深埋長(zhǎng)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(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，面臨著環(huán)境惡化和土地衰退的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)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(huán)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(huì)消耗比例不斷提升，尤其是水力資源轉(zhuǎn)化能源的巨大潛力，客觀上推動(dòng)了水工隧洞的快速發(fā)展。深埋長(zhǎng)大水工隧洞施工是一項(xiàng)占用少量地面資源的有效技術(shù)，為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排、科學(xué)發(fā)展的戰(zhàn)略號(hào)召，研究深埋長(zhǎng)大水工隧洞施工的新技術(shù)具有重要的作用。

1 深埋長(zhǎng)大水工隧洞現(xiàn)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(fā)電、供水、泄水、輸水、施工導(dǎo)流和通航等。目前國(guó)內(nèi)對(duì)“長(zhǎng)大”的概念并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，理論上國(guó)內(nèi)把10 km以上的隧洞施工列入“長(zhǎng)大”范疇。深埋長(zhǎng)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(shè)計(jì)并建造了中國(guó)歷史上第一條中國(guó)人設(shè)計(jì)的鐵路，從北京至張家口，在此鐵路上沿線上鑿了八達(dá)嶺隧洞，隧洞全長(zhǎng)1 091 m，為中國(guó)開啟了隧洞建設(shè)的進(jìn)程。

在20 世紀(jì)70 年代，隨著“新奧法”的引進(jìn)，中國(guó)水電發(fā)展中水工隧洞的應(yīng)用更加普遍，較為著名的是魯布革水電站，水工隧洞的長(zhǎng)度上達(dá)到了9.38 km，開挖直徑8 m，實(shí)現(xiàn)了引水隧洞全斷面針梁鋼?；炷潦┕ぜ夹g(shù)的應(yīng)用。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的提升，從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行長(zhǎng)大規(guī)模隧洞的施工，如：大瑤山隧洞建設(shè)施工中采用改了鑿巖臺(tái)車、襯砌模板臺(tái)車等運(yùn)輸工具，以全斷面開挖的形式，是重型機(jī)械綜合化使用的開端，這之后中國(guó)的深埋長(zhǎng)大水工隧洞越來越符合時(shí)代發(fā)展的進(jìn)程和社會(huì)發(fā)展的節(jié)奏。隨著社會(huì)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)力量、科技力量不斷提升，水工隧洞的建設(shè)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。進(jìn)入21 世紀(jì)以后，中國(guó)在水工隧洞的發(fā)展速度上進(jìn)步更快，同時(shí)在較多方面實(shí)現(xiàn)了自主化生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，目前國(guó)內(nèi)水工隧洞總長(zhǎng)度已超過1 500 km。

2 水工隧洞設(shè)計(jì)類型

水工隧洞的設(shè)計(jì)是基于一定目的出現(xiàn)的，按不同的分類標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有不同的類型。按洞內(nèi)受壓狀態(tài)對(duì)水工隧洞進(jìn)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(gè)全洞，使洞壁承受一定內(nèi)水壓力，無壓隧洞是指水流不充滿全洞，在洞內(nèi)具與大氣接觸的自由水面。

按其功用對(duì)水工隧洞進(jìn)行分類，可以分為以下幾類，具體內(nèi)容見表1。

表1 水工隧洞分類表

3 深埋長(zhǎng)大水工隧洞存在的問題

3.1 地質(zhì)方面的問題

深埋長(zhǎng)大水工隧洞工程有時(shí)需要跨越不同地質(zhì)區(qū)段甚至是地質(zhì)區(qū)域，巖體性質(zhì)就會(huì)發(fā)生很大變化，從而會(huì)增加不良地質(zhì)問題出現(xiàn)的概率，因此深埋長(zhǎng)大水工隧洞工程地質(zhì)問題已成為工程的重要制約因素。深埋長(zhǎng)大水工隧洞工程地質(zhì)條件也是日趨復(fù)雜，且其勘察工作有諸多的困難。不確定因素常發(fā)生，且不能完全消除，即使前期進(jìn)行了深入的勘測(cè)與探查，地理地質(zhì)條件的變動(dòng)卻是不可抗拒的。

由于原位應(yīng)力高，巖體無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(zhǎng)大水工隧洞的建設(shè)。突涌水、高應(yīng)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(zhǎng)大水工隧洞工程地質(zhì)問題中最為常見的地質(zhì)災(zāi)害；其中，涌水問題主要發(fā)生在斷層破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶等地質(zhì)薄弱地段；巖爆發(fā)生主要是由于深埋長(zhǎng)隧洞埋深大，造成隧洞周圍地應(yīng)力較高，從而增加巖爆發(fā)生的可能性；高地溫問題規(guī)律是：隧洞埋深越大地溫越高，1 000 m 以內(nèi)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(yán)重危害的工程實(shí)例雖較少見，但深埋長(zhǎng)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(yīng)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(zhǎng)大水工隧洞建設(shè)中，施工方法很容易受到施工地點(diǎn)具體情況的影響。由于深埋長(zhǎng)大水工隧洞工程和其它水利工程不同，工藝要求更高，支護(hù)系統(tǒng)要求更嚴(yán)謹(jǐn)，加之難以預(yù)測(cè)的地質(zhì)變動(dòng)和氣候?yàn)?zāi)害等影響，對(duì)施工都會(huì)產(chǎn)生不利的影響和挑戰(zhàn)；尤其很容易受到水力學(xué)條件和運(yùn)行條件限制，施工時(shí)會(huì)發(fā)生不利于排水的情況出現(xiàn)，這都會(huì)給施工帶來很大的影響和壓力，不利于施工的順利進(jìn)行。

3.3 其它方面的問題

由于深埋長(zhǎng)大水工隧洞工程大多分布在崇山峻嶺中，當(dāng)穿越煤系地層時(shí)有害氣體和大變形問題最為突出。深埋長(zhǎng)大水工隧洞自然環(huán)境比較復(fù)雜，容易遭遇不良地質(zhì)條件，事故發(fā)生的幾率較大。深埋長(zhǎng)大水工隧洞不僅長(zhǎng)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(yuǎn)，通風(fēng)不好，給施工作業(yè)人員施工作業(yè)環(huán)境更業(yè)艱巨，給施工帶來困難。另外，深埋長(zhǎng)大水工隧洞施工支洞比較少，一般長(zhǎng)度長(zhǎng)，運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)，而且只能在有限的通道內(nèi)進(jìn)行單線運(yùn)輸，施工成本也增高。

4 深埋長(zhǎng)大水工隧洞施工新技術(shù)的應(yīng)用

4.1 鉆爆法

鉆爆法可以說是深埋長(zhǎng)大水工隧洞施工中所應(yīng)用的最為成熟和安全的技術(shù)，該方法適應(yīng)地質(zhì)條件范圍廣，可實(shí)現(xiàn)各種斷面施工，對(duì)于各種復(fù)雜的斷面也能夠輕松應(yīng)對(duì)，應(yīng)變能力強(qiáng)，成本相對(duì)來說比較低。所謂鉆爆法，即利用精細(xì)爆破、鉆探、適時(shí)噴錨和監(jiān)測(cè)反饋等相關(guān)內(nèi)容為核心，實(shí)行精確和高質(zhì)量的隧洞開挖打通，是中國(guó)采用最多的施工方法之一。

本質(zhì)上說，鉆爆法遵循“新奧法”的原理建造地下空間；在實(shí)際施工過程中要注意以下幾點(diǎn)：一是要盡可能地維持水隧洞周圍巖石的原始強(qiáng)度，二是為了安全地發(fā)揮圍巖的全部強(qiáng)度，必須對(duì)地層變形進(jìn)行控制，因?yàn)檫^分的變形將導(dǎo)致強(qiáng)度喪失，嚴(yán)重造成安全強(qiáng)度數(shù)值超出范圍，這時(shí)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(hù)的時(shí)間，為減少對(duì)地層的擾動(dòng)要最短時(shí)間內(nèi)開挖成全斷面。

要采用鉆爆法實(shí)現(xiàn)快速有效地施工，首先，要強(qiáng)調(diào)施工安全，安全是基礎(chǔ)；其次，配備成套的高性能的機(jī)械設(shè)備；再次，要實(shí)現(xiàn)超前勘測(cè)，認(rèn)真做好勘測(cè)工作；然后，按部就班的進(jìn)行開挖、支護(hù)、灌漿等施工內(nèi)容；最后，還要有充分的應(yīng)急預(yù)案。深埋長(zhǎng)大水工隧洞施工時(shí)采用鉆爆法，每次鉆爆不能超過5 km，開挖和支護(hù)的日進(jìn)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(jìn)機(jī)應(yīng)用方式，是基于掘進(jìn)機(jī)上設(shè)備展開的隧洞開挖技術(shù)，出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代的美國(guó)，1952 年，美國(guó)羅賓斯（ROBBINS）公司生產(chǎn)了第一臺(tái)能實(shí)用的刀盤直徑8m 的掘進(jìn)機(jī)以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展、進(jìn)步，掘進(jìn)機(jī)在技術(shù)上日趨成熟。

掘進(jìn)機(jī)從形式上劃分，主要包括全斷面掘進(jìn)和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)方式，隨著技術(shù)應(yīng)用面的擴(kuò)大，又對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行細(xì)分，全斷面掘進(jìn)又可分為有氛圍全斷面巖石掘進(jìn)和盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)兩類。對(duì)于一些復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中出現(xiàn)的單護(hù)盾、雙護(hù)盾和三護(hù)盾等不同類型設(shè)備產(chǎn)品，已經(jīng)成為現(xiàn)代隧洞施工中的主要力量。掘進(jìn)機(jī)施工的關(guān)鍵是正確選型，除了主機(jī)外，還要有后配套系統(tǒng)設(shè)備協(xié)同作業(yè)，以保證施工過程的連續(xù)性。

TBM 法的應(yīng)用在很大程度上表現(xiàn)出機(jī)械設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，尤其對(duì)于一些大型工程，在強(qiáng)調(diào)安全同時(shí)要求施工周期短、施工質(zhì)量高，而TBM 法恰好能充分發(fā)揮很好的安全功能；施工速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)小，同樣施工環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)的開挖進(jìn)度是常規(guī)人工手段的3～6 倍；施工環(huán)境也相對(duì)較好，這正是深埋長(zhǎng)大水工隧洞，尤其是獨(dú)頭掘進(jìn)距離較長(zhǎng)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(jìn)機(jī)設(shè)備屬于典型的非標(biāo)設(shè)備，都是根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)行定制的，要根據(jù)具體的某一個(gè)施工項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后在把組件進(jìn)行安裝，一是增加了投資，二是維護(hù)管理困難；第二，任何一個(gè)部件的缺失都可能造成停工現(xiàn)象，要保證各個(gè)部件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；第三，掘進(jìn)機(jī)的性能發(fā)揮對(duì)工程地質(zhì)條件、水文條件、土質(zhì)條件等依賴性很大。

5 結(jié)語

深埋長(zhǎng)大水工隧洞施工中國(guó)現(xiàn)階段發(fā)展而言具有重要意義，既符合低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排和環(huán)保的主題，又是現(xiàn)代社會(huì)最需要的，發(fā)展最迅速的施工技術(shù)。正是深埋長(zhǎng)大水工隧洞施工技術(shù)不斷創(chuàng)新，使得深埋長(zhǎng)大水隧洞用途越來越多，作用日益重要。深埋長(zhǎng)隧洞不僅會(huì)面臨一些常規(guī)隧洞常遇到的問題，而且會(huì)出現(xiàn)高地溫、巖爆、涌水、塌方和施工通風(fēng)等一系列的問題。因此，施工中需要先進(jìn)的施工技術(shù)，因此需要不斷創(chuàng)新、改進(jìn)施工技術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，深埋長(zhǎng)大水工隧洞施工將會(huì)不斷地進(jìn)步與完善。