吴剑疆

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

人多水少、水资源时空分布不均是我国的基本国情水情。兴建调水工程是优化水资源配置、提高水安全保障能力的重大战略举措。近年来，随着社会经济的持续发展，以及国家对重大水资源配置战略的不断重视，我国大型长距离调水工程发展十分迅速。截至目前，已建成了南水北调东、中线、引黄入晋、大伙房输水、引洮供水等工程，发挥了较好的效益，在建和拟建的工程还有引汉济渭、滇中引水以及新疆的调水工程等。在这些工程中，大部分位于我国西部地区，沿线地形地貌多为崇山峻岭，受条件制约，不得不采用大埋深长距离隧洞进行输水，其中最大埋深已超过2200m，单洞最大长度已超过280km。由于埋深大、距离长，这些隧洞在建设过程中将会遇到一系列特殊的技术难题。如因超高埋深导致的高地应力问题及岩爆和软岩大变形问题，高地下水压力带来的强突涌水问题，以及因超长距离导致的施工通风和埋深导致的高地温等问题，这些均是工程建设的世界性难题，特别是部分隧洞由于地处构造作用和岩溶发育强烈地区，使得上述问题变得更为复杂，风险更大，给隧洞的设计和施工带来了极大的挑战。

1 高地应力与岩爆防治

1.1 地应力场的确定

随着埋深的增大，受自重荷载增加的影响，隧洞地应力将增加，另外受地质构造的影响，地应力也将发生调整。除与埋深和地质构造有关外，地应力大小还与岩性等密切相关。一般情况下，岩石越坚硬，越容易积聚能量，地应力越高。岩浆岩由高温岩浆冷凝而成，岩体中地应力较高；沉积岩为地表松散物经沉积作用而成，地应力较低；变质岩则介于两者之间。

隧洞开挖前，岩体中的地应力场称为初始地应力场，是在长期、复杂的地质作用过程中不断变化后逐渐形成的，其组成部分包括自重应力、构造应力、温度应力，以及因沉积、变质、固结等作用引起的应力。隧洞开挖后，隧洞周围初始地应力场受到扰动，原有的应力平衡遭到破坏，应力进行调整，进行应力重分布，并引起围岩变形，以达到新的平衡。隧洞的失稳主要因岩体应力重分布后，其应力超过强度，难以形成新的平衡而造成。应力重分布的结果和初始地应力场有较大关系，初始地应力场的确定是评判隧洞开挖后围岩是否稳定的关键问题。

对地应力进行实测是获取初始地应力场最为直接的方法，但对深埋隧洞，受技术条件和场地因素等限制，实测难度较大；另外地应力场成因复杂，受地形地貌、地质构造等因素影响，实测成果只能反映局部应力场，受测量误差等因素影响，成果也存在一定程度的离散性。为了更好地满足工程设计和施工的需要，还需根据地质条件，结合数值模拟，对地应力场进行反演分析，以获得更为准确的地应力场。

1.2 岩爆的预测和模拟

岩爆的预测和模拟是隧洞工程建设的难题，由于形成机理十分复杂，准确地预报岩爆发生的位置、时间和强度难度非常大。近年来，国内外的学者对岩爆机理、预测和模拟等进行了许多研究，取得了一定的成果。在岩爆机理方面，有分形理论、突变理论和能量理论等理论；在预测方法方面，根据岩爆发生的机理，有应力判据、能量判据等判据；在数值模拟方面，有弹性、弹塑性及弹脆塑性等模型。但由于岩爆是一种极其复杂的动力失稳现象，与初始地应力场、岩性、地质构造、地下水条件、隧洞断面、施工方法等许多因素相关，岩爆发生的机理目前还未完全掌握，岩爆模拟和预测的结果还不十分准确，特别是对于融合了大型构造、复杂岩性和富水条件下的深埋隧洞，岩爆预测和模拟的方法亟待进一步研究。

锦屏二级水电站排水洞的施工采用微震监测法对岩爆进行预测，取得了较好效果。通过对岩体破坏前的微震事件进行定位和跟踪，从而达到岩爆预测的目的。但对岩爆发生的时间难以准确预测，需继续摸索和积累。

1.3 岩爆防治

岩爆的防治措施以“事前防治”为主，即在岩爆发生前采用综合措施防止岩爆的发生或降低岩爆发生的强度。在爆破控制方面，减少爆破频率和装药量，控制爆破效果，以减少围岩表面的应力集中；对可能发生强岩爆与极强岩爆的洞段，配合应力解除爆破进行开挖。在改善围岩条件方面，开挖后及时向掌子面和周围岩壁喷水，或利用锚杆钻孔和炮孔对岩体深部注水，以降低围岩强度，降低岩爆发生的剧烈程度。在围岩支护方面，应及时进行支护，在初喷混凝土、钢筋网、防爆锚杆等保护下，及时施作系统锚杆和混凝土复喷，对可能产生强岩爆和极强岩爆的洞段，根据围岩稳定性及时布置钢拱架。

TBM设备的特殊性给TBM施工段岩爆的防治带来一定的难度，因为TBM设备不能像常规设备那样在遇到危险时可立即撤至安全处。另外，TBM在掘进时对围岩的扰动较小，围岩应力释放的程度较低，在掘进过程中可能只发生小规模的岩爆，但在间隔较长时间后可能发生较大的岩爆，从而给人员和设备带来较大危害。岩爆防治措施主要包括掘进速度的控制和开挖后的支护。针对不同的岩爆等级，采用不同的掘进速度及不同速度和强度的支护措施。岩爆等级越高，需掘进速度越低、支护速度越快、支护措施越强。

2 高外水压力与突涌水处理

2.1 外水压力荷载取值

衬砌外水压力是深埋隧洞衬砌结构设计中一项十分重要的荷载，因其可能对衬砌结构起控制作用，而影响衬砌结构的长期运行安全。

折减系数法为常用的取值方法，根据地下水活动状态确定衬砌外水压力。其原理是地下水在渗流过程中，受到岩体阻隔的影响，产生了水头损失，剩余水头的比率可换算为折减系数。该方法简单实用，但在前期阶段，由于隧洞未开挖，无法准确获取地下水活动资料，折减系数难以确定，而在实施阶段，虽可根据施工开挖揭露情况取得地下水活动资料，但由于取值范围大，取值仍存在一定的困难和不确定性；另外，折减系数未能考虑衬砌结构及排水措施等的影响，难以与实际情况相符合。因此，在SL279—2016《水工隧洞设计规范》中明确要求，对地质条件复杂及外水压力较大的隧洞，其衬砌外水压力应进行专门研究。

解析法假定围岩为各向同性均匀连续介质，采用井的渗流理论，根据Darcy定理和连续方程推导后的公式近似计算衬砌上的外水压力和渗流量。该方法概念清晰，计算方便，但主要适应于围岩较为均一情况，在实际工程中可用于对围岩的注浆参数和效果等进行分析。

对地质条件较为复杂的深埋隧洞，还需采用数值方法进行模拟分析计算。近年来，国内许多学者采用随机连续模型、渗流-应力耦合模型等对隧洞开挖后的渗流场等进行模拟，取得了较好的效果。

2.2 减小衬砌外水压力措施

为减小隧洞衬砌结构的外水压力，排水是最有效的措施，最简单的做法是在衬砌上钻设排水孔，对外水压力进行释放，这主要适应于无压洞，对有压洞还需考虑内水外渗的影响。对深埋隧洞，由于水头大，仅做排水有可能造成隧洞周边区域地下水位的大幅降低，并可能疏干地表的泉、井，从而带来严重的社会影响，对地质条件较差的洞段，还可能影响隧洞的稳定，需采用“堵排结合”或“以堵为主”的方案，即对围岩进行灌浆，减小围岩的渗透系数，使其成为阻水的主要屏障，同时设置排水，以进一步降低压力。

对深埋隧洞，通过灌浆虽可显著降低衬砌外水压力，但由于作用水头高，灌浆后在衬砌上仍会存在较大的外水压力，排水措施尤其重要和必要。地下水可排入隧洞时，优先采用在衬砌上钻设排水孔的“内排”措施。地下水水质较差不宜排入隧洞时，则需通过排水管或排水垫层将渗水“外排”至洞外。但需对排水管或排水垫层的材料、结构及布置等进行研究，其效果和耐久性是关键，以减少其损坏和失效的概率。

2.3 施工期的突涌水处理

突涌水是隧洞工程中普遍存在的地质灾害，特别是富水地区的大埋深隧洞，常常给隧洞施工带来严重的灾害损失，并使隧洞工期大幅延长，如日本东海道干线的旧丹拿隧道在施工中曾遭遇6次大小不同的涌水，突涌水总量达15万m3/d，不仅造成了巨大损失，还使施工周期延长16年。国内的锦屏二级水电站辅助洞、宜万大支坪隧道、高黎贡山隧洞等也曾出现严重的涌水事故，给隧洞的施工带来了严重的灾害。

超前预注浆是解决突涌水问题较为有效的方法。以往主要采用先排后堵的方案，即先将一部分水排出洞外，待压力降低后，再实施堵水灌浆，这样可大大降低注浆施工的难度。但对深埋隧洞，长时间大流量的排水降压可能引起大范围的地下水位下降，极大地破坏周边地区的水环境，严重时可导致次生地质灾害。另外，由于泄水降压需较长的时间，在延误工期的同时也可能造成投资的大幅增加。随着社会经济的发展，“以堵为主”的措施是必然选择。在建的“滇中引水”工程中，为减少对地下水环境的影响，采用了大量的超前预注浆措施。目前需要解决的关键技术是定量和精细化的超前地质预报技术，以及超高压注浆设备及注浆成套工艺技术。

注浆材料是注浆技术的核心，需根据地层结构、水流状态等综合选取。深埋隧洞外水压力高，需较高的注浆压力，水泥-水玻璃浆液难以达到预期的凝固效果，可采用水泥浆液和膏状浆液浆液等。对水泥基浆液，需满足少析水、不沉淀等要求，注浆时浆液能自成整体，高压低速水流不能进入浆液内部，并具有一定的抗冲能力，且满足在高压条件下流变性能缓变等要求。在施工工艺中，高压水地层下的成孔工艺和孔口封闭技术是关键工艺。

施工中突发高压涌水时，可根据涌水情况选用排水、堵水或二者相结合等方式。涌水量不大、不影响隧洞掘进时，可根据“适量排放”的原则进行排水。涌水量较大、严重影响隧洞掘进进度时，应采用帷幕注浆和径向注浆方式进行堵水。出现较大集中涌水时，应采取局部注浆的方式对大涌水及时进行封堵。堵水的关键技术是快速处理技术，核心是注浆材料，需对高流速或高压条件下的抗冲速凝型材料及配套设备和注浆工艺等进行重点研究。

3 高地应力条件下的软岩大变形控制

3.1 预留变形量选择

深埋隧洞通过软岩时，在高地应力和富水条件下围岩极易发生大变形，是深埋隧洞设计和施工中非常突出的问题。在不采取支护措施的情况下，软岩开挖后的变形量可达数十厘米至一百多厘米，收敛的最终趋势甚至可将隧洞封死。在采取支护措施的情况下，如果支护不当，可能产生较大变形导致支护设施严重扭曲、损坏。采用TBM掘进时，软岩洞段的大变形可能导致衬砌混凝土管片损坏，严重时导致TBM卡机。山西万家寨引黄工程7#隧洞在软岩段掘进时，隧洞变形速率达3～4cm/h，导致TBM长时间被困。

输水隧洞施工中，已普遍使用新奥法，及时和成熟的支护措施对控制围岩的变形有较好的效果，但受施工程序和支护时间等因素的制约，以及开挖后变形大和快的特点影响，软岩隧洞在衬砌前仍不可避免地存在一定量的变形，为确保隧洞净空和衬砌结构厚度不被侵占，在深埋隧洞的设计中预留一定的围岩变形量是非常必要的。

软岩隧洞的变形受埋深、围岩条件、施工工法、支护措施和时机等许多因素影响，开挖后的变形特性和变形过程十分复杂，预留变形量应经综合分析确定。在这些因素里，支护强度和时机是十分重要，支护措施越强，时机越早，预留的变形量可越小，但支护工程投资越大，施工控制难度更高，适当加大预留变形量可能是一种较为经济的选择。在无法获取现场实测资料时，对于埋深不大的隧洞，变形量可根据工程类比、经验公式等进行确定。对于埋深较大的软岩隧洞，还需结合数值分析经综合比选研究确定。近年来，国内学者针对锦屏二级电站引水隧洞、引洮供水工程红层软岩隧洞等工程开展了相关研究，采取数值分析方法对期支护后的变形量进行了分析计算，并据此确定预留变形量，取得了一定的成果，但还需结合围岩变形特性和本构模型的进一步研究，考虑支护措施、支护时机、施工工期、工程造价等因素，进行更深入地研究。

3.2 大变形控制

新奥法以初期支护技术为核心，采用“以柔克刚”的理念，开挖后先实施柔性支护，允许围岩产生一定的变形，并充分发挥围岩的自承作用，使围岩和初期支护共同承受围岩荷载和变形。软岩大变形的控制应贯彻这一理念。

为控制软岩大变形，前期设计中的洞型选择和断面优化十分重要。在满足施工要求的前提下，应优先采用马蹄形或椭圆形断面；在可能产生大变形的高地应力区域，应优先选择圆形断面。支护措施中，贯彻“先柔后刚”和“先放后抗”的原则。采用钢筋网喷混凝土、可缩钢架及长锚杆等支护措施承受围岩释放的大部分应力，允许支护施作完成后发生一定程度的变形，达到设计预留的变形量后再施作二次模筑混凝土衬砌，允许二衬承受适当的围岩荷载。

超前支护是控制软岩变形的一种非常有效的措施。特别是对于断层破碎带、软岩和塌方等洞段，在开挖前对其进行注浆，能够对大变形起到很好的控制作用。常用的措施包括超前锚杆、超前管棚和超前小导管注浆。围岩较差条件下，常规锚杆不能成孔时可采用自进式注浆锚杆；围岩破碎、大变形问题较重时，可用长管棚加固；在大管棚难以施作地方，可采用双层小导管进行注浆。当隧洞埋深非常大，且位于地下水位之下，常规的支护方法难以奏效时，可选用特殊的支护方法，如恒阻大变形锚杆、小直径锚索、钢纤维喷射混凝土、U型可缩钢架、可缩式锚杆、双拱支护等。

根据高地应力段软岩易坍塌的特点，可采用短台阶法或短台阶和双侧壁相结合方法进行开挖。开挖时，尽量减少一次性开挖面积，维持开挖面的稳定。缩短开挖和支护之间时间间隔，缩短支护工作时间，使开挖部分能及时支护，防止围岩变形、坍塌。严格控制爆破参数和循环进尺，采用减弱振动控制爆破技术，减少爆破对围岩的扰动。在大断面软岩地质中采用普通的钻爆法不利于围岩的稳定，为减小爆破施工对围岩的扰动，可引进铣挖机开挖。

为了保证隧洞净空，抵御剩余较大的形变压力，高地应力软岩洞段衬砌应采用钢筋混凝土结构。衬砌施作时机对于控制高地应力软岩隧洞的永久变形十分重要，二次衬砌施作越早，对控制变形越有利，但其受力也越大，易导致二次衬砌开裂破坏，需通过有关计算分析进行确定。

3.3 岩石流变

流变是岩石重要的力学特性之一，不仅影响隧洞的开挖和支护，还控制隧洞的长期稳定性和耐久性。大量的现场量测和室内实验表明，几乎所有的岩石都或多或少的具有流变的性质，其中软岩及含有泥质充填物和夹层破碎带的岩体的流变性质非常显著，对隧洞支护和衬砌影响最大。由于岩石的流变，岩石的变形和强度将随时间的推移而发生较大的变化。隧洞开挖后，岩体的变形并不是瞬间达到最终值，而是随时间逐渐变化发展，围岩的应力及衬砌荷载亦将随变形持续增长而不断调整变化。

在隧洞初期支护和永久衬砌结构的计算中，以往通常的做法是根据工程经验和类比，对隧洞开挖后及衬砌前的围岩应力释放系数进行假定，据此进行结构分析。这种假定可大大简化计算的工作量，但由于不能完整地反映岩石的流变特性，也没有考虑隧洞开挖和支护的过程，误差较大，对初期支护措施的选择及衬砌的长期稳定性不利。对深埋软岩隧洞，为掌握开挖和支护过程中围岩变形随时间变化的特性，合理确定初期支护参数和时机，以及永久衬砌结构尺寸和实施时机，对软岩的流变特性进行研究，选取合理的流变模型和参数，对隧洞开挖和支护过程进行数值分析和仿真模拟是十分必要的。

流变试验是了解岩石在长期荷载作用下变形特性的重要手段，其研究结果可揭示岩石在不同受力条件下的流变力学特性。目前国内外对岩石流变力学特性在实验研究方面已经取得了一些成果，但岩石作为自然界的一种复杂工程介质，掌握其真实和准确的力学特性并应用到隧洞工程实践中，还需要进行更深入地研究。

4 超长隧洞施工通风和高地温热害防治

4.1 超长距离通风

深埋长隧洞垂直和水平埋深均较大，工作面往往距离洞口较远，致使通风距离长、强度大，造成通风难度大，影响施工人员的安全和进度。

通风系统是隧洞施工的生命线，通风设计必须与隧洞施工组织相协调，并采取“合理布局，优化匹配”的原则，冲淡或排除各种有害气体或岩尘，为洞内施工人员提供充足的新鲜空气，创造适宜的劳动作业环境，同时也为维持掘进机和其他设备的正常运行提供必要的条件。近年来，随着通风设备的发展，管道通风、巷道通风和管道巷道混合式通风等通风方式均有新的发展，特别是随着掘进机技术的应用，管道通风作为长大隧洞施工通常采用的通风方式发展更快。研究和实践表明，解决长距离通风问题的根本途径是研究和应用大风量、大直径、长距离管道通风技术，目前在国内外都取得了良好的效果，并在工程中逐渐推广应用。

通风设计是深埋长隧洞施工设计中的重要组成部分，通风技术将直接影响隧洞独头掘进的规模、机械设备选型和施工工期等。通风方式的选择需结合长隧洞施工特点和使用条件等进行研究，考虑地质条件、掘进长度、断面尺寸、施工方法、设备条件、支洞布置、运输方式及洞内污染物的种类和含量等因素，经综合比较确定。长隧洞施工中利用自然风极其有限，采用机械通风是非常必要的。其中压入式通风有效射程大、排尘作用强、对设备污染小，但长距离通风所需风量大，回风对整条隧洞污染大。抽出式通风有效吸程内排尘效果好，回风流不污染隧洞，但有效吸程短，只有当通风口离工作面很近时才能获得满意效果；混合式通风综合了抽出式与压入式通风的优点，可较好地适应长隧洞的施工通风。对于深埋长隧洞工程，可将隧洞的运营通风和施工通风综合统一考虑，条件允许时可增设通风竖井，以减轻长隧洞施工通风的难度。

4.2 高地温及热害防治

实测资料表明，对浅表地层，地面以下每加深100m，地层温度平均约提高约3℃。因机械作业，特别是TBM掘进将产生大量热，导致隧洞施工环境温度进一步升高。隧洞中若发生高地温，一方面将恶化作业环境，降低劳动生产率，并严重威胁施工人员的安全。另一方面，也影响到施工材料如耐高温炸药的选择，还有可能引起混凝土衬砌的开裂，影响隧洞的稳定。

随着隧洞埋深的增加，地温随之升高，但这种趋势并非线性关系。事实上，影响隧洞工程区地温的因素非常多，如地层岩性、火山活动、地质构造、地下水活动、放射性元素等。一般情况下，导热率小的岩层热传递慢，地温梯度小，导热率大的岩层热传递速度快，地温梯度大。从岩性分析，近代火山附近岩浆岩的地温梯度大，侵入岩和深变质岩次之，沉积岩相对较小。地温与区域构造活动密切相关。在构造活动强烈地区，断裂发育，岩浆侵入和火山活动强烈，地球深部的热量可通过大断裂、岩浆侵入和火山活动带至地壳，形成高地温异常带。地下水活动也是影响地温场的重要因素。锦屏二级电站引水隧洞垂直裂隙发育，而山顶年平均气温较低，低温水自上而下流动，显著降低了隧洞施工时的环境温度，因此地温对施工的影响较小。

由于地质介质的复杂性，以及包括地下水在内的各种外界因素的影响，致使深埋隧洞围岩地质体的地温分布问题十分复杂。目前研究主要包括两个方面：结合钻孔资料分析，建立岩温预测经验公式，对实际工程地温进行预测；研究地温场反演方法，通过数值模拟，对实际工程温度场进行预测评价。这些研究取得了一定的成果，但在具体工程的实际运用中仍存在一定的差异性。为了更好地指导大深埋长隧洞工程的设计和施工，还需结合深埋隧洞特点在地温影响因素、分布特性、反演方法、数值模拟、评价预测等方面进行进一步研究。

高地温热害防治的主要工程措施是对隧洞进行降温处理，通过对隧洞的热环境进行控制，为洞内施工人员提供适宜的作业环境条件，确保人员健康作业，并避免因热害引发安全事故。为避免热环境控制范围过大而增加热害处理难度和工程投资，热环境控制的合理区域范围主要为洞内人员集中作业区域。降温的主要措施为通风措施，新鲜风通过风机、风筒供送至掌子面，风流经过开挖面时在岩面上进行热交换，以降低掌子面附近作业区域的环境温度。隧洞内施工环境受围岩放热、设备散热、爆破散热、施工人员放热及地下热水散热等诸多因素影响，通风设计时需综合分析各种散热源释放的热量。对通风措施不足以将作业面环境温度降低至控制标准温度时，可采取强制制冷措施进行降温。对于高地温隧洞，除降温、制冷等措施外，还可采用洞内低温水利用、围岩封闭隔热、个体防护、劳动保护及优化施工组织等辅助措施，这些措施也十分必要和重要。

5 结语

随着“新奥法”和TBM等施工技术的发展，深埋长隧洞在长距离调水工程实践中已获得了较多的运用。其优点是可以大大缩短输水线路长度和建筑物数量，减少移民占地及其带来的社会影响，减小工程运行管理难度，并可能减少工程投资。但受地质条件和施工环境等的影响，深埋长隧洞的工程建设难度非常大。高埋深带来的高地应力和岩爆问题、高外水压力和强突涌水问题，高应力条件下软岩洞段带来的软岩大变形控制问题，以及超长距离施工通风和高地温问题，均给工程建设带来了极大的难度和挑战。已建成的锦屏二级水电站引水洞等工程的建设为解决这些问题提供了十分丰富和宝贵的经验。但基于深埋隧洞本身条件的复杂性和不可预见性，加上单个工程的特殊性，许多问题还需要进一步深入研究。