浅谈引汉济渭工程秦岭隧洞设计关键技术.doc

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 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 TBM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 MPa60 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，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能最大涌水量和单位涌水量，柯斯嘉科夫法计算隧道稳定涌水量单位涌水量，依据工程实践总结的经验式计算隧道稳定和最大涌水量，并且利用地下水动力学法预测隧道排水的影响宽度 R 值。刘丹等72,73在秦岭特长隧道涌水量的预测研和基于模糊类比法的秦岭线特长隧道涌水量预中以秦岭特长隧道(线)和的秦岭线特长隧道为对象，将模糊聚类理论用于隧道总涌水量和各分段涌水量的预测中，提出了隧道涌水量的主要影响因素并将其用公式刻画出来。但是要运用模糊聚类理论计算涌水量，首先需要数据准备，进行样本的选取，因此影响了预测结果的准确性。罗文艺74在秦岭东梁隧道水文地质特征分析及涌水量预中以西安至成都客运专中的关键性控制工程秦岭东梁隧道为研究对象，在对研究区气象、水文、地质等资料综合分析后，采用地下水径流模数法对隧道各分段涌水量进行了计算预测，并采用地下水动力学法分别对正常涌水量和最大涌水量进行了计算和预测。并提出所预测涌水量代表区段总涌水量，同时，涌水量预测结果仍需在施工中加以验证和动态修正。毕焕军75在裂隙岩体数值法预测计算特长隧道涌水量的应用研究中以西安安康线秦岭特长隧道为研究对象，采用数值法将研究区水文地质模型概化为数值模型。同时，以西康线秦岭特长隧道仙人岔断层为应用实例，分析了断层涌水特征，预测计算了其涌水量。3.8 秦岭输水隧洞工程对地下水径流影响评价通过对研究区域内水文地质条件分析认为，天然状态下，区域内地下水主要受降水补给，浅层地下水体循环积极，接受大气降水补给后，经过短暂的地下径流，由于沟谷边坡切割而以泉或线状形式排泄与沟谷，在当地侵蚀基准面以上形成强循环带。由于隧洞开挖，形成新的排泄点线，降低了当地侵蚀基准面，加深了原有的水体循环深度。隧洞涌水的主要来源为基岩含水岩组中受构造作用所形成的构造裂隙水净储水量与动储水量，隧洞涌水会造成河流排泄地下水量或泉水量减少，反映在地表表现为流域地表径流量的减少。因此，为反映隧洞施工对研究区区域内地下水径流的影响，采用预测隧洞涌水量结果与能够反映该区域降水及地下水径流变化的多年平均径流量及实测径流量进行对比分析。岭北段输水隧洞全长 81.779km，隧洞埋深 201890m，穿过蒲家沟流域、椒溪河流域等大小流域 35 个，全段基本上在河床基准面以下。经对比分析，由于各段隧洞埋深、地层岩性、构造发育、节理裂隙发育情况等情况均不同，在岭北段 35 个流域中 33个流域预测隧洞施工开挖对地下水和地表水影响小，2 个流域有一定影响。3.9 工农业生活用水影响评价研究区域内生活、生产用水基本以接受大气降水补给的下降泉及地表径流为主，区内降水频繁，雨量丰富，隧洞施工过程中地下水的漏失对地表植被及坡地农田生长基本无影响，洞线沿线无工业厂区。随着隧洞开挖，可能致部分泉或沟流量减少，根据涌水量预测结果，对比沿线沟谷地下水径流条件，由于隧洞大多埋深较大，加之秦岭山区降水补给充分，在施工期因地下水漏失可能引起泉流量明显减少影响居民生活用水的沟谷有：杨家沟、余家沟、浦家沟、后沟、干沟、嶒上、北沟及大小甘峪沟，主要分布在径流量小，补给条件差的区域。3.10 自然保护区影响评价研究区域内地表植被茂密，主要以乔、灌木为主，沿线涉及陕西天华山自然保护区（254.85km）、周至金丝猴自然保护区（563.93km）、陕西周至黑河湿地自然保护区（131.26km）三处自然保护区。根据预测地下水位变化范围，洞线开挖可能造成的地下水漏失影响面积分别占自然保护区面积的 4.67%、2.54%和 0.48%，自然保护区段洞线埋深大于 500m，影响宽度沿洞线两侧 133m819m 不等，断裂带处宽度为 1244m（f8断层）。隧洞沿线地区降水频繁、水量丰富，是产生地表径流及补给地下水的主要因素，对地表水及地表植被的补给迅速；区域内特别是自然保护区内植被茂密、根系发达，维系地表植被生长的包气带持水、截留能力强，同时也对径流的汇集与下泄起延缓或加速作80图 5.21 水库净排泄地下水水量历时曲线图输水隧洞施工结束后进入运行期，由于隧洞均预留有减压排水孔，在隧洞排水的作用下，地下水位进一步下降，河流、水库净排泄地下水水量逐渐减少。施工结束 10 年末，河流排泄地下水水量为 567233m3/d，相对于天然状态下，排泄地下水水量减少了41093m3/d，占天然状态下排泄地下水水量的 6.76%。黑河水库净排泄地下水水量为14794.4m3/d，相对于天然状态下，净排泄地下水水量减少了 1252.0m3/d，占天然状态下排泄地下水水量的 7.68%。施工结束 50 年末，河流排泄地下水水量为 558259m3/d，相对于天然状态下，排泄地下水水量减少了 50067m3/d，占天然状态下排泄地下水水量的8.23%。黑河水库净排泄地下水水量为 14476.7m3/d，相对于天然状态下，净排泄地下水水量减少了 1822.6m3/d，占天然状态下排泄地下水水量的 11.18%。施工结束 100 年末，河流排泄地下水水量为 556791m3/d，相对于天然状态下，排泄地下水水量减少了51535m3/d，占天然状态下排泄地下水水量的 8.23%。黑河水库净排泄地下水水量为14474.5m3/d，相对于天然状态下，净排泄地下水水量减少了 1824.8m3/d，占天然状态下排泄地下水水量的 11.20%。需要说明的是，水库调蓄的主要是上游地区河流来水量，该来水量由基流量（地下水排泄量）和洪水流量组成。隧洞施工只是对水库来水量中的基流量有影响，对水库的主要来水量洪水流量没有影响。根据计算结果，隧洞施工结束 100 年后，河流排泄地下水水量（水库来水中的基流量）相对天然条件仅减少了 8.47%，在考虑来水量中洪水的基础上，隧洞施工对水库的影响是较小的。3.11 地下水环境影响评价通过对研究区域内水文地质条件分析认为，天然状态下，区域内地下水主要受降水补给，浅层地下水体循环积极，接受大气降水补给后，经过短暂的地下径流，由于沟谷用，调蓄地表径流，不致降水后河水迅速枯竭。通过调查对比邻近已建秦岭公路隧道（西康隧道等）、输水隧洞（引红济石隧洞）上部植被生长情况，均未发生因地下水漏失或疏干而导致顶部植被破坏的情况。综合以上分析，研究区域内植被生长主要受大气降水影响，在现状气象水文条件下，隧洞开挖对全线地表植被及生态环境影响有限。现状条件下缺少隧洞开挖对生态植被影响的观测资料，因此，工程施工及运行期应加强对区域内植被生长、水位变化的监测，特别是对大的断裂带区域，以便对自然保护区及沿线植被的保护提供有效的支持。4关于隧洞的初期支护4.1初期支护的时效隧洞的支护施工要根据围岩的类别，分类管理，做到安全、快速。施工规范1明确要求，“在、类围岩中进行施工作业时，锚喷支护应紧跟工作面”开挖后及时支护。SL378-2007则要求根据开挖后围岩的稳定情况确定锚喷支护的顺序与时机，支护应适时施作3-4。有些行业规范和教科书中笼而统之的强调，“初期支护必须紧跟开挖工作面及时进行”的观点是值得商榷的。设计图纸只要求、类围岩开挖后立即支护，初期支护应紧跟掌子面。在遇到严重风化的围岩或遇到断层破碎带时采用短进尺及时挂网喷护，必要时进行超前小导管进行注浆加固。但在实际施工中，应提倡利用围岩在无支护条件下的允许暴露时间也就是围岩的自稳时间，实现短距离的掘进与支护分离，以减少施工干扰，加快施工进度，围岩的自稳时间，应该在实际施工中总结探索，引汉济渭工程5、6、7号洞在这方面进行了有益的探索，也是对新奥法理论的实践和对施工规范的创新。所以，对硬岩（）围岩，即“钻爆设计、光爆施工、工序组织、快速施工”。对软岩（）围岩，“围岩量测、确保安全、遵守设计、按部就班”这一施工理念也与新奥法是一致的。4.2关于锚杆问题引汉济渭工程隧洞设计的锚杆为22砂浆锚杆和25的中空注浆锚杆。但在施工中，几乎没有那一家施工单位遵从设计要求，而是普遍使用了锚固剂锚杆，从安全的角度考虑，应该是用锚杆锚固剂更好一些，因为锚固剂里有速凝成分，可以快速形成强度，能够使锚杆尽快发挥支护作用，加上相应的钢筋网和喷射混凝土，可以快速对破碎围岩进行支护和封闭。锚固剂能在短时间内起到锚固作用，且强度快，砂浆锚杆很难保证密实。工程实践中的设计与施工的明显脱节，这一现象值得研究探讨。近几年大量的公路、铁路、水利水电工程实践表明，锚固剂锚杆替代砂浆锚杆已成为施工大趋势。5 二次衬砌与掌子面的距离由于引汉济渭工程的设计、施工单位多年从事公路、铁路隧道。而铁路隧道施工，对二衬间距的严格限制，似有行政命令色彩。公路隧道施工规范5虽然并没有明确规定二次衬砌与掌子面的距离，一般也要求在围岩和初期支护变形基本稳定后进行衬砌，说明二次衬砌与掌子面的距离没有硬性的规定，这与铁路规范严格的距离要求不同。水利工程规范3第7.4.2条则