結合現代化的科學手段進行系統攻關。

關鍵詞：輸水隧洞；工程地質；TBM；掘進施工；快速掘進；安全控制

0引言

自20世紀50年代以來，TBM掘進技術在世界范圍內得到了廣泛應用。經過半個世紀的發展，TBM掘進技術已相當成熟，并被廣泛地應用于世界各國能源、交通、水利以及國防等部門的地下工程建設中。國外已經完成的重大隧道工程有美國芝加哥蓄水工程(隧道長211 km)、英吉利海峽隧道工程(隧道長151 km)、南非萊索托引水工程(隧道長45 km)等[1-2]，其工程規模和難度均體現出了隧道工程的較高技術水平。目前，國外擬建和在建的大型隧道工程有日韓海底隧道(連接日本和韓國，長約 120 km)、白令海峽隧道(連接亞洲和美洲，長約 74.8 km)、阿爾卑斯山鐵路隧道(從 Rosenheim 到 Verona，總長大于 500 km)等[2-4]，其中絕大部分將優先采用TBM施工。據不完全統計，截至2014年底，世界上長度大于10 km 的隧道已超過100條，隧道總長度已超過10 000 km。近幾年的隧道工程建設中，有 30%～40%均采用TBM掘進施工[5]。

2010年我國廈門翔安海底隧道和青島膠州灣海底隧道的建成，激發了工程界建設海底隧道的熱潮。2015年大連灣海底隧道已開工建設，其跨越我國瓊州海峽、渤海海峽以及臺灣海峽，海底隧道已進入勘察設計階段和前期論證工作[6]。

南水北調和LXB引水工程的開工建設，推動了一大批跨流域調水工程的規劃立項工作。1985年天生橋水電站工程首次引進TBM進行隧洞施工[7]。南水北調西線一期工程，線路全長260 km，其中244 km為隧洞，單洞最長73 km，埋深達1 100 m左右[8]。大伙房輸水工程特長隧洞長85.32 km，是迄今為止世界上已建成的最長輸水隧洞，隧洞進水口段24.58 km為鉆爆法施工，出水口段60.84 km為TBM施工[9]。錦屏二級水電站4條引水隧洞平均長度約16.7 km，開挖洞徑12.4 m，其中1#、3#引水隧洞和施工排水洞采用TBM施工，其余洞段采用鉆爆法施工[10]。在建的LXB引水隧洞全長290.5 km，采用8臺TBM施工，掘進總里程達109.5 km[11]。已完成勘測設計的云南滇中引水工程線路全長661.07 km，其中隧洞長占全長的91.9%。

綜合分析，特長隧洞施工采用TBM 與鉆爆法相結合的施工方式，既可充分發揮 TBM 的高速掘進優勢，又可利用鉆爆法的靈活特點，規避特殊地質條件下的施工風險。

1工程概況

北疆供水二期工程由西二、喀—雙、雙—三3段隧洞組成，隧洞長516.2 km，其中喀—雙隧洞單洞長283.3 km，為世界上最長的輸水隧洞。喀—雙隧洞為無壓洞，平均埋深428 m，最大埋深774 m，設計流量40 m3/s，縱坡1/2 560。鉆爆法開挖斷面采用馬蹄形，洞徑為6.64～7.4 m。TBM開挖斷面洞徑為7.1 m。

隧洞穿越的地層巖性以石炭系、泥盆系凝灰巖、凝灰質砂巖及華力西期侵入花崗巖為主，多為中—堅硬巖石，多屬Ⅱ級和Ⅲ級圍巖，成洞條件較好。隧洞穿越5條規模較大的區域性斷裂帶和72條次級斷層構造，局部洞段圍巖穩定性問題較突出。完整性較好的圍巖段局部采用錨噴支護的襯砌型式，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖段采用鋼筋混凝土襯砌。

隧洞采取以TBM為主、鉆爆法為輔的施工方案。由于沿線地形較為平坦，除進口洞段外，主洞施工進入通道均采用深長緩斜井或豎井。全線采用11臺開敞式TBM掘進，布置6條緩斜井以改善施工條件，提高掘進效率；同時，在較大的斷裂構造帶和軟巖地層洞段布置5條施工支洞，采用鉆爆法掘進，以降低施工風險。

深埋超特長隧洞是跨流域調水關鍵控制性工程，對項目的整體順利推進具有決定性作用。喀—雙隧洞是目前世界上在建的最長的輸水隧洞，其中TBM掘進段占比約80%，單機施工區間最長23 km。目前，國內單機連續掘進最長距離為14 km，累計掘進最長距離為23 km。喀—雙隧洞建成后將實現單臺TBM連續掘進、累計掘進國內記錄的“雙突破”，這不僅對工程的總體布置，施工組織設計的合理性、科學性和高效安全性提出了高標準，同時，也對TBM的設計、制造、安裝、監控、運行管理提出了更高的要求。

2區域地質

2.1地形地貌

工程穿越阿爾泰山南坡和東天山北坡之間的低山區、丘陵區，總體地勢北高南低、東高西低，由東北向南西緩慢傾斜，海拔高程750～1 300 m，地形起伏較大，山頂多呈渾圓狀，山體坡度較緩。低山區一般高差50～150 m，局部高差300 m；剝蝕丘陵區一般高差10～20 m，局部高差40 m，基巖大多裸露，主要為荒漠地貌。

2.2地層巖性

工程區出露的地層以石炭系、泥盆系古老地層為主，其次為花崗巖，局部為二疊系、三疊系地層。其中，泥盆系和石炭系的凝灰質砂巖、凝灰巖、鈣質砂巖等地層總長209.1 km，占隧洞長的73.8%；華力西晚期侵入的黑云母花崗巖、花崗閃長巖等地層總長59.6 km，占隧洞長的21%；二疊系和三疊系的泥巖、砂巖、夾砂礫巖等地層總長12.1 km，占隧洞長的4.3%；洞段通過的77條斷層破碎帶累計長2.5 km，占隧洞長的0.9%[12]。

2.3地質構造

2.3.1斷裂構造

工程區地處阿爾泰褶皺系和準噶爾—北天山褶皺系的2大構造單元內，褶皺構造對地形地貌和地質構造起主導作用，主要發育著一系列的壓性斷裂和壓扭性斷裂。分布有5條區域性斷裂(見圖1)，破碎帶地表寬度150～200 m，最寬800 m。通過鉆孔巖芯揭露、井下電視窺探、物探聲波測試等方法的綜合分析，整個輸水線路洞身段附近的斷層和裂隙不發育，裂隙以中—陡傾角為主，裂隙面大多數被石英脈充填，以壓扭性結構面為主[12]。

2.3.2地震安全性評價

工程沿線50年超越概率為10%的地震動峰值加速度大部分位于0.15g區域，部分位于0.10g區域，對應的地震基本烈度為Ⅶ度區[13]。

3工程地質

3.1完成的主要地勘工作量

根據規范要求，在隧洞沿線共布置了142個地質鉆孔，平均2 km/個，每個孔內取2～3組巖樣，共進行了近426組物理力學性質試驗。地質勘探成果見表1。

圖1　喀—雙超特長隧洞工程地質及施工組織設計示意圖

Table 1Statistics of geological investigation workload of Ka-Shuang Tunnel

工作內容單位數量輸水線路帶狀地質圖測繪1/10000km2699工程地質剖面測繪測量1/10000km/條1424/8鉆孔m/孔54796/142抽水試驗組/孔1092/142鉆孔內地溫測試、放射性測試m/孔6898/20鉆孔內地應力測試m/孔2902/5物探(聲波綜合測井)m/孔7100/142坑(槽)探m3/坑52000/77鉆孔巖塊試驗組426水質簡分析組355

3.2主要工程地質條件

圍巖分級及巖石飽和抗壓強度統計如表2和表3所示。硐室以Ⅱ級和Ⅲ級圍巖為主，占比86.2%；巖石飽和抗壓強度大多在50～140 MPa；花崗巖石英含量一般為20%～30%，最高達35%，最高抗壓強度達200 MPa；其他石炭系、泥盆系等各類巖石中的石英含量一般為5%～10%，總體評價石英含量不高。隧洞圍巖總體條件較好，適合TBM機械化、快速施工。

3.3水文地質條件

17個鉆孔壓水試驗、43個鉆孔抽(掏)水試驗成果均顯示隧洞圍巖屬微—極微透水層，見表4。工程區域內地表水貧乏，地下水以基巖裂隙水為主，水量微弱。隧洞沿線除分布于EEQS河和WLG河附近局部地段的地下水水質較好外，其他地段的地下水水質均較差，對混凝土具強腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋及鋼結構具中等腐蝕性。

表2喀—雙隧洞硐室圍巖分級統計

Table 2Statistics of rock classification of Ka-Shuang Tunnel caverns

圍巖級別長度/km占比/%Ⅱ127.545Ⅲ116.841.2Ⅳ31.111Ⅴ7.92.8

表3喀—雙隧洞巖石飽和抗壓強度統計

Table 3Statistics of rock saturated compressive strength of Ka-Shuang Tunnel

飽和抗壓強度Rb/MPa長度/km占比/% Rb<3018.76.630≤Rb<6035.012.360≤Rb<120190.667.3120≤Rb<14039.013.8

表4喀—雙隧洞圍巖透水性評價

Table 4Surrounding rock permeability assessment of Ka-Shuang Tunnel

項目 數值 透水性評價巖石透水率q/lu 0.1～0.9微—弱透水性單位涌水量ω/(L/s·m) 0.006～1.955極弱富水性巖體滲透系數k/(cm/s)2.4×10-5～6.0×10-8微—極微透水層

3.4主要工程地質問題分析

1)塌方問題。地表上有明顯構造痕跡的區域性斷裂有5條，其次還發育了72條次級斷層，破碎帶一般寬10～30 m，少數達60～80 m。由洞線上鉆孔所揭露的巖芯、物探波速、井下電視測試來看，洞身段基本處于新鮮巖體內，巖體以塊狀和厚層狀為主，洞身附近斷層與節理裂隙一般不發育，圍巖完整性較好。根據地質條件綜合判斷，易發生塌方的洞段有10處，主要處于區域性大斷裂帶內和局部較大的次級斷層帶內，其次是處于HLSK水庫附近、WLG河河床底部和尾部的軟巖—極軟巖段。

2)涌水問題。隧洞處于準噶爾盆地的沙漠邊緣，除WLG河外，無河流和古河床分布，氣候干燥，降水少，地下水對基巖裂隙和斷層破碎帶補給量甚微。巖體完整性一般的洞段，主要以裂隙水的形式產生滲流或線狀水流；巖體較完整的洞段，主要以基巖裂隙水的形式產生滲水或滴水，發生突水或突泥的可能性均不大；易發生涌水的洞段與易發生塌方的洞段位置大致相同，由于隧洞較長、埋深較大，施工中仍需注意加強排水。

3)巖爆問題。不同巖性、不同深度的地應力測試結果表明[14]：隧洞自地表100～700 m深度內，最大水平主應力為6.6～36.0 MPa，最小水平主應力為5.7～22.8 MPa，地應力屬于低—高應力水平[14]。埋深≤300 m，最大主應力為5.3～9.2 MPa，為低地應力，巖石強度應力比為9.6～16.8，屬無巖爆；埋深在300～600 m，最大主應力為10～19.5 MPa，為中等地應力，巖石強度應力比為5.1～11.3，屬無—輕微巖爆；埋深在600～712 m，最大主應力為21.6～36.0 MPa，為高地應力，巖石強度應力比為3.4～4.6，屬中等巖爆；埋深>600 m的長度有24 km，屬高地應力中等巖爆區。

4)軟巖變形問題。軟巖位于隧洞尾端，總長11.7 km，巖性為二疊系及三疊系砂巖、砂礫巖、泥質砂巖及炭質泥巖互層，易崩解。干燥狀態下砂礫巖抗壓強度18.7 MPa，泥巖抗壓強度13.6 MPa，圍巖級別為Ⅳ類，施工過程中易發生塑性變形[12]。在硬巖破碎帶，也應關注圍巖大變形問題。

5)高地溫問題。通過對鉆孔和洞線附近生產礦井內的地溫測試，地溫值在7.1～21 ℃，均在正常值范圍內[12]。青河招金礦業距洞線樁號220+000以東5 km，其井下190 m環境溫度為12 ℃，井下500 m環境溫度為20 ℃。按每100 m地溫升高2～3 ℃的地溫梯度推算，隧洞最大埋深為770 m，地溫約25 ℃。因此，施工中存在高地溫的可能性不大。

6)放射性問題。共完成11個鉆孔放射性γ總量測井，累計深度5 354 m；鉆孔巖芯取樣分析鈾(U)、Ra226/、釷(Th)、鉀當量(K40/)共36組；鉆孔水樣核素分析(U、Ra226/、Th、K40/、總α比活度、總β比活度、水氡)12組；巖心氡氣析出率測量36組；地面伽瑪能譜測量139 km[15]。結果表明，地表和鉆孔中深部均無明顯的核素富集現象，對工程沿線環境不會造成大的影響。

7)有害氣體問題。隧洞未穿越煤系地層，在已收集的地質資料中，未發現有害氣體和有害水體。

8)穿越活斷層抗斷問題。隧洞穿越的五大區域斷層構造，除EEQS河斷裂外，其余均屬于活動性斷裂，但活動性微弱或不明顯。工程區域地震活動少，地震基本烈度不高，也間接反映了工程區域活動斷裂活動性不強。

4施工組織設計與存在的主要問題

4.1施工組織設計

4.1.1施工方案選擇的原則

按照“技術領先，規范科學，組織合理，高效有序”的指導思想，在安全可靠、保障工期、經濟合理的前提下，充分考慮TBM及其配套設備的性能和國內現有承包商的技術能力、管理水平，密切結合工程地質條件和施工通道的特殊技術要求，以有利于縮短工期、減少輔助工程設施及附加工作量、降低施工成本為目標，科學合理地擬定主洞、支洞以及相關附屬設施的施工技術方案。

4.1.2主洞施工

主洞采用以TBM為主、鉆爆法為輔的施工方案。選用11臺開敞式TBM，掘進長度226.6 km，單機掘進18～23 km；鉆爆法施工56.7 km，單面挖掘最長2.65 km，較大的斷裂構造帶、軟巖地層洞段采用鉆爆法施工。TBM平均月掘進進尺527 m，考慮到冬季施工，設計總工期為84個月。

4.1.3支洞施工

共布置6條TBM進入支洞、4條TBM中間支洞和5條鉆爆支洞(見表5)。其中，6條進入支洞均為縱坡為10.5%～12%的緩斜井，總長22.1 km，最長的為T4支洞，長6 444 m，除1臺TBM從隧洞進口進入主洞外，其余10臺均由6條緩斜井進入主洞安裝；4條中間支洞中，2條為緩斜井，2條為豎井，布置在TBM施工段中后位置，主要用于設備檢修、通風和主洞鉆爆法施工；5條鉆爆支洞中，1條為緩斜井，4條為豎井，豎井提升設備采用鑿井提升機，豎井總長1.5 km，最深為ZBS2豎井，深686 m。

表5喀—雙隧洞施工支洞布置及主要技術參數

Table 5Layout of branch tunnels of Ka-Shuang Tunnel and main technical parameters

支洞編號深度/m長度/mTBM進入支洞TBM中間支洞鉆爆支洞T12141656T23812987T2+4663852T35985154T47306444T52742047ZJP12191960ZJP22141790ZJP33022557ZJS1480ZBP11941513ZBS1539ZBS2686ZBS3205ZBS4117

4.2工程建設與管理存在的主要問題

1)隧洞施工方案選擇及其分段規劃優化施工問題。隧洞Ⅱ級和Ⅲ級圍巖占比86.2%，石英含量總體不高，宜充分發揮TBM自身的優勢，延長掘進長度，從而降低工程造價和風險，提高施工效率，因此，選擇以TBM為主的施工方案。但為了規避風險，對較大的斷裂構造帶和軟巖地層，采用鉆爆法施工。所以，TBM和鉆爆法施工洞段的合理劃分，TBM進入通道、中間支洞以及鉆爆法進入支洞的位置選擇，是施工組織設計的關鍵。

2)TBM選型設計與機群施工運行管理問題。由于隧洞穿越多種地質構造單元，圍巖抗壓強度為3～180 MPa，諸多不良地質條件對TBM的選型設計提出了極高的要求，其關鍵部件的適應性設計和耐久性、可靠性，是“打得快、用得久、走得長”的重要保證。除喀—雙隧洞外，考慮到雙—三隧洞(92 km)和西二隧洞(141 km)的建設需求，屆時將有18臺TBM同時開展機群化施工，其設備的設計制造、運行管理、主軸承備用以及刀具、刀盤、液壓系統等易損部件的供應保障等，是需要特別關注的重要問題。

3)超特長隧洞施工通道型式選擇以及出碴、通風、供排水、物料運輸等問題。由于隧洞具有深埋超特長的顯著特征，進入主洞只有豎井、斜井、緩斜井3種通道型式，不同的通道型式決定了TBM大件吊運安裝、出碴和物料運輸、通風、供電、供排水等系統方式及其配套設施，涉及工程安全、布置、設備、進度、投資等諸多方面。同時，TBM掘進最大長度23 km，豎井最大埋深超過700 m，出碴和物料運輸、通風及供排水的距離和高度均已超過已建工程。因此，選擇合理的通道型式，并系統研發出碴和物料運輸系統、通風和輸電供排水系統、運行和監測管理系統、施工和安全保障系統，具有極大的挑戰性。

4)地質災害超前預報與安全高效施工問題。雖然采用鉆爆法提前安全穿越了5條大斷裂帶，但TBM依然還要穿越72條次級斷層。由于隧洞深埋超特長、地質條件復雜，在施工過程中，必須加強超前勘探、超前預報，提前做好超前加固及其他跟進施工措施，做到科學、安全、高效掘進，預防各種工程地質災害造成的姿態失調、卡機、埋機等事件。本工程隧洞最大埋深在650～774 m的洞段約有50 km，雖然屬高地應力中等巖爆區，但巖爆依然是危害施工安全的主要問題，應提前做好防控預案。

5深埋超特長隧洞施工關鍵技術

深埋超特長引水隧洞關鍵技術框圖見圖2。

5.1隧洞規劃選線布置關鍵技術

洞線規劃及施工支洞布置是優化隧洞掘進方案優先要考慮的關鍵問題。TBM大型設備通過豎井、斜井(15～20°)或緩斜井(<7°)等支洞型式進入主洞，以及施工中的運料、通風、安全、效率問題，是極具挑戰性的難題。目前國外TBM豎井最深800 m，直徑達12 m(瑞士San Gottardo鐵路隧道的Sedrun)[16]。豎井和斜井施工技術在煤炭及冶金行業已十分成熟，國內最深的豎井為1 503 m(遼寧本溪)[17]，最深的斜井為2 017 m(陜西長治)[18]。結合喀—雙深埋超特長隧洞的施工特點，合理布置洞線，系統開展不同支洞型式及其施工方案研究意義十分重大。

1)超特長輸水隧洞勘測及選線設計。根據工程場區地質構造，詳查各種可能發生的不良地質災害，并結合卡拉麥里山自然保護區的環保要求，系統評價對隧洞工程建設布局的影響。綜合地形地質、環境保護、施工技術、供水需求、經濟可行性等條件因素，科學論證洞線布置方案，開展開敞式TBM施工水工隧洞斷面設計研究，合理設計隧洞平縱斷面，提出安全可靠的支護結構型式。

2)TBM與鉆爆法可掘性評價及合理洞段劃分。根據巖石級別、斷裂帶及斷層構造分布、施工技術、設備能力以及施工環境條件，研究分析TBM與鉆爆法對工程地質條件的適應性，合理布置施工支洞的位置和型式，通過對工程布局、施工工期、環境影響、工程投資因素的綜合比較，提出經濟可行的隧洞分段施工組織方案。

圖2　喀—雙隧洞建設關鍵技術框圖

3)施工通道型式選擇和硐室結構設計。系統總結煤炭和冶金行業在豎井、斜井和緩斜井等方面的施工技術及成熟經驗，結合超特長引水隧洞的特點，綜合安全、技術、工期、投資等因素，研究TBM進入通道和中間通道以及鉆爆法洞段施工通道的型式，包括硐室布置、坡度、井筒裝備、結構型式等；研究各種通道型式的施工技術，包括TBM和鉆爆法施工方案，以及二者組合施工的可行性；系統開展硐室結構與出碴通風、物料運輸、輸電供水等配套系統的匹配性設計。

5.2TBM與配套系統適應性設計

喀—雙隧洞計劃投入11臺TBM，設計單臺TBM掘進長度18～23 km，遠遠超過目前國內連續掘進里程的平均水平，因此，開展超特長輸水隧洞TBM與配套系統適應性設計尤為關鍵。為滿足超長隧洞快速連續掘進需要，不僅要充分考慮TBM對地質條件的適應性，還應對TBM的選型設計、掘進模式和結構形式、刀盤及切削技術、主驅動使用壽命和可靠性、配套系統等方面開展系統研究。

1)TBM選型及掘進系統協調控制技術。系統開展開敞式與護盾式掘進機以及同類掘進機結構參數、生產能力、掘進速度的優化比選，研究TBM 掘進系統中主機系統、后配套系統、主機附屬設備、輔助鋼拱架安裝支撐設備、外部生產系統的協調匹配性，提出設計制造的主要技術要求和風險應對措施[19-20]。根據超特長隧洞的特殊要求，提高刀盤前方噴霧降塵效果，強化TBM自動糾偏和精確導向能力，研究掘進、出碴、動力驅動、支護、輔助配套等各系統功能配置及關鍵部件的設計參數，綜合平衡TBM設備的技術先進性和經濟實用性[21-22]。

2)TBM超長壽命設計與掘進參數智能控制技術。超長掘進對主驅動、刀盤的耐久性、耐磨性及結構剛強度提出了嚴格的要求。其中，主驅動長壽命期內的可靠性及驅動效率、主驅動密封及盤體結構修復技術、合理的刀盤結構和刀具布置型式、刀盤抗磨損設計和高精度焊接技術等都是事關TBM耐久性的重要因素。另外，掘進參數與圍巖參數的適應性、掘進參數自動控制技術等也是影響TBM壽命的關鍵因素[20，23]。特別要重點研究解決好飽和抗壓強度Rb≥100 MPa、石英含量≥25%的花崗巖段TBM快速掘進的問題。

3)TBM狀態檢測及故障自修復技術。研究TBM狀態檢測方法與系統參數的評價標準，建立狀態監測與故障診斷系統模型，預測故障發展趨勢，進行系統狀態評估；研究故障特征，建立故障數據庫和故障自診斷、自修復技術體系，確保TBM使用壽命滿足超長距離掘進施工要求[24]。

5.3施工建設關鍵技術

超特長、機群化施工、單機獨頭掘進最長是喀—雙隧洞施工中的顯著特點。由于地質條件、設備選型、組織管理等因素，在國內已建和在建的工程中，卡機、沉陷、埋機等各類災害事故屢見不鮮。如：山西萬家寨引黃工程，由于圍巖變形速率大，穿越斷層破碎帶時導致卡機，停機處理3個月，造成了巨大的經濟損失[25]；甘肅引洮工程發生卡機沉陷，停機1年以上[26]；錦屏引水隧洞掘進過程中發生被淹、被困事故[27]。綜合上述情況，超長連續快速掘進和不良地質處置給TBM施工帶來了極大的挑戰，因此，必須開展系統研究，優化施工組織設計，做好通風、排水、運輸等配套系統的管理和維護，確保TBM超長連續快速掘進。

1)深埋長距離大坡度緩斜井施工技術。在初步確定TBM緩斜井進洞方案的基礎上，結合鉆爆法施工支洞的布置，綜合考慮安全、技術經濟、工期效率、物料運輸等影響因素，進一步優化設計方案，合理選擇位置、坡度、斷面等重要技術參數；研究長距離大坡度緩斜井建造及快速施工技術，包括TBM與鉆爆法施工以及二者組合施工、緩斜井與正洞TBM一體化施工的可行性。

2)深埋中間豎井建造及物流、通風技術。根據TBM掘進和鉆爆法施工的安全、效率、通風等技術要求，研究深埋豎井建設的必要性和可行性，合理布設豎井，包括位置、斷面、數量等，并根據豎井的功能，研究其建造、吊裝、出碴、搶險、通風等關鍵技術。

3)TBM洞內快速組裝、始發及拆解技術。根據確定的入洞方案，研究TBM大型部件的結構分塊設計和精確裝配技術，包括大型部件的吊裝運輸，組裝硐室開挖支護，洞內始發、步進、拆解等成套技術，并以此對TBM設計制造以及關鍵部件的洞內拆解工藝、專用工裝設備等提出具體的技術要求。

4)超特長隧洞出碴和物料運輸技術。長隧洞施工經驗表明，當獨頭掘進距離超過12～14 km時，其供電、通風和物料運輸方案的合理性在整個工程優化設計階段尤顯重要，應當給予高度重視。根據確定的分段施工方案和斷面布置要求，分析論證主洞和緩斜井連續皮帶機、有軌運輸、無軌雙向驅動膠輪車等運輸方案的安全性和合理性；研究連續皮帶出碴系統的可靠性和碴土適應性，以及主洞和緩斜井出碴、物料運輸轉運配套系統；以安全高效為原則，研究通道出碴和物流運輸安全控制技術。

5)超特長隧洞獨頭通風技術。優化通風系統設計和設備選型方案，確保二次通風系統與總體通風方案的協同性；實時開展現場通風與環境測試，研究隧洞安全衛生保障技術；科學評估現有通風除塵設備的性能，分析論證一站式、多站式、風井通風等技術可行性方案，并提出具體的設計要求；研究各類風機性能、風管材料和規格型式及其與通風系統的匹配性。

6)軟巖變形控制及隧洞安全施工技術。軟巖地層主要連續分布在隧洞尾部，總長11.7 km，巖性為砂巖、泥巖互層，抗壓強度為13.6～18.7 MPa，遇水軟化、易崩解和塑性大變形是威脅隧洞安全施工的主要難題。采用人工鉆爆、短臺階法施工，臺階長度3～5 m，每循環進尺1.5～2 m。一次支護利用多功能臺架及錨桿鉆機施作錨桿孔，人工安裝錨桿，敷設鋼筋網和鋼拱架支撐，并采用濕噴機噴射混凝土。施工中堅持“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”及“先探后挖”的原則，在圍巖、一次支護格柵拱架設立應力應變監測斷面，揭示圍巖時空變形規律，根據圍巖變形量和變形速率，建立圍巖變形穩定控制標準，適時實施二次襯砌。

5.4施工風險控制技術

由于斷裂破碎帶眾多，工程地質條件存在不可預見性，因此，開展長距離TBM施工風險控制技術研究十分必要。

1)TBM施工超前地質預測預報技術。分析對比超前地質鉆探、地質雷達(HSP)、地震波(TST)、電法等預測預報技術的適用條件及應用效果，綜合地質預測預報技術，建立多源信息集成地質超前預報系統，提出適合本工程的地質災害預測預報技術[28]。

2)TBM施工不良地質洞段綜合處置技術。本工程影響TBM施工的主要地質問題有斷層破碎帶、中等巖爆及潛在的軟巖變形。5條斷裂構造帶均采用鉆爆法施工，但穿越72條次級斷層構造，仍存在一定的風險。因此，研究不良地質洞段綜合施工技術、中等地應力洞段巖爆及防護技術，降低TBM施工風險，并提出防范應對措施是十分有必要的。對于處在活斷層洞段，不應小覷，要做好適應變形的抗斷性設計，保證結構的完整性，探討TBM掘進和混凝土襯砌聯合作業的必要性和可行性。

3)TBM施工風險評估與防控技術。綜合地質條件、施工方案及設備運行等情況，查找分析施工風險源及種類，提出識別和評價方法，確定風險等級和控制標準，建立風險評估決策支持系統，提出突發地質災害的處置措施，包括巖爆、突涌水風險控制及人員快速逃生的技術預案[29]。隧洞工程施工經驗表明，水遠比塌方更難治理。在穿越河流或富水地層時，應加強地質勘察工作，查明斷裂構造與地表水的水力聯系，做好超前預處理預案。

5.5TBM全壽命周期(BIM)數字化綜合管理

TBM作為一個高度集成機械化的隧洞挖掘設備，其結構復雜、系統龐大、設備眾多，任何一個環節失誤都將可能導致其停機。TBM在掘進施工過程中，地質勘探、施工組織、配套工序、監測診斷、狀態控制、保養維護等任何環節的脫節，都會嚴重影響其生產效率和使用狀態。因此，針對喀—雙隧洞TBM機群施工的特點，迫切需要建立一套綜合管理信息系統來實現TBM施工的高效運行管理。

5.5.1TBM綜合信息管理系統開發及應用

建立TBM機群技術管理數據庫，實現實時跟蹤管理，多視圖、多層次采集分析主要設備的各種技術參數和性狀指標；建立施工管理數據庫，實現施工質量管理和安全監測管理信息化；建立配套設備管理數據庫，實現設備維護保養、故障診斷排除和備品備件的信息化管理；建立TBM機群施工管理決策支持系統，評價運行狀態，分析成本效益，監測工程質量，提出合理的工程進度計劃和主軸承備份方式、數量以及其他備品備件需求計劃[30]。

5.5.2工程全壽命周期(BIM)數字化綜合管理技術研究及應用

研究并利用BIM技術建立工程設計、施工和運營全過程動態管理系統；建立TBM機群BIM管理系統，實現功能參數、空間位置的遠程數字化實時監控；應用BIM技術模擬施工建造過程，實現三維動態實時顯示，完成材料設備供應、施工進度、質量驗收、工程結算等方面的報表生成[31]。

6結論與建議

1)喀—雙隧洞全長283.3 km，平均埋深428 m，最大埋深774 m，硐室Ⅱ級和Ⅲ級圍巖占比 86.2%，抗壓強度大多在50～140 MPa。從已探明的工程地質情況來看，發生破碎巖體塌方、斷層破碎帶突涌水、高地應力巖爆、高地溫、放射性、有害氣體等地質災害的可能性不大，適合TBM機械化、快速施工。

2)由于隧洞沿線地形較為平坦，沒有布置平支洞和短支洞的地形條件，為了解決TBM進入通道和鉆爆法施工以及通風、出碴、物料運輸問題，開挖深長緩斜井、深埋中間豎井是不可避免的。超長距離的獨頭掘進，再加上深(埋)長支洞的通道制約，給隧洞高速掘進與高效率出碴、通風帶來了難度。深埋超特長輸水隧洞的建設是一個技術含量非常高的系統工程，投入大，風險高，建設周期長，應從規劃論證開始做好扎實的基礎理論研究、建設方案論證、建設方法分析，對工程建設中的一系列重點、難點及關鍵技術問題，應結合現代化科學技術進行系統攻關。

3)隨著我國在重大交通、水利以及能源礦山工程等建設領域對TBM裝備的需求持續增長，TBM長期依賴進口的局面已經嚴重制約了我國重大工程的建設。喀—雙超特長隧洞建設和TBM制造關鍵技術的突破，對于填補國內深埋隧洞TBM施工技術方面的空白，推動我國重大裝備國產化和跨流域調水工程的建設，以及相關技術產業的發展具有重大意義。因此，必須開展持續的研究和創新，特別注意成套設備的研發與工程應用服務，提升關鍵部件的適應性、耐久性、可靠性，為實現超特長隧洞“打得快、用得久、走得長”提供重要保障。

7致謝

文章得到了錢七虎院士和杜彥良院士的熱情指導，在此表示衷心感謝！

參考文獻(References)：

[1]張照煌.盤形滾刀與巖石相互作用理論研究現狀及分析(一)[J].工程機械,2009,40(9):16-20.(ZHANG Zhaohuang.Present situation and analysis of interacting theory between disc hob and rock (part 1)[J].Construction Machinery and Equipment,2009,40(9):16-20.(in Chinese))

[2]尹俊濤,尚彥軍,傅冰駿,等.TBM掘進技術發展及有關工程地質問題分析和對策[J].工程地質學報,2005,13(3):389-397.(YIN Juntao,SHANG Yanjun,FU Bingjun,et al.Development of TBM-excavation technology and analyses &countermeasures of related engineering geological problems[J].Journal of Engineering Geology,2005,13(3):389-397.(in Chinese))

[3]張鏡劍,傅冰駿.隧道掘進機在我國應用的進展[J].巖石力學與工程學報,2007,26(2):226-238.(ZHANG Jingjian,FU Bingjun.Advances in tunnel boring machine application in China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(2):226-238.(in Chinese))

[4]錢七虎,李朝甫,傅德明.全斷面掘進機在中國地下工程中的應用現狀及前景展望[J].建筑機械,2002(5):28-35.(QIAN Qihu,LI Chaofu,FU Deming.Application situation and outlook of TBM in underground project in China[J].Construction Machinery,2002(5):28-35.(in Chinese))

[5]張軍偉,梅志榮,高菊茹,等.大伙房輸水工程特長隧洞TBM選型及施工關鍵技術研究[J].現代隧道技術,2010,47(5):1-10.(ZHANG Junwei,MEI Zhirong,GAO Juru,et al.Study on TBM type-selection and key technologies in Dahuofang Water Diversion Tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2010,47(5):1-10.(in Chinese))

[6]廖朝華,郭小紅.我國修建跨海峽海底隧道的關鍵技術問題[J].隧道建設,2008,28(5):527-532.(LIAO Chaohua,GUO Xiaohong.Key technologies in subsea tunnel construction in China[J].Tunnel Construction,2008,28(5):527-532.(in Chinese))

[7]王夢恕,王占山.TBM通過斷層破碎帶的施工技術[J].隧道建設,2001,21(3):1-4.(WANG Mengshu,WANG Zhanshan.Construction technologies for TBM driving across fracture zone[J].Tunnel Construction,2001,21(3):1-4.(in Chinese))

[8]伍法權,王學潮,國連杰,等.南水北調西線一期工程區斷層活動性及其對工程的影響分析[J].巖石力學與工程學報,2004,23(8):1370-1374.(WU Faquan,WANG Xuechao,GUO Lianjie,et al.Fault activity and its effect on the West Line of Water Diversion Project from South to North of China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(8):1370-1374.(in Chinese))

[9]張軍偉,梅志榮,唐與.特長隧洞TBM施工與錨噴支護應用研究[J].鐵道工程學報,2011 (1):39-46.(ZHANG Junwei,MEI Zhirong,TANG Yu.Study on TBM construction and application of bolt-shotcrete support in construction of long water transfer tunnel[J].Journal of Railway Engineering Society,2011(1):39-46.(in Chinese))

[10]吳世勇,王鴿,徐勁松,等.錦屏二級水電站TBM選型及施工關鍵技術研究[J].巖石力學與工程學報,2008,27(10):2000-2009.(WU Shiyong,WANG Ge,XU Jinsong,et al.Research on TBM type-selection and key construction technology for Jinping Ⅱ Hydropower Station[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(10):2000-2009.(in Chinese))

[11]孫海波,劉金祥.敞開式TBM掘進初期典型問題的分析與探討[J].建筑機械化,2014 (9):71-73.(SUN Haibo,LIU Jinxiang.Analysis and discussion of open type TBM initial typical problems[J].Construction Mechanization,2014(9):71-73.(in Chinese))

[12]新疆水利水電勘測設計研究院.喀—雙隧洞工程地質勘察專題報告[R].烏魯木齊：新疆水利水電勘測設計研究院,2015.(Xinjiang Survey and Design Institute of Water Resources and Hydropower.Report of engineering geological investigation of Ka-Shuang Tunnel [R].Urumqi:Xinjiang Survey and Design Institute of Water Resources and Hydropower,2015.(in Chinese))

[13]中國地震應急搜救中心.新疆輸水工程場地地震安全性評價報告[R].北京：中國地震應急搜救中心，2015.(National Earthquake Response Support Service.Report of earthquake safety evaluation of water diversion engineering sites in Xinjiang [R].Beijing:National Earthquake Response Support Service,2015.(in Chinese))

[14]長江水利委員會長江科學院.喀—雙隧洞地應力測試報告[R].武漢：長江水利委員會長江科學院，2013.(Changjiang River Scientific Research Institute of Changjiang Water Resources Commission.Stress testing report of Kashuang tunnel [R].Wuhan：Changjiang River Scientific Research Institute of Changjiang Water Resources Commission,2013.(in Chinese))

[15]中國核工業集團總公司二一六大隊.喀—雙隧洞核輻射研究報告[R].烏魯木齊：中國核工業集團總公司二一六大隊，2014.(216 Team of China National Nuclear Corporation.Nuclear radiation research report of Ka-Shuang tunnel [R].Urumqi:216 Team of China National Nuclear Corporation,2014.(in Chinese))

[16]魏永慶,杜士斌.大斷面超長輸水隧洞的施工特點[J].水利水電技術,2006,37(3):8-11.(WEI Yongqing,DU Shibin.Construction features of a super long water conveyance tunnel project with large cross section in construction[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2006,37(3):8-11.(in Chinese))

[17]辛金生.山東黃金深豎井工程實施階段風險管理研究[D].青島：青島理工大學,2014.(XIN Jinsheng.Risk management research of Shandong Gold Mine deep-shaft project implementation[D].Qingdao：Qingdao Technological University ,2014.(in Chinese))

[18]張基磊,朱澤祥,律景田,等.長距離斜井施工設備選型[J].建井技術,2008,29(1):32-34.(ZHANG Jilei,ZHU Zexiang,LYU Jingtian,et al.Equipment selection for long distance mine inclined shaft construction[J].Mine Construction Technology,2008,29(1):32-34.(in Chinese))

[19]王夢恕.開敞式TBM在鐵路長隧道特硬巖、軟巖地層的施工技術[J].土木工程學報,2005,38(5):54-58.(WANG Mengshu.Construction technique of open TBM for long railway tunnels in very hard or soft rock strata[J].China Civil Engineering Journal,2005,38(5):54-58.(in Chinese))

[20]錢七虎.錢七虎院士論文選集[M].北京:科學出版社,2007.(QIAN Qihu.Proceedings of academician QIAN Qihu [M].Beijing:Science Press,2007.(in Chinese))

[21]施仲衡.地下鐵道設計與施工[M].西安:陜西科學技術出版社,2006.(SHI Zhongheng.Design and construction of underground railway[M].Xi’an:Shaanxi Science and Technology Press,2006.(in Chinese))

[22]梁文灝,李國良.烏鞘嶺特長隧道方案設計[J].現代隧道技術,2004,41(2):1-7.(LIANG Wenhao,LI Guoliang.Tentative project of Wushaoling tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2004,41(2):1-7.(in Chinese))

[23]王夢恕,李典璜,張鏡劍,等.巖石隧道掘進機(TBM)施工及工程實例[M].北京:中國鐵道出版社,2004.(WANG Mengshu,LI Dianhuang,ZHANG Jingjian,et al.Rock tunnel boring machine construction and its project examples[M].Beijing:China Railway Publishing House,2004.(in Chinese))

[24]杜彥良,徐明新,智小慧,等.全斷面巖石隧道掘進機：TBM維護保養與監測診斷[M].北京:華中科技大學出版社,2013.(DU Yanliang,XU Mingxin,ZHI Xiaohui,et al.Full face hard rock tunnel boring machine:Monitoring and maintenance[M].Beijing:Huazhong University of Science and Technology Press,2013.(in Chinese))

[25]尚彥軍,王思敬,薛繼洪,等.萬家寨引黃工程泥灰巖段隧洞巖石掘進機(TBM)卡機事故工程地質分析和事故處理[J].工程地質學報,2002,10(3):293-298.(SHANG Yanjun,WANG Sijing,XUE Jihong,et al.A case study on TBM block in marls at connection works No.7 tunnel of Yellow River Diversion Project[J].Journal of Engineering Geology,2002,10(3):293-298.(in Chinese))

[26]劉志華,李清文,邊野,等.引洮供水工程雙護盾TBM卡機事故分析與解決[J].建筑機械化,2013 (6):77-79.(LIU Zhihua,LI Qingwen,BIAN Ye,et al.Analysis and solution for the blocking failure of double shield TBM in Yintao Water Supply Project[J].Construction Mechanization,2013(6):77-79.(in Chinese))

[27]吳世勇,周濟芳.錦屏二級水電站長引水隧洞高地應力下開敝式硬巖隧道掘進機安全快速掘進技術研究[J].巖石力學與工程學報,2012,31(8):1657-1665.(WU Shiyong,ZHOU Jifang.Research on safe and fast tunnelling technology by open-type hard rock TBM under high geostress of long diversion tunnels of Jinping Ⅱ Hydropower Station[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(8):1657-1665.(in Chinese))

[28]王夢恕.不同地層條件下的盾構與TBM選型[J].隧道建設,2006,26(2):1-3,8.(WANG Mengshu.Type selection of shield TBMs and hard rock TBMs for different geological conditions[J].Tunnel Construction,2006,26(2):1-3,8.(in Chinese))

[29]王建宇.對隧道襯砌結構計算問題的思考[J].現代隧道技術,2014,51(2):1-4.(WANG Jianyu.On calculation of tunnel lining structure[J].Modern Tunnelling Technology,2014,51(2):1-4.(in Chinese))

[30]楊新安,凌保林,王樹杰,等.盾構隧道掘進信息化管理系統設計與開發[J].中國工程機械學報,2010,8(4):422-426,431.(YANG Xin’an,LING Baolin,WANG Shujie,et al.Designing and developing information management systems for shield tunneling[J].Chinese Journal of Construction Machinery,2010,8(4):422-426,431.(in Chinese))

[31]劉晴,王建平.基于BIM技術的建設工程生命周期管理研究[J].土木建筑工程信息技術,2010(3):40-45.(LIU Qing,WANG Jianping.The research on building lifecycle management based on the technology of BIM[J].Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture,2010(3):40-45.(in Chinese))

Key Technologies for Deep Super-long Water Diversion Tunnels:A Case Study of Ka-Shuang Tunnel

DENG Mingjiang1,ZHOU Xiaobing1,CUI Dong2,MA Yong2,LI Wenxin2,XU Mingxin3

(1.Xinjiang Eerqisi River Basin Development and Construction Management Bureau,Urumqi 830000,Xinjiang,China;2.Xinjiang Survey and Design Institute of Water Resources and Hydropower,Urumqi 830000,Xinjiang,China;3.Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050000,Hebei,China)

Abstract:The main geological problems of Ka-Shuang deep super-long water diversion tunnel are analyzed.The key technologies for rapid boring and safety control of super-long tunnel TBM construction are proposed in terms of alignment arrangement,applicability design of TBM and matching system,construction of main tunnel and branch tunnel,construction risk control and complex management of TBM group construction.The geological conditions investigated illustrate that there is no geological risk.The deep and long inclined shaft and deep intermeadiate vertical shaft are needed due to the complanate landform;and further study and feasible technologies are needed as well.

Keywords:water diversion tunnel;engineering geology;TBM;rapid thrusting;safety control

收稿日期：2015-12-28;修回日期:2016-04-11

第一作者簡介：鄧銘江(1960—)，男，湖南耒陽人，河海大學博士，教授級高級工程師，主要從事水利工程建設和水資源研究工作。E-mail:xjdmj@163.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.003

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)06-0666-10