大埋深輸水隧洞設計和施工中的關鍵問題探討

吳劍疆

(水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120)

人多水少、水資源時空分布不均是我國的基本國情水情。興建調水工程是優化水資源配置、提高水安全保障能力的重大戰略舉措。近年來，隨著社會經濟的持續發展，以及國家對重大水資源配置戰略的不斷重視，我國大型長距離調水工程發展十分迅速。截至目前，已建成了南水北調東、中線、引黃入晉、大伙房輸水、引洮供水等工程，發揮了較好的效益，在建和擬建的工程還有引漢濟渭、滇中引水以及新疆的調水工程等。在這些工程中，大部分位于我國西部地區，沿線地形地貌多為崇山峻嶺，受條件制約，不得不采用大埋深長距離隧洞進行輸水，其中最大埋深已超過2200m，單洞最大長度已超過280km。由于埋深大、距離長，這些隧洞在建設過程中將會遇到一系列特殊的技術難題。如因超高埋深導致的高地應力問題及巖爆和軟巖大變形問題，高地下水壓力帶來的強突涌水問題，以及因超長距離導致的施工通風和埋深導致的高地溫等問題，這些均是工程建設的世界性難題，特別是部分隧洞由于地處構造作用和巖溶發育強烈地區，使得上述問題變得更為復雜，風險更大，給隧洞的設計和施工帶來了極大的挑戰。

1 高地應力與巖爆防治

1.1 地應力場的確定

隨著埋深的增大，受自重荷載增加的影響，隧洞地應力將增加，另外受地質構造的影響，地應力也將發生調整。除與埋深和地質構造有關外，地應力大小還與巖性等密切相關。一般情況下，巖石越堅硬，越容易積聚能量，地應力越高。巖漿巖由高溫巖漿冷凝而成，巖體中地應力較高；沉積巖為地表松散物經沉積作用而成，地應力較低；變質巖則介于兩者之間。

隧洞開挖前，巖體中的地應力場稱為初始地應力場，是在長期、復雜的地質作用過程中不斷變化后逐漸形成的，其組成部分包括自重應力、構造應力、溫度應力，以及因沉積、變質、固結等作用引起的應力。隧洞開挖后，隧洞周圍初始地應力場受到擾動，原有的應力平衡遭到破壞，應力進行調整，進行應力重分布，并引起圍巖變形，以達到新的平衡。隧洞的失穩主要因巖體應力重分布后，其應力超過強度，難以形成新的平衡而造成。應力重分布的結果和初始地應力場有較大關系，初始地應力場的確定是評判隧洞開挖后圍巖是否穩定的關鍵問題。

對地應力進行實測是獲取初始地應力場最為直接的方法，但對深埋隧洞，受技術條件和場地因素等限制，實測難度較大；另外地應力場成因復雜，受地形地貌、地質構造等因素影響，實測成果只能反映局部應力場，受測量誤差等因素影響，成果也存在一定程度的離散性。為了更好地滿足工程設計和施工的需要，還需根據地質條件，結合數值模擬，對地應力場進行反演分析，以獲得更為準確的地應力場。

1.2 巖爆的預測和模擬

巖爆的預測和模擬是隧洞工程建設的難題，由于形成機理十分復雜，準確地預報巖爆發生的位置、時間和強度難度非常大。近年來，國內外的學者對巖爆機理、預測和模擬等進行了許多研究，取得了一定的成果。在巖爆機理方面，有分形理論、突變理論和能量理論等理論；在預測方法方面，根據巖爆發生的機理，有應力判據、能量判據等判據；在數值模擬方面，有彈性、彈塑性及彈脆塑性等模型。但由于巖爆是一種極其復雜的動力失穩現象，與初始地應力場、巖性、地質構造、地下水條件、隧洞斷面、施工方法等許多因素相關，巖爆發生的機理目前還未完全掌握，巖爆模擬和預測的結果還不十分準確，特別是對于融合了大型構造、復雜巖性和富水條件下的深埋隧洞，巖爆預測和模擬的方法亟待進一步研究。

錦屏二級水電站排水洞的施工采用微震監測法對巖爆進行預測，取得了較好效果。通過對巖體破壞前的微震事件進行定位和跟蹤，從而達到巖爆預測的目的。但對巖爆發生的時間難以準確預測，需繼續摸索和積累。

1.3 巖爆防治

巖爆的防治措施以“事前防治”為主，即在巖爆發生前采用綜合措施防止巖爆的發生或降低巖爆發生的強度。在爆破控制方面，減少爆破頻率和裝藥量，控制爆破效果，以減少圍巖表面的應力集中；對可能發生強巖爆與極強巖爆的洞段，配合應力解除爆破進行開挖。在改善圍巖條件方面，開挖后及時向掌子面和周圍巖壁噴水，或利用錨桿鉆孔和炮孔對巖體深部注水，以降低圍巖強度，降低巖爆發生的劇烈程度。在圍巖支護方面，應及時進行支護，在初噴混凝土、鋼筋網、防爆錨桿等保護下，及時施作系統錨桿和混凝土復噴，對可能產生強巖爆和極強巖爆的洞段，根據圍巖穩定性及時布置鋼拱架。

TBM設備的特殊性給TBM施工段巖爆的防治帶來一定的難度，因為TBM設備不能像常規設備那樣在遇到危險時可立即撤至安全處。另外，TBM在掘進時對圍巖的擾動較小，圍巖應力釋放的程度較低，在掘進過程中可能只發生小規模的巖爆，但在間隔較長時間后可能發生較大的巖爆，從而給人員和設備帶來較大危害。巖爆防治措施主要包括掘進速度的控制和開挖后的支護。針對不同的巖爆等級，采用不同的掘進速度及不同速度和強度的支護措施。巖爆等級越高，需掘進速度越低、支護速度越快、支護措施越強。

2 高外水壓力與突涌水處理

2.1 外水壓力荷載取值

襯砌外水壓力是深埋隧洞襯砌結構設計中一項十分重要的荷載，因其可能對襯砌結構起控制作用，而影響襯砌結構的長期運行安全。

折減系數法為常用的取值方法，根據地下水活動狀態確定襯砌外水壓力。其原理是地下水在滲流過程中，受到巖體阻隔的影響，產生了水頭損失，剩余水頭的比率可換算為折減系數。該方法簡單實用，但在前期階段，由于隧洞未開挖，無法準確獲取地下水活動資料，折減系數難以確定，而在實施階段，雖可根據施工開挖揭露情況取得地下水活動資料，但由于取值范圍大，取值仍存在一定的困難和不確定性；另外，折減系數未能考慮襯砌結構及排水措施等的影響，難以與實際情況相符合。因此，在SL279—2016《水工隧洞設計規范》中明確要求，對地質條件復雜及外水壓力較大的隧洞，其襯砌外水壓力應進行專門研究。

解析法假定圍巖為各向同性均勻連續介質，采用井的滲流理論，根據Darcy定理和連續方程推導后的公式近似計算襯砌上的外水壓力和滲流量。該方法概念清晰，計算方便，但主要適應于圍巖較為均一情況，在實際工程中可用于對圍巖的注漿參數和效果等進行分析。

對地質條件較為復雜的深埋隧洞，還需采用數值方法進行模擬分析計算。近年來，國內許多學者采用隨機連續模型、滲流-應力耦合模型等對隧洞開挖后的滲流場等進行模擬，取得了較好的效果。

2.2 減小襯砌外水壓力措施

為減小隧洞襯砌結構的外水壓力，排水是最有效的措施，最簡單的做法是在襯砌上鉆設排水孔，對外水壓力進行釋放，這主要適應于無壓洞，對有壓洞還需考慮內水外滲的影響。對深埋隧洞，由于水頭大，僅做排水有可能造成隧洞周邊區域地下水位的大幅降低，并可能疏干地表的泉、井，從而帶來嚴重的社會影響，對地質條件較差的洞段，還可能影響隧洞的穩定，需采用“堵排結合”或“以堵為主”的方案，即對圍巖進行灌漿，減小圍巖的滲透系數，使其成為阻水的主要屏障，同時設置排水，以進一步降低壓力。

對深埋隧洞，通過灌漿雖可顯著降低襯砌外水壓力，但由于作用水頭高，灌漿后在襯砌上仍會存在較大的外水壓力，排水措施尤其重要和必要。地下水可排入隧洞時，優先采用在襯砌上鉆設排水孔的“內排”措施。地下水水質較差不宜排入隧洞時，則需通過排水管或排水墊層將滲水“外排”至洞外。但需對排水管或排水墊層的材料、結構及布置等進行研究，其效果和耐久性是關鍵，以減少其損壞和失效的概率。

2.3 施工期的突涌水處理

突涌水是隧洞工程中普遍存在的地質災害，特別是富水地區的大埋深隧洞，常常給隧洞施工帶來嚴重的災害損失，并使隧洞工期大幅延長，如日本東海道干線的舊丹拿隧道在施工中曾遭遇6次大小不同的涌水，突涌水總量達15萬m3/d，不僅造成了巨大損失，還使施工周期延長16年。國內的錦屏二級水電站輔助洞、宜萬大支坪隧道、高黎貢山隧洞等也曾出現嚴重的涌水事故，給隧洞的施工帶來了嚴重的災害。

超前預注漿是解決突涌水問題較為有效的方法。以往主要采用先排后堵的方案，即先將一部分水排出洞外，待壓力降低后，再實施堵水灌漿，這樣可大大降低注漿施工的難度。但對深埋隧洞，長時間大流量的排水降壓可能引起大范圍的地下水位下降，極大地破壞周邊地區的水環境，嚴重時可導致次生地質災害。另外，由于泄水降壓需較長的時間，在延誤工期的同時也可能造成投資的大幅增加。隨著社會經濟的發展，“以堵為主”的措施是必然選擇。在建的“滇中引水”工程中，為減少對地下水環境的影響，采用了大量的超前預注漿措施。目前需要解決的關鍵技術是定量和精細化的超前地質預報技術，以及超高壓注漿設備及注漿成套工藝技術。

注漿材料是注漿技術的核心，需根據地層結構、水流狀態等綜合選取。深埋隧洞外水壓力高，需較高的注漿壓力，水泥-水玻璃漿液難以達到預期的凝固效果，可采用水泥漿液和膏狀漿液漿液等。對水泥基漿液，需滿足少析水、不沉淀等要求，注漿時漿液能自成整體，高壓低速水流不能進入漿液內部，并具有一定的抗沖能力，且滿足在高壓條件下流變性能緩變等要求。在施工工藝中，高壓水地層下的成孔工藝和孔口封閉技術是關鍵工藝。

施工中突發高壓涌水時，可根據涌水情況選用排水、堵水或二者相結合等方式。涌水量不大、不影響隧洞掘進時，可根據“適量排放”的原則進行排水。涌水量較大、嚴重影響隧洞掘進進度時，應采用帷幕注漿和徑向注漿方式進行堵水。出現較大集中涌水時，應采取局部注漿的方式對大涌水及時進行封堵。堵水的關鍵技術是快速處理技術，核心是注漿材料，需對高流速或高壓條件下的抗沖速凝型材料及配套設備和注漿工藝等進行重點研究。

3 高地應力條件下的軟巖大變形控制

3.1 預留變形量選擇

深埋隧洞通過軟巖時，在高地應力和富水條件下圍巖極易發生大變形，是深埋隧洞設計和施工中非常突出的問題。在不采取支護措施的情況下，軟巖開挖后的變形量可達數十厘米至一百多厘米，收斂的最終趨勢甚至可將隧洞封死。在采取支護措施的情況下，如果支護不當，可能產生較大變形導致支護設施嚴重扭曲、損壞。采用TBM掘進時，軟巖洞段的大變形可能導致襯砌混凝土管片損壞，嚴重時導致TBM卡機。山西萬家寨引黃工程7#隧洞在軟巖段掘進時，隧洞變形速率達3～4cm/h，導致TBM長時間被困。

輸水隧洞施工中，已普遍使用新奧法，及時和成熟的支護措施對控制圍巖的變形有較好的效果，但受施工程序和支護時間等因素的制約，以及開挖后變形大和快的特點影響，軟巖隧洞在襯砌前仍不可避免地存在一定量的變形，為確保隧洞凈空和襯砌結構厚度不被侵占，在深埋隧洞的設計中預留一定的圍巖變形量是非常必要的。

軟巖隧洞的變形受埋深、圍巖條件、施工工法、支護措施和時機等許多因素影響，開挖后的變形特性和變形過程十分復雜，預留變形量應經綜合分析確定。在這些因素里，支護強度和時機是十分重要，支護措施越強，時機越早，預留的變形量可越小，但支護工程投資越大，施工控制難度更高，適當加大預留變形量可能是一種較為經濟的選擇。在無法獲取現場實測資料時，對于埋深不大的隧洞，變形量可根據工程類比、經驗公式等進行確定。對于埋深較大的軟巖隧洞，還需結合數值分析經綜合比選研究確定。近年來，國內學者針對錦屏二級電站引水隧洞、引洮供水工程紅層軟巖隧洞等工程開展了相關研究，采取數值分析方法對期支護后的變形量進行了分析計算，并據此確定預留變形量，取得了一定的成果，但還需結合圍巖變形特性和本構模型的進一步研究，考慮支護措施、支護時機、施工工期、工程造價等因素，進行更深入地研究。

3.2 大變形控制

新奧法以初期支護技術為核心，采用“以柔克剛”的理念，開挖后先實施柔性支護，允許圍巖產生一定的變形，并充分發揮圍巖的自承作用，使圍巖和初期支護共同承受圍巖荷載和變形。軟巖大變形的控制應貫徹這一理念。

為控制軟巖大變形，前期設計中的洞型選擇和斷面優化十分重要。在滿足施工要求的前提下，應優先采用馬蹄形或橢圓形斷面；在可能產生大變形的高地應力區域，應優先選擇圓形斷面。支護措施中，貫徹“先柔后剛”和“先放后抗”的原則。采用鋼筋網噴混凝土、可縮鋼架及長錨桿等支護措施承受圍巖釋放的大部分應力，允許支護施作完成后發生一定程度的變形，達到設計預留的變形量后再施作二次模筑混凝土襯砌，允許二襯承受適當的圍巖荷載。

超前支護是控制軟巖變形的一種非常有效的措施。特別是對于斷層破碎帶、軟巖和塌方等洞段，在開挖前對其進行注漿，能夠對大變形起到很好的控制作用。常用的措施包括超前錨桿、超前管棚和超前小導管注漿。圍巖較差條件下，常規錨桿不能成孔時可采用自進式注漿錨桿；圍巖破碎、大變形問題較重時，可用長管棚加固；在大管棚難以施作地方，可采用雙層小導管進行注漿。當隧洞埋深非常大，且位于地下水位之下，常規的支護方法難以奏效時，可選用特殊的支護方法，如恒阻大變形錨桿、小直徑錨索、鋼纖維噴射混凝土、U型可縮鋼架、可縮式錨桿、雙拱支護等。

根據高地應力段軟巖易坍塌的特點，可采用短臺階法或短臺階和雙側壁相結合方法進行開挖。開挖時，盡量減少一次性開挖面積，維持開挖面的穩定。縮短開挖和支護之間時間間隔，縮短支護工作時間，使開挖部分能及時支護，防止圍巖變形、坍塌。嚴格控制爆破參數和循環進尺，采用減弱振動控制爆破技術，減少爆破對圍巖的擾動。在大斷面軟巖地質中采用普通的鉆爆法不利于圍巖的穩定，為減小爆破施工對圍巖的擾動，可引進銑挖機開挖。

為了保證隧洞凈空，抵御剩余較大的形變壓力，高地應力軟巖洞段襯砌應采用鋼筋混凝土結構。襯砌施作時機對于控制高地應力軟巖隧洞的永久變形十分重要，二次襯砌施作越早，對控制變形越有利，但其受力也越大，易導致二次襯砌開裂破壞，需通過有關計算分析進行確定。

3.3 巖石流變

流變是巖石重要的力學特性之一，不僅影響隧洞的開挖和支護，還控制隧洞的長期穩定性和耐久性。大量的現場量測和室內實驗表明，幾乎所有的巖石都或多或少的具有流變的性質，其中軟巖及含有泥質充填物和夾層破碎帶的巖體的流變性質非常顯著，對隧洞支護和襯砌影響最大。由于巖石的流變，巖石的變形和強度將隨時間的推移而發生較大的變化。隧洞開挖后，巖體的變形并不是瞬間達到最終值，而是隨時間逐漸變化發展，圍巖的應力及襯砌荷載亦將隨變形持續增長而不斷調整變化。

在隧洞初期支護和永久襯砌結構的計算中，以往通常的做法是根據工程經驗和類比，對隧洞開挖后及襯砌前的圍巖應力釋放系數進行假定，據此進行結構分析。這種假定可大大簡化計算的工作量，但由于不能完整地反映巖石的流變特性，也沒有考慮隧洞開挖和支護的過程，誤差較大，對初期支護措施的選擇及襯砌的長期穩定性不利。對深埋軟巖隧洞，為掌握開挖和支護過程中圍巖變形隨時間變化的特性，合理確定初期支護參數和時機，以及永久襯砌結構尺寸和實施時機，對軟巖的流變特性進行研究，選取合理的流變模型和參數，對隧洞開挖和支護過程進行數值分析和仿真模擬是十分必要的。

流變試驗是了解巖石在長期荷載作用下變形特性的重要手段，其研究結果可揭示巖石在不同受力條件下的流變力學特性。目前國內外對巖石流變力學特性在實驗研究方面已經取得了一些成果，但巖石作為自然界的一種復雜工程介質，掌握其真實和準確的力學特性并應用到隧洞工程實踐中，還需要進行更深入地研究。

4 超長隧洞施工通風和高地溫熱害防治

4.1 超長距離通風

深埋長隧洞垂直和水平埋深均較大，工作面往往距離洞口較遠，致使通風距離長、強度大，造成通風難度大，影響施工人員的安全和進度。

通風系統是隧洞施工的生命線，通風設計必須與隧洞施工組織相協調，并采取“合理布局，優化匹配”的原則，沖淡或排除各種有害氣體或巖塵，為洞內施工人員提供充足的新鮮空氣，創造適宜的勞動作業環境，同時也為維持掘進機和其他設備的正常運行提供必要的條件。近年來，隨著通風設備的發展，管道通風、巷道通風和管道巷道混合式通風等通風方式均有新的發展，特別是隨著掘進機技術的應用，管道通風作為長大隧洞施工通常采用的通風方式發展更快。研究和實踐表明，解決長距離通風問題的根本途徑是研究和應用大風量、大直徑、長距離管道通風技術，目前在國內外都取得了良好的效果，并在工程中逐漸推廣應用。

通風設計是深埋長隧洞施工設計中的重要組成部分，通風技術將直接影響隧洞獨頭掘進的規模、機械設備選型和施工工期等。通風方式的選擇需結合長隧洞施工特點和使用條件等進行研究，考慮地質條件、掘進長度、斷面尺寸、施工方法、設備條件、支洞布置、運輸方式及洞內污染物的種類和含量等因素，經綜合比較確定。長隧洞施工中利用自然風極其有限，采用機械通風是非常必要的。其中壓入式通風有效射程大、排塵作用強、對設備污染小，但長距離通風所需風量大，回風對整條隧洞污染大。抽出式通風有效吸程內排塵效果好，回風流不污染隧洞，但有效吸程短，只有當通風口離工作面很近時才能獲得滿意效果；混合式通風綜合了抽出式與壓入式通風的優點，可較好地適應長隧洞的施工通風。對于深埋長隧洞工程，可將隧洞的運營通風和施工通風綜合統一考慮，條件允許時可增設通風豎井，以減輕長隧洞施工通風的難度。

4.2 高地溫及熱害防治

實測資料表明，對淺表地層，地面以下每加深100m，地層溫度平均約提高約3℃。因機械作業，特別是TBM掘進將產生大量熱，導致隧洞施工環境溫度進一步升高。隧洞中若發生高地溫，一方面將惡化作業環境，降低勞動生產率，并嚴重威脅施工人員的安全。另一方面，也影響到施工材料如耐高溫炸藥的選擇，還有可能引起混凝土襯砌的開裂，影響隧洞的穩定。

隨著隧洞埋深的增加，地溫隨之升高，但這種趨勢并非線性關系。事實上，影響隧洞工程區地溫的因素非常多，如地層巖性、火山活動、地質構造、地下水活動、放射性元素等。一般情況下，導熱率小的巖層熱傳遞慢，地溫梯度小，導熱率大的巖層熱傳遞速度快，地溫梯度大。從巖性分析，近代火山附近巖漿巖的地溫梯度大，侵入巖和深變質巖次之，沉積巖相對較小。地溫與區域構造活動密切相關。在構造活動強烈地區，斷裂發育，巖漿侵入和火山活動強烈，地球深部的熱量可通過大斷裂、巖漿侵入和火山活動帶至地殼，形成高地溫異常帶。地下水活動也是影響地溫場的重要因素。錦屏二級電站引水隧洞垂直裂隙發育，而山頂年平均氣溫較低，低溫水自上而下流動，顯著降低了隧洞施工時的環境溫度，因此地溫對施工的影響較小。

由于地質介質的復雜性，以及包括地下水在內的各種外界因素的影響，致使深埋隧洞圍巖地質體的地溫分布問題十分復雜。目前研究主要包括兩個方面：結合鉆孔資料分析，建立巖溫預測經驗公式，對實際工程地溫進行預測；研究地溫場反演方法，通過數值模擬，對實際工程溫度場進行預測評價。這些研究取得了一定的成果，但在具體工程的實際運用中仍存在一定的差異性。為了更好地指導大深埋長隧洞工程的設計和施工，還需結合深埋隧洞特點在地溫影響因素、分布特性、反演方法、數值模擬、評價預測等方面進行進一步研究。

高地溫熱害防治的主要工程措施是對隧洞進行降溫處理，通過對隧洞的熱環境進行控制，為洞內施工人員提供適宜的作業環境條件，確保人員健康作業，并避免因熱害引發安全事故。為避免熱環境控制范圍過大而增加熱害處理難度和工程投資，熱環境控制的合理區域范圍主要為洞內人員集中作業區域。降溫的主要措施為通風措施，新鮮風通過風機、風筒供送至掌子面，風流經過開挖面時在巖面上進行熱交換，以降低掌子面附近作業區域的環境溫度。隧洞內施工環境受圍巖放熱、設備散熱、爆破散熱、施工人員放熱及地下熱水散熱等諸多因素影響，通風設計時需綜合分析各種散熱源釋放的熱量。對通風措施不足以將作業面環境溫度降低至控制標準溫度時，可采取強制制冷措施進行降溫。對于高地溫隧洞，除降溫、制冷等措施外，還可采用洞內低溫水利用、圍巖封閉隔熱、個體防護、勞動保護及優化施工組織等輔助措施，這些措施也十分必要和重要。

5 結語

隨著“新奧法”和TBM等施工技術的發展，深埋長隧洞在長距離調水工程實踐中已獲得了較多的運用。其優點是可以大大縮短輸水線路長度和建筑物數量，減少移民占地及其帶來的社會影響，減小工程運行管理難度，并可能減少工程投資。但受地質條件和施工環境等的影響，深埋長隧洞的工程建設難度非常大。高埋深帶來的高地應力和巖爆問題、高外水壓力和強突涌水問題，高應力條件下軟巖洞段帶來的軟巖大變形控制問題，以及超長距離施工通風和高地溫問題，均給工程建設帶來了極大的難度和挑戰。已建成的錦屏二級水電站引水洞等工程的建設為解決這些問題提供了十分豐富和寶貴的經驗。但基于深埋隧洞本身條件的復雜性和不可預見性，加上單個工程的特殊性，許多問題還需要進一步深入研究。