胡朝碧

（云南省滇中引水工程建設(shè)管理局，650051,昆明）

一、滇中引水工程概述

滇中引水工程主要建設(shè)內(nèi)容包括提水工程和輸水工程。提水工程位于麗江市玉龍縣石鼓鎮(zhèn)，將建設(shè)一座裝機(jī)48萬kW提水泵站。輸水工程全部為地下洞室工程，途經(jīng)麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪、紅河等6個(gè)州（市），終點(diǎn)位于紅河州個(gè)舊市新坡背，長664 km；另外還有120條施工支洞長91 km，地下洞室總長755 km。

工程具有隧洞輸水世界最長、地質(zhì)條件在引調(diào)水工程中最復(fù)雜等六項(xiàng)世界之最，存在深埋隧洞施工難、地下水處理難、破碎斷層穿越難、軟巖大變形應(yīng)對(duì)難、巖爆危害處理難等十大世界級(jí)技術(shù)難題。工程跨越金沙江、瀾滄江、紅河、南盤江四大水系，穿越滇西北橫斷山系高、中山地貌區(qū)及滇中、滇東南盆地山原區(qū)，工程區(qū)域經(jīng)歷了多期強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了極為復(fù)雜的構(gòu)造格架及斷裂系統(tǒng)，地貌演變過程與巖溶水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，隧洞工程中存在的所有地質(zhì)問題本工程幾乎都能遇到。特別是面臨超長隧洞、超高外水壓力、超高地應(yīng)力“三超”特點(diǎn)的隧洞施工極端挑戰(zhàn)，使滇中引水工程成為國內(nèi)外綜合施工難度最大的隧洞工程。因此有效進(jìn)行“三超”隧洞施工安全風(fēng)險(xiǎn)、建設(shè)成本控制具有十分重要的意義。

二、世界罕見的“三超”隧洞特點(diǎn)

1.超長隧洞群世界罕見

滇中引水工程隧洞群中長度超100 km的有1座（昆玉隧洞）、超60 km的有1座（香爐山隧洞）、超20 km的有7座，超長隧洞密集程度世界范圍罕見。其中昆玉隧洞跨越昆明、玉溪兩市，長104.56 km、最大埋深340 m，最大開挖斷面尺寸9.82 m×9.22 m（高×寬），隧洞穿越盤龍江，兩次穿越區(qū)域活動(dòng)斷裂帶，穿越多個(gè)巖溶水系統(tǒng)，10余次穿越鐵路，多次穿越昆明城區(qū)道路等，施工面臨區(qū)域活動(dòng)斷裂帶、白云巖砂化、突泥涌水等諸多風(fēng)險(xiǎn)以及復(fù)雜地表環(huán)境淺埋隧洞施工影響控制的難題，工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、社會(huì)協(xié)調(diào)條件極其復(fù)雜。

香爐山隧洞跨越麗江、大理兩州（市），起于麗江市玉龍縣石鼓鎮(zhèn)，止于大理州鶴慶縣松桂鎮(zhèn)，線路長62.6 km。隧洞沿線屬高、中山地貌區(qū)，隧洞最大埋深1 450 m，埋深大于1 000 m洞段累計(jì)長21.43 km，埋深大于600 m洞段累計(jì)長42.18 km。隧洞穿越9條斷裂帶，其中3條為活動(dòng)斷裂。隧洞設(shè)計(jì)斷面為圓形，采用“鉆爆法+TBM”施工，其中鉆爆法施工段總長27.08 km，兩 臺(tái)TBM掘 進(jìn) 段 總 長35.52 km。

開挖香爐山隧洞的“云嶺號(hào)”TBM為當(dāng)前世界引調(diào)水工程最大直徑敞開式TBM，TBM刀盤直徑9.83 m，最長獨(dú)頭掘進(jìn)23 km（含支洞），面臨超長距離施工組織的世界級(jí)施工技術(shù)難題。在TBM超長距離掘進(jìn)中，人員、物料、出渣等運(yùn)輸效率低，供電、排水困難，通風(fēng)效果差，施工安全救援難度大，同時(shí)還對(duì)作業(yè)人員的身心健康和意志帶來巨大考驗(yàn)。另外，巖溶及軟巖地質(zhì)條件下TBM易受困卡機(jī)，并面臨“栽頭”風(fēng)險(xiǎn)；涌突水和高外水壓力給TBM施工帶來潛在的淹機(jī)風(fēng)險(xiǎn)；高地應(yīng)力巖爆及隧洞圍巖坍塌存在砸壞設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已建成的世界最長連續(xù)輸水隧洞是芬蘭赫爾辛基調(diào)水工程的派延奈隧洞，其單洞長120 km，埋深50～70 m。在建的世界最長引水隧洞（單洞）為我國某供水工程隧洞，其單洞長度達(dá)283.3 km，最大埋深774 m。國外埋深最大輸水隧洞是非洲萊索托有壓隧洞，單洞長45 km，最大埋深1 200 m；國內(nèi)埋深最大輸水隧洞是錦屏二級(jí)輸水隧洞，單洞長16.67 km，最大埋深2 525 m。因此，滇中引水工程超長隧洞群中，特別是昆玉隧洞、香爐山隧洞從單洞長度、埋深、斷面尺寸等方面，工程綜合規(guī)模、建設(shè)難度均居世界前列。

2.超高地應(yīng)力影響世界罕見

滇中引水工程隧洞群中埋深大于1 000 m隧洞1條、埋深大于600 m隧洞5條。其中香爐山隧洞最大埋深1 450 m為全線最典型深埋長隧洞，埋深大于1 000 m洞段累計(jì)長21.43 km，地應(yīng)力可達(dá)40～46 MPa極高應(yīng)力量級(jí)，中、強(qiáng)巖爆洞段累計(jì)長4.49 km，占比7.18%，其中強(qiáng)烈?guī)r爆段長0.32 km。獅子山、鳳屯、蔡家村、松林等隧洞最大埋深605～740 m，地應(yīng)力可達(dá)16～24 MPa中～高應(yīng)力量級(jí)，發(fā)生中、強(qiáng)巖爆的風(fēng)險(xiǎn)非常大。

對(duì)于高地應(yīng)力條件下隧洞穿越硬巖洞段，由于開挖產(chǎn)生圍巖卸荷，儲(chǔ)存在巖體內(nèi)的勢(shì)能可能突然猛烈釋放，導(dǎo)致巖石爆裂并將巖塊彈射出來，即發(fā)生巖爆。輕微巖爆可能導(dǎo)致隧洞圍巖局部超挖，初期支護(hù)受損；劇烈?guī)r爆則往往造成開挖工作面的嚴(yán)重破壞、設(shè)備損壞和人員傷亡。同時(shí)，由于巖爆出現(xiàn)的時(shí)間、位置、強(qiáng)度等均難以預(yù)測(cè)，這也會(huì)給施工人員心理上造成一定程度的畏懼情緒。對(duì)于高地應(yīng)力條件下隧洞穿越軟巖地層，隧洞斷面易發(fā)生擠壓大變形，圍巖變形量可達(dá)到米級(jí)，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)屈服破壞，造成隧洞斷面嚴(yán)重欠挖，對(duì)工程建設(shè)成本和施工效率產(chǎn)生較大的不利影響。高地應(yīng)力圍巖擠壓大變形可能導(dǎo)致TBM卡機(jī)災(zāi)害，包括卡刀盤、卡護(hù)盾，甚至機(jī)器損毀。

3.超高外水壓力危害世界罕見

滇中引水工程地下水問題在各段均不同程度存在，全線預(yù)測(cè)高外水壓力（大于1 MPa）洞段總長約68 km，占隧洞總長11%以上，主要分布于香爐山、芹河、北衙、海東、獅子山、鳳屯、鳳凰山、蔡家村等10余條隧洞。其中香爐山隧洞高外水壓力問題突出，隧洞存在高外水壓力洞段累計(jì)長29.94 km、占總長47.83%，隧洞深埋段地下水水位一般在300～500 m，局部達(dá)700 m以上，最大超過1 300 m，最大外水壓力在12 MPa以上。另外，柳家村、蔡家村、雞米沖、小路南、龍樹等隧洞部分洞段還存在承壓含水層高外水壓力問題，最大外水壓力達(dá)3 MPa。

施工期，高外水壓力下高壓突涌水高速向隧洞臨空面噴射而造成嚴(yán)重危害，相比于一般性涌水災(zāi)害更具破壞性。高外水壓力與斷層破碎帶、巖溶等不良地質(zhì)條件耦合后，帶來更嚴(yán)重后果，如香爐山隧洞#4、#5施工支洞斷層破碎帶疊加高外水壓力，涌水突泥后處置難度大，嚴(yán)重制約工期。運(yùn)行期，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)可能因承受高外水壓力而產(chǎn)生開裂和滲漏水現(xiàn)象。

三、施工中全面運(yùn)用“三超”安全風(fēng)險(xiǎn)控制措施

面對(duì)滇中引水工程隧洞群罕見的“三超”特點(diǎn)，施工過程中必須全面運(yùn)用超前探、超前灌、超前護(hù)“三超”措施，確保工程質(zhì)量、嚴(yán)控安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.全面運(yùn)用超前探

為最大限度降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，滇中引水工程全線都開展了超前探，即實(shí)施超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。通過超前探及時(shí)了解掌子面前方的地質(zhì)問題和風(fēng)險(xiǎn)，為預(yù)防隧洞涌水、突泥、塌方等可能形成的災(zāi)害性事故及時(shí)提供地質(zhì)信息，提前采取處置措施，盡可能規(guī)避地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，保障了隧洞施工安全、優(yōu)化了工程設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了施工安全風(fēng)險(xiǎn)信息化管理，為工程順利施工奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。滇中引水工程施工中主要采取超前探手段有施工巡視和觀測(cè)、綜合地質(zhì)分析、物探、超前鉆探等，并按照“凡挖必探”原則將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)納入了施工工序強(qiáng)化管理。

2.全面運(yùn)用超前灌

對(duì)深埋長隧洞，在施工中遭遇斷層破碎帶、高外水壓力、巖溶等富水不良地質(zhì)洞段時(shí)，為降低突涌水風(fēng)險(xiǎn)、保障施工安全，減少地表水枯竭、地面塌陷等伴生環(huán)境問題，對(duì)滲水量大的洞段特別是軟弱破碎洞段，經(jīng)超前探測(cè)研判后，開挖前必須進(jìn)行超前灌漿。超前灌漿在富水軟弱破碎洞段主要起加固圍巖、防突水突泥、防坍塌作用，在富水硬巖可溶巖洞段主要起控水作用。超前灌漿最直接的效果是保證隧洞安全掘進(jìn)，進(jìn)一步的效果是控制地下水排水量，為二襯施作提供倉面條件，同時(shí)減緩對(duì)環(huán)境敏感區(qū)的影響。滇中引水工程全線不良地質(zhì)段、富水洞段大量運(yùn)用了超前灌漿的施工工藝，其中當(dāng)前正處理涌水突泥問題的香爐山隧洞#4、#5施工支洞，已完成灌漿13 584.1 t。

3.全面運(yùn)用超前護(hù)

在隧洞施工中，對(duì)于不穩(wěn)定的圍巖體系，對(duì)工作面前方圍巖的預(yù)加固和預(yù)支護(hù)是控制和減少隧洞開挖后圍巖收斂變形以及防止坍塌失穩(wěn)的關(guān)鍵。在滇中引水工程隧洞施工中，常用的超前支護(hù)措施主要有超前錨桿、超前小導(dǎo)管和超前管棚等。

超前錨桿支護(hù)柔性較大，整體剛度較小，主要適用于地下水較少的Ⅳ、Ⅴ類破碎、軟弱圍巖。超前錨桿的超前長度為循環(huán)進(jìn)尺的3～5倍，外插角10°～30°，搭接長度為超前長度的40%～60%，形成雙層或雙排錨桿。

超前小導(dǎo)管支護(hù)主要用于隧洞Ⅴ類圍巖中性狀較差的含水洞段頂拱臨時(shí)支護(hù)。在掌子面巖體開挖前，沿?cái)嗝婀绊斠欢ǚ秶毕蚯胺姐@孔安裝帶孔小導(dǎo)管，隨后通過小導(dǎo)管向圍巖壓入起膠結(jié)作用的漿液，待漿液硬化后便可在掌子面巖體外圍形成有一定厚度的加固圈，以保護(hù)作業(yè)安全。超前小導(dǎo)管一般采用熱軋無縫鋼花管，單根長3～4.5 m，外徑42 mm，壁厚3.5 mm，在前部鉆注漿孔，孔徑10 mm，孔間距15 cm，呈梅花形布置，前端加工成錐形，尾部留不小于30 cm的無孔止?jié){段。

超前管棚支護(hù)主要用于特殊不良地質(zhì)Ⅴ類、淺埋洞段頂拱臨時(shí)支護(hù)。在隧洞開挖前采用鉆機(jī)沿隧洞外周打設(shè)超前長鋼管，通過鋼管向圍巖灌漿與鋼拱架聯(lián)合形成棚架體系。滇中引水工程施工中使用超前管棚一般長12 m至30 m，利用自進(jìn)式管棚機(jī)最長可以鉆進(jìn)50 m管棚。管棚一般采用熱軋無縫鋼管，直徑108 mm，壁厚至少6 mm，前端加工成錐形，管壁四周鉆15 mm注漿孔，間距30 cm，采用梅花形布置，尾部預(yù)留4.5 m無孔止?jié){段。

四、嚴(yán)控“三超”降低建設(shè)成本

工程建設(shè)成本控制是工程建設(shè)管理中的重要內(nèi)容。全面理解滇中引水工程隧洞“三超”特點(diǎn)，全面運(yùn)用好“三超”措施降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)后還需要全面控制超挖、超填、超灌，降低工程建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)效益最大化。在滇中引水工程施工管理中針對(duì)隧洞“三超”特點(diǎn)，結(jié)合施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制“三超”措施，有針對(duì)性、系統(tǒng)地建立健全完善了一套超挖、超填、超灌“三超”控制的方法、措施。經(jīng)過2020年下半年開展的“三超”專項(xiàng)整治，與2020年相比，2021年一季度工程全線隧洞超挖率下降11.8%，噴混凝土超耗率下降8.1%，襯砌超耗率下降6.1%，每延米超耗費(fèi)用降低560元；炸藥單耗降低0.06 kg/m3，每延米火工品消耗減少26.11元。

1.嚴(yán)格控制隧洞超挖

超挖會(huì)帶來出渣量增加、支護(hù)襯砌量增加、施工循環(huán)時(shí)間延長、施工成本增加及可能影響圍巖穩(wěn)定等影響，為施工“三超”控制首要環(huán)節(jié)。滇中引水工程施工超挖主要控制措施：

技術(shù)層面。一是合理確定開挖輪廓線。根據(jù)圍巖變形監(jiān)測(cè)分析成果，合理確定隧洞預(yù)留變形量、隧洞計(jì)劃開挖輪廓線，過程中嚴(yán)格控制測(cè)量放樣精度。二是嚴(yán)格控制隧洞爆破參數(shù)。超挖控制的核心在于爆破控制。在爆破作業(yè)前要有針對(duì)性地組織開展爆破試驗(yàn)，根據(jù)不同圍巖類別、巖土特性、隧洞斷面尺寸、單循環(huán)計(jì)劃進(jìn)尺，合理選擇爆破鉆孔數(shù)量、布置方式、鉆孔深度、裝藥量，并且通過電子雷管合理設(shè)定各孔爆破時(shí)序。超挖控制重點(diǎn)在于周邊孔，周邊孔一般采用鉆孔加密、減少單孔裝藥、跳孔裝藥等方式以求取得良好的開挖輪廓和殘孔率，在圍巖較好洞段爭(zhēng)取形成光面爆破。滇中引水工程施工中對(duì)于9 m左右洞徑和Ⅲ、Ⅳ類圍巖洞段全斷面開挖，一般單循環(huán)進(jìn)尺約3 m，共設(shè)置爆破孔約160個(gè)，其中周邊孔約50個(gè)、孔距0.5～0.6 m、孔深3.5 m，采用跳孔裝藥方式單孔裝藥約0.8 kg，爆破后殘孔率能達(dá)到90%以上，一般平均徑向超挖值平洞控制在200 mm內(nèi)、斜井控制在250 mm內(nèi)基本形成光面爆破。三是支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)，減少被動(dòng)超挖。每循環(huán)開挖后及時(shí)進(jìn)行一次支護(hù)，必要時(shí)二襯緊跟，對(duì)于特殊地質(zhì)洞段，還采取了超前支護(hù)措施，盡量減少被動(dòng)產(chǎn)生的超挖。

管理層面。一是完善管理制度體系。聯(lián)合參建單位中國中鐵滇中引水項(xiàng)目總指揮部制定了《中國中鐵滇中引水工程隧洞超挖超耗專項(xiàng)整治實(shí)施細(xì)則（試行）》等，以嚴(yán)格的制度和管理手段保證技術(shù)方案的執(zhí)行落實(shí)；二是推進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)精準(zhǔn)管理，以項(xiàng)目部為單位，自項(xiàng)目經(jīng)理、生產(chǎn)副經(jīng)理、相關(guān)管理部門一直到班組、勞務(wù)工人，明確每一個(gè)人的崗位職責(zé)和每一道工序、環(huán)節(jié)責(zé)任目標(biāo)，并與考核獎(jiǎng)勵(lì)直接掛鉤，實(shí)現(xiàn)施工過程精準(zhǔn)管理；三是嚴(yán)格規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量，杜絕將因工藝控制不到位導(dǎo)致的超挖認(rèn)定為地質(zhì)缺陷，通過規(guī)范計(jì)量倒逼施工方嚴(yán)格控制超挖；四是做好分析評(píng)估和提升，開挖完成后及時(shí)評(píng)估分析超挖控制成果，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷完善超挖控制方案、提升超挖控制水平，做到“事前可知、過程可控、事后分析”的全過程、可定量的精細(xì)化管理。

2.嚴(yán)格控制隧洞超填

隧洞超填來源于超挖和坍塌變形包括正常開挖中的超挖、不良地質(zhì)引起的坍塌、施工不當(dāng)引起的坍塌、底板保護(hù)不當(dāng)引起的清底超挖、模板變形等。根據(jù)不同原因分別加以控制。一是正常作業(yè)超挖產(chǎn)生的超填，須按前述技術(shù)和管理措施控制超挖；二是不良地質(zhì)引起坍塌產(chǎn)生的超填，著重從超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)等技術(shù)和管理措施控制坍塌；三是施工不當(dāng)引起坍塌產(chǎn)生的超填，主要從嚴(yán)格工序控制、爆破控制（鉆孔、爆破、裝藥、起爆時(shí)序等）、按時(shí)間要求和質(zhì)量要求及時(shí)支護(hù)等方面控制；四是底板保護(hù)不當(dāng)引起清底超挖產(chǎn)生的超填，主要采取底板墊渣或混凝土保護(hù)、加強(qiáng)臨時(shí)排水、加強(qiáng)重載運(yùn)輸通道維護(hù)、底板預(yù)留保護(hù)層等措施加以控制；五是模板變形產(chǎn)生的超填，主要從加強(qiáng)模板剛度設(shè)計(jì)、加強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加強(qiáng)模板準(zhǔn)確定位、加強(qiáng)模板整體位移控制、加強(qiáng)正常維護(hù)保養(yǎng)及按規(guī)操作等方面加以控制。

3.嚴(yán)格控制隧洞超灌

灌漿工程為隱蔽工程，因圍巖類別、地下水分布、圍巖孔隙裂隙的不確定性及圍巖物理力學(xué)性狀的非均一性，導(dǎo)致灌漿工程量具有不確定性。在保證灌漿效果的前提下，控制超灌對(duì)于工程投資和工期控制都具有重要意義。在滇中引水工程施工中，對(duì)于超灌的控制措施主要包括：

一是合理確定灌漿方案，灌漿的目的主要是為控制地下水、加固補(bǔ)強(qiáng)圍巖。施工中要根據(jù)圍巖穩(wěn)定性、地下水分布情況，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)抽排水條件、對(duì)堵水和圍巖穩(wěn)固性的要求，綜合分析研判灌漿時(shí)機(jī)，科學(xué)合理確定灌漿設(shè)計(jì)方案，避免過度灌漿。二是嚴(yán)格灌漿工序控制，要點(diǎn)在于“三控”，即通過控配比、控壓力、控凝固時(shí)間，實(shí)現(xiàn)控范圍、減少超灌。如果灌漿漿液濃度過低、灌漿壓力過大、凝固時(shí)間過長（或三者兼有）則漿液將隨著巖溶裂隙灌注到固結(jié)范圍外，造成超灌。如果灌漿漿液濃度過大、灌漿壓力不足、凝固時(shí)間過短（或三者兼有）則將造成灌注范圍過小，不能達(dá)到灌漿目的。因此，灌漿工序控制的核心在于控制好漿液配比、灌漿壓力、凝固時(shí)間，同時(shí)合理布設(shè)灌漿孔、合理選擇灌漿時(shí)序，實(shí)現(xiàn)超灌控制。以滇中引水工程9 m左右洞徑Ⅴ類圍巖富水洞段為例，一般灌漿固結(jié)半徑為10 m，一般采用漿液配比為1∶1～0.5∶1、灌漿壓力為2～6 MPa，能夠達(dá)到要求的堵水、加固效果。三是嚴(yán)格灌漿計(jì)量，作為隱蔽工程，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，主要加強(qiáng)對(duì)灌漿過程監(jiān)理旁站、采用經(jīng)率定的灌漿自動(dòng)記錄儀對(duì)灌漿壓力、灌入量等全過程實(shí)時(shí)記錄，嚴(yán)格審核灌漿結(jié)算依據(jù)，通過從嚴(yán)管理減少和杜絕灌漿造假行為，降低工程建設(shè)成本。

五、結(jié) 語

滇中引水工程投資規(guī)模大、建設(shè)難度高。自2018年10月工程開工以來，云南省滇中引水建管局聯(lián)合廣大參建單位深入分析研究隧洞工程施工特點(diǎn)，及時(shí)總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，不斷歸納提煉好的建設(shè)管理理念，逐步深化對(duì)工程超長隧洞群“三超”特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，不斷探索運(yùn)用“三超”措施控制安全風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)格控制“三超”降低建設(shè)成本。截至2021年6月中旬，累計(jì)完成隧洞開挖245 km，完成投資326億元，在工程建設(shè)快速、有序推進(jìn)的同時(shí)未發(fā)生任何質(zhì)量、安全責(zé)任事故，催生了一批管理、技術(shù)、科研創(chuàng)新成果，初步實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)管理各項(xiàng)目標(biāo)?？傮w上，“九超”認(rèn)識(shí)和措施在滇中引水工程建設(shè)管理實(shí)踐中效果良好。