深埋长大水工隧洞探究

□刘爱华

（河南宝泓建筑工程有限公司）

0 引言

随着经济社会的进一步发展，城市化进程的加快，面临着环境恶化和土地衰退的严峻挑战。传统的水利水电工程都需要占用大范围的地面资源，不仅造成截水毁林、环境污染，还影响人民群众的日常生活。近年来，新型能源所占社会消耗比例不断提升，尤其是水力资源转化能源的巨大潜力，客观上推动了水工隧洞的快速发展。深埋长大水工隧洞施工是一项占用少量地面资源的有效技术，为响应国家节能减排、科学发展的战略号召，研究深埋长大水工隧洞施工的新技术具有重要的作用。

1 深埋长大水工隧洞现状

水工隧洞就是在山体中或地下开凿的过水洞，主要用于灌溉、发电、供水、泄水、输水、施工导流和通航等。目前国内对“长大”的概念并没有统一标准，理论上国内把10 km以上的隧洞施工列入“长大”范畴。深埋长大水工隧洞施工最早可以追溯到1908 年，詹天佑工程师主持设计并建造了中国历史上第一条中国人设计的铁路，从北京至张家口，在此铁路上沿线上凿了八达岭隧洞，隧洞全长1 091 m，为中国开启了隧洞建设的进程。

在20 世纪70 年代，随着“新奥法”的引进，中国水电发展中水工隧洞的应用更加普遍，较为著名的是鲁布革水电站，水工隧洞的长度上达到了9.38 km，开挖直径8 m，实现了引水隧洞全断面针梁钢模混凝土施工技术的应用。

随着经济社会的发展，科学技术的提升，从20世纪80年代开始进行长大规模隧洞的施工，如：大瑶山隧洞建设施工中采用改了凿岩台车、衬砌模板台车等运输工具，以全断面开挖的形式，是重型机械综合化使用的开端，这之后中国的深埋长大水工隧洞越来越符合时代发展的进程和社会发展的节奏。随着社会的发展，经济力量、科技力量不断提升，水工隧洞的建设也呈现出良好的发展态势。进入21 世纪以后，中国在水工隧洞的发展速度上进步更快，同时在较多方面实现了自主化生产经营，目前国内水工隧洞总长度已超过1 500 km。

2 水工隧洞设计类型

水工隧洞的设计是基于一定目的出现的，按不同的分类标准会有不同的类型。按洞内受压状态对水工隧洞进行分类，可以分为有压隧洞和无压隧洞，有压隧洞指水流充满整个全洞，使洞壁承受一定内水压力，无压隧洞是指水流不充满全洞，在洞内具与大气接触的自由水面。

按其功用对水工隧洞进行分类，可以分为以下几类，具体内容见表1。

表1 水工隧洞分类表

3 深埋长大水工隧洞存在的问题

3.1 地质方面的问题

深埋长大水工隧洞工程有时需要跨越不同地质区段甚至是地质区域，岩体性质就会发生很大变化，从而会增加不良地质问题出现的概率，因此深埋长大水工隧洞工程地质问题已成为工程的重要制约因素。深埋长大水工隧洞工程地质条件也是日趋复杂，且其勘察工作有诸多的困难。不确定因素常发生，且不能完全消除，即使前期进行了深入的勘测与探查，地理地质条件的变动却是不可抗拒的。

由于原位应力高，岩体无侧限抗压强度较低、塌方、岩爆、高地温、突水、突泥和涌水、有害气体、放射性污染等原因，大大影响了深埋长大水工隧洞的建设。突涌水、高应力条件下的岩爆与软弱破碎围岩大变形和高地温问题是深埋长大水工隧洞工程地质问题中最为常见的地质灾害；其中，涌水问题主要发生在断层破碎带、节理裂隙密集带等地质薄弱地段；岩爆发生主要是由于深埋长隧洞埋深大，造成隧洞周围地应力较高，从而增加岩爆发生的可能性；高地温问题规律是：隧洞埋深越大地温越高，1 000 m 以内的埋深，地温随埋深的变化不大；1 500 m 以上的埋深，地温将随着埋深的增加而急剧升高。受到放射性严重危害的工程实例虽较少见，但深埋长大水工隧洞工程线路上如果存在大范围放射性矿物，危害大，难处理，应首先考虑避绕。

3.2 施工方面的问题

在水利水电工程的深埋长大水工隧洞建设中，施工方法很容易受到施工地点具体情况的影响。由于深埋长大水工隧洞工程和其它水利工程不同，工艺要求更高，支护系统要求更严谨，加之难以预测的地质变动和气候灾害等影响，对施工都会产生不利的影响和挑战；尤其很容易受到水力学条件和运行条件限制，施工时会发生不利于排水的情况出现，这都会给施工带来很大的影响和压力，不利于施工的顺利进行。

3.3 其它方面的问题

由于深埋长大水工隧洞工程大多分布在崇山峻岭中，当穿越煤系地层时有害气体和大变形问题最为突出。深埋长大水工隧洞自然环境比较复杂，容易遭遇不良地质条件，事故发生的几率较大。深埋长大水工隧洞不仅长度大，而且埋深深，很难布置平洞、竖井和斜井，所以工作面往往距离洞口远，通风不好，给施工作业人员施工作业环境更业艰巨，给施工带来困难。另外，深埋长大水工隧洞施工支洞比较少，一般长度长，运输距离较远，而且只能在有限的通道内进行单线运输，施工成本也增高。

4 深埋长大水工隧洞施工新技术的应用

4.1 钻爆法

钻爆法可以说是深埋长大水工隧洞施工中所应用的最为成熟和安全的技术，该方法适应地质条件范围广，可实现各种断面施工，对于各种复杂的断面也能够轻松应对，应变能力强，成本相对来说比较低。所谓钻爆法，即利用精细爆破、钻探、适时喷锚和监测反馈等相关内容为核心，实行精确和高质量的隧洞开挖打通，是中国采用最多的施工方法之一。

本质上说，钻爆法遵循“新奥法”的原理建造地下空间；在实际施工过程中要注意以下几点：一是要尽可能地维持水隧洞周围岩石的原始强度，二是为了安全地发挥围岩的全部强度，必须对地层变形进行控制，因为过分的变形将导致强度丧失，严重造成安全强度数值超出范围，这时就要利用石锚杆、土锚等方式抑制围岩变形；三是施工期间，尽可能缩短水工隧道不支护的时间，为减少对地层的扰动要最短时间内开挖成全断面。

要采用钻爆法实现快速有效地施工，首先，要强调施工安全，安全是基础；其次，配备成套的高性能的机械设备；再次，要实现超前勘测，认真做好勘测工作；然后，按部就班的进行开挖、支护、灌浆等施工内容；最后，还要有充分的应急预案。深埋长大水工隧洞施工时采用钻爆法，每次钻爆不能超过5 km，开挖和支护的日进尺平均值要在每天约8～9 m。

4.2 TBM法

所谓“TBM 法”即全断面岩石掘进机应用方式，是基于掘进机上设备展开的隧洞开挖技术，出现于20世纪50年代的美国，1952 年，美国罗宾斯（ROBBINS）公司生产了第一台能实用的刀盘直径8m 的掘进机以来，经过几十年的发展、进步，掘进机在技术上日趋成熟。

掘进机从形式上划分，主要包括全断面掘进和部分断面掘进方式，随着技术应用面的扩大，又对掘进机进行细分，全断面掘进又可分为有氛围全断面岩石掘进和盾构机掘进两类。对于一些复杂地质环境中出现的单护盾、双护盾和三护盾等不同类型设备产品，已经成为现代隧洞施工中的主要力量。掘进机施工的关键是正确选型，除了主机外，还要有后配套系统设备协同作业，以保证施工过程的连续性。

TBM 法的应用在很大程度上表现出机械设备的优势，尤其对于一些大型工程，在强调安全同时要求施工周期短、施工质量高，而TBM 法恰好能充分发挥很好的安全功能；施工速度快、劳动强度相对小，同样施工环境下可实现的开挖进度是常规人工手段的3～6 倍；施工环境也相对较好，这正是深埋长大水工隧洞，尤其是独头掘进距离较长条件下较理想的施工方法。但TBM 法也存在一定的局限性，第一，TBM 法中所用到的掘进机设备属于典型的非标设备，都是根据项目进行定制的，要根据具体的某一个施工项目进行设计，然后在把组件进行安装，一是增加了投资，二是维护管理困难；第二，任何一个部件的缺失都可能造成停工现象，要保证各个部件的正常运转；第三，掘进机的性能发挥对工程地质条件、水文条件、土质条件等依赖性很大。

5 结语

深埋长大水工隧洞施工中国现阶段发展而言具有重要意义，既符合低碳经济、节能减排和环保的主题，又是现代社会最需要的，发展最迅速的施工技术。正是深埋长大水工隧洞施工技术不断创新，使得深埋长大水隧洞用途越来越多，作用日益重要。深埋长隧洞不仅会面临一些常规隧洞常遇到的问题，而且会出现高地温、岩爆、涌水、塌方和施工通风等一系列的问题。因此，施工中需要先进的施工技术，因此需要不断创新、改进施工技术，随着科学技术的发展，深埋长大水工隧洞施工将会不断地进步与完善。