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1、浅谈引汉济渭工程秦岭隧洞设计关键技术 摘 要隧洞施工，需要建设各方密切配合，根据围岩变化及时确定安全可靠、经济合理的支护措施和施工方案。就隧洞施工中的动态设计、超前预报、开挖方式、初期支护、二次衬砌与掌子面的距离等常常遇到的若干技术问题结合有关技术文件和规范进行了探讨，希望能引起引汉济渭工程建设者的关注。关键词：引汉济渭；隧洞施工；技术探讨1 项目概况引汉济渭工程是从陕南的汉江流域调水到渭河流域的关中地区，是解决关中水资源短缺，实现陕西省内水资源的优化配置，促进全省经济协调发展的跨流域调水工程。秦岭输水隧洞是引汉济渭工程的唯一输水工程。秦岭隧洞总长 98 km，隧洞为明流洞，隧洞设计流量 70
2、 m3/s，规划向关中调水 15 亿 m3。越岭段约 40 km 为 TBM 施工，其余支洞、主洞均为传统的钻爆法施工。秦岭隧洞施工具有埋深大，地质情况复杂，施工难度大等特点。参与设计的单位分别为铁一院和黄河院，施工单位以铁路系统施工企业为主。由于水利水电和铁路、公路隧洞常常有行业技术规范的差异，在施工中，不同行业规范的良好协调与融合，保证了引汉济渭工程隧洞施工的顺利进行，下面就有关技术问题进行探讨。引汉济渭工程秦岭隧洞具有超长隧洞、大埋深、地质条件复杂、高地温、高地应力、施工通风及运输距离长等特点，隧洞施工难度堪称世界之最。秦岭隧洞起点位于三河口水利枢纽坝后右岸，终点位于黑河金盆水库东侧黄池
3、沟，全长 98.3km，最大埋深约 2000m，其中穿越秦岭主脊段总长约 39km，采用 TBM 法施工，分岭南 TBM 施工段和岭北 TBM 施工段。岭南施工段由 3 号支洞进入主洞，岭北施工段由 6 号支洞进入主洞，相向施工。隧洞设计流量 70m3/s，平均比降为 1/2500，隧洞钻爆法施工段断面采用马蹄型，尺寸 6.76m6.76m；TBM 施工段开挖直径为 8.02m。为配合 TBM 施工，同时修建 4# 和 5# 两个施工支洞，断面形式采用城门洞型。2 工程特点和技术难点引汉济渭工程难度大、技术复杂，多项参数突破世界工程记录，也超越了现有设计规范。无现有工程实例可以参考，也无相关标
4、准可遵循。工程的设计、施工、运行均面临诸多风险。工程的实施还存在一系列没有解决的工程技术难关和项目管理难题，需通过科学研究解决，因此对秦岭隧洞设计及施工技术探讨十分必要、非常紧迫,具有重大的理论与现实意义。2.1 工程特点（1）深埋超长隧洞的贯穿问题超越了现有设计规范。引汉济渭工程的引水隧洞工程位于东经 108，北纬 33153405，南北长 100 多公里，东西 2km 左右。隧洞总长 98.3km，其中黄三段长 16.5km，越岭段长 81.8km，属于超长隧洞。秦岭隧洞 3# 6# 斜井段贯通段长 39 . 3km，由于该隧道通过秦岭主峰中段，山高林密又是野生动物保护区，因此只能采用 T
5、BM 技术南北对挖。该项工程无论从隧洞总长，还是单个贯通长度都居世界前列。而且目前国际、国内的相关测量规范中对于相向开挖长度大于 20 km 的隧洞还没有相应的贯通误差值可以参考，因此开展引汉济渭工程控制测量关键技术的研究十分必要。（2）引水隧洞面临超长距离通风、岩爆、高温灾害等一系列施工风险。引汉济渭工程中最具挑战性的关键技术难点是解决从黄金峡到关中的穿越秦岭的引水道的施工和运行中的难题。整个工程具有超长隧洞，大埋深、地质条件复杂，高地温，高地应力的特征，秦岭隧洞越 岭 段 全 长 81. 8km， 隧 洞 最 大 埋 深 2000m，沿线分别穿越大理岩、花岗岩、闪长岩、千枚岩夹变质砂岩，隧
6、洞埋深最大处原岩地温预计可达到 42，最大水平地应力预计超过 50 MPa 60 MPa。相对开挖的两个掌子面之间最大距离达到 40km。采用的钻爆法施工的过水断面为马蹄型，采用 TBM 施工的为圆形断面，直径是 8.02m。2.2 技术难点及研究内容由于引汉济渭工程秦岭隧洞的上述超常特点，以及设计指标超出规范范围和没有工程先例可以借鉴，使得隧洞的设计、施工以及运行存在许多超常规的关键技术难题，如：超长深埋隧洞围岩的基本工程特性；涌水突泥问题；高地应力的岩爆预测与防治；高地应力围岩变形与稳定性分析及支护设计；施工期围岩实时监测及支护优化设计；通风及 TBM 施工关键技术；超长深埋隧洞地质灾害预
7、测预报及信息管理系统等。3 秦岭隧洞设计与施工技术研究3.1 深埋超长隧洞的控制测量（1）由于引汉济渭工程隧洞总长 98.3km，是由多段、采用两种不同施工方法施工的，因此应建整体的隧道外平面和高程控制网,即将黄三段和越岭段一起建立, 使得各隧道洞口控制点坐标系统和点位精度一致,以保证各段隧洞能按规范要求衔接，在整体上不会偏移。（2） 秦岭隧洞埋深较大，最大埋深 2000m，采用施工支洞进入主洞施工，从洞口到主洞距离比较长，应要考虑将洞口坐标传递到主洞面的坐标误差和方位误差。（3）由于秦岭隧洞中一段单隧洞距离超长、超深，中间通风口又少，对于洞内采用全站仪导线控制测量和水准测量时，应注意洞中水气
8、和粉尘对测量精度的影响，为控制方向偏差，应加测陀螺定向边。（4）秦岭隧洞总长 98.3km，施工测量中应考虑地球曲率影响。（5）由于该工程是深埋超长隧洞，国内外缺少施工测量经验，因此在施工中应加强检测，加强施工监理工作。3.2 不利地质条件涌水突泥问题处理措施秦岭隧洞通过各断层破碎带、大理岩地段，由于构造裂隙水及岩溶水较发育，地下水循环较快，施工中有可能产生突然涌水现象; 在通过断层泥砾带、含泥质地层的影响带时有可能产生突水涌泥现象。在我国各种已建隧洞工程中，80%在施工中遇有地下水的危害，其中涌水突泥是隧洞工程施工中最为常见的地质灾害。例如日本垮腰隧道曾因涌水影响工期 64 个月；已经建成的
9、锦屏辅助洞的施工工程中也出现长时间的涌水问题，并呈现“高水头、大流量、强交替、突发性”的特点。隧洞施工中突发大量涌水，危害严重，不仅造成设备、人身事故，甚至被迫停工，贻误工期，且处理困难，费用昂贵。因此，能否及时、成功的预报和处理地下水，直接关系到工程的工期和安全。从以往的工程实践分析，隧洞地下水预报是地质工作的难点。2005 年 10 月，国务院南水北调办公室和中国岩土工程学会在北京召开由国内外知名专家参加的南水北调西线工程深埋长隧洞 TBM 施工技术讨论会，对于深埋长隧洞施工中可能会碰到的岩爆问题、活断层和破碎带问题、有害气体问题、高地热问题以及高地压下的软岩支护问题等均进行了热烈讨论并提
10、出对策措施，但对于高压大流量涌水问题，国内外专家均未能提出有效的解决措施。秦岭地区高山峡谷，地质条件极为复杂，埋深大、洞线长、难分割的输水隧洞穿越秦岭，大范围的工程地质勘察工作将不能满足隧道开凿所需要控制的工程地质和水文地质信息，复杂的地质条件及工程地质和水文地质勘探过程中的不全面性，为隧洞开挖过程中涌水突泥的孕育、发生和发展提供了一定的条件，对于引汉济渭中的具有巨厚覆盖岩层的超长深埋隧洞工程，如何及时、成功地预报和处理涌水问题，是大断面深埋超长隧洞工程成败的关键。隧道所处地带的地质构造、水文地质情况是弄清涌水突泥机理和实施处理措施的关键所在，因此在超长深埋长隧洞中如果通过物探、钻探等技术弄清
11、隧道所处地带的地质构造、水文地质情况和地下水的水力学是解决涌水突泥的关键所在。总结国内外已建工程的成功经验，为防止或处理深埋长大隧洞施工中可能产生的涌水问题，应视建设阶段和具体情况，分别采取“报、避、排、堵”的对策进行处理。3.3 施工期围岩实时监测、反演反馈与支护优化设计随着隧道工程的理论和方法不断进步，在隧道工程建设中人们已经逐渐认识到信息化设计和施工是保证隧洞施工安全的重要手段。传统的隧道工程建设方法是地质勘察为设计提供资料、设计为施工提供设计图纸，不参与施工过程，造成了工程地质勘查、设计与施工脱节，从而造成工程事故频繁、工程质量低劣和工程造价的提高。现代理论和方法认为，隧洞工程建设中，
12、应该在施工前、后以及施工过程中及时收集地质条件和施工状况信息，根据相应的监测资料进行反馈分析到设计并指导施工，达到优化工程建设的目的，由此引入以快速监测与反馈分析为主要目的的信息化设计与施工理论和方法就显得尤为必要。3.4 TBM 施工关键技术为克服复杂的地质条件和自然环境条件，提高深埋长隧洞的掘进效率，保证施工的安全性和结构的可靠性，TBM 隧道掘进技术经常被作为首选的隧道开挖技术。引汉济渭工程中涉及的深埋长隧洞具有埋深大、单洞长度大的特点，以及复杂的工程地质条件和自然气候条件，决定了在 TBM 施工中必然会遇到诸如低压缺氧对内燃机的机械效率和对人员生活的影响问题；缺氧、高温及存在有害气体条
13、件下的隧洞通风问题；活断层问题；高地应力问题；高地温和岩爆问题；地下水和高压涌水问题等新的技术难题。技术方案的重点是掌握岭脊TBM 施工段的地质情况，对 TBM 设备进行慎重的针对性设计，保证其对不同地层具有必要的适用性，对涌水、围岩失稳等突发问题有可靠的应对措施，对 TBM 不易在洞内更换的关键部件进行耐久性设计，制订相应的运行措施。其次，切实重视并落实施工过程的地质超前预报工作，解决好通风、运输、排水等施工保障问题。3.5 超长深埋隧洞地质灾害预测隧道施工期地质超前预报历经几十年的发展，国内外均己将此列为隧道工程建设的重要研究内容。从目前国内外的研究现状来看，各种超前预报技术方法己经做过很
14、多的研究工作，但是各种超前预报的技术方法各有优缺点。目前常用的预报方法有:地质调查法、地质雷达(GPR)、TSP203、超前钻探、红外探水和电磁法等。经过多年来的发展，隧道地质灾害预测预报的这些技术在国内外包括公路、铁路、水工、矿山等大量的隧道工程中取得了非常好应用效果。但是，单一的地质超前预报方法由于自身的多解性和复杂环境的干扰性均不能提供准确可靠的成果，而且目前的预测预报技术是针对某种地质灾害问题进行，存在着单一性和孤立性。在施工中宜考虑 TBM 连续施工的特点采用多种超前预测手段相结合，地质灾害的长期预测预报和短期预测预报结合，隧道施工监测数据、超前探测设备取得的探测成果和区域工程地质水
15、文地质条件多、数据多、因素相结合的方法，建立一套地质灾害预测预报的信息管理系统，为隧洞特别是象穿越秦岭输水隧洞这样的复杂条件下隧洞施工提供安全可靠的技术保证。构建一套深埋超长隧洞岩爆、涌水、突泥、塌方等地质灾害的专家系统，包括工程地质和水文地质条件、结构设计信息、施工相关信息、监测信息和现场监控图像信息等各类信息，有利于深埋超长隧洞工程的控制、管理和协调，是一项具有开创性的工作。3.6 高地应力围岩变形与稳定性分析及支护设计国内外主要严重大变形隧道的整治经验表明，锚、注、喷一体化（锚、注为核心）围岩加固支护技术在大变形隧道的支护、控制方面是卓有成效的。当然，该项技术还有待于进一步完善、优化，以
16、减少支护工作量、降低支护工程造价并缩短支护周期。重点是开展高地应力软岩变形特性研究、软岩大变形过程强度衰减机理及规律研究、深埋长隧洞高地应力软岩的破坏特征研究、软岩围岩分区研究、支护荷载与围岩变形规律研究和软岩大变形的支护技术研究，以期为设计提供可靠的支护参数和确定科学有效的对策措施。3.7 秦岭隧洞涌水量计算研究现状秦岭地区，区域地形地貌、地质构造等地质条件十分复杂，在断裂、节理控制下水系发育，坡降大，地表径流量亦大，地形变化复杂，使之以节理裂隙为运移通道的基岩裂隙地下水的埋深、分布及动态化等水文地质特征也更复杂化49。因此长期以来在修建各种隧道工程中，隧道涌水量计算成为一大难题。毛建安等 49在 秦岭隧道水文地质的综合勘察与预测计算法的综合研究中以 1995 年开工的秦岭隧道为研究对象，在勘探基础上，根据获得的相应参数，采用地下径流模数法、地下水动力学方法对隧道涌水进行了计算与预测，并对相关方法的优缺点做了简单评价。文中采用落合敏郎法计算了隧道稳定涌水量，大岛洋志法计算隧道可
