深埋長大水工隧洞探究

□劉愛華

（河南寶泓建筑工程有限公司）

0 引言

隨著經濟社會的進一步發展，城市化進程的加快，面臨著環境惡化和土地衰退的嚴峻挑戰。傳統的水利水電工程都需要占用大范圍的地面資源，不僅造成截水毀林、環境污染，還影響人民群眾的日常生活。近年來，新型能源所占社會消耗比例不斷提升，尤其是水力資源轉化能源的巨大潛力，客觀上推動了水工隧洞的快速發展。深埋長大水工隧洞施工是一項占用少量地面資源的有效技術，為響應國家節能減排、科學發展的戰略號召，研究深埋長大水工隧洞施工的新技術具有重要的作用。

1 深埋長大水工隧洞現狀

水工隧洞就是在山體中或地下開鑿的過水洞，主要用于灌溉、發電、供水、泄水、輸水、施工導流和通航等。目前國內對“長大”的概念并沒有統一標準，理論上國內把10 km以上的隧洞施工列入“長大”范疇。深埋長大水工隧洞施工最早可以追溯到1908 年，詹天佑工程師主持設計并建造了中國歷史上第一條中國人設計的鐵路，從北京至張家口，在此鐵路上沿線上鑿了八達嶺隧洞，隧洞全長1 091 m，為中國開啟了隧洞建設的進程。

在20 世紀70 年代，隨著“新奧法”的引進，中國水電發展中水工隧洞的應用更加普遍，較為著名的是魯布革水電站，水工隧洞的長度上達到了9.38 km，開挖直徑8 m，實現了引水隧洞全斷面針梁鋼模混凝土施工技術的應用。

隨著經濟社會的發展，科學技術的提升，從20世紀80年代開始進行長大規模隧洞的施工，如：大瑤山隧洞建設施工中采用改了鑿巖臺車、襯砌模板臺車等運輸工具，以全斷面開挖的形式，是重型機械綜合化使用的開端，這之后中國的深埋長大水工隧洞越來越符合時代發展的進程和社會發展的節奏。隨著社會的發展，經濟力量、科技力量不斷提升，水工隧洞的建設也呈現出良好的發展態勢。進入21 世紀以后，中國在水工隧洞的發展速度上進步更快，同時在較多方面實現了自主化生產經營，目前國內水工隧洞總長度已超過1 500 km。

2 水工隧洞設計類型

水工隧洞的設計是基于一定目的出現的，按不同的分類標準會有不同的類型。按洞內受壓狀態對水工隧洞進行分類，可以分為有壓隧洞和無壓隧洞，有壓隧洞指水流充滿整個全洞，使洞壁承受一定內水壓力，無壓隧洞是指水流不充滿全洞，在洞內具與大氣接觸的自由水面。

按其功用對水工隧洞進行分類，可以分為以下幾類，具體內容見表1。

表1 水工隧洞分類表

3 深埋長大水工隧洞存在的問題

3.1 地質方面的問題

深埋長大水工隧洞工程有時需要跨越不同地質區段甚至是地質區域，巖體性質就會發生很大變化，從而會增加不良地質問題出現的概率，因此深埋長大水工隧洞工程地質問題已成為工程的重要制約因素。深埋長大水工隧洞工程地質條件也是日趨復雜，且其勘察工作有諸多的困難。不確定因素常發生，且不能完全消除，即使前期進行了深入的勘測與探查，地理地質條件的變動卻是不可抗拒的。

由于原位應力高，巖體無側限抗壓強度較低、塌方、巖爆、高地溫、突水、突泥和涌水、有害氣體、放射性污染等原因，大大影響了深埋長大水工隧洞的建設。突涌水、高應力條件下的巖爆與軟弱破碎圍巖大變形和高地溫問題是深埋長大水工隧洞工程地質問題中最為常見的地質災害；其中，涌水問題主要發生在斷層破碎帶、節理裂隙密集帶等地質薄弱地段；巖爆發生主要是由于深埋長隧洞埋深大，造成隧洞周圍地應力較高，從而增加巖爆發生的可能性；高地溫問題規律是：隧洞埋深越大地溫越高，1 000 m 以內的埋深，地溫隨埋深的變化不大；1 500 m 以上的埋深，地溫將隨著埋深的增加而急劇升高。受到放射性嚴重危害的工程實例雖較少見，但深埋長大水工隧洞工程線路上如果存在大范圍放射性礦物，危害大，難處理，應首先考慮避繞。

3.2 施工方面的問題

在水利水電工程的深埋長大水工隧洞建設中，施工方法很容易受到施工地點具體情況的影響。由于深埋長大水工隧洞工程和其它水利工程不同，工藝要求更高，支護系統要求更嚴謹，加之難以預測的地質變動和氣候災害等影響，對施工都會產生不利的影響和挑戰；尤其很容易受到水力學條件和運行條件限制，施工時會發生不利于排水的情況出現，這都會給施工帶來很大的影響和壓力，不利于施工的順利進行。

3.3 其它方面的問題

由于深埋長大水工隧洞工程大多分布在崇山峻嶺中，當穿越煤系地層時有害氣體和大變形問題最為突出。深埋長大水工隧洞自然環境比較復雜，容易遭遇不良地質條件，事故發生的幾率較大。深埋長大水工隧洞不僅長度大，而且埋深深，很難布置平洞、豎井和斜井，所以工作面往往距離洞口遠，通風不好，給施工作業人員施工作業環境更業艱巨，給施工帶來困難。另外，深埋長大水工隧洞施工支洞比較少，一般長度長，運輸距離較遠，而且只能在有限的通道內進行單線運輸，施工成本也增高。

4 深埋長大水工隧洞施工新技術的應用

4.1 鉆爆法

鉆爆法可以說是深埋長大水工隧洞施工中所應用的最為成熟和安全的技術，該方法適應地質條件范圍廣，可實現各種斷面施工，對于各種復雜的斷面也能夠輕松應對，應變能力強，成本相對來說比較低。所謂鉆爆法，即利用精細爆破、鉆探、適時噴錨和監測反饋等相關內容為核心，實行精確和高質量的隧洞開挖打通，是中國采用最多的施工方法之一。

本質上說，鉆爆法遵循“新奧法”的原理建造地下空間；在實際施工過程中要注意以下幾點：一是要盡可能地維持水隧洞周圍巖石的原始強度，二是為了安全地發揮圍巖的全部強度，必須對地層變形進行控制，因為過分的變形將導致強度喪失，嚴重造成安全強度數值超出范圍，這時就要利用石錨桿、土錨等方式抑制圍巖變形；三是施工期間，盡可能縮短水工隧道不支護的時間，為減少對地層的擾動要最短時間內開挖成全斷面。

要采用鉆爆法實現快速有效地施工，首先，要強調施工安全，安全是基礎；其次，配備成套的高性能的機械設備；再次，要實現超前勘測，認真做好勘測工作；然后，按部就班的進行開挖、支護、灌漿等施工內容；最后，還要有充分的應急預案。深埋長大水工隧洞施工時采用鉆爆法，每次鉆爆不能超過5 km，開挖和支護的日進尺平均值要在每天約8～9 m。

4.2 TBM法

所謂“TBM 法”即全斷面巖石掘進機應用方式，是基于掘進機上設備展開的隧洞開挖技術，出現于20世紀50年代的美國，1952 年，美國羅賓斯（ROBBINS）公司生產了第一臺能實用的刀盤直徑8m 的掘進機以來，經過幾十年的發展、進步，掘進機在技術上日趨成熟。

掘進機從形式上劃分，主要包括全斷面掘進和部分斷面掘進方式，隨著技術應用面的擴大，又對掘進機進行細分，全斷面掘進又可分為有氛圍全斷面巖石掘進和盾構機掘進兩類。對于一些復雜地質環境中出現的單護盾、雙護盾和三護盾等不同類型設備產品，已經成為現代隧洞施工中的主要力量。掘進機施工的關鍵是正確選型，除了主機外，還要有后配套系統設備協同作業，以保證施工過程的連續性。

TBM 法的應用在很大程度上表現出機械設備的優勢，尤其對于一些大型工程，在強調安全同時要求施工周期短、施工質量高，而TBM 法恰好能充分發揮很好的安全功能；施工速度快、勞動強度相對小，同樣施工環境下可實現的開挖進度是常規人工手段的3～6 倍；施工環境也相對較好，這正是深埋長大水工隧洞，尤其是獨頭掘進距離較長條件下較理想的施工方法。但TBM 法也存在一定的局限性，第一，TBM 法中所用到的掘進機設備屬于典型的非標設備，都是根據項目進行定制的，要根據具體的某一個施工項目進行設計，然后在把組件進行安裝，一是增加了投資，二是維護管理困難；第二，任何一個部件的缺失都可能造成停工現象，要保證各個部件的正常運轉；第三，掘進機的性能發揮對工程地質條件、水文條件、土質條件等依賴性很大。

5 結語

深埋長大水工隧洞施工中國現階段發展而言具有重要意義，既符合低碳經濟、節能減排和環保的主題，又是現代社會最需要的，發展最迅速的施工技術。正是深埋長大水工隧洞施工技術不斷創新，使得深埋長大水隧洞用途越來越多，作用日益重要。深埋長隧洞不僅會面臨一些常規隧洞常遇到的問題，而且會出現高地溫、巖爆、涌水、塌方和施工通風等一系列的問題。因此，施工中需要先進的施工技術，因此需要不斷創新、改進施工技術，隨著科學技術的發展，深埋長大水工隧洞施工將會不斷地進步與完善。