杜小洲

摘 要：引漢濟(jì)渭工程是國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)重大水利項(xiàng)目之一，秦嶺輸水隧洞是引漢濟(jì)渭工程的控制性工程。針對(duì)秦嶺輸水隧洞施工過程中遇到的高地應(yīng)力、巖爆、長(zhǎng)距離施工通風(fēng)、超長(zhǎng)距離的貫通測(cè)量、突涌水、硬巖掘進(jìn)、圍巖失穩(wěn)、軟巖變形、高地溫等問題，開展了超長(zhǎng)隧洞巖爆預(yù)測(cè)與防治、突涌水分析和防治、施工通風(fēng)、襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力確定及應(yīng)對(duì)、測(cè)量設(shè)計(jì)分析評(píng)估及施測(cè)精度控制分析、深層圍巖基本工程特性、高地應(yīng)力軟巖變形及防治、TBM硬巖掘進(jìn)、微震監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)研究，并提煉了主要研究成果及創(chuàng)新點(diǎn)。下一步，將對(duì)亟待解決的巖爆頻發(fā)影響施工進(jìn)度和硬巖大變形等問題進(jìn)行重點(diǎn)研究。

關(guān)鍵詞：輸水隧洞;貫通測(cè)量;施工通風(fēng);軟巖變形;巖爆;突涌水;硬巖掘進(jìn);引漢濟(jì)渭工程

中圖分類號(hào)：TV68;TV672 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.030

Abstract：Hanjiang-to-Weihe River Diversion Project is one of the 172 major water conservancy projects determined by the State Council. Qinling water diversion tunnel is the controlling works of Hanjiang-to-Weihe River Diversion Project. In response to the issues encountered during the construction of the Qinling diversion tunnel， including high ground stress， rock bursts， long-distance construction ventilation， ultra-long-distance through survey， gushed water， hard rock tunneling， surrounding rock instability， soft rock deformation， high ground temperature， etc， the key technologies were carried out such as prediction and prevention of rock burst in ultra-long tunnel， analysis and prevention of gushed water， construction ventilation， determination and response of external water pressure of lining structure， analysis and evaluation of measurement design and control analysis of construction accuracy， basic engineering characteristics of deep surrounding rock， deformation and prevention of soft rock with high geostress， TBM hard rock tunneling and micro-seismic monitoring. The main research contents and innovation points were summarized. The next research will focus on the urgent issues， including frequent rock bursts affecting construction progress and large deformation of hard rock.

Key words： water conveyance tunnel; through survey; construction ventilation; soft rock deformation; rock burst; gushed water; hard rock tunneling; Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project

引漢濟(jì)渭工程是國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)重大水利項(xiàng)目之一，由調(diào)水工程和輸配水工程兩部分組成。作為調(diào)水工程“兩庫(kù)一隧”的控制性工程，秦嶺輸水隧洞連通漢江與渭河，全長(zhǎng)98.26 km，縱坡1/2 500，最大埋深2 012 m，以三河口水利樞紐壩后泵站控制閘為界，分為黃三段和越嶺段，沿線布設(shè)14條施工支洞。目前，秦嶺輸水隧洞所有支洞開挖支護(hù)工程已全部完成，長(zhǎng)16.48 km的黃三段已于2018年12月18日全線貫通;長(zhǎng)81.78 km的越嶺段鉆爆法施工段46.82 km全部完成，長(zhǎng)34.96 km的TBM施工段僅剩3.5 km，采用從德國(guó)、美國(guó)引進(jìn)的2臺(tái)TBM相向掘進(jìn)。

秦嶺輸水隧洞工程布置示意見圖1。

1 地質(zhì)特征

秦嶺輸水隧洞穿越的地層主要有中生界、古生界、元古界、太古界，受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，變質(zhì)作用復(fù)雜，主要分布變質(zhì)巖、侵入巖兩大類[1-2]。巖性以變砂巖、千枚巖、片巖、石英巖、變粒巖、大理巖、片麻巖、花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖等為主。地形地質(zhì)條件極為復(fù)雜，施工中遇到高地應(yīng)力、巖爆、突涌水、圍巖失穩(wěn)、軟巖變形、高地溫及熱害、有害氣體等多種工程地質(zhì)問題[3-4]。

2 工程面臨的主要技術(shù)難題

秦嶺輸水隧洞是人類第一次從底部橫穿世界十大山脈之一秦嶺的通道，修建過程中（尤其是越嶺段施工過程中），面臨諸多世界性的難題。

（1）工程的總體布局、規(guī)劃、實(shí)施難度空前。秦嶺輸水隧洞穿越區(qū)山體寬厚、埋深大，其中越嶺段長(zhǎng)81.78 km，最大埋深2 012 m。嶺脊長(zhǎng)40 km施工困難段洞線兩側(cè)約4 km范圍較難選擇合理的支洞口位置，最長(zhǎng)支洞長(zhǎng)達(dá)5.82 km。工程布局、施工組織的確定及實(shí)施難度高。秦嶺輸水隧洞越嶺段工程布置示意見圖2。

圖2 秦嶺輸水隧洞越嶺段工程布置示意

（2）超長(zhǎng)距離的貫通測(cè)量難度超出測(cè)量規(guī)范。秦嶺輸水隧洞是世界上在建貫通距離最長(zhǎng)的山嶺隧洞，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)大隧洞多采取長(zhǎng)隧短打施工，尚未有相向開挖貫通距離超出20 km的先例。秦嶺輸水隧洞3#支洞至4#支洞及4#支洞至5#支洞間的隧洞貫通距離分別達(dá)21.962、27.320 km，該距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有的工程實(shí)踐。另外，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的測(cè)量規(guī)范中，對(duì)于相向開挖長(zhǎng)度大于20 km的隧洞，還沒有相應(yīng)的洞內(nèi)外測(cè)量控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）長(zhǎng)距離施工通風(fēng)難度世界罕見。秦嶺輸水隧洞嶺脊段施工通風(fēng)距離長(zhǎng)，鉆爆法施工段已實(shí)施獨(dú)頭通風(fēng)距離分別為3#支洞工區(qū)6 385 m，7#支洞工區(qū)6 433 m，出口工區(qū)6 493 m，4#支洞超過7 200 m。TBM施工段已完成段獨(dú)頭通風(fēng)距離達(dá)14 754 m，規(guī)劃嶺北TBM最長(zhǎng)通風(fēng)距離達(dá)16 540 m，若考慮工區(qū)不平衡接應(yīng)，則距離或更長(zhǎng)。無論是鉆爆法，還是TBM法，上述通風(fēng)距離均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了現(xiàn)有的工程實(shí)踐，鮮有類似工程實(shí)例。另外，隧洞埋深大、地溫高（預(yù)測(cè)最高達(dá)42 ℃），加上洞內(nèi)電氣設(shè)備散熱、機(jī)械設(shè)備散熱、刀盤與掌子面摩擦發(fā)熱，洞內(nèi)溫度最高達(dá)50 ℃，使得施工通風(fēng)難度極大。

（4）軟巖變形問題。嶺北TBM圍巖相對(duì)軟弱，主要由千枚巖、變砂巖、千枚巖夾變砂巖、角閃石英片巖及局部碳質(zhì)千枚巖等組成。巖性變化大，變質(zhì)巖中劈理面發(fā)育，其間掘進(jìn)機(jī)穿越多條斷層及次生小斷層，斷層破碎帶物質(zhì)復(fù)雜，造成巖石力學(xué)性質(zhì)及強(qiáng)度差異很大，巖體穩(wěn)定性較差，在高地應(yīng)力條件下易出現(xiàn)擠壓性隧洞大變形問題。2016年5月31日，TBM通過斷層時(shí)出現(xiàn)卡機(jī)，當(dāng)時(shí)機(jī)器頂護(hù)盾最大壓強(qiáng)達(dá)到34 MPa，洞內(nèi)壓力盒圍巖壓力顯示為10.22 MPa，30 cm間距的密排鋼架的最大應(yīng)力達(dá)322 MPa，部分鋼架屈服。

（5）高地應(yīng)力及巖爆問題。秦嶺輸水隧洞埋深大，超過500 m埋深的段落長(zhǎng)61.369 km，在洞址11個(gè)深孔中，實(shí)測(cè)水平主應(yīng)力最大值為65.01 MPa，大埋深洞段位于高水平應(yīng)力區(qū)，易產(chǎn)生巖爆災(zāi)害，隧洞最大水平地應(yīng)力預(yù)計(jì)達(dá)到100 MPa。目前區(qū)內(nèi)共發(fā)生了不同程度巖爆近1 000次，其中發(fā)生中等以上巖爆超過434次，滯后性巖爆7次，對(duì)施工生產(chǎn)和人員安全帶來諸多不利影響。隨著施工的不斷深入，嶺南TBM施工段埋深已超1 500 m，在高應(yīng)力條件下巖爆發(fā)生次數(shù)增加，目前巖爆主要發(fā)生在拱頂部位150°、掌子面后方6 m的范圍內(nèi)，80%的巖爆會(huì)在掌子面開挖之后的2 d內(nèi)發(fā)生，有60%為強(qiáng)烈?guī)r爆。

2019年8月12日，嶺南TBM施工段樁號(hào)K40+190—K40+195發(fā)生滯后性強(qiáng)烈?guī)r爆，最大能量58.9萬J，該段現(xiàn)場(chǎng)采用H150全圓型鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)，間距為45 cm，此次巖爆導(dǎo)致5榀拱架拱部范圍局部變形，右側(cè)腰部凸出侵限近15 cm，拱頂均有不同程度下沉侵限，巖爆導(dǎo)致拱架安裝器環(huán)形梁斷裂、弧形齒斷裂錯(cuò)位以及整體嚴(yán)重變形，無法進(jìn)行拱架拼裝作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)被迫停機(jī)15 d。2019年5月31日嶺北TBM掘進(jìn)至樁號(hào)K45+711處停機(jī)檢修，6月26日掌子面發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆，對(duì)主軸承造成損壞。

（6）突涌水問題。隧洞通過各斷層破碎帶、大理巖地段時(shí)，由于構(gòu)造裂隙水及巖溶水發(fā)育，因此地下水循環(huán)較快，施工中發(fā)生突涌水風(fēng)險(xiǎn)非常高。目前區(qū)內(nèi)共出現(xiàn)過不同程度突涌水600余處，其中涌水量大于1 000 m3/d的有123處，對(duì)施工生產(chǎn)帶來諸多不利影響。其中，鉆爆段椒溪河主洞區(qū)涌水量達(dá)2.36萬 m3/d。2016年2月28日，TBM嶺南工區(qū)掘進(jìn)至K30+382.6處，出現(xiàn)單點(diǎn)涌水量達(dá)2.064萬 m3/d的突涌水，加之隧洞在2015年11月9日和之前段落斷斷續(xù)續(xù)的突涌水，涌水量突增至4.6萬m3/d，對(duì)TBM設(shè)備和人員帶來極大安全威脅，隨即停工，召集各方力量進(jìn)行搶險(xiǎn)，在距主電控柜被淹沒還有3 cm時(shí)，因及時(shí)抽水而水位停止上升，保住了TBM設(shè)備，此次事件直接造成停工75 d。

（7）硬巖掘進(jìn)帶來的問題。嶺南段主要為硬巖或極硬巖，巖體較為完整，現(xiàn)場(chǎng)揭示巖石的平均單軸抗壓強(qiáng)度為148 MPa，最高達(dá)306 MPa，石英含量25%～40%，在掘進(jìn)機(jī)開挖過程中刀具磨損量大，大約每掘進(jìn)2 m就磨廢一個(gè)刀頭。嶺脊段長(zhǎng)距離TBM施工的難度極大[5]，自2015年2月28日至2016年6月9日累計(jì)掘進(jìn)了2 000 m，其間共計(jì)更換中心刀38把，單刀1 668把，消耗單刀刀圈858個(gè)、軸承388套、金屬密封615套。從TBM掘進(jìn)施工的實(shí)踐來看，對(duì)于大直徑的TBM在硬巖地層中掘進(jìn)，用于刀具的費(fèi)用約占掘進(jìn)施工費(fèi)用的三分之一。

3 開展的主要研究及技術(shù)成果

針對(duì)秦嶺輸水隧洞面臨的眾多技術(shù)難題，陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱公司）聯(lián)合設(shè)計(jì)單位、科研單位及有關(guān)高校，開展了關(guān)鍵技術(shù)研究，以切實(shí)解決設(shè)計(jì)、施工中的關(guān)鍵技術(shù)問題為重點(diǎn)，系統(tǒng)整理工程現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)資料，保障工程順利建設(shè)，為我國(guó)超長(zhǎng)深埋隧洞的勘察設(shè)計(jì)、工程施工、運(yùn)營(yíng)管理等積累了經(jīng)驗(yàn)。

（1）秦嶺超長(zhǎng)隧洞施工通風(fēng)技術(shù)研究。探明了長(zhǎng)距離隧洞施工的洞內(nèi)環(huán)境特征，提出了分別把一氧化碳濃度和溫度作為鉆爆法及TBM法施工通風(fēng)的主要控制因素，給出了適用于長(zhǎng)距離隧洞鉆爆法施工和TBM施工的環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白;建立了各種不同施工環(huán)境下的通風(fēng)模式和計(jì)算方法;首次對(duì)隧洞施工通風(fēng)接力式風(fēng)倉(cāng)進(jìn)行了研究，提出了風(fēng)倉(cāng)長(zhǎng)度、高度和寬度的設(shè)計(jì)方法，解決了控制長(zhǎng)管路漏風(fēng)率和風(fēng)壓損失的技術(shù)難題;建立了復(fù)雜條件下長(zhǎng)距離TBM施工隧洞的洞內(nèi)溫度和粉塵分布預(yù)測(cè)模型，并提出了配套的施工措施。

（2）秦嶺超長(zhǎng)隧洞突涌水、巖爆預(yù)測(cè)與防治技術(shù)研究。構(gòu)建了秦嶺輸水隧洞突涌水災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)價(jià)體系，提出了突涌水災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并確立了各指標(biāo)的致災(zāi)程度;針對(duì)不同水文地質(zhì)單元，建立了相應(yīng)的隧洞突涌水預(yù)測(cè)模型，提出了適宜的超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)方法及防治措施;提出了秦嶺輸水隧洞的巖爆等級(jí)判定方法、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和不同施工方法的巖爆災(zāi)害分級(jí)防治措施。

（3）隧洞襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力確定及應(yīng)對(duì)技術(shù)研究?；谑┕て趪鷰r內(nèi)水壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了以圍巖滲透系數(shù)的滲流連續(xù)方程來確定初始水壓的方法，提出了外水壓力折減系數(shù)的確定方法，為隧洞襯砌設(shè)計(jì)提供了依據(jù);提出了“限量排放，排堵結(jié)合”深埋隧洞襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力的量化設(shè)計(jì)方法，制定了整體設(shè)計(jì)流程框架，并在秦嶺輸水隧洞的排水措施設(shè)計(jì)中首次應(yīng)用。

（4）超長(zhǎng)深埋隧洞測(cè)量設(shè)計(jì)分析評(píng)估及施測(cè)精度控制分析研究。提出了顧及對(duì)中與觀測(cè)誤差影響的洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)精度仿真計(jì)算方法，該方法能仿真實(shí)際測(cè)量誤差，預(yù)測(cè)的橫向貫通誤差可靠，為超長(zhǎng)隧洞洞內(nèi)控制測(cè)量方案的制訂提供了理論依據(jù);提出了固定測(cè)站和自由測(cè)站相結(jié)合的構(gòu)網(wǎng)方式進(jìn)行平面聯(lián)系測(cè)量方法，通過對(duì)聯(lián)系測(cè)量網(wǎng)的嚴(yán)密平差和精度評(píng)定，選擇最佳的進(jìn)洞聯(lián)系邊;首次在長(zhǎng)大輸水隧洞內(nèi)平面控制測(cè)量中采用自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)，避免了對(duì)中誤差和減弱旁折光的影響，顯著提高了貫通精度;探明了加測(cè)陀螺邊對(duì)長(zhǎng)大隧洞橫向貫通誤差的增益規(guī)律，根據(jù)橫向貫通誤差最小的原則，優(yōu)化了洞內(nèi)控制網(wǎng)加測(cè)陀螺方位角位置和數(shù)量。

（5）超長(zhǎng)深埋隧洞深層圍巖基本工程特性研究。首次將以板塊構(gòu)造和陸內(nèi)構(gòu)造為核心的秦嶺造山帶理論應(yīng)用于秦嶺地區(qū)隧洞圍巖地質(zhì)環(huán)境研究中，提出了實(shí)施方法，為評(píng)價(jià)深埋隧洞圍巖工程特性提供了理論依據(jù);從巖體結(jié)構(gòu)、巖石顯微構(gòu)造、多期變形特征、圍巖力學(xué)特征及應(yīng)力場(chǎng)等因素著手，對(duì)巖石不同破壞機(jī)制從地質(zhì)角度提出了指導(dǎo)性意見;采用巖石微觀組構(gòu)與巖體宏觀構(gòu)造分析相結(jié)合的方法，闡明巖體力學(xué)特征，為地質(zhì)條件區(qū)域劃分和設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

（6）秦嶺超長(zhǎng)深埋隧洞高地應(yīng)力軟巖變形及防治技術(shù)研究。提出了考慮應(yīng)力分區(qū)的超長(zhǎng)深埋隧洞工程地應(yīng)力場(chǎng)非線性分析方法，通過大量數(shù)據(jù)積累可以做到精細(xì)化反演分析，獲得了不同巖性、不同圍巖洞段的地應(yīng)力分布特征，為隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)和施工方案制訂提供支撐;構(gòu)建了反映卸荷巖石時(shí)效力學(xué)機(jī)制的復(fù)合黏彈塑模型，并應(yīng)用于秦嶺深埋隧洞中，具有理論上的創(chuàng)新意義和實(shí)踐應(yīng)用性。

（7）硬巖長(zhǎng)距離TBM施工參數(shù)與圍巖特性相關(guān)性研究。提出了利用TBM掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)模型和滾刀破巖試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合的綜合分析方法，分段給出了TBM掘進(jìn)參數(shù)建議值，提高了TBM開挖功效;首次將巖石摩擦性（CAI值）納入TBM利用率分析，提出了TBM利用率與圍巖分級(jí)（RMR值）及巖石摩擦性的相關(guān)性預(yù)測(cè)模型;初步確定了典型的巖體條件段TBM開挖圍巖損傷區(qū)的范圍，可為TBM施工各巖體條件的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)提供參考。

（8）秦嶺輸水隧洞TBM施工刀具選型研究[6]。針對(duì)硬巖掘進(jìn)，為了減少刀具更換時(shí)間，公司通過對(duì)國(guó)內(nèi)外數(shù)十家刀具供應(yīng)商進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)比選，從磨損量、巖石抗壓強(qiáng)度兩項(xiàng)指標(biāo)定量分析刀具選型，結(jié)合過渡區(qū)域刀具磨損量及速率、面刀區(qū)域刀具磨損情況、整刀使用壽命、極限磨損情況、2 km試掘進(jìn)階段刀具消耗情況，綜合評(píng)價(jià)各類型刀具性能，建立了刀具與地質(zhì)條件的匹配管理，對(duì)超硬巖隧洞TBM刀具的選取具有一定的參考價(jià)值，也對(duì)刀具材料的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。相關(guān)成果獲陜西省水利行業(yè)優(yōu)秀論文一等獎(jiǎng)。

（9）微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究應(yīng)用[7]。秦嶺輸水隧洞越嶺段巖爆頻發(fā)，嚴(yán)重威脅施工人員及設(shè)備的安全，也制約著施工進(jìn)度。因此，公司從2017年9月開始引進(jìn)了微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)巖爆進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，每天將過去24 h內(nèi)發(fā)生的微震次數(shù)、累計(jì)能量等監(jiān)測(cè)結(jié)果以數(shù)據(jù)分析報(bào)告的形式發(fā)送參建單位，并給出監(jiān)測(cè)區(qū)域即將發(fā)生巖爆風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警信息，提示施工單位提前做好防范措施，經(jīng)過不斷地摸索、改進(jìn)，巖爆風(fēng)險(xiǎn)范圍的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率在80%以上，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合微震監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)與支護(hù)參數(shù)、采取相應(yīng)措施，有效地降低了巖爆災(zāi)害對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員、設(shè)備的傷害程度。例如，2019年8月4日12時(shí)左右發(fā)生了強(qiáng)烈?guī)r爆，在這之前，施工單位已于7時(shí)收到巖爆預(yù)警，提前采取了防護(hù)措施。隨著人工智能、自動(dòng)預(yù)警等技術(shù)的引入，微震監(jiān)測(cè)的定位精度、時(shí)效性將會(huì)進(jìn)一步提高，對(duì)隧洞開挖設(shè)計(jì)和施工的指導(dǎo)作用將會(huì)越來越明顯。

（10）秦嶺輸水隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究[8]。公司聯(lián)合山東大學(xué)，應(yīng)用信息化技術(shù)對(duì)掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)。采用聚焦測(cè)深型電阻率法，實(shí)現(xiàn)了掌子面前方30～40 m范圍的斷層、溶洞等含水致災(zāi)構(gòu)造的三維成像;采用三維地震波法，實(shí)現(xiàn)了掌子面前方80～100 m范圍的斷層、破碎帶的超前探測(cè);采用多元地球物理探測(cè)解釋方法，在物探數(shù)據(jù)的處理與解釋層面實(shí)現(xiàn)突破性創(chuàng)新。在秦嶺輸水隧洞施工應(yīng)用中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與開挖驗(yàn)證結(jié)果吻合度高，有效保障了隧洞安全高效掘進(jìn)。2016年5月31日，嶺北TBM掘進(jìn)至K51+597.6處遭遇卡機(jī)，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確探明了掌子面前方軟弱破碎帶的空間位置、形態(tài)和規(guī)模，指導(dǎo)了脫困方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施，使TBM提前21 d脫困。

（11）研發(fā)了秦嶺輸水隧洞智能管理系統(tǒng)。為保障隧洞施工作業(yè)，公司研發(fā)建立了秦嶺輸水隧洞智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全、質(zhì)量、進(jìn)度、TBM的有效監(jiān)測(cè)與管控?；贐IM模型，能夠直觀看到斷裂、巖爆、變形等不同類型風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在隧洞中的分布情況，還原了隧洞的地質(zhì)情況，臨近風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)時(shí)能夠及時(shí)提醒參建單位對(duì)前方圍巖重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，提前做好施工準(zhǔn)備。通過高頻次采集TBM傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)TBM工作狀態(tài)、軸力、扭矩、掘進(jìn)速度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過大數(shù)據(jù)分析，對(duì)TBM健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于可能出現(xiàn)的故障盡早檢修維護(hù)，正在研究預(yù)測(cè)TBM關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)TBM施工輔助巡航。

上述研究成果成功應(yīng)用在秦嶺輸水隧洞的建設(shè)中，節(jié)省了工程投資、極大地保障了施工和生產(chǎn)安全，為后期隧洞安全平穩(wěn)運(yùn)行夯實(shí)了基礎(chǔ)，也為今后類似工程提供了較好的參考和借鑒。

此外，公司參與承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“長(zhǎng)距離調(diào)水工程建設(shè)與安全運(yùn)行集成研究及應(yīng)用”中的6個(gè)子課題，其中針對(duì)大埋深隧洞開展研究的有5項(xiàng)，包括巖體工程特性測(cè)試技術(shù)與綜合評(píng)價(jià)方法、圍巖大變形及巖爆預(yù)測(cè)與防控技術(shù)、圍巖-支護(hù)體系協(xié)同承載機(jī)理與全壽命設(shè)計(jì)理論及方法、高壓水害等不良地質(zhì)條件下深埋長(zhǎng)隧洞施工災(zāi)害處治和成套技術(shù)、隧洞建設(shè)智能仿真與建設(shè)信息集成技術(shù)。

結(jié)合科研成果及工程實(shí)踐，由中國(guó)科學(xué)院陳祖煜院士牽頭，公司目前正在編制《秦嶺引水隧洞工程》《三河口水利樞紐》等七部分內(nèi)容組成的工程技術(shù)系列叢書，參編《全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)法水工隧洞工程技術(shù)規(guī)范》，主編《長(zhǎng)距離水工隧洞控制測(cè)量技術(shù)規(guī)范》《水工長(zhǎng)隧洞施工期通風(fēng)技術(shù)規(guī)范》兩項(xiàng)陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)。

4 下一步研究重點(diǎn)

目前，秦嶺輸水隧洞TBM施工還剩余最后的3.5 km，同時(shí)也是全段掘進(jìn)開挖中最困難的一段，埋深進(jìn)入1 300 ～ 2 012 m區(qū)間，巖性以花崗巖（嶺南）、閃長(zhǎng)巖（嶺北）居多。下一步將針對(duì)目前亟待解決的突出難題開展以下重點(diǎn)研究。

（1）開展巖爆頻發(fā)致使施工進(jìn)度遲緩問題研究。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，截至2019年12月，TBM掘進(jìn)施工巖爆段長(zhǎng)度為4 763.3 m，共發(fā)生巖爆998次，其中輕微巖爆557次、中等巖爆345次、強(qiáng)烈?guī)r爆89次、滯后性強(qiáng)烈?guī)r爆7次。巖爆的發(fā)生，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)不得不采取加強(qiáng)支護(hù)等措施，嶺南TBM第二掘進(jìn)段每掘進(jìn)百米實(shí)際發(fā)生巖爆頻次約為42次，支護(hù)時(shí)間占施工總時(shí)間的56.4%，TBM設(shè)備利用率僅19.8%。

截至2019年10月，嶺北TBM施工段累計(jì)完成掘進(jìn)15 864.9 m，綜合月進(jìn)尺310 m，其中嶺北TBM接應(yīng)段自2019年1月28日掘進(jìn)以來，綜合月進(jìn)尺僅為136 m;嶺南TBM施工段累計(jì)完成掘進(jìn)9 365.8 m，綜合月進(jìn)尺為180 m，其中TBM第二掘進(jìn)段自2019年3月28日轉(zhuǎn)場(chǎng)完成恢復(fù)掘進(jìn)以來，綜合月進(jìn)尺僅為112 m。

為了解決當(dāng)前技術(shù)難題，保障施工安全和施工進(jìn)度，工地正在準(zhǔn)備采用水錘壓力破巖技術(shù)，同時(shí)公司聯(lián)合清華大學(xué)探索應(yīng)用微波破巖技術(shù)等。

（2）開展嶺北硬巖大變形問題研究。嶺北TBM施工段在埋深千米以上硬巖洞段掘進(jìn)完成后，拱部鋼架下沉、底部向上隆起，巖體剝落、掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，嚴(yán)重影響隧洞正常施工，并可能導(dǎo)致侵限、TBM卡機(jī)等問題。

2018年12月7日，嶺北TBM掘進(jìn)至樁號(hào)K46+505處，遭遇硬巖大變形，該段巖石強(qiáng)度約65 MPa，拱部最大下沉49 cm，底部最大隆起達(dá)61 cm。

為保障大埋深洞段圍巖穩(wěn)定、支護(hù)安全、TBM正常掘進(jìn)以及后期隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，公司正在聯(lián)合中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院，探索TBM大埋深硬巖洞段圍巖破裂機(jī)制與大變形控制技術(shù)。

5 結(jié) 語

本文系統(tǒng)地分析了引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞施工過程中面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，對(duì)已開展的超長(zhǎng)隧洞巖爆預(yù)測(cè)與防治、突涌水分析和防治、施工通風(fēng)、襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力確定及應(yīng)對(duì)、測(cè)量設(shè)計(jì)分析評(píng)估及施測(cè)精度控制分析、深層圍巖基本工程特性、高地應(yīng)力軟巖變形及防治、TBM硬巖掘進(jìn)、微震監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行梳理，并提煉了主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)。提出下一步要有針對(duì)性地開展巖爆頻發(fā)致使施工進(jìn)度遲緩問題研究和嶺北硬巖大變形問題研究等。秦嶺輸水隧洞施工關(guān)鍵技術(shù)研究，為保障隧洞順利掘進(jìn)提供了技術(shù)支持，也可為其他同類超長(zhǎng)深埋隧洞的修建提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周春華，尹健民，丁秀麗，等. 秦嶺深埋引水隧洞地應(yīng)力綜合測(cè)量及區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（增刊1）：2956-2964.

[2] 景鋒，盛謙，張勇慧，等. 我國(guó)原位地應(yīng)力測(cè)量與地應(yīng)力場(chǎng)分析研究進(jìn)展[J]. 巖土力學(xué)，2011，32（增刊2）：51-58.

[3] 趙力，張忠東，李立民，等. 引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞初始地應(yīng)力場(chǎng)特征及反演分析[J]. 水利水電技術(shù)，2019，50（3）：90-96.

[4] 許增光，王亞萍，肖瑜，等. 長(zhǎng)深隧洞突涌水危險(xiǎn)性等級(jí)指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2018，31（10）：91-100.

[5] 黃俊閣. 高磨蝕性硬巖地段敞開式 TBM 掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化和適應(yīng)性研究[J]. 水利水電技術(shù)，2017，48（8）：90-95.

[6] 黨建濤，劉福生，王紅霞，等. 引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞TBM 的刀具選型試驗(yàn)[J]. 水利水電技術(shù)，2017，48（12）：63-69.

[7] 黃志平，閻石，劉福生，等. 引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞4#支洞微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及工程應(yīng)用[J]. 水利水電技術(shù)，2018，49（9）：102-109.

[8] 沈曉鈞，王智陽，余凱，等. 綜合超前預(yù)報(bào)法在引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞中的應(yīng)用[J]. 人民黃河，2017，39（12）：139-141.

【責(zé)任編輯 趙宏偉】