引汉济渭秦岭特长隧洞设计概况

李凌志

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，710043，西安）

引汉济渭调水项目是解决陕西省关中地区水资源短缺、影响全局、改变缺水局面的战略性工程，工程的实施对保障关中地区经济社会可持续发展具有重要意义。该工程由黄金峡水利枢纽、秦岭特长输水隧洞、三河口水利枢纽3个部分组成，秦岭特长隧洞（越岭段）全长81.779 km，最大埋深2 012 m，进口位于三河口水库坝后汇流池，出口位于黑河金盆水库右侧2 km处黄池沟，洞内平均纵坡 1/2500，设计流量 70 m3/s，年平均调水量15.0亿m3，越岭段建筑物级别为1级。工程采用钻爆法+2台TBM法施工，全隧洞共设置10座施工支洞辅助施工，工期约6.5年。

秦岭隧洞将第一次从底部横穿世界十大山脉之一——秦岭；深埋超长隧洞属世界第一；TBM掘进机单机连续掘进超过20 km属世界第一；两座施工支洞难度世界罕见；长距离施工通风、连续皮带机运输及反坡排水是施工的一大难题；高地应力软岩变形、岩爆及高岩温是施工的另一大难题。该工程地跨长江、黄河两大流域，穿越秦岭山脉，工程浩大，意义深远。

一、工程地质及水文地质

秦岭特长隧洞主要穿越变质岩和岩浆岩地层，以石英岩、大理岩、片麻岩和花岗岩等为主。隧洞穿越3条区域性大断层及其4条次一级断层和33条地区性一般性断层。秦岭隧洞通过地下水以潜水为主，地表沟谷发育，地下水补给来源主要为大气降水及地表水，地下水不具侵蚀性，预测正常涌水量为87340m3/d，最大涌水量为196160m3/d。秦岭隧洞位于基岩中，岩体较完整，围岩类别以Ⅲ类为主，围岩稳定性总体较好，以硬质岩为主，Ⅰ～Ⅲ类围岩总长60515m，约占74%；Ⅳ、Ⅴ围岩总长21264m，约占26%。主要的水文、工程地质问题是大理岩及构造破碎带有可能出现较大涌水；深埋段可能产生岩爆、软岩变形、围岩失稳等不良地质。

二、工程布局

选择合理的工程布局和施工方法是保证工程顺利实施的先决条件。根据秦岭地区地质情况，结合现场的地形，经对钻爆法在内的多种施工方法和不同形式、不同数量的施工支洞进行多组合、同精度比选，最终选定经济合理、技术可行的“2台TBM+钻爆”的施工方法，即秦岭岭脊段采用2台TBM施工，其余地段采用钻爆法施工。具体为全隧洞布设10座施工支洞，出口、所有支洞及其相连的主洞钻爆段采用钻爆法施工，其中椒溪河、0号、0-1号、1号、2号、7号斜井为钻爆工区施工支洞，辅助施工主洞；3号、6号斜井为TBM设备进洞通道，TBM通过斜井运至支洞底组装，4号、5号斜井仅为TBM中间辅助施工支洞，仅当TBM施工通过4号、5号支洞后，将其出渣、进料、施工通风、供电等分别转场至4号、5号斜井，岭脊地段TBM拆卸洞设在两台TBM贯通面附近。工区布置示意见图1。

图1 工程布置图

三、关键技术

秦岭特长隧洞 （越岭段）全长81.779km，为引汉济渭调水项目的控制性关键工程，具有选线困难、地质复杂、埋深大、高地应力，岩爆、单台TBM连续掘进及施工通风距离长等特点。系统解决上述技术问题，对项目的顺利实施至关重要，同时在揭示深层地质的特性和影响、研究应对方法、解决复杂地质、长距离条件下施工及总结实施经验等方面意义非凡，对行业技术发展意义重大。

1.复杂山区特长隧洞的综合选线技术

选择一条经济合理、技术可行、绿色环保的越岭洞线是成功实施的关键。在秦岭隧洞越岭方案选线过程中，采用了卫星定位技术进行无通视测量，采用了可控源音频大地电磁测深和音频大地电磁测深技术，钻探、物理勘探、遥感等立体化综合勘探技术及原地应力测试技术等，开展了“点、线、面结合，深浅结合，多层次、多参数的立体化综合勘探”。在650 km2范围内进行综合勘察选线，查明了该地区各越岭垭口的地质条件；在可选择的5个垭口中研究各种有价值的隧洞方案长度累计约800 km，形成了四大类越岭隧洞方案，最后选定了地质条件最好、洞线较短、对自然环境影响最少的蒲河垭口作为主隧洞的越岭通道。

2.单台TBM长距离施工

TBM的单机连续掘进长度是方案选择的重要指标。掘进机能施工的最大长度主要取决于掘进机主轴承的使用寿命。主轴承是掘进机的最关键部位，它的重要性在于制造周期长（半年左右），更换时间长（超过6周以上），其寿命等同于掘进机寿命。目前主轴承的使用寿命一般为15 000～20 000 h，保守计算可以使用 10 000～12 000 h，也就是说一般掘进机在不更换大轴承的情况下可以完成20～25 km隧洞的掘进任务，而其他大型结构件一般使用40～60 km也是完全可能的。本工程岭脊段两台TBM施工长度分别为20.22 km及18.87 km，技术上虽然是可行的，但本隧洞2台TBM掘进长度在国内外工程中均位于前列，且涉及的主要地层坚硬完整，属硬质岩类，2台TBM施工如此长距离段落存在一定施工风险。因此，在施工中需通过加强TBM施工状态监测与故障诊断工作，合理制定日常保养计划，切实做好TBM第二阶段施工前在4号和5号支洞底维修保养，保障TBM配件供应等措施，提高保证率，确保工程的顺利实施。

3.施工通风问题

施工通风是项目成功实施的关键。地下作业一切耗氧源的氧气需求均来源于供风系统，其技术水平制约着辅助坑道的布置，是工程规模的控制因素之一，如何解决好超长距离的施工通风问题是本项目的另一大难点。本工程岭脊段2台TBM施工长度分别为20.22 km及18.87 km，其独头通风距离最长达16.2 km。为解决其通风难题，保证通风效果，本项目通过包含标准、环境、13个通风方案及各种材质比对分析的科研攻关，制定科学合理的通风方案，施工中除选用合理的通风方式、加强长距离送风技术应用、采用先进的通风设备及加强管理，结合秦岭公铁路研究成果，借鉴国内外类似工程的成功经验，TBM段最大通风长度16.2 km在技术上是可行的。

4.高地应力及岩爆

长期以来，高地应力及岩爆是困扰深埋隧洞施工的一大难题，解决好这一难题对保证工程的顺利实施至关重要。根据本工程地应力测试成果，岩体最大水平主应力为29.85 MPa，隧洞施工中可能会产生岩爆。通过采取向岩面喷水、喷雾或深孔注水办法，保持岩层表面湿度，降低岩面脆性或岩石硬度，及时喷锚网支护及钢拱架支护，减少围岩暴露时间，减小片剥造成的安全隐患，对施工设备和施工人员加强防护和安全教育，减少不必要的安全损失。加强地质监测和预报，及早采取措施，减少事后对策。

5.断层破碎带及软岩变形地段施工

本工程首先采取TSP、HSP、地质雷达等超前地质预报方法，进一步判明地质情况，获取施工掌子面前方的物性参数，制定相应的处置措施；其次通过采用超前钻孔进行预注浆，加固地层，防止涌水，必要时采取双液浆进行止水；最后还需加强监控量测，当监控量测显示开挖后隧洞的变形速度或变形值按监控量测评价系统评价需采取处理措施时，可进行超前预注浆加固地层并加强初期支护等措施。

四、结 语

尽管从技术上存在以上诸方面难题，但是通过大量的地质勘探工作及研究，可以认为该项目在地质方面不存在制约工程实施的重大问题，面临的地质风险可以通过工程措施加以解决；技术方面可以在借鉴国内外类似工程成功经验的基础上通过技术攻关及研究解决。结合秦岭公路、铁路及引乾济石等5条18 km特长隧洞的通风、运输等多项科研试验成果及对各种不良地质（如岩爆、高温、高地应力及断层破碎带等）总结出的设计及施工经验，依托关键技术的科研攻关及创新，成功修建秦岭隧洞是有信心的。