鄧銘江，周小兵，崔　東，馬　勇，李文新，徐明新

(1.新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊　830000；2.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊　830000；3.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊　050000)

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喀
—雙深埋超特長(zhǎng)輸水隧洞建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

鄧銘江1，周小兵1，崔東2，馬勇2，李文新2，徐明新3

(1.新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊830000；2.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊830000；3.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊050000)

摘要：深入分析喀—雙深埋超特長(zhǎng)輸水隧洞施工中存在的主要工程地質(zhì)問(wèn)題，圍繞超特長(zhǎng)隧洞TBM快速掘進(jìn)與安全控制等重大需求，在隧洞規(guī)劃選線(xiàn)布置、TBM及配套系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)、主洞和支洞施工建設(shè)、施工風(fēng)險(xiǎn)控制、TBM機(jī)群施工綜合管理等主要環(huán)節(jié)，提出需重點(diǎn)研究解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。從已探明的工程地質(zhì)情況來(lái)看，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性不大，適合TBM快速施工。由于隧洞沿線(xiàn)地形較為平坦，開(kāi)挖深長(zhǎng)緩斜井、深埋中間豎井是不可避免的，但超長(zhǎng)距離的獨(dú)頭掘進(jìn)，給隧洞高速掘進(jìn)與高效率的出碴、通風(fēng)增加了難度，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代化的科學(xué)手段進(jìn)行系統(tǒng)攻關(guān)。

關(guān)鍵詞：輸水隧洞；工程地質(zhì)；TBM；掘進(jìn)施工；快速掘進(jìn)；安全控制

0引言

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，TBM掘進(jìn)技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，TBM掘進(jìn)技術(shù)已相當(dāng)成熟，并被廣泛地應(yīng)用于世界各國(guó)能源、交通、水利以及國(guó)防等部門(mén)的地下工程建設(shè)中。國(guó)外已經(jīng)完成的重大隧道工程有美國(guó)芝加哥蓄水工程(隧道長(zhǎng)211 km)、英吉利海峽隧道工程(隧道長(zhǎng)151 km)、南非萊索托引水工程(隧道長(zhǎng)45 km)等[1-2]，其工程規(guī)模和難度均體現(xiàn)出了隧道工程的較高技術(shù)水平。目前，國(guó)外擬建和在建的大型隧道工程有日韓海底隧道(連接日本和韓國(guó)，長(zhǎng)約 120 km)、白令海峽隧道(連接亞洲和美洲，長(zhǎng)約 74.8 km)、阿爾卑斯山鐵路隧道(從 Rosenheim 到 Verona，總長(zhǎng)大于 500 km)等[2-4]，其中絕大部分將優(yōu)先采用TBM施工。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2014年底，世界上長(zhǎng)度大于10 km 的隧道已超過(guò)100條，隧道總長(zhǎng)度已超過(guò)10 000 km。近幾年的隧道工程建設(shè)中，有 30%～40%均采用TBM掘進(jìn)施工[5]。

2010年我國(guó)廈門(mén)翔安海底隧道和青島膠州灣海底隧道的建成，激發(fā)了工程界建設(shè)海底隧道的熱潮。2015年大連灣海底隧道已開(kāi)工建設(shè)，其跨越我國(guó)瓊州海峽、渤海海峽以及臺(tái)灣海峽，海底隧道已進(jìn)入勘察設(shè)計(jì)階段和前期論證工作[6]。

南水北調(diào)和LXB引水工程的開(kāi)工建設(shè)，推動(dòng)了一大批跨流域調(diào)水工程的規(guī)劃立項(xiàng)工作。1985年天生橋水電站工程首次引進(jìn)TBM進(jìn)行隧洞施工[7]。南水北調(diào)西線(xiàn)一期工程，線(xiàn)路全長(zhǎng)260 km，其中244 km為隧洞，單洞最長(zhǎng)73 km，埋深達(dá)1 100 m左右[8]。大伙房輸水工程特長(zhǎng)隧洞長(zhǎng)85.32 km，是迄今為止世界上已建成的最長(zhǎng)輸水隧洞，隧洞進(jìn)水口段24.58 km為鉆爆法施工，出水口段60.84 km為T(mén)BM施工[9]。錦屏二級(jí)水電站4條引水隧洞平均長(zhǎng)度約16.7 km，開(kāi)挖洞徑12.4 m，其中1#、3#引水隧洞和施工排水洞采用TBM施工，其余洞段采用鉆爆法施工[10]。在建的LXB引水隧洞全長(zhǎng)290.5 km，采用8臺(tái)TBM施工，掘進(jìn)總里程達(dá)109.5 km[11]。已完成勘測(cè)設(shè)計(jì)的云南滇中引水工程線(xiàn)路全長(zhǎng)661.07 km，其中隧洞長(zhǎng)占全長(zhǎng)的91.9%。

綜合分析，特長(zhǎng)隧洞施工采用TBM 與鉆爆法相結(jié)合的施工方式，既可充分發(fā)揮 TBM 的高速掘進(jìn)優(yōu)勢(shì)，又可利用鉆爆法的靈活特點(diǎn)，規(guī)避特殊地質(zhì)條件下的施工風(fēng)險(xiǎn)。

1工程概況

北疆供水二期工程由西二、喀—雙、雙—三3段隧洞組成，隧洞長(zhǎng)516.2 km，其中喀—雙隧洞單洞長(zhǎng)283.3 km，為世界上最長(zhǎng)的輸水隧洞?？Αp隧洞為無(wú)壓洞，平均埋深428 m，最大埋深774 m，設(shè)計(jì)流量40 m3/s，縱坡1/2 560。鉆爆法開(kāi)挖斷面采用馬蹄形，洞徑為6.64～7.4 m。TBM開(kāi)挖斷面洞徑為7.1 m。

隧洞穿越的地層巖性以石炭系、泥盆系凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖及華力西期侵入花崗巖為主，多為中—堅(jiān)硬巖石，多屬Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖，成洞條件較好。隧洞穿越5條規(guī)模較大的區(qū)域性斷裂帶和72條次級(jí)斷層構(gòu)造，局部洞段圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題較突出。完整性較好的圍巖段局部采用錨噴支護(hù)的襯砌型式，Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖段采用鋼筋混凝土襯砌。

隧洞采取以TBM為主、鉆爆法為輔的施工方案。由于沿線(xiàn)地形較為平坦，除進(jìn)口洞段外，主洞施工進(jìn)入通道均采用深長(zhǎng)緩斜井或豎井。全線(xiàn)采用11臺(tái)開(kāi)敞式TBM掘進(jìn)，布置6條緩斜井以改善施工條件，提高掘進(jìn)效率；同時(shí)，在較大的斷裂構(gòu)造帶和軟巖地層洞段布置5條施工支洞，采用鉆爆法掘進(jìn)，以降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

深埋超特長(zhǎng)隧洞是跨流域調(diào)水關(guān)鍵控制性工程，對(duì)項(xiàng)目的整體順利推進(jìn)具有決定性作用?？Αp隧洞是目前世界上在建的最長(zhǎng)的輸水隧洞，其中TBM掘進(jìn)段占比約80%，單機(jī)施工區(qū)間最長(zhǎng)23 km。目前，國(guó)內(nèi)單機(jī)連續(xù)掘進(jìn)最長(zhǎng)距離為14 km，累計(jì)掘進(jìn)最長(zhǎng)距離為23 km?？Αp隧洞建成后將實(shí)現(xiàn)單臺(tái)TBM連續(xù)掘進(jìn)、累計(jì)掘進(jìn)國(guó)內(nèi)記錄的“雙突破”，這不僅對(duì)工程的總體布置，施工組織設(shè)計(jì)的合理性、科學(xué)性和高效安全性提出了高標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，也對(duì)TBM的設(shè)計(jì)、制造、安裝、監(jiān)控、運(yùn)行管理提出了更高的要求。

2區(qū)域地質(zhì)

2.1地形地貌

工程穿越阿爾泰山南坡和東天山北坡之間的低山區(qū)、丘陵區(qū)，總體地勢(shì)北高南低、東高西低，由東北向南西緩慢傾斜，海拔高程750～1 300 m，地形起伏較大，山頂多呈渾圓狀，山體坡度較緩。低山區(qū)一般高差50～150 m，局部高差300 m；剝蝕丘陵區(qū)一般高差10～20 m，局部高差40 m，基巖大多裸露，主要為荒漠地貌。

2.2地層巖性

工程區(qū)出露的地層以石炭系、泥盆系古老地層為主，其次為花崗巖，局部為二疊系、三疊系地層。其中，泥盆系和石炭系的凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、鈣質(zhì)砂巖等地層總長(zhǎng)209.1 km，占隧洞長(zhǎng)的73.8%；華力西晚期侵入的黑云母花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖等地層總長(zhǎng)59.6 km，占隧洞長(zhǎng)的21%；二疊系和三疊系的泥巖、砂巖、夾砂礫巖等地層總長(zhǎng)12.1 km，占隧洞長(zhǎng)的4.3%；洞段通過(guò)的77條斷層破碎帶累計(jì)長(zhǎng)2.5 km，占隧洞長(zhǎng)的0.9%[12]。

2.3地質(zhì)構(gòu)造

2.3.1斷裂構(gòu)造

工程區(qū)地處阿爾泰褶皺系和準(zhǔn)噶爾—北天山褶皺系的2大構(gòu)造單元內(nèi)，褶皺構(gòu)造對(duì)地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造起主導(dǎo)作用，主要發(fā)育著一系列的壓性斷裂和壓扭性斷裂。分布有5條區(qū)域性斷裂(見(jiàn)圖1)，破碎帶地表寬度150～200 m，最寬800 m。通過(guò)鉆孔巖芯揭露、井下電視窺探、物探聲波測(cè)試等方法的綜合分析，整個(gè)輸水線(xiàn)路洞身段附近的斷層和裂隙不發(fā)育，裂隙以中—陡傾角為主，裂隙面大多數(shù)被石英脈充填，以壓扭性結(jié)構(gòu)面為主[12]。

2.3.2地震安全性評(píng)價(jià)

工程沿線(xiàn)50年超越概率為10%的地震動(dòng)峰值加速度大部分位于0.15g區(qū)域，部分位于0.10g區(qū)域，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度區(qū)[13]。

3工程地質(zhì)

3.1完成的主要地勘工作量

根據(jù)規(guī)范要求，在隧洞沿線(xiàn)共布置了142個(gè)地質(zhì)鉆孔，平均2 km/個(gè)，每個(gè)孔內(nèi)取2～3組巖樣，共進(jìn)行了近426組物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。地質(zhì)勘探成果見(jiàn)表1。

圖1　喀—雙超特長(zhǎng)隧洞工程地質(zhì)及施工組織設(shè)計(jì)示意圖

Table 1Statistics of geological investigation workload of Ka-Shuang Tunnel

工作內(nèi)容單位數(shù)量輸水線(xiàn)路帶狀地質(zhì)圖測(cè)繪1/10000km2699工程地質(zhì)剖面測(cè)繪測(cè)量1/10000km/條1424/8鉆孔m/孔54796/142抽水試驗(yàn)組/孔1092/142鉆孔內(nèi)地溫測(cè)試、放射性測(cè)試m/孔6898/20鉆孔內(nèi)地應(yīng)力測(cè)試m/孔2902/5物探(聲波綜合測(cè)井)m/孔7100/142坑(槽)探m3/坑52000/77鉆孔巖塊試驗(yàn)組426水質(zhì)簡(jiǎn)分析組355

3.2主要工程地質(zhì)條件

圍巖分級(jí)及巖石飽和抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)如表2和表3所示。硐室以Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖為主，占比86.2%；巖石飽和抗壓強(qiáng)度大多在50～140 MPa；花崗巖石英含量一般為20%～30%，最高達(dá)35%，最高抗壓強(qiáng)度達(dá)200 MPa；其他石炭系、泥盆系等各類(lèi)巖石中的石英含量一般為5%～10%，總體評(píng)價(jià)石英含量不高。隧洞圍巖總體條件較好，適合TBM機(jī)械化、快速施工。

3.3水文地質(zhì)條件

17個(gè)鉆孔壓水試驗(yàn)、43個(gè)鉆孔抽(掏)水試驗(yàn)成果均顯示隧洞圍巖屬微—極微透水層，見(jiàn)表4。工程區(qū)域內(nèi)地表水貧乏，地下水以基巖裂隙水為主，水量微弱。隧洞沿線(xiàn)除分布于EEQS河和WLG河附近局部地段的地下水水質(zhì)較好外，其他地段的地下水水質(zhì)均較差，對(duì)混凝土具強(qiáng)腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

表2喀—雙隧洞硐室圍巖分級(jí)統(tǒng)計(jì)

Table 2Statistics of rock classification of Ka-Shuang Tunnel caverns

圍巖級(jí)別長(zhǎng)度/km占比/%Ⅱ127.545Ⅲ116.841.2Ⅳ31.111Ⅴ7.92.8

表3喀—雙隧洞巖石飽和抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

Table 3Statistics of rock saturated compressive strength of Ka-Shuang Tunnel

飽和抗壓強(qiáng)度Rb/MPa長(zhǎng)度/km占比/% Rb<3018.76.630≤Rb<6035.012.360≤Rb<120190.667.3120≤Rb<14039.013.8

表4喀—雙隧洞圍巖透水性評(píng)價(jià)

Table 4Surrounding rock permeability assessment of Ka-Shuang Tunnel

項(xiàng)目 數(shù)值 透水性評(píng)價(jià)巖石透水率q/lu 0.1～0.9微—弱透水性單位涌水量ω/(L/s·m) 0.006～1.955極弱富水性巖體滲透系數(shù)k/(cm/s)2.4×10-5～6.0×10-8微—極微透水層

3.4主要工程地質(zhì)問(wèn)題分析

1)塌方問(wèn)題。地表上有明顯構(gòu)造痕跡的區(qū)域性斷裂有5條，其次還發(fā)育了72條次級(jí)斷層，破碎帶一般寬10～30 m，少數(shù)達(dá)60～80 m。由洞線(xiàn)上鉆孔所揭露的巖芯、物探波速、井下電視測(cè)試來(lái)看，洞身段基本處于新鮮巖體內(nèi)，巖體以塊狀和厚層狀為主，洞身附近斷層與節(jié)理裂隙一般不發(fā)育，圍巖完整性較好。根據(jù)地質(zhì)條件綜合判斷，易發(fā)生塌方的洞段有10處，主要處于區(qū)域性大斷裂帶內(nèi)和局部較大的次級(jí)斷層帶內(nèi)，其次是處于HLSK水庫(kù)附近、WLG河河床底部和尾部的軟巖—極軟巖段。

2)涌水問(wèn)題。隧洞處于準(zhǔn)噶爾盆地的沙漠邊緣，除WLG河外，無(wú)河流和古河床分布，氣候干燥，降水少，地下水對(duì)基巖裂隙和斷層破碎帶補(bǔ)給量甚微。巖體完整性一般的洞段，主要以裂隙水的形式產(chǎn)生滲流或線(xiàn)狀水流；巖體較完整的洞段，主要以基巖裂隙水的形式產(chǎn)生滲水或滴水，發(fā)生突水或突泥的可能性均不大；易發(fā)生涌水的洞段與易發(fā)生塌方的洞段位置大致相同，由于隧洞較長(zhǎng)、埋深較大，施工中仍需注意加強(qiáng)排水。

3)巖爆問(wèn)題。不同巖性、不同深度的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明[14]：隧洞自地表100～700 m深度內(nèi)，最大水平主應(yīng)力為6.6～36.0 MPa，最小水平主應(yīng)力為5.7～22.8 MPa，地應(yīng)力屬于低—高應(yīng)力水平[14]。埋深≤300 m，最大主應(yīng)力為5.3～9.2 MPa，為低地應(yīng)力，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為9.6～16.8，屬無(wú)巖爆；埋深在300～600 m，最大主應(yīng)力為10～19.5 MPa，為中等地應(yīng)力，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為5.1～11.3，屬無(wú)—輕微巖爆；埋深在600～712 m，最大主應(yīng)力為21.6～36.0 MPa，為高地應(yīng)力，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為3.4～4.6，屬中等巖爆；埋深>600 m的長(zhǎng)度有24 km，屬高地應(yīng)力中等巖爆區(qū)。

4)軟巖變形問(wèn)題。軟巖位于隧洞尾端，總長(zhǎng)11.7 km，巖性為二疊系及三疊系砂巖、砂礫巖、泥質(zhì)砂巖及炭質(zhì)泥巖互層，易崩解。干燥狀態(tài)下砂礫巖抗壓強(qiáng)度18.7 MPa，泥巖抗壓強(qiáng)度13.6 MPa，圍巖級(jí)別為Ⅳ類(lèi)，施工過(guò)程中易發(fā)生塑性變形[12]。在硬巖破碎帶，也應(yīng)關(guān)注圍巖大變形問(wèn)題。

5)高地溫問(wèn)題。通過(guò)對(duì)鉆孔和洞線(xiàn)附近生產(chǎn)礦井內(nèi)的地溫測(cè)試，地溫值在7.1～21 ℃，均在正常值范圍內(nèi)[12]。青河招金礦業(yè)距洞線(xiàn)樁號(hào)220+000以東5 km，其井下190 m環(huán)境溫度為12 ℃，井下500 m環(huán)境溫度為20 ℃。按每100 m地溫升高2～3 ℃的地溫梯度推算，隧洞最大埋深為770 m，地溫約25 ℃。因此，施工中存在高地溫的可能性不大。

6)放射性問(wèn)題。共完成11個(gè)鉆孔放射性γ總量測(cè)井，累計(jì)深度5 354 m；鉆孔巖芯取樣分析鈾(U)、Ra226/、釷(Th)、鉀當(dāng)量(K40/)共36組；鉆孔水樣核素分析(U、Ra226/、Th、K40/、總α比活度、總β比活度、水氡)12組；巖心氡氣析出率測(cè)量36組；地面伽瑪能譜測(cè)量139 km[15]。結(jié)果表明，地表和鉆孔中深部均無(wú)明顯的核素富集現(xiàn)象，對(duì)工程沿線(xiàn)環(huán)境不會(huì)造成大的影響。

7)有害氣體問(wèn)題。隧洞未穿越煤系地層，在已收集的地質(zhì)資料中，未發(fā)現(xiàn)有害氣體和有害水體。

8)穿越活斷層抗斷問(wèn)題。隧洞穿越的五大區(qū)域斷層構(gòu)造，除EEQS河斷裂外，其余均屬于活動(dòng)性斷裂，但活動(dòng)性微弱或不明顯。工程區(qū)域地震活動(dòng)少，地震基本烈度不高，也間接反映了工程區(qū)域活動(dòng)斷裂活動(dòng)性不強(qiáng)。

4施工組織設(shè)計(jì)與存在的主要問(wèn)題

4.1施工組織設(shè)計(jì)

4.1.1施工方案選擇的原則

按照“技術(shù)領(lǐng)先，規(guī)范科學(xué)，組織合理，高效有序”的指導(dǎo)思想，在安全可靠、保障工期、經(jīng)濟(jì)合理的前提下，充分考慮TBM及其配套設(shè)備的性能和國(guó)內(nèi)現(xiàn)有承包商的技術(shù)能力、管理水平，密切結(jié)合工程地質(zhì)條件和施工通道的特殊技術(shù)要求，以有利于縮短工期、減少輔助工程設(shè)施及附加工作量、降低施工成本為目標(biāo)，科學(xué)合理地?cái)M定主洞、支洞以及相關(guān)附屬設(shè)施的施工技術(shù)方案。

4.1.2主洞施工

主洞采用以TBM為主、鉆爆法為輔的施工方案。選用11臺(tái)開(kāi)敞式TBM，掘進(jìn)長(zhǎng)度226.6 km，單機(jī)掘進(jìn)18～23 km；鉆爆法施工56.7 km，單面挖掘最長(zhǎng)2.65 km，較大的斷裂構(gòu)造帶、軟巖地層洞段采用鉆爆法施工。TBM平均月掘進(jìn)進(jìn)尺527 m，考慮到冬季施工，設(shè)計(jì)總工期為84個(gè)月。

4.1.3支洞施工

共布置6條TBM進(jìn)入支洞、4條TBM中間支洞和5條鉆爆支洞(見(jiàn)表5)。其中，6條進(jìn)入支洞均為縱坡為10.5%～12%的緩斜井，總長(zhǎng)22.1 km，最長(zhǎng)的為T(mén)4支洞，長(zhǎng)6 444 m，除1臺(tái)TBM從隧洞進(jìn)口進(jìn)入主洞外，其余10臺(tái)均由6條緩斜井進(jìn)入主洞安裝；4條中間支洞中，2條為緩斜井，2條為豎井，布置在TBM施工段中后位置，主要用于設(shè)備檢修、通風(fēng)和主洞鉆爆法施工；5條鉆爆支洞中，1條為緩斜井，4條為豎井，豎井提升設(shè)備采用鑿井提升機(jī)，豎井總長(zhǎng)1.5 km，最深為ZBS2豎井，深686 m。

表5喀—雙隧洞施工支洞布置及主要技術(shù)參數(shù)

Table 5Layout of branch tunnels of Ka-Shuang Tunnel and main technical parameters

支洞編號(hào)深度/m長(zhǎng)度/mTBM進(jìn)入支洞TBM中間支洞鉆爆支洞T12141656T23812987T2+4663852T35985154T47306444T52742047ZJP12191960ZJP22141790ZJP33022557ZJS1480ZBP11941513ZBS1539ZBS2686ZBS3205ZBS4117

4.2工程建設(shè)與管理存在的主要問(wèn)題

1)隧洞施工方案選擇及其分段規(guī)劃優(yōu)化施工問(wèn)題。隧洞Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖占比86.2%，石英含量總體不高，宜充分發(fā)揮TBM自身的優(yōu)勢(shì)，延長(zhǎng)掘進(jìn)長(zhǎng)度，從而降低工程造價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率，因此，選擇以TBM為主的施工方案。但為了規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)較大的斷裂構(gòu)造帶和軟巖地層，采用鉆爆法施工。所以，TBM和鉆爆法施工洞段的合理劃分，TBM進(jìn)入通道、中間支洞以及鉆爆法進(jìn)入支洞的位置選擇，是施工組織設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2)TBM選型設(shè)計(jì)與機(jī)群施工運(yùn)行管理問(wèn)題。由于隧洞穿越多種地質(zhì)構(gòu)造單元，圍巖抗壓強(qiáng)度為3～180 MPa，諸多不良地質(zhì)條件對(duì)TBM的選型設(shè)計(jì)提出了極高的要求，其關(guān)鍵部件的適應(yīng)性設(shè)計(jì)和耐久性、可靠性，是“打得快、用得久、走得長(zhǎng)”的重要保證。除喀—雙隧洞外，考慮到雙—三隧洞(92 km)和西二隧洞(141 km)的建設(shè)需求，屆時(shí)將有18臺(tái)TBM同時(shí)開(kāi)展機(jī)群化施工，其設(shè)備的設(shè)計(jì)制造、運(yùn)行管理、主軸承備用以及刀具、刀盤(pán)、液壓系統(tǒng)等易損部件的供應(yīng)保障等，是需要特別關(guān)注的重要問(wèn)題。

3)超特長(zhǎng)隧洞施工通道型式選擇以及出碴、通風(fēng)、供排水、物料運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題。由于隧洞具有深埋超特長(zhǎng)的顯著特征，進(jìn)入主洞只有豎井、斜井、緩斜井3種通道型式，不同的通道型式?jīng)Q定了TBM大件吊運(yùn)安裝、出碴和物料運(yùn)輸、通風(fēng)、供電、供排水等系統(tǒng)方式及其配套設(shè)施，涉及工程安全、布置、設(shè)備、進(jìn)度、投資等諸多方面。同時(shí)，TBM掘進(jìn)最大長(zhǎng)度23 km，豎井最大埋深超過(guò)700 m，出碴和物料運(yùn)輸、通風(fēng)及供排水的距離和高度均已超過(guò)已建工程。因此，選擇合理的通道型式，并系統(tǒng)研發(fā)出碴和物料運(yùn)輸系統(tǒng)、通風(fēng)和輸電供排水系統(tǒng)、運(yùn)行和監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)、施工和安全保障系統(tǒng)，具有極大的挑戰(zhàn)性。

4)地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報(bào)與安全高效施工問(wèn)題。雖然采用鉆爆法提前安全穿越了5條大斷裂帶，但TBM依然還要穿越72條次級(jí)斷層。由于隧洞深埋超特長(zhǎng)、地質(zhì)條件復(fù)雜，在施工過(guò)程中，必須加強(qiáng)超前勘探、超前預(yù)報(bào)，提前做好超前加固及其他跟進(jìn)施工措施，做到科學(xué)、安全、高效掘進(jìn)，預(yù)防各種工程地質(zhì)災(zāi)害造成的姿態(tài)失調(diào)、卡機(jī)、埋機(jī)等事件。本工程隧洞最大埋深在650～774 m的洞段約有50 km，雖然屬高地應(yīng)力中等巖爆區(qū)，但巖爆依然是危害施工安全的主要問(wèn)題，應(yīng)提前做好防控預(yù)案。

5深埋超特長(zhǎng)隧洞施工關(guān)鍵技術(shù)

深埋超特長(zhǎng)引水隧洞關(guān)鍵技術(shù)框圖見(jiàn)圖2。

5.1隧洞規(guī)劃選線(xiàn)布置關(guān)鍵技術(shù)

洞線(xiàn)規(guī)劃及施工支洞布置是優(yōu)化隧洞掘進(jìn)方案優(yōu)先要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。TBM大型設(shè)備通過(guò)豎井、斜井(15～20°)或緩斜井(<7°)等支洞型式進(jìn)入主洞，以及施工中的運(yùn)料、通風(fēng)、安全、效率問(wèn)題，是極具挑戰(zhàn)性的難題。目前國(guó)外TBM豎井最深800 m，直徑達(dá)12 m(瑞士San Gottardo鐵路隧道的Sedrun)[16]。豎井和斜井施工技術(shù)在煤炭及冶金行業(yè)已十分成熟，國(guó)內(nèi)最深的豎井為1 503 m(遼寧本溪)[17]，最深的斜井為2 017 m(陜西長(zhǎng)治)[18]。結(jié)合喀—雙深埋超特長(zhǎng)隧洞的施工特點(diǎn)，合理布置洞線(xiàn)，系統(tǒng)開(kāi)展不同支洞型式及其施工方案研究意義十分重大。

1)超特長(zhǎng)輸水隧洞勘測(cè)及選線(xiàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)工程場(chǎng)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造，詳查各種可能發(fā)生的不良地質(zhì)災(zāi)害，并結(jié)合卡拉麥里山自然保護(hù)區(qū)的環(huán)保要求，系統(tǒng)評(píng)價(jià)對(duì)隧洞工程建設(shè)布局的影響。綜合地形地質(zhì)、環(huán)境保護(hù)、施工技術(shù)、供水需求、經(jīng)濟(jì)可行性等條件因素，科學(xué)論證洞線(xiàn)布置方案，開(kāi)展開(kāi)敞式TBM施工水工隧洞斷面設(shè)計(jì)研究，合理設(shè)計(jì)隧洞平縱斷面，提出安全可靠的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式。

2)TBM與鉆爆法可掘性評(píng)價(jià)及合理洞段劃分。根據(jù)巖石級(jí)別、斷裂帶及斷層構(gòu)造分布、施工技術(shù)、設(shè)備能力以及施工環(huán)境條件，研究分析TBM與鉆爆法對(duì)工程地質(zhì)條件的適應(yīng)性，合理布置施工支洞的位置和型式，通過(guò)對(duì)工程布局、施工工期、環(huán)境影響、工程投資因素的綜合比較，提出經(jīng)濟(jì)可行的隧洞分段施工組織方案。

圖2　喀—雙隧洞建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)框圖

3)施工通道型式選擇和硐室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總結(jié)煤炭和冶金行業(yè)在豎井、斜井和緩斜井等方面的施工技術(shù)及成熟經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合超特長(zhǎng)引水隧洞的特點(diǎn)，綜合安全、技術(shù)、工期、投資等因素，研究TBM進(jìn)入通道和中間通道以及鉆爆法洞段施工通道的型式，包括硐室布置、坡度、井筒裝備、結(jié)構(gòu)型式等；研究各種通道型式的施工技術(shù)，包括TBM和鉆爆法施工方案，以及二者組合施工的可行性；系統(tǒng)開(kāi)展硐室結(jié)構(gòu)與出碴通風(fēng)、物料運(yùn)輸、輸電供水等配套系統(tǒng)的匹配性設(shè)計(jì)。

5.2TBM與配套系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)

喀—雙隧洞計(jì)劃投入11臺(tái)TBM，設(shè)計(jì)單臺(tái)TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度18～23 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前國(guó)內(nèi)連續(xù)掘進(jìn)里程的平均水平，因此，開(kāi)展超特長(zhǎng)輸水隧洞TBM與配套系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。為滿(mǎn)足超長(zhǎng)隧洞快速連續(xù)掘進(jìn)需要，不僅要充分考慮TBM對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性，還應(yīng)對(duì)TBM的選型設(shè)計(jì)、掘進(jìn)模式和結(jié)構(gòu)形式、刀盤(pán)及切削技術(shù)、主驅(qū)動(dòng)使用壽命和可靠性、配套系統(tǒng)等方面開(kāi)展系統(tǒng)研究。

1)TBM選型及掘進(jìn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)。系統(tǒng)開(kāi)展開(kāi)敞式與護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)以及同類(lèi)掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、生產(chǎn)能力、掘進(jìn)速度的優(yōu)化比選，研究TBM 掘進(jìn)系統(tǒng)中主機(jī)系統(tǒng)、后配套系統(tǒng)、主機(jī)附屬設(shè)備、輔助鋼拱架安裝支撐設(shè)備、外部生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)匹配性，提出設(shè)計(jì)制造的主要技術(shù)要求和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施[19-20]。根據(jù)超特長(zhǎng)隧洞的特殊要求，提高刀盤(pán)前方噴霧降塵效果，強(qiáng)化TBM自動(dòng)糾偏和精確導(dǎo)向能力，研究掘進(jìn)、出碴、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、支護(hù)、輔助配套等各系統(tǒng)功能配置及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)參數(shù)，綜合平衡TBM設(shè)備的技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性[21-22]。

2)TBM超長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)與掘進(jìn)參數(shù)智能控制技術(shù)。超長(zhǎng)掘進(jìn)對(duì)主驅(qū)動(dòng)、刀盤(pán)的耐久性、耐磨性及結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度提出了嚴(yán)格的要求。其中，主驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)壽命期內(nèi)的可靠性及驅(qū)動(dòng)效率、主驅(qū)動(dòng)密封及盤(pán)體結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)、合理的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)和刀具布置型式、刀盤(pán)抗磨損設(shè)計(jì)和高精度焊接技術(shù)等都是事關(guān)TBM耐久性的重要因素。另外，掘進(jìn)參數(shù)與圍巖參數(shù)的適應(yīng)性、掘進(jìn)參數(shù)自動(dòng)控制技術(shù)等也是影響TBM壽命的關(guān)鍵因素[20，23]。特別要重點(diǎn)研究解決好飽和抗壓強(qiáng)度Rb≥100 MPa、石英含量≥25%的花崗巖段TBM快速掘進(jìn)的問(wèn)題。

3)TBM狀態(tài)檢測(cè)及故障自修復(fù)技術(shù)。研究TBM狀態(tài)檢測(cè)方法與系統(tǒng)參數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)模型，預(yù)測(cè)故障發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估；研究故障特征，建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)和故障自診斷、自修復(fù)技術(shù)體系，確保TBM使用壽命滿(mǎn)足超長(zhǎng)距離掘進(jìn)施工要求[24]。

5.3施工建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

超特長(zhǎng)、機(jī)群化施工、單機(jī)獨(dú)頭掘進(jìn)最長(zhǎng)是喀—雙隧洞施工中的顯著特點(diǎn)。由于地質(zhì)條件、設(shè)備選型、組織管理等因素，在國(guó)內(nèi)已建和在建的工程中，卡機(jī)、沉陷、埋機(jī)等各類(lèi)災(zāi)害事故屢見(jiàn)不鮮。如：山西萬(wàn)家寨引黃工程，由于圍巖變形速率大，穿越斷層破碎帶時(shí)導(dǎo)致卡機(jī)，停機(jī)處理3個(gè)月，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[25]；甘肅引洮工程發(fā)生卡機(jī)沉陷，停機(jī)1年以上[26]；錦屏引水隧洞掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生被淹、被困事故[27]。綜合上述情況，超長(zhǎng)連續(xù)快速掘進(jìn)和不良地質(zhì)處置給TBM施工帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，因此，必須開(kāi)展系統(tǒng)研究，優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，做好通風(fēng)、排水、運(yùn)輸?shù)扰涮紫到y(tǒng)的管理和維護(hù)，確保TBM超長(zhǎng)連續(xù)快速掘進(jìn)。

1)深埋長(zhǎng)距離大坡度緩斜井施工技術(shù)。在初步確定TBM緩斜井進(jìn)洞方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆爆法施工支洞的布置，綜合考慮安全、技術(shù)經(jīng)濟(jì)、工期效率、物料運(yùn)輸?shù)扔绊懸蛩?，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，合理選擇位置、坡度、斷面等重要技術(shù)參數(shù)；研究長(zhǎng)距離大坡度緩斜井建造及快速施工技術(shù)，包括TBM與鉆爆法施工以及二者組合施工、緩斜井與正洞TBM一體化施工的可行性。

2)深埋中間豎井建造及物流、通風(fēng)技術(shù)。根據(jù)TBM掘進(jìn)和鉆爆法施工的安全、效率、通風(fēng)等技術(shù)要求，研究深埋豎井建設(shè)的必要性和可行性，合理布設(shè)豎井，包括位置、斷面、數(shù)量等，并根據(jù)豎井的功能，研究其建造、吊裝、出碴、搶險(xiǎn)、通風(fēng)等關(guān)鍵技術(shù)。

3)TBM洞內(nèi)快速組裝、始發(fā)及拆解技術(shù)。根據(jù)確定的入洞方案，研究TBM大型部件的結(jié)構(gòu)分塊設(shè)計(jì)和精確裝配技術(shù)，包括大型部件的吊裝運(yùn)輸，組裝硐室開(kāi)挖支護(hù)，洞內(nèi)始發(fā)、步進(jìn)、拆解等成套技術(shù)，并以此對(duì)TBM設(shè)計(jì)制造以及關(guān)鍵部件的洞內(nèi)拆解工藝、專(zhuān)用工裝設(shè)備等提出具體的技術(shù)要求。

4)超特長(zhǎng)隧洞出碴和物料運(yùn)輸技術(shù)。長(zhǎng)隧洞施工經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)獨(dú)頭掘進(jìn)距離超過(guò)12～14 km時(shí)，其供電、通風(fēng)和物料運(yùn)輸方案的合理性在整個(gè)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)階段尤顯重要，應(yīng)當(dāng)給予高度重視。根據(jù)確定的分段施工方案和斷面布置要求，分析論證主洞和緩斜井連續(xù)皮帶機(jī)、有軌運(yùn)輸、無(wú)軌雙向驅(qū)動(dòng)膠輪車(chē)等運(yùn)輸方案的安全性和合理性；研究連續(xù)皮帶出碴系統(tǒng)的可靠性和碴土適應(yīng)性，以及主洞和緩斜井出碴、物料運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)配套系統(tǒng)；以安全高效為原則，研究通道出碴和物流運(yùn)輸安全控制技術(shù)。

5)超特長(zhǎng)隧洞獨(dú)頭通風(fēng)技術(shù)。優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型方案，確保二次通風(fēng)系統(tǒng)與總體通風(fēng)方案的協(xié)同性；實(shí)時(shí)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)與環(huán)境測(cè)試，研究隧洞安全衛(wèi)生保障技術(shù)；科學(xué)評(píng)估現(xiàn)有通風(fēng)除塵設(shè)備的性能，分析論證一站式、多站式、風(fēng)井通風(fēng)等技術(shù)可行性方案，并提出具體的設(shè)計(jì)要求；研究各類(lèi)風(fēng)機(jī)性能、風(fēng)管材料和規(guī)格型式及其與通風(fēng)系統(tǒng)的匹配性。

6)軟巖變形控制及隧洞安全施工技術(shù)。軟巖地層主要連續(xù)分布在隧洞尾部，總長(zhǎng)11.7 km，巖性為砂巖、泥巖互層，抗壓強(qiáng)度為13.6～18.7 MPa，遇水軟化、易崩解和塑性大變形是威脅隧洞安全施工的主要難題。采用人工鉆爆、短臺(tái)階法施工，臺(tái)階長(zhǎng)度3～5 m，每循環(huán)進(jìn)尺1.5～2 m。一次支護(hù)利用多功能臺(tái)架及錨桿鉆機(jī)施作錨桿孔，人工安裝錨桿，敷設(shè)鋼筋網(wǎng)和鋼拱架支撐，并采用濕噴機(jī)噴射混凝土。施工中堅(jiān)持“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”及“先探后挖”的原則，在圍巖、一次支護(hù)格柵拱架設(shè)立應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面，揭示圍巖時(shí)空變形規(guī)律，根據(jù)圍巖變形量和變形速率，建立圍巖變形穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)，適時(shí)實(shí)施二次襯砌。

5.4施工風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)

由于斷裂破碎帶眾多，工程地質(zhì)條件存在不可預(yù)見(jiàn)性，因此，開(kāi)展長(zhǎng)距離TBM施工風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)研究十分必要。

1)TBM施工超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)。分析對(duì)比超前地質(zhì)鉆探、地質(zhì)雷達(dá)(HSP)、地震波(TST)、電法等預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)的適用條件及應(yīng)用效果，綜合地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)，建立多源信息集成地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提出適合本工程的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)[28]。

2)TBM施工不良地質(zhì)洞段綜合處置技術(shù)。本工程影響TBM施工的主要地質(zhì)問(wèn)題有斷層破碎帶、中等巖爆及潛在的軟巖變形。5條斷裂構(gòu)造帶均采用鉆爆法施工，但穿越72條次級(jí)斷層構(gòu)造，仍存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究不良地質(zhì)洞段綜合施工技術(shù)、中等地應(yīng)力洞段巖爆及防護(hù)技術(shù)，降低TBM施工風(fēng)險(xiǎn)，并提出防范應(yīng)對(duì)措施是十分有必要的。對(duì)于處在活斷層洞段，不應(yīng)小覷，要做好適應(yīng)變形的抗斷性設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)的完整性，探討TBM掘進(jìn)和混凝土襯砌聯(lián)合作業(yè)的必要性和可行性。

3)TBM施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防控技術(shù)。綜合地質(zhì)條件、施工方案及設(shè)備運(yùn)行等情況，查找分析施工風(fēng)險(xiǎn)源及種類(lèi)，提出識(shí)別和評(píng)價(jià)方法，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和控制標(biāo)準(zhǔn)，建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估決策支持系統(tǒng)，提出突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的處置措施，包括巖爆、突涌水風(fēng)險(xiǎn)控制及人員快速逃生的技術(shù)預(yù)案[29]。隧洞工程施工經(jīng)驗(yàn)表明，水遠(yuǎn)比塌方更難治理。在穿越河流或富水地層時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘察工作，查明斷裂構(gòu)造與地表水的水力聯(lián)系，做好超前預(yù)處理預(yù)案。

5.5TBM全壽命周期(BIM)數(shù)字化綜合管理

TBM作為一個(gè)高度集成機(jī)械化的隧洞挖掘設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)龐大、設(shè)備眾多，任何一個(gè)環(huán)節(jié)失誤都將可能導(dǎo)致其停機(jī)。TBM在掘進(jìn)施工過(guò)程中，地質(zhì)勘探、施工組織、配套工序、監(jiān)測(cè)診斷、狀態(tài)控制、保養(yǎng)維護(hù)等任何環(huán)節(jié)的脫節(jié)，都會(huì)嚴(yán)重影響其生產(chǎn)效率和使用狀態(tài)。因此，針對(duì)喀—雙隧洞TBM機(jī)群施工的特點(diǎn)，迫切需要建立一套綜合管理信息系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)TBM施工的高效運(yùn)行管理。

5.5.1TBM綜合信息管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

建立TBM機(jī)群技術(shù)管理數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤管理，多視圖、多層次采集分析主要設(shè)備的各種技術(shù)參數(shù)和性狀指標(biāo)；建立施工管理數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量管理和安全監(jiān)測(cè)管理信息化；建立配套設(shè)備管理數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)、故障診斷排除和備品備件的信息化管理；建立TBM機(jī)群施工管理決策支持系統(tǒng)，評(píng)價(jià)運(yùn)行狀態(tài)，分析成本效益，監(jiān)測(cè)工程質(zhì)量，提出合理的工程進(jìn)度計(jì)劃和主軸承備份方式、數(shù)量以及其他備品備件需求計(jì)劃[30]。

5.5.2工程全壽命周期(BIM)數(shù)字化綜合管理技術(shù)研究及應(yīng)用

研究并利用BIM技術(shù)建立工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)全過(guò)程動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)；建立TBM機(jī)群BIM管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)功能參數(shù)、空間位置的遠(yuǎn)程數(shù)字化實(shí)時(shí)監(jiān)控；應(yīng)用BIM技術(shù)模擬施工建造過(guò)程，實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示，完成材料設(shè)備供應(yīng)、施工進(jìn)度、質(zhì)量驗(yàn)收、工程結(jié)算等方面的報(bào)表生成[31]。

6結(jié)論與建議

1)喀—雙隧洞全長(zhǎng)283.3 km，平均埋深428 m，最大埋深774 m，硐室Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖占比 86.2%，抗壓強(qiáng)度大多在50～140 MPa。從已探明的工程地質(zhì)情況來(lái)看，發(fā)生破碎巖體塌方、斷層破碎帶突涌水、高地應(yīng)力巖爆、高地溫、放射性、有害氣體等地質(zhì)災(zāi)害的可能性不大，適合TBM機(jī)械化、快速施工。

2)由于隧洞沿線(xiàn)地形較為平坦，沒(méi)有布置平支洞和短支洞的地形條件，為了解決TBM進(jìn)入通道和鉆爆法施工以及通風(fēng)、出碴、物料運(yùn)輸問(wèn)題，開(kāi)挖深長(zhǎng)緩斜井、深埋中間豎井是不可避免的。超長(zhǎng)距離的獨(dú)頭掘進(jìn)，再加上深(埋)長(zhǎng)支洞的通道制約，給隧洞高速掘進(jìn)與高效率出碴、通風(fēng)帶來(lái)了難度。深埋超特長(zhǎng)輸水隧洞的建設(shè)是一個(gè)技術(shù)含量非常高的系統(tǒng)工程，投入大，風(fēng)險(xiǎn)高，建設(shè)周期長(zhǎng)，應(yīng)從規(guī)劃論證開(kāi)始做好扎實(shí)的基礎(chǔ)理論研究、建設(shè)方案論證、建設(shè)方法分析，對(duì)工程建設(shè)中的一系列重點(diǎn)、難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)攻關(guān)。

3)隨著我國(guó)在重大交通、水利以及能源礦山工程等建設(shè)領(lǐng)域?qū)BM裝備的需求持續(xù)增長(zhǎng)，TBM長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口的局面已經(jīng)嚴(yán)重制約了我國(guó)重大工程的建設(shè)。喀—雙超特長(zhǎng)隧洞建設(shè)和TBM制造關(guān)鍵技術(shù)的突破，對(duì)于填補(bǔ)國(guó)內(nèi)深埋隧洞TBM施工技術(shù)方面的空白，推動(dòng)我國(guó)重大裝備國(guó)產(chǎn)化和跨流域調(diào)水工程的建設(shè)，以及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大意義。因此，必須開(kāi)展持續(xù)的研究和創(chuàng)新，特別注意成套設(shè)備的研發(fā)與工程應(yīng)用服務(wù)，提升關(guān)鍵部件的適應(yīng)性、耐久性、可靠性，為實(shí)現(xiàn)超特長(zhǎng)隧洞“打得快、用得久、走得長(zhǎng)”提供重要保障。

7致謝

文章得到了錢(qián)七虎院士和杜彥良院士的熱情指導(dǎo)，在此表示衷心感謝！

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]張照煌.盤(pán)形滾刀與巖石相互作用理論研究現(xiàn)狀及分析(一)[J].工程機(jī)械,2009,40(9):16-20.(ZHANG Zhaohuang.Present situation and analysis of interacting theory between disc hob and rock (part 1)[J].Construction Machinery and Equipment,2009,40(9):16-20.(in Chinese))

[2]尹俊濤,尚彥軍,傅冰駿,等.TBM掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展及有關(guān)工程地質(zhì)問(wèn)題分析和對(duì)策[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2005,13(3):389-397.(YIN Juntao,SHANG Yanjun,FU Bingjun,et al.Development of TBM-excavation technology and analyses &countermeasures of related engineering geological problems[J].Journal of Engineering Geology,2005,13(3):389-397.(in Chinese))

[3]張鏡劍,傅冰駿.隧道掘進(jìn)機(jī)在我國(guó)應(yīng)用的進(jìn)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(2):226-238.(ZHANG Jingjian,FU Bingjun.Advances in tunnel boring machine application in China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(2):226-238.(in Chinese))

[4]錢(qián)七虎,李朝甫,傅德明.全斷面掘進(jìn)機(jī)在中國(guó)地下工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望[J].建筑機(jī)械,2002(5):28-35.(QIAN Qihu,LI Chaofu,FU Deming.Application situation and outlook of TBM in underground project in China[J].Construction Machinery,2002(5):28-35.(in Chinese))

[5]張軍偉,梅志榮,高菊茹,等.大伙房輸水工程特長(zhǎng)隧洞TBM選型及施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2010,47(5):1-10.(ZHANG Junwei,MEI Zhirong,GAO Juru,et al.Study on TBM type-selection and key technologies in Dahuofang Water Diversion Tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2010,47(5):1-10.(in Chinese))

[6]廖朝華,郭小紅.我國(guó)修建跨海峽海底隧道的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[J].隧道建設(shè),2008,28(5):527-532.(LIAO Chaohua,GUO Xiaohong.Key technologies in subsea tunnel construction in China[J].Tunnel Construction,2008,28(5):527-532.(in Chinese))

[7]王夢(mèng)恕,王占山.TBM通過(guò)斷層破碎帶的施工技術(shù)[J].隧道建設(shè),2001,21(3):1-4.(WANG Mengshu,WANG Zhanshan.Construction technologies for TBM driving across fracture zone[J].Tunnel Construction,2001,21(3):1-4.(in Chinese))

[8]伍法權(quán),王學(xué)潮,國(guó)連杰,等.南水北調(diào)西線(xiàn)一期工程區(qū)斷層活動(dòng)性及其對(duì)工程的影響分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(8):1370-1374.(WU Faquan,WANG Xuechao,GUO Lianjie,et al.Fault activity and its effect on the West Line of Water Diversion Project from South to North of China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(8):1370-1374.(in Chinese))

[9]張軍偉,梅志榮,唐與.特長(zhǎng)隧洞TBM施工與錨噴支護(hù)應(yīng)用研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2011 (1):39-46.(ZHANG Junwei,MEI Zhirong,TANG Yu.Study on TBM construction and application of bolt-shotcrete support in construction of long water transfer tunnel[J].Journal of Railway Engineering Society,2011(1):39-46.(in Chinese))

[10]吳世勇,王鴿,徐勁松,等.錦屏二級(jí)水電站TBM選型及施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(10):2000-2009.(WU Shiyong,WANG Ge,XU Jinsong,et al.Research on TBM type-selection and key construction technology for Jinping Ⅱ Hydropower Station[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(10):2000-2009.(in Chinese))

[11]孫海波,劉金祥.敞開(kāi)式TBM掘進(jìn)初期典型問(wèn)題的分析與探討[J].建筑機(jī)械化,2014 (9):71-73.(SUN Haibo,LIU Jinxiang.Analysis and discussion of open type TBM initial typical problems[J].Construction Mechanization,2014(9):71-73.(in Chinese))

[12]新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.喀—雙隧洞工程地質(zhì)勘察專(zhuān)題報(bào)告[R].烏魯木齊：新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2015.(Xinjiang Survey and Design Institute of Water Resources and Hydropower.Report of engineering geological investigation of Ka-Shuang Tunnel [R].Urumqi:Xinjiang Survey and Design Institute of Water Resources and Hydropower,2015.(in Chinese))

[13]中國(guó)地震應(yīng)急搜救中心.新疆輸水工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告[R].北京：中國(guó)地震應(yīng)急搜救中心，2015.(National Earthquake Response Support Service.Report of earthquake safety evaluation of water diversion engineering sites in Xinjiang [R].Beijing:National Earthquake Response Support Service,2015.(in Chinese))

[14]長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院.喀—雙隧洞地應(yīng)力測(cè)試報(bào)告[R].武漢：長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，2013.(Changjiang River Scientific Research Institute of Changjiang Water Resources Commission.Stress testing report of Kashuang tunnel [R].Wuhan：Changjiang River Scientific Research Institute of Changjiang Water Resources Commission,2013.(in Chinese))

[15]中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)總公司二一六大隊(duì).喀—雙隧洞核輻射研究報(bào)告[R].烏魯木齊：中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)總公司二一六大隊(duì)，2014.(216 Team of China National Nuclear Corporation.Nuclear radiation research report of Ka-Shuang tunnel [R].Urumqi:216 Team of China National Nuclear Corporation,2014.(in Chinese))

[16]魏永慶,杜士斌.大斷面超長(zhǎng)輸水隧洞的施工特點(diǎn)[J].水利水電技術(shù),2006,37(3):8-11.(WEI Yongqing,DU Shibin.Construction features of a super long water conveyance tunnel project with large cross section in construction[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2006,37(3):8-11.(in Chinese))

[17]辛金生.山東黃金深豎井工程實(shí)施階段風(fēng)險(xiǎn)管理研究[D].青島：青島理工大學(xué),2014.(XIN Jinsheng.Risk management research of Shandong Gold Mine deep-shaft project implementation[D].Qingdao：Qingdao Technological University ,2014.(in Chinese))

[18]張基磊,朱澤祥,律景田,等.長(zhǎng)距離斜井施工設(shè)備選型[J].建井技術(shù),2008,29(1):32-34.(ZHANG Jilei,ZHU Zexiang,LYU Jingtian,et al.Equipment selection for long distance mine inclined shaft construction[J].Mine Construction Technology,2008,29(1):32-34.(in Chinese))

[19]王夢(mèng)恕.開(kāi)敞式TBM在鐵路長(zhǎng)隧道特硬巖、軟巖地層的施工技術(shù)[J].土木工程學(xué)報(bào),2005,38(5):54-58.(WANG Mengshu.Construction technique of open TBM for long railway tunnels in very hard or soft rock strata[J].China Civil Engineering Journal,2005,38(5):54-58.(in Chinese))

[20]錢(qián)七虎.錢(qián)七虎院士論文選集[M].北京:科學(xué)出版社,2007.(QIAN Qihu.Proceedings of academician QIAN Qihu [M].Beijing:Science Press,2007.(in Chinese))

[21]施仲衡.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2006.(SHI Zhongheng.Design and construction of underground railway[M].Xi’an:Shaanxi Science and Technology Press,2006.(in Chinese))

[22]梁文灝,李國(guó)良.烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道方案設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2004,41(2):1-7.(LIANG Wenhao,LI Guoliang.Tentative project of Wushaoling tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2004,41(2):1-7.(in Chinese))

[23]王夢(mèng)恕,李典璜,張鏡劍,等.巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工及工程實(shí)例[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2004.(WANG Mengshu,LI Dianhuang,ZHANG Jingjian,et al.Rock tunnel boring machine construction and its project examples[M].Beijing:China Railway Publishing House,2004.(in Chinese))

[24]杜彥良,徐明新,智小慧,等.全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)：TBM維護(hù)保養(yǎng)與監(jiān)測(cè)診斷[M].北京:華中科技大學(xué)出版社,2013.(DU Yanliang,XU Mingxin,ZHI Xiaohui,et al.Full face hard rock tunnel boring machine:Monitoring and maintenance[M].Beijing:Huazhong University of Science and Technology Press,2013.(in Chinese))

[25]尚彥軍,王思敬,薛繼洪,等.萬(wàn)家寨引黃工程泥灰?guī)r段隧洞巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM)卡機(jī)事故工程地質(zhì)分析和事故處理[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2002,10(3):293-298.(SHANG Yanjun,WANG Sijing,XUE Jihong,et al.A case study on TBM block in marls at connection works No.7 tunnel of Yellow River Diversion Project[J].Journal of Engineering Geology,2002,10(3):293-298.(in Chinese))

[26]劉志華,李清文,邊野,等.引洮供水工程雙護(hù)盾TBM卡機(jī)事故分析與解決[J].建筑機(jī)械化,2013 (6):77-79.(LIU Zhihua,LI Qingwen,BIAN Ye,et al.Analysis and solution for the blocking failure of double shield TBM in Yintao Water Supply Project[J].Construction Mechanization,2013(6):77-79.(in Chinese))

[27]吳世勇,周濟(jì)芳.錦屏二級(jí)水電站長(zhǎng)引水隧洞高地應(yīng)力下開(kāi)敝式硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)安全快速掘進(jìn)技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(8):1657-1665.(WU Shiyong,ZHOU Jifang.Research on safe and fast tunnelling technology by open-type hard rock TBM under high geostress of long diversion tunnels of Jinping Ⅱ Hydropower Station[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(8):1657-1665.(in Chinese))

[28]王夢(mèng)恕.不同地層條件下的盾構(gòu)與TBM選型[J].隧道建設(shè),2006,26(2):1-3,8.(WANG Mengshu.Type selection of shield TBMs and hard rock TBMs for different geological conditions[J].Tunnel Construction,2006,26(2):1-3,8.(in Chinese))

[29]王建宇.對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算問(wèn)題的思考[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2014,51(2):1-4.(WANG Jianyu.On calculation of tunnel lining structure[J].Modern Tunnelling Technology,2014,51(2):1-4.(in Chinese))

[30]楊新安,凌保林,王樹(shù)杰,等.盾構(gòu)隧道掘進(jìn)信息化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2010,8(4):422-426,431.(YANG Xin’an,LING Baolin,WANG Shujie,et al.Designing and developing information management systems for shield tunneling[J].Chinese Journal of Construction Machinery,2010,8(4):422-426,431.(in Chinese))

[31]劉晴,王建平.基于BIM技術(shù)的建設(shè)工程生命周期管理研究[J].土木建筑工程信息技術(shù),2010(3):40-45.(LIU Qing,WANG Jianping.The research on building lifecycle management based on the technology of BIM[J].Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture,2010(3):40-45.(in Chinese))

Key Technologies for Deep Super-long Water Diversion Tunnels:A Case Study of Ka-Shuang Tunnel

DENG Mingjiang1,ZHOU Xiaobing1,CUI Dong2,MA Yong2,LI Wenxin2,XU Mingxin3

(1.Xinjiang Eerqisi River Basin Development and Construction Management Bureau,Urumqi 830000,Xinjiang,China;2.Xinjiang Survey and Design Institute of Water Resources and Hydropower,Urumqi 830000,Xinjiang,China;3.Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050000,Hebei,China)

Abstract:The main geological problems of Ka-Shuang deep super-long water diversion tunnel are analyzed.The key technologies for rapid boring and safety control of super-long tunnel TBM construction are proposed in terms of alignment arrangement,applicability design of TBM and matching system,construction of main tunnel and branch tunnel,construction risk control and complex management of TBM group construction.The geological conditions investigated illustrate that there is no geological risk.The deep and long inclined shaft and deep intermeadiate vertical shaft are needed due to the complanate landform;and further study and feasible technologies are needed as well.

Keywords:water diversion tunnel;engineering geology;TBM;rapid thrusting;safety control

收稿日期：2015-12-28;修回日期:2016-04-11

第一作者簡(jiǎn)介：鄧銘江(1960—)，男，湖南耒陽(yáng)人，河海大學(xué)博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水利工程建設(shè)和水資源研究工作。E-mail:xjdmj@163.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.003

中圖分類(lèi)號(hào)：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)06-0666-10