引漢濟渭秦嶺特長隧洞設(shè)計概況

李凌志

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，710043，西安）

引漢濟渭調(diào)水項目是解決陜西省關(guān)中地區(qū)水資源短缺、影響全局、改變?nèi)彼置娴膽?zhàn)略性工程，工程的實施對保障關(guān)中地區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)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(cè)2 km處黃池溝，洞內(nèi)平均縱坡 1/2500，設(shè)計流量 70 m3/s，年平均調(diào)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(shè)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(xù)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(fēng)、連續(xù)皮帶機運輸及反坡排水是施工的一大難題；高地應(yīng)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(zhì)及水文地質(zhì)

秦嶺特長隧洞主要穿越變質(zhì)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(qū)域性大斷層及其4條次一級斷層和33條地區(qū)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(fā)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(yù)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(wěn)定性總體較好，以硬質(zhì)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(zhì)問題是大理巖及構(gòu)造破碎帶有可能出現(xiàn)較大涌水；深埋段可能產(chǎn)生巖爆、軟巖變形、圍巖失穩(wěn)等不良地質(zhì)。

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(jù)秦嶺地區(qū)地質(zhì)情況，結(jié)合現(xiàn)場的地形，經(jīng)對鉆爆法在內(nèi)的多種施工方法和不同形式、不同數(shù)量的施工支洞進行多組合、同精度比選，最終選定經(jīng)濟合理、技術(shù)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(shè)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(qū)施工支洞，輔助施工主洞；3號、6號斜井為TBM設(shè)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(dāng)TBM施工通過4號、5號支洞后，將其出渣、進料、施工通風(fēng)、供電等分別轉(zhuǎn)場至4號、5號斜井，嶺脊地段TBM拆卸洞設(shè)在兩臺TBM貫通面附近。工區(qū)布置示意見圖1。

圖1 工程布置圖

三、關(guān)鍵技術(shù)

秦嶺特長隧洞 （越嶺段）全長81.779km，為引漢濟渭調(diào)水項目的控制性關(guān)鍵工程，具有選線困難、地質(zhì)復(fù)雜、埋深大、高地應(yīng)力，巖爆、單臺TBM連續(xù)掘進及施工通風(fēng)距離長等特點。系統(tǒng)解決上述技術(shù)問題，對項目的順利實施至關(guān)重要，同時在揭示深層地質(zhì)的特性和影響、研究應(yīng)對方法、解決復(fù)雜地質(zhì)、長距離條件下施工及總結(jié)實施經(jīng)驗等方面意義非凡，對行業(yè)技術(shù)發(fā)展意義重大。

1.復(fù)雜山區(qū)特長隧洞的綜合選線技術(shù)

選擇一條經(jīng)濟合理、技術(shù)可行、綠色環(huán)保的越嶺洞線是成功實施的關(guān)鍵。在秦嶺隧洞越嶺方案選線過程中，采用了衛(wèi)星定位技術(shù)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(shù)，鉆探、物理勘探、遙感等立體化綜合勘探技術(shù)及原地應(yīng)力測試技術(shù)等，開展了“點、線、面結(jié)合，深淺結(jié)合，多層次、多參數(shù)的立體化綜合勘探”。在650 km2范圍內(nèi)進行綜合勘察選線，查明了該地區(qū)各越嶺埡口的地質(zhì)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(zhì)條件最好、洞線較短、對自然環(huán)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(xù)掘進長度是方案選擇的重要指標(biāo)。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(guān)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(wù)，而其他大型結(jié)構(gòu)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(shù)上雖然是可行的，但本隧洞2臺TBM掘進長度在國內(nèi)外工程中均位于前列，且涉及的主要地層堅硬完整，屬硬質(zhì)巖類，2臺TBM施工如此長距離段落存在一定施工風(fēng)險。因此，在施工中需通過加強TBM施工狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作，合理制定日常保養(yǎng)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(yǎng)，保障TBM配件供應(yīng)等措施，提高保證率，確保工程的順利實施。

3.施工通風(fēng)問題

施工通風(fēng)是項目成功實施的關(guān)鍵。地下作業(yè)一切耗氧源的氧氣需求均來源于供風(fēng)系統(tǒng)，其技術(shù)水平制約著輔助坑道的布置，是工程規(guī)模的控制因素之一，如何解決好超長距離的施工通風(fēng)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(fēng)距離最長達16.2 km。為解決其通風(fēng)難題，保證通風(fēng)效果，本項目通過包含標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境、13個通風(fēng)方案及各種材質(zhì)比對分析的科研攻關(guān)，制定科學(xué)合理的通風(fēng)方案，施工中除選用合理的通風(fēng)方式、加強長距離送風(fēng)技術(shù)應(yīng)用、采用先進的通風(fēng)設(shè)備及加強管理，結(jié)合秦嶺公鐵路研究成果，借鑒國內(nèi)外類似工程的成功經(jīng)驗，TBM段最大通風(fēng)長度16.2 km在技術(shù)上是可行的。

4.高地應(yīng)力及巖爆

長期以來，高地應(yīng)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(guān)重要。根據(jù)本工程地應(yīng)力測試成果，巖體最大水平主應(yīng)力為29.85 MPa，隧洞施工中可能會產(chǎn)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(wǎng)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(shè)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(zhì)監(jiān)測和預(yù)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(zhì)雷達等超前地質(zhì)預(yù)報方法，進一步判明地質(zhì)情況，獲取施工掌子面前方的物性參數(shù)，制定相應(yīng)的處置措施；其次通過采用超前鉆孔進行預(yù)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(jiān)控量測，當(dāng)監(jiān)控量測顯示開挖后隧洞的變形速度或變形值按監(jiān)控量測評價系統(tǒng)評價需采取處理措施時，可進行超前預(yù)注漿加固地層并加強初期支護等措施。

四、結(jié) 語

盡管從技術(shù)上存在以上諸方面難題，但是通過大量的地質(zhì)勘探工作及研究，可以認(rèn)為該項目在地質(zhì)方面不存在制約工程實施的重大問題，面臨的地質(zhì)風(fēng)險可以通過工程措施加以解決；技術(shù)方面可以在借鑒國內(nèi)外類似工程成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上通過技術(shù)攻關(guān)及研究解決。結(jié)合秦嶺公路、鐵路及引乾濟石等5條18 km特長隧洞的通風(fēng)、運輸?shù)榷囗椏蒲性囼灣晒皩Ω鞣N不良地質(zhì)（如巖爆、高溫、高地應(yīng)力及斷層破碎帶等）總結(jié)出的設(shè)計及施工經(jīng)驗，依托關(guān)鍵技術(shù)的科研攻關(guān)及創(chuàng)新，成功修建秦嶺隧洞是有信心的。