引江补汉工程超长深埋有压输水隧洞设计

武 松，韩 健，袁 葳，颜天佑

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，430010，武汉）

一、工程概况

引江补汉工程是南水北调中线工程的后续水源。取水口位于三峡大坝上游7.5 km，出口位于丹江口大坝下游5 km，输水线路长194.8 km，其中进水口长26.0 m，输水隧洞长194.3 km，出口建筑物长475.0 m。输水隧洞利用施工支洞布置11条检修交通洞，兼具调压功能。输水隧洞全程采用有压单洞自流输水，过水洞径10.2 m（等效洞径），流量随三峡水库水位变化为170～212 m3/s，多年平均调水量39亿m3。

工程等别为Ⅰ等工程。输水隧洞设计流量大于50 m3/s，永久性水工建筑物中输水隧洞、进出口建筑物、石花控制闸等为1级建筑物，检修交通洞（兼调压井）、石花检修排水泵站和沿线6#、8#检修交通洞泵站为2级建筑物。

输水隧洞为深埋长隧洞，穿越多条区域性断裂，沿线地面高程一般110～1 295 m，最大埋深1 182 m，其中埋深＜600 m隧洞长107.5 km，占55.3%；埋深600～1 000 m隧洞长77.1 km，占39.7%；埋深≥1 000 m隧洞长9.7 km，占5.0%。沿线地应力相对较高，大部分洞段位于地下水水位以下，存在涌水突泥、高外水压力、高地应力引起的坚硬岩岩爆、软岩大变形，以及有毒有害气体超标、高地温等工程地质问题。

二、输水隧洞工程总布置

1.输水方式选择

引江补汉工程输水总干线采用隧洞输水，隧洞输水方式分为有压和无压两类，考虑输水规模、施工条件、投资控制等因素，隧洞布置主要考虑单洞和双洞两种方案，由此需对有压单洞、有压双洞、无压单洞、无压双洞四种输水方式进行比选，主要从工程布置、工程施工、工程运行三个角度开展。各方案工程投资见表1，可以看出有压单洞方案工程投资最省。

表1 四种输水方式洞径和投资对比

综合来看，有压方案虽然内水压力高，局部围岩条件差的浅埋洞段需增设钢衬；但是隧洞纵断面布置灵活，施工可实现“逆坡掘进、顺坡排水”，可以保障施工安全，且运行调度相对简单，响应速度快。因此，有压输水形式较优。

有压单洞施工通风、应急救援、输水保障等方面不如双洞方案，但是遇到的施工问题更少，工程投资少113亿元（16%），经济性好。因此，综合工程布置、施工、运行及投资等多方面因素，推荐采用有压单洞输水方式。

2.总干线水力控制方案比选

输水总干线工程采用有压输水方案，有压隧洞一般采用出口控制方案。在不输水期间，闸前水位与三峡水库水位相同，隧洞将承受很大的内水压力，为保障桩号164+000～176+000、桩号192+083～194+391浅埋软岩洞段高内压下隧洞安全，需采用钢衬方案。钢衬段投资高，采用的钢管直径大，需要洞内安装拼接，施工难度较大，且施工质量不易保障。

根据沿线地质条件和隧洞的水力条件，考虑将控制闸的位置前移至浅埋软岩洞段前端（桩号164+000附近），由此可降低不引水期间闸后浅埋洞段的静水压力，此方案为后段减压方案。

综合来看，相比出口控制方案，后段减压方案能显著降低后30 km浅埋洞段的内水压力，大幅度减少钢衬段长度，减小了工程风险和施工难度，工程土建投资可节省6.6亿元。因此，推荐采用段中控制后段减压的水力控制方案。后段减压方案的布置及水力条件示意见图1。

图1 后段减压方案布置及水力条件示意图

3.总干线纵坡布置

隧洞纵坡布置原则：①隧洞纵坡布置必须满足水力过渡过程全线最小压力线不低于洞顶以上2 m的要求。②隧洞纵坡布置需考虑控制隧洞检修期间渗漏水的积水深度，以满足人员设备进洞要求，积水深度初步考虑按不大于25 cm控制。③为降低施工期隧洞渗水和涌水给施工带来的不便和风险，隧洞纵坡布置宜考虑TBM“逆坡掘进、顺坡排水”要求。

根据上述原则和控制闸前洞段纵坡布置，结合施工方法和施工期排水要求，拟定了顺坡布置和W形坡布置2个纵坡布置方案进行比选，方案见图2。

图2 总干线纵坡布置对比

根据目前预计的渗漏水量，W形坡布置方案比顺坡布置方案少设2座检修排水泵站，投资少约1.2亿元，但泵站布置根据后期隧洞施工的实际渗漏量调整的灵活性不足；W形坡布置方案因部分洞线高程下调带来的施工支洞（包括斜井、竖井）长度增加比顺坡布置方案工程投资多93万元，但W形坡布置方案可实现“逆坡掘进、顺坡排水”，降低施工安全风险。经综合比选，推荐W形坡布置方案。

三、输水隧洞设计

1.断面形式及洞径选择

隧洞断面形式比选了圆形、马蹄形、圆拱直墙形三种断面形式。本工程隧洞为输水隧洞，从水力学和结构受力等多方面考虑，推荐采用圆形断面，且TBM段因采用掘进机施工，在圆形断面底部增加承轨台，可较好改善施工条件。

隧洞沿线采取不同的隧洞内径，考虑现有TBM的制造能力和施工难度，结合隧洞工程地质条件，尽可能降低TBM最大开挖洞径，隧洞采用变洞径方案，即围岩条件较好的洞段，衬砌厚度较薄，可以适当加大隧洞内径，以减小水头损失；围岩条件较差的洞段，一次支护及二次衬砌厚度较大，可以适当减小隧洞内径。在满足隧洞过流能力的前提下，按单台TBM施工段隧洞内径基本一致，分段确定隧洞内径，过水断面内径9.7～10.8 m。

2.一般地质洞段隧洞支护和衬砌结构设计

输水隧洞采用TBM法和钻爆法组合施工，其中护盾式TBM 2台，敞开式TBM 7台，其余洞段为钻爆法施工。隧洞支护及衬砌设计综合考虑工程水文地质条件、隧洞施工工法和隧洞运行检修条件，经工程类比法和初步结构分析确定。

（1）钻爆法施工一般地质洞段

钻爆法洞段主要分布于桩号30+000～38+229、桩号85+450～89+000、桩号110+677～117+600、桩号132+881～148+050、桩 号163+500～194+285、不良地质洞段以及TBM组装洞、步进洞等洞段，过水断面形状除步进洞段为马蹄形断面以外，其他均为圆形。

钻爆法洞段支护和衬砌采用“超前支护”和“锚喷支护”为主的初期支护型式，结合“二次衬砌”作为永久衬砌的方式。初期支护根据围岩类别、地应力水平、隧洞埋深、不良地质发育情况以及施工工法等因素采取不同的型式：针对钻爆法施工的一般地质洞段，Ⅱ类围岩随机锚喷支护，Ⅲ类围岩采用系统锚喷支护；Ⅳ类、Ⅴ类围岩洞段处理坚持“管超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，勤量测”的综合应对措施，除采用系统喷锚支护加钢拱架的联合支护型式外，还增加超前支护措施，如超前锚杆、超前小导管、超前管棚、超前灌浆等预加固处理措施。衬砌型式按围岩类别、耐久性要求等因素考虑，采用C30、C35、C40模筑混凝土永久衬砌，衬砌厚度40～100 cm，双层配筋。

（2）敞开式TBM施工一般洞段

敞开式TBM洞段采用“超前支护”和“锚喷支护”为主的初期支护型式，结合“二次衬砌”作为永久衬砌的方式。初期支护根据围岩类别和不同埋深采取不同的型式：Ⅱ类围岩随机锚杆支护，Ⅲ类围岩（＜600 m）采用钢筋排、喷锚挂网和随机钢支撑，Ⅲ类围岩（＞600 m）、岩爆洞段和IV类围岩洞段采用钢筋排、喷锚挂网加系统钢支撑支护措施，Ⅴ类围岩除采用钢筋排、喷锚挂网支护加钢支撑支护措施外，还增加超前小导管、超前管棚等预支护措施。衬砌型式按围岩类别、耐久性要求等因素考虑，采用C30、C35、C40模筑混凝土永久衬砌，衬砌厚度50～70 cm，双层配筋。

（3）双护盾TBM洞段

双护盾TBM洞段采用C50管片衬砌，厚度50 cm，豆砾石回填灌浆厚度20 cm。管片为矩形管片，环宽2.0 m，每环管片分8（大）+1（小）块，错缝拼装，环向缝、纵向缝均采用4个M36直螺栓连接，机械性能等级为8.8级。

3.不良地质洞段处理措施及支护衬砌结构设计

引江补汉工程输水隧洞存在涌水突泥、高外水压力、坚硬岩岩爆、软岩变形、高地温、有害气体及放射性等工程地质问题。按照对工程的影响程度，划分为突出问题、重要问题、一般问题3类。突出问题为涌水突泥、高外水压力；重要问题为软岩变形、硬岩岩爆；一般问题为高地温、有害气体及放射性。根据工程输水隧洞特点，具体措施应对原则如下：

①对不良地质问题，坚持“预防为主，防治结合”“有疑必探，先探后掘”，通过超前地质预报获取有关信息，采取相应的主动措施，防患于未然。

②根据输水隧洞地质问题风险等级、影响程度、开挖方法，按照“分级治理、突出重点”的思路，采取超前处理、先掘进后处理、边挖边衬等相应的工程处理措施。

③重点关注涌水突泥、高外水压力突出地质问题，根据涌水突泥风险等级和洞段构造体规模，采取超前灌浆、边挖边衬、衬后固结灌浆防渗等工程处理措施。

④软岩变形洞段一般采用“变形留够，先柔后刚，多层初支，控制变形，二衬紧跟”的处理思路，支护结构设计考虑现场施工的可行性、及时性和便利性，争取在初期支护阶段内控制软岩变形发展，必要情况及时施作永久衬砌。

⑤岩爆处置遵循“以防为主，防治结合”的原则，具体以“软化围岩、释放应力”为主要措施，及时支护减少围岩暴露时间。

⑥高地温、有害气体及放射性一般问题，加强监测，采用加强通风等措施，改善施工环境。

四、输水隧洞施工组织设计

“长洞短打、分段掘进”是超特长隧洞施工的基本方法，其中合理划分施工洞段和优选施工方案，是一个复杂而重要的问题。在引江补汉工程可行性研究阶段，设计人员根据隧洞围岩类别、不良地质洞段分布情况、施工技术、TBM设备能力以及施工环境条件等，研究分析TBM与钻爆法对工程地质条件的适应性；根据地形地质条件，合理布置施工支洞的位置和型式，通过工程布局、施工工期、环境影响、工程投资等综合比较，提出经济可行的隧洞分段施工方案。最终确定输水隧洞共布置30条施工支洞，其中20条平洞、4条斜井、3条竖井（6-1#、8-1#竖井包括主副井和底部水平洞，15-1#竖井包括主井和底部水平洞）、1条平行导洞、2条横通洞，施工支洞总长63.85 km。对位于关键线路上 的6#、7#、11#、14#平 洞 采 用 “钻 爆法+TBM法”施工，TBM采用洞外组装。经分析，施工总工期108个月，其中，工程准备期12个月(占直线工期3个月)，主体工程施工期103个月，工程完建期2个月。

输水隧洞TBM开挖直径12.2 m，属超大直径TBM。国内外已生产岩石掘进机，其适用洞径多为1.98～11.25 m，且国外经验认为隧洞直径以5～10 m为最佳。 TBM直径增加会导致掘进效率降低、施工工期延长、隧洞稳定性下降、机器制造难度增加、设备制造周期延长等一系列难题。随着我国经济社会发展，西部地区长调水工程、公铁交通建设等一大批大深埋长隧洞工程建设进入到了一个黄金时期，TBM施工也呈现出开挖直径增加、掘进距离延长的趋势，带动了超大直径TBM设备制造、施工技术的发展。国外已有14 m级TBM施工的成功先例，国内的中铁隧道局于2019年签约了格鲁吉亚南北公路项目，该项目采用单护盾TBM施工，开挖直径达14.86 m，TBM由国内的中铁装备制造。通过多方调研，引江补汉工程采用12 m级的TBM施工，在技术上是可行的。

目前，敞开式和双护盾式掘进机是在实际工程中应用最为广泛的两种机型。本工程在TBM选型时，对岩性均一的良好地质洞段，优先选择工期和投资更具优势的护盾式TBM；对岩性比较复杂的不良洞段，优先考虑针对特殊地质洞段具体特性，并结合工程结构要求，选择与之相适应的TBM型式。如中等及以上岩爆洞段考虑选择护盾式TBM，不可预见的不良地质洞段较多、软岩变形卡机风险大的洞段考虑选择敞开式TBM等。此外还需加强地质勘察，尽可能全面地掌握分段围岩条件，做好地质预报，提前编制各类预案措施，尽量避免卡机等重点施工风险。

五、结 语

引江补汉工程隧洞埋深大、线路长、断面大、地质条件复杂，相比国内外同类工程，引江补汉工程技术难度大，综合规模居世界前列。工程面临涌水突泥、高外水压力、软岩大变形、岩爆等重大风险，威胁施工及运行安全。可行性研究阶段经初步研究，在采取适当措施的前提下，工程技术方案总体可行。下阶段，尚需就制约工程建设的重大技术难题，继续深入研究。