吳劍疆

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

人多水少、水資源時空分布不均是我國的基本國情水情。興建調(diào)水工程是優(yōu)化水資源配置、提高水安全保障能力的重大戰(zhàn)略舉措。近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，以及國家對重大水資源配置戰(zhàn)略的不斷重視，我國大型長距離調(diào)水工程發(fā)展十分迅速。截至目前，已建成了南水北調(diào)東、中線、引黃入晉、大伙房輸水、引洮供水等工程，發(fā)揮了較好的效益，在建和擬建的工程還有引漢濟(jì)渭、滇中引水以及新疆的調(diào)水工程等。在這些工程中，大部分位于我國西部地區(qū)，沿線地形地貌多為崇山峻嶺，受條件制約，不得不采用大埋深長距離隧洞進(jìn)行輸水，其中最大埋深已超過2200m，單洞最大長度已超過280km。由于埋深大、距離長，這些隧洞在建設(shè)過程中將會遇到一系列特殊的技術(shù)難題。如因超高埋深導(dǎo)致的高地應(yīng)力問題及巖爆和軟巖大變形問題，高地下水壓力帶來的強(qiáng)突涌水問題，以及因超長距離導(dǎo)致的施工通風(fēng)和埋深導(dǎo)致的高地溫等問題，這些均是工程建設(shè)的世界性難題，特別是部分隧洞由于地處構(gòu)造作用和巖溶發(fā)育強(qiáng)烈地區(qū)，使得上述問題變得更為復(fù)雜，風(fēng)險更大，給隧洞的設(shè)計(jì)和施工帶來了極大的挑戰(zhàn)。

1 高地應(yīng)力與巖爆防治

1.1 地應(yīng)力場的確定

隨著埋深的增大，受自重荷載增加的影響，隧洞地應(yīng)力將增加，另外受地質(zhì)構(gòu)造的影響，地應(yīng)力也將發(fā)生調(diào)整。除與埋深和地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)外，地應(yīng)力大小還與巖性等密切相關(guān)。一般情況下，巖石越堅(jiān)硬，越容易積聚能量，地應(yīng)力越高。巖漿巖由高溫巖漿冷凝而成，巖體中地應(yīng)力較高；沉積巖為地表松散物經(jīng)沉積作用而成，地應(yīng)力較低；變質(zhì)巖則介于兩者之間。

隧洞開挖前，巖體中的地應(yīng)力場稱為初始地應(yīng)力場，是在長期、復(fù)雜的地質(zhì)作用過程中不斷變化后逐漸形成的，其組成部分包括自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、溫度應(yīng)力，以及因沉積、變質(zhì)、固結(jié)等作用引起的應(yīng)力。隧洞開挖后，隧洞周圍初始地應(yīng)力場受到擾動，原有的應(yīng)力平衡遭到破壞，應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行應(yīng)力重分布，并引起圍巖變形，以達(dá)到新的平衡。隧洞的失穩(wěn)主要因巖體應(yīng)力重分布后，其應(yīng)力超過強(qiáng)度，難以形成新的平衡而造成。應(yīng)力重分布的結(jié)果和初始地應(yīng)力場有較大關(guān)系，初始地應(yīng)力場的確定是評判隧洞開挖后圍巖是否穩(wěn)定的關(guān)鍵問題。

對地應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測是獲取初始地應(yīng)力場最為直接的方法，但對深埋隧洞，受技術(shù)條件和場地因素等限制，實(shí)測難度較大；另外地應(yīng)力場成因復(fù)雜，受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，實(shí)測成果只能反映局部應(yīng)力場，受測量誤差等因素影響，成果也存在一定程度的離散性。為了更好地滿足工程設(shè)計(jì)和施工的需要，還需根據(jù)地質(zhì)條件，結(jié)合數(shù)值模擬，對地應(yīng)力場進(jìn)行反演分析，以獲得更為準(zhǔn)確的地應(yīng)力場。

1.2 巖爆的預(yù)測和模擬

巖爆的預(yù)測和模擬是隧洞工程建設(shè)的難題，由于形成機(jī)理十分復(fù)雜，準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)巖爆發(fā)生的位置、時間和強(qiáng)度難度非常大。近年來，國內(nèi)外的學(xué)者對巖爆機(jī)理、預(yù)測和模擬等進(jìn)行了許多研究，取得了一定的成果。在巖爆機(jī)理方面，有分形理論、突變理論和能量理論等理論；在預(yù)測方法方面，根據(jù)巖爆發(fā)生的機(jī)理，有應(yīng)力判據(jù)、能量判據(jù)等判據(jù)；在數(shù)值模擬方面，有彈性、彈塑性及彈脆塑性等模型。但由于巖爆是一種極其復(fù)雜的動力失穩(wěn)現(xiàn)象，與初始地應(yīng)力場、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水條件、隧洞斷面、施工方法等許多因素相關(guān)，巖爆發(fā)生的機(jī)理目前還未完全掌握，巖爆模擬和預(yù)測的結(jié)果還不十分準(zhǔn)確，特別是對于融合了大型構(gòu)造、復(fù)雜巖性和富水條件下的深埋隧洞，巖爆預(yù)測和模擬的方法亟待進(jìn)一步研究。

錦屏二級水電站排水洞的施工采用微震監(jiān)測法對巖爆進(jìn)行預(yù)測，取得了較好效果。通過對巖體破壞前的微震事件進(jìn)行定位和跟蹤，從而達(dá)到巖爆預(yù)測的目的。但對巖爆發(fā)生的時間難以準(zhǔn)確預(yù)測，需繼續(xù)摸索和積累。

1.3 巖爆防治

巖爆的防治措施以“事前防治”為主，即在巖爆發(fā)生前采用綜合措施防止巖爆的發(fā)生或降低巖爆發(fā)生的強(qiáng)度。在爆破控制方面，減少爆破頻率和裝藥量，控制爆破效果，以減少圍巖表面的應(yīng)力集中；對可能發(fā)生強(qiáng)巖爆與極強(qiáng)巖爆的洞段，配合應(yīng)力解除爆破進(jìn)行開挖。在改善圍巖條件方面，開挖后及時向掌子面和周圍巖壁噴水，或利用錨桿鉆孔和炮孔對巖體深部注水，以降低圍巖強(qiáng)度，降低巖爆發(fā)生的劇烈程度。在圍巖支護(hù)方面，應(yīng)及時進(jìn)行支護(hù)，在初噴混凝土、鋼筋網(wǎng)、防爆錨桿等保護(hù)下，及時施作系統(tǒng)錨桿和混凝土復(fù)噴，對可能產(chǎn)生強(qiáng)巖爆和極強(qiáng)巖爆的洞段，根據(jù)圍巖穩(wěn)定性及時布置鋼拱架。

TBM設(shè)備的特殊性給TBM施工段巖爆的防治帶來一定的難度，因?yàn)門BM設(shè)備不能像常規(guī)設(shè)備那樣在遇到危險時可立即撤至安全處。另外，TBM在掘進(jìn)時對圍巖的擾動較小，圍巖應(yīng)力釋放的程度較低，在掘進(jìn)過程中可能只發(fā)生小規(guī)模的巖爆，但在間隔較長時間后可能發(fā)生較大的巖爆，從而給人員和設(shè)備帶來較大危害。巖爆防治措施主要包括掘進(jìn)速度的控制和開挖后的支護(hù)。針對不同的巖爆等級，采用不同的掘進(jìn)速度及不同速度和強(qiáng)度的支護(hù)措施。巖爆等級越高，需掘進(jìn)速度越低、支護(hù)速度越快、支護(hù)措施越強(qiáng)。

2 高外水壓力與突涌水處理

2.1 外水壓力荷載取值

襯砌外水壓力是深埋隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)十分重要的荷載，因其可能對襯砌結(jié)構(gòu)起控制作用，而影響襯砌結(jié)構(gòu)的長期運(yùn)行安全。

折減系數(shù)法為常用的取值方法，根據(jù)地下水活動狀態(tài)確定襯砌外水壓力。其原理是地下水在滲流過程中，受到巖體阻隔的影響，產(chǎn)生了水頭損失，剩余水頭的比率可換算為折減系數(shù)。該方法簡單實(shí)用，但在前期階段，由于隧洞未開挖，無法準(zhǔn)確獲取地下水活動資料，折減系數(shù)難以確定，而在實(shí)施階段，雖可根據(jù)施工開挖揭露情況取得地下水活動資料，但由于取值范圍大，取值仍存在一定的困難和不確定性；另外，折減系數(shù)未能考慮襯砌結(jié)構(gòu)及排水措施等的影響，難以與實(shí)際情況相符合。因此，在SL279—2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確要求，對地質(zhì)條件復(fù)雜及外水壓力較大的隧洞，其襯砌外水壓力應(yīng)進(jìn)行專門研究。

解析法假定圍巖為各向同性均勻連續(xù)介質(zhì)，采用井的滲流理論，根據(jù)Darcy定理和連續(xù)方程推導(dǎo)后的公式近似計(jì)算襯砌上的外水壓力和滲流量。該方法概念清晰，計(jì)算方便，但主要適應(yīng)于圍巖較為均一情況，在實(shí)際工程中可用于對圍巖的注漿參數(shù)和效果等進(jìn)行分析。

對地質(zhì)條件較為復(fù)雜的深埋隧洞，還需采用數(shù)值方法進(jìn)行模擬分析計(jì)算。近年來，國內(nèi)許多學(xué)者采用隨機(jī)連續(xù)模型、滲流-應(yīng)力耦合模型等對隧洞開挖后的滲流場等進(jìn)行模擬，取得了較好的效果。

2.2 減小襯砌外水壓力措施

為減小隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的外水壓力，排水是最有效的措施，最簡單的做法是在襯砌上鉆設(shè)排水孔，對外水壓力進(jìn)行釋放，這主要適應(yīng)于無壓洞，對有壓洞還需考慮內(nèi)水外滲的影響。對深埋隧洞，由于水頭大，僅做排水有可能造成隧洞周邊區(qū)域地下水位的大幅降低，并可能疏干地表的泉、井，從而帶來嚴(yán)重的社會影響，對地質(zhì)條件較差的洞段，還可能影響隧洞的穩(wěn)定，需采用“堵排結(jié)合”或“以堵為主”的方案，即對圍巖進(jìn)行灌漿，減小圍巖的滲透系數(shù)，使其成為阻水的主要屏障，同時設(shè)置排水，以進(jìn)一步降低壓力。

對深埋隧洞，通過灌漿雖可顯著降低襯砌外水壓力，但由于作用水頭高，灌漿后在襯砌上仍會存在較大的外水壓力，排水措施尤其重要和必要。地下水可排入隧洞時，優(yōu)先采用在襯砌上鉆設(shè)排水孔的“內(nèi)排”措施。地下水水質(zhì)較差不宜排入隧洞時，則需通過排水管或排水墊層將滲水“外排”至洞外。但需對排水管或排水墊層的材料、結(jié)構(gòu)及布置等進(jìn)行研究，其效果和耐久性是關(guān)鍵，以減少其損壞和失效的概率。

2.3 施工期的突涌水處理

突涌水是隧洞工程中普遍存在的地質(zhì)災(zāi)害，特別是富水地區(qū)的大埋深隧洞，常常給隧洞施工帶來嚴(yán)重的災(zāi)害損失，并使隧洞工期大幅延長，如日本東海道干線的舊丹拿隧道在施工中曾遭遇6次大小不同的涌水，突涌水總量達(dá)15萬m3/d，不僅造成了巨大損失，還使施工周期延長16年。國內(nèi)的錦屏二級水電站輔助洞、宜萬大支坪隧道、高黎貢山隧洞等也曾出現(xiàn)嚴(yán)重的涌水事故，給隧洞的施工帶來了嚴(yán)重的災(zāi)害。

超前預(yù)注漿是解決突涌水問題較為有效的方法。以往主要采用先排后堵的方案，即先將一部分水排出洞外，待壓力降低后，再實(shí)施堵水灌漿，這樣可大大降低注漿施工的難度。但對深埋隧洞，長時間大流量的排水降壓可能引起大范圍的地下水位下降，極大地破壞周邊地區(qū)的水環(huán)境，嚴(yán)重時可導(dǎo)致次生地質(zhì)災(zāi)害。另外，由于泄水降壓需較長的時間，在延誤工期的同時也可能造成投資的大幅增加。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，“以堵為主”的措施是必然選擇。在建的“滇中引水”工程中，為減少對地下水環(huán)境的影響，采用了大量的超前預(yù)注漿措施。目前需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是定量和精細(xì)化的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，以及超高壓注漿設(shè)備及注漿成套工藝技術(shù)。

注漿材料是注漿技術(shù)的核心，需根據(jù)地層結(jié)構(gòu)、水流狀態(tài)等綜合選取。深埋隧洞外水壓力高，需較高的注漿壓力，水泥-水玻璃漿液難以達(dá)到預(yù)期的凝固效果，可采用水泥漿液和膏狀漿液漿液等。對水泥基漿液，需滿足少析水、不沉淀等要求，注漿時漿液能自成整體，高壓低速水流不能進(jìn)入漿液內(nèi)部，并具有一定的抗沖能力，且滿足在高壓條件下流變性能緩變等要求。在施工工藝中，高壓水地層下的成孔工藝和孔口封閉技術(shù)是關(guān)鍵工藝。

施工中突發(fā)高壓涌水時，可根據(jù)涌水情況選用排水、堵水或二者相結(jié)合等方式。涌水量不大、不影響隧洞掘進(jìn)時，可根據(jù)“適量排放”的原則進(jìn)行排水。涌水量較大、嚴(yán)重影響隧洞掘進(jìn)進(jìn)度時，應(yīng)采用帷幕注漿和徑向注漿方式進(jìn)行堵水。出現(xiàn)較大集中涌水時，應(yīng)采取局部注漿的方式對大涌水及時進(jìn)行封堵。堵水的關(guān)鍵技術(shù)是快速處理技術(shù)，核心是注漿材料，需對高流速或高壓條件下的抗沖速凝型材料及配套設(shè)備和注漿工藝等進(jìn)行重點(diǎn)研究。

3 高地應(yīng)力條件下的軟巖大變形控制

3.1 預(yù)留變形量選擇

深埋隧洞通過軟巖時，在高地應(yīng)力和富水條件下圍巖極易發(fā)生大變形，是深埋隧洞設(shè)計(jì)和施工中非常突出的問題。在不采取支護(hù)措施的情況下，軟巖開挖后的變形量可達(dá)數(shù)十厘米至一百多厘米，收斂的最終趨勢甚至可將隧洞封死。在采取支護(hù)措施的情況下，如果支護(hù)不當(dāng)，可能產(chǎn)生較大變形導(dǎo)致支護(hù)設(shè)施嚴(yán)重扭曲、損壞。采用TBM掘進(jìn)時，軟巖洞段的大變形可能導(dǎo)致襯砌混凝土管片損壞，嚴(yán)重時導(dǎo)致TBM卡機(jī)。山西萬家寨引黃工程7#隧洞在軟巖段掘進(jìn)時，隧洞變形速率達(dá)3～4cm/h，導(dǎo)致TBM長時間被困。

輸水隧洞施工中，已普遍使用新奧法，及時和成熟的支護(hù)措施對控制圍巖的變形有較好的效果，但受施工程序和支護(hù)時間等因素的制約，以及開挖后變形大和快的特點(diǎn)影響，軟巖隧洞在襯砌前仍不可避免地存在一定量的變形，為確保隧洞凈空和襯砌結(jié)構(gòu)厚度不被侵占，在深埋隧洞的設(shè)計(jì)中預(yù)留一定的圍巖變形量是非常必要的。

軟巖隧洞的變形受埋深、圍巖條件、施工工法、支護(hù)措施和時機(jī)等許多因素影響，開挖后的變形特性和變形過程十分復(fù)雜，預(yù)留變形量應(yīng)經(jīng)綜合分析確定。在這些因素里，支護(hù)強(qiáng)度和時機(jī)是十分重要，支護(hù)措施越強(qiáng)，時機(jī)越早，預(yù)留的變形量可越小，但支護(hù)工程投資越大，施工控制難度更高，適當(dāng)加大預(yù)留變形量可能是一種較為經(jīng)濟(jì)的選擇。在無法獲取現(xiàn)場實(shí)測資料時，對于埋深不大的隧洞，變形量可根據(jù)工程類比、經(jīng)驗(yàn)公式等進(jìn)行確定。對于埋深較大的軟巖隧洞，還需結(jié)合數(shù)值分析經(jīng)綜合比選研究確定。近年來，國內(nèi)學(xué)者針對錦屏二級電站引水隧洞、引洮供水工程紅層軟巖隧洞等工程開展了相關(guān)研究，采取數(shù)值分析方法對期支護(hù)后的變形量進(jìn)行了分析計(jì)算，并據(jù)此確定預(yù)留變形量，取得了一定的成果，但還需結(jié)合圍巖變形特性和本構(gòu)模型的進(jìn)一步研究，考慮支護(hù)措施、支護(hù)時機(jī)、施工工期、工程造價等因素，進(jìn)行更深入地研究。

3.2 大變形控制

新奧法以初期支護(hù)技術(shù)為核心，采用“以柔克剛”的理念，開挖后先實(shí)施柔性支護(hù)，允許圍巖產(chǎn)生一定的變形，并充分發(fā)揮圍巖的自承作用，使圍巖和初期支護(hù)共同承受圍巖荷載和變形。軟巖大變形的控制應(yīng)貫徹這一理念。

為控制軟巖大變形，前期設(shè)計(jì)中的洞型選擇和斷面優(yōu)化十分重要。在滿足施工要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先采用馬蹄形或橢圓形斷面；在可能產(chǎn)生大變形的高地應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)優(yōu)先選擇圓形斷面。支護(hù)措施中，貫徹“先柔后剛”和“先放后抗”的原則。采用鋼筋網(wǎng)噴混凝土、可縮鋼架及長錨桿等支護(hù)措施承受圍巖釋放的大部分應(yīng)力，允許支護(hù)施作完成后發(fā)生一定程度的變形，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)留的變形量后再施作二次模筑混凝土襯砌，允許二襯承受適當(dāng)?shù)膰鷰r荷載。

超前支護(hù)是控制軟巖變形的一種非常有效的措施。特別是對于斷層破碎帶、軟巖和塌方等洞段，在開挖前對其進(jìn)行注漿，能夠?qū)Υ笞冃纹鸬胶芎玫目刂谱饔?。常用的措施包括超前錨桿、超前管棚和超前小導(dǎo)管注漿。圍巖較差條件下，常規(guī)錨桿不能成孔時可采用自進(jìn)式注漿錨桿；圍巖破碎、大變形問題較重時，可用長管棚加固；在大管棚難以施作地方，可采用雙層小導(dǎo)管進(jìn)行注漿。當(dāng)隧洞埋深非常大，且位于地下水位之下，常規(guī)的支護(hù)方法難以奏效時，可選用特殊的支護(hù)方法，如恒阻大變形錨桿、小直徑錨索、鋼纖維噴射混凝土、U型可縮鋼架、可縮式錨桿、雙拱支護(hù)等。

根據(jù)高地應(yīng)力段軟巖易坍塌的特點(diǎn)，可采用短臺階法或短臺階和雙側(cè)壁相結(jié)合方法進(jìn)行開挖。開挖時，盡量減少一次性開挖面積，維持開挖面的穩(wěn)定?？s短開挖和支護(hù)之間時間間隔，縮短支護(hù)工作時間，使開挖部分能及時支護(hù)，防止圍巖變形、坍塌。嚴(yán)格控制爆破參數(shù)和循環(huán)進(jìn)尺，采用減弱振動控制爆破技術(shù)，減少爆破對圍巖的擾動。在大斷面軟巖地質(zhì)中采用普通的鉆爆法不利于圍巖的穩(wěn)定，為減小爆破施工對圍巖的擾動，可引進(jìn)銑挖機(jī)開挖。

為了保證隧洞凈空，抵御剩余較大的形變壓力，高地應(yīng)力軟巖洞段襯砌應(yīng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。襯砌施作時機(jī)對于控制高地應(yīng)力軟巖隧洞的永久變形十分重要，二次襯砌施作越早，對控制變形越有利，但其受力也越大，易導(dǎo)致二次襯砌開裂破壞，需通過有關(guān)計(jì)算分析進(jìn)行確定。

3.3 巖石流變

流變是巖石重要的力學(xué)特性之一，不僅影響隧洞的開挖和支護(hù)，還控制隧洞的長期穩(wěn)定性和耐久性。大量的現(xiàn)場量測和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，幾乎所有的巖石都或多或少的具有流變的性質(zhì)，其中軟巖及含有泥質(zhì)充填物和夾層破碎帶的巖體的流變性質(zhì)非常顯著，對隧洞支護(hù)和襯砌影響最大。由于巖石的流變，巖石的變形和強(qiáng)度將隨時間的推移而發(fā)生較大的變化。隧洞開挖后，巖體的變形并不是瞬間達(dá)到最終值，而是隨時間逐漸變化發(fā)展，圍巖的應(yīng)力及襯砌荷載亦將隨變形持續(xù)增長而不斷調(diào)整變化。

在隧洞初期支護(hù)和永久襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算中，以往通常的做法是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和類比，對隧洞開挖后及襯砌前的圍巖應(yīng)力釋放系數(shù)進(jìn)行假定，據(jù)此進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。這種假定可大大簡化計(jì)算的工作量，但由于不能完整地反映巖石的流變特性，也沒有考慮隧洞開挖和支護(hù)的過程，誤差較大，對初期支護(hù)措施的選擇及襯砌的長期穩(wěn)定性不利。對深埋軟巖隧洞，為掌握開挖和支護(hù)過程中圍巖變形隨時間變化的特性，合理確定初期支護(hù)參數(shù)和時機(jī)，以及永久襯砌結(jié)構(gòu)尺寸和實(shí)施時機(jī)，對軟巖的流變特性進(jìn)行研究，選取合理的流變模型和參數(shù)，對隧洞開挖和支護(hù)過程進(jìn)行數(shù)值分析和仿真模擬是十分必要的。

流變試驗(yàn)是了解巖石在長期荷載作用下變形特性的重要手段，其研究結(jié)果可揭示巖石在不同受力條件下的流變力學(xué)特性。目前國內(nèi)外對巖石流變力學(xué)特性在實(shí)驗(yàn)研究方面已經(jīng)取得了一些成果，但巖石作為自然界的一種復(fù)雜工程介質(zhì)，掌握其真實(shí)和準(zhǔn)確的力學(xué)特性并應(yīng)用到隧洞工程實(shí)踐中，還需要進(jìn)行更深入地研究。

4 超長隧洞施工通風(fēng)和高地溫?zé)岷Ψ乐?/h2>

4.1 超長距離通風(fēng)

深埋長隧洞垂直和水平埋深均較大，工作面往往距離洞口較遠(yuǎn)，致使通風(fēng)距離長、強(qiáng)度大，造成通風(fēng)難度大，影響施工人員的安全和進(jìn)度。

通風(fēng)系統(tǒng)是隧洞施工的生命線，通風(fēng)設(shè)計(jì)必須與隧洞施工組織相協(xié)調(diào)，并采取“合理布局，優(yōu)化匹配”的原則，沖淡或排除各種有害氣體或巖塵，為洞內(nèi)施工人員提供充足的新鮮空氣，創(chuàng)造適宜的勞動作業(yè)環(huán)境，同時也為維持掘進(jìn)機(jī)和其他設(shè)備的正常運(yùn)行提供必要的條件。近年來，隨著通風(fēng)設(shè)備的發(fā)展，管道通風(fēng)、巷道通風(fēng)和管道巷道混合式通風(fēng)等通風(fēng)方式均有新的發(fā)展，特別是隨著掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，管道通風(fēng)作為長大隧洞施工通常采用的通風(fēng)方式發(fā)展更快。研究和實(shí)踐表明，解決長距離通風(fēng)問題的根本途徑是研究和應(yīng)用大風(fēng)量、大直徑、長距離管道通風(fēng)技術(shù)，目前在國內(nèi)外都取得了良好的效果，并在工程中逐漸推廣應(yīng)用。

通風(fēng)設(shè)計(jì)是深埋長隧洞施工設(shè)計(jì)中的重要組成部分，通風(fēng)技術(shù)將直接影響隧洞獨(dú)頭掘進(jìn)的規(guī)模、機(jī)械設(shè)備選型和施工工期等。通風(fēng)方式的選擇需結(jié)合長隧洞施工特點(diǎn)和使用條件等進(jìn)行研究，考慮地質(zhì)條件、掘進(jìn)長度、斷面尺寸、施工方法、設(shè)備條件、支洞布置、運(yùn)輸方式及洞內(nèi)污染物的種類和含量等因素，經(jīng)綜合比較確定。長隧洞施工中利用自然風(fēng)極其有限，采用機(jī)械通風(fēng)是非常必要的。其中壓入式通風(fēng)有效射程大、排塵作用強(qiáng)、對設(shè)備污染小，但長距離通風(fēng)所需風(fēng)量大，回風(fēng)對整條隧洞污染大。抽出式通風(fēng)有效吸程內(nèi)排塵效果好，回風(fēng)流不污染隧洞，但有效吸程短，只有當(dāng)通風(fēng)口離工作面很近時才能獲得滿意效果；混合式通風(fēng)綜合了抽出式與壓入式通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)，可較好地適應(yīng)長隧洞的施工通風(fēng)。對于深埋長隧洞工程，可將隧洞的運(yùn)營通風(fēng)和施工通風(fēng)綜合統(tǒng)一考慮，條件允許時可增設(shè)通風(fēng)豎井，以減輕長隧洞施工通風(fēng)的難度。

4.2 高地溫及熱害防治

實(shí)測資料表明，對淺表地層，地面以下每加深100m，地層溫度平均約提高約3℃。因機(jī)械作業(yè)，特別是TBM掘進(jìn)將產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致隧洞施工環(huán)境溫度進(jìn)一步升高。隧洞中若發(fā)生高地溫，一方面將惡化作業(yè)環(huán)境，降低勞動生產(chǎn)率，并嚴(yán)重威脅施工人員的安全。另一方面，也影響到施工材料如耐高溫炸藥的選擇，還有可能引起混凝土襯砌的開裂，影響隧洞的穩(wěn)定。

隨著隧洞埋深的增加，地溫隨之升高，但這種趨勢并非線性關(guān)系。事實(shí)上，影響隧洞工程區(qū)地溫的因素非常多，如地層巖性、火山活動、地質(zhì)構(gòu)造、地下水活動、放射性元素等。一般情況下，導(dǎo)熱率小的巖層熱傳遞慢，地溫梯度小，導(dǎo)熱率大的巖層熱傳遞速度快，地溫梯度大。從巖性分析，近代火山附近巖漿巖的地溫梯度大，侵入巖和深變質(zhì)巖次之，沉積巖相對較小。地溫與區(qū)域構(gòu)造活動密切相關(guān)。在構(gòu)造活動強(qiáng)烈地區(qū)，斷裂發(fā)育，巖漿侵入和火山活動強(qiáng)烈，地球深部的熱量可通過大斷裂、巖漿侵入和火山活動帶至地殼，形成高地溫異常帶。地下水活動也是影響地溫場的重要因素。錦屏二級電站引水隧洞垂直裂隙發(fā)育，而山頂年平均氣溫較低，低溫水自上而下流動，顯著降低了隧洞施工時的環(huán)境溫度，因此地溫對施工的影響較小。

由于地質(zhì)介質(zhì)的復(fù)雜性，以及包括地下水在內(nèi)的各種外界因素的影響，致使深埋隧洞圍巖地質(zhì)體的地溫分布問題十分復(fù)雜。目前研究主要包括兩個方面：結(jié)合鉆孔資料分析，建立巖溫預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式，對實(shí)際工程地溫進(jìn)行預(yù)測；研究地溫場反演方法，通過數(shù)值模擬，對實(shí)際工程溫度場進(jìn)行預(yù)測評價。這些研究取得了一定的成果，但在具體工程的實(shí)際運(yùn)用中仍存在一定的差異性。為了更好地指導(dǎo)大深埋長隧洞工程的設(shè)計(jì)和施工，還需結(jié)合深埋隧洞特點(diǎn)在地溫影響因素、分布特性、反演方法、數(shù)值模擬、評價預(yù)測等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。

高地溫?zé)岷Ψ乐蔚闹饕こ檀胧┦菍λ矶催M(jìn)行降溫處理，通過對隧洞的熱環(huán)境進(jìn)行控制，為洞內(nèi)施工人員提供適宜的作業(yè)環(huán)境條件，確保人員健康作業(yè)，并避免因熱害引發(fā)安全事故。為避免熱環(huán)境控制范圍過大而增加熱害處理難度和工程投資，熱環(huán)境控制的合理區(qū)域范圍主要為洞內(nèi)人員集中作業(yè)區(qū)域。降溫的主要措施為通風(fēng)措施，新鮮風(fēng)通過風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒供送至掌子面，風(fēng)流經(jīng)過開挖面時在巖面上進(jìn)行熱交換，以降低掌子面附近作業(yè)區(qū)域的環(huán)境溫度。隧洞內(nèi)施工環(huán)境受圍巖放熱、設(shè)備散熱、爆破散熱、施工人員放熱及地下熱水散熱等諸多因素影響，通風(fēng)設(shè)計(jì)時需綜合分析各種散熱源釋放的熱量。對通風(fēng)措施不足以將作業(yè)面環(huán)境溫度降低至控制標(biāo)準(zhǔn)溫度時，可采取強(qiáng)制制冷措施進(jìn)行降溫。對于高地溫隧洞，除降溫、制冷等措施外，還可采用洞內(nèi)低溫水利用、圍巖封閉隔熱、個體防護(hù)、勞動保護(hù)及優(yōu)化施工組織等輔助措施，這些措施也十分必要和重要。

5 結(jié)語

隨著“新奧法”和TBM等施工技術(shù)的發(fā)展，深埋長隧洞在長距離調(diào)水工程實(shí)踐中已獲得了較多的運(yùn)用。其優(yōu)點(diǎn)是可以大大縮短輸水線路長度和建筑物數(shù)量，減少移民占地及其帶來的社會影響，減小工程運(yùn)行管理難度，并可能減少工程投資。但受地質(zhì)條件和施工環(huán)境等的影響，深埋長隧洞的工程建設(shè)難度非常大。高埋深帶來的高地應(yīng)力和巖爆問題、高外水壓力和強(qiáng)突涌水問題，高應(yīng)力條件下軟巖洞段帶來的軟巖大變形控制問題，以及超長距離施工通風(fēng)和高地溫問題，均給工程建設(shè)帶來了極大的難度和挑戰(zhàn)。已建成的錦屏二級水電站引水洞等工程的建設(shè)為解決這些問題提供了十分豐富和寶貴的經(jīng)驗(yàn)。但基于深埋隧洞本身?xiàng)l件的復(fù)雜性和不可預(yù)見性，加上單個工程的特殊性，許多問題還需要進(jìn)一步深入研究。