南水北调西线工程对TBM施工的特殊要求初探

侯放鸣乔世珊

摘要 南水北调西线工程是从位于青藏高原的大渡河、雅砻江、通天河通过隧洞以自流方式向黄河流域上中游地区调水，隧洞总长超过1000km，工程区地质条件极为复杂。调水工程区的地质具有地应力高，易发生岩爆、高压涌水，软岩易发生蠕变，局部地温异常区围岩温度高等特点，这些对采用TBM施工提出了特殊要求。应尽早开始研究适应西线工程施工要求的TBM等特大型装备和关键设备。

关键词 南水北调西线施工 TBM

规划中的南水北调西线工程从位于青藏高原的大渡河、雅砻江、通天河向黄河流域上中游地区调水。这一调水工程具有规模宏大、技术复杂、施工难度大、效益显著的特点。根据多年的勘探研究，经历次专家咨询和审查，并根据当前开凿隧洞技术水平和已建的长隧洞工程，权衡利弊，南水北调西线工程目前倾向于采用自流方案。根据方案的工程规模、可调水量、工程地质条件、技术可行性、海拔高程、施工条件及经济指标等因素，经综合比选，选择以自流和隧洞输水为主的引水方案，并分三期实施。

一期工程为大渡河、雅砻江支流达一贾联合自流方案，年调水40亿m³。线路全长260km，其中隧洞长244km最长洞段73km，最大洞径9.58m。主要由5个枢纽、7段隧洞、一段明渠串联而成，7段隧洞指通过支流使引水隧洞自然分为7段。二期工程为雅砻江干流的阿一贾调水方案，在雅砻江干流建阿达引水枢纽，年调水50亿m³。线路全长304km，其中隧洞287.8km，最长洞段73km，最大洞径10.4m。三期工程为通天河侧仿一雅砻江一贾曲自流线路，在通天河干流建侧仿引水枢纽，年调水80亿m³。线路全长508.1km，其中隧洞489.9km，最长洞段73km，最大洞径9.58m。

一、南水北调西线工程的环境和气候特点

南水北调西线工程的调水工程区位于青藏高原的东南部，西起通天河，东至大渡河，南临川西高原，北至黄河干流，面积近30万km2。这一区域的海拔高程为3500m左右，地面气压较低，仅相当于海平面气压的60％～70％，空气中的含氧量也相当于海平面的60％～70％。这里冬季严寒而漫长，区域内极端最低气温为-30℃～—40℃，大部分地区日平均气温在0℃以下的时间长达5～8个月。低压、缺氧和寒冷构成了调水工程区的气候特点。

调水工程区人烟稀少，每平方公里仅有2～3人，农业生产以畜牧业为主，几乎没有工业。调水工程区不仅海拔高，而且地形陡峭，相对高差很大。

二、南水北调西线工程的地质特点

西线调水工程区地质条件极为复杂。自流线路洞体深埋于山体基岩之内，上覆岩体厚度一般为500～800m，最大厚度达1300m。因此，隧洞所在深度的岩体工程地质条件、围岩力学特性直接影响到隧洞的设计与施工。

1．岩体地应力问题

地应力和岩爆关系密切，对西线工程的深埋隧洞而言，其洞室的稳定不可避免受到高地应力和岩爆的威胁。引水隧洞大部分洞段上覆岩体厚度500～800m，隧洞的围岩主要为三叠系的浅变质砂板岩，局部洞段为花岗岩、花岗闪长岩，这些坚硬脆性岩体具备了储存高能量的条件，部分洞段将穿越高地应力区。初步研究显示，隧洞开挖时可能会遇到50MPa左右的高水平挤压应力；岩爆预测表明，隧洞经过的黑云母花岗闪长岩洞段肯定会发生岩爆，但强度的大小取决于洞室荷载工况。

2．高压水的突水问题

西线工程区地下水具有非多年冻土区地下水特点。引水线路地区的某些顺河发育断层，与地表水有密切的水力联系，地下水源补给充沛，洞室的开挖必将形成地下水富集廊道，使断层破碎带内充填物和褶皱核部的破碎岩石涌出，形成突水和碎屑流地质灾害。目前，隧洞涌水预测的准确性有待进一步提高。因此，针对不同的地质条件和水文地质背景，对涌水发生的环境地质条件进行必要的类比，预测隧洞施工中发生高压涌水的洞段，以便制定合理可行的防治措施，减少涌水灾害的发生概率，指导隧洞的施工。

3．工程软岩的蠕变问题

软岩的变形特性取决于工程力与岩体强度的相互关系，软岩在高地应力作用下将产生大变形和长期流变，围岩软岩的大变形和流变成为远比岩爆更难处理的工程地质问题。西线工程的引水隧洞洞径最大的超过10m，围岩多为浅变质砂板岩，根据现有浅部实测值，推断埋深1100～1300m处铅直地应力将达到30MPa，而水平地应力可能达到18～20kPa，洞壁应力将为60MPa左右。在这样大的洞径、如此高地应力的持续作用下，砂板岩将产生怎样的变形和破坏，高应力软岩是否发育，工程部门应当采取什么措施来应对蠕变问题，将是整个工程成败的技术关键。

4．高地温问题

深埋隧洞洞内温度的影响是随着深度的增加而增加的。有关研究计算表明，西线工程引水隧洞高程处的地温可达20℃～25℃，局部地温异常区的洞室围岩温度可达53℃～68℃。从目前的工程地质实践看，地温的计算结果往往与实际情况有一定的误差；因此应计算西线工程区的地温增温率，研究区域地质构造、深部地壳结构，准确预测隧洞断面处的岩温，以便寻求比较合适的工艺和方法指导施工。

三、南水北调西线工程对TBM施工的特殊要求

西线工程涉及高海拔、深覆盖、复杂地质条件下的长距离大直径引水隧洞施工建设，由于特殊地质构造、特殊地理环境和特殊气候条件的影响，传统钻爆施工方法难以适应工程建设需要。全断面岩石掘进机TBM(Tunnel BoringMachine)施工的方法具有快速、高效、安全、可靠、人工作业强度低、用工少、施工质量好、成本低等优点，是西线工程的理想技术装备。但西线工程的TBM应满足一些特殊的施工要求。

1．能减轻岩爆的破坏作用

岩爆的发生与施工方法有一定的关系，初步研究表明，西线工程的长隧洞宜采用护盾式全断面掘进机TBM施工。在TBM施工条件下，岩爆发生的概率显著降低，即使发生，也可减轻其破坏作用，避免对主机和施工人员产生较大的危害。采用超前孔法和注水法也可减轻或防治岩爆。初始地应力状态是评价岩爆发生的重要条件，在西线工程的进一步研究中，应以岩爆与岩性和围岩应力的关系、围岩中原始应力状态为重点，进行长隧洞灾害发生洞段预报系统研究，为隧洞衬砌结构的选择、合理选择洞线、走向、洞室断面型式及施工程序的选择等提供地质依据，也为预防和减轻岩爆提供准确的预报。

2．能处理较大的断层和破碎带

西线工程不同程度地邻近或穿越多条活动性断裂，其位置和方向不可能回避地受到活动性深大断裂的影响。对于深大活动性断裂，断裂带宽度常达数百米，这类围岩尽管因强度低而对TBM刀具的磨损较小，但其完整性差，断层节理裂隙发育、自稳性差，易产生塌方，从而加大了TBM施工的难度。这就需要准确预测和研究断层和破碎带的特点，合理选择和配置刀盘转速和贯人度等掘进参数。否则会使坍塌程度加剧或造成掘进机损坏事故，大量的塌方也会影响掘进机的通过性能而无法正常掘进。因此应及早做出准确预报，根据断层带的地质及水文地质状况，进行超前支护预固结处理。

3．能有效处理大量涌水

地下水是影响围岩和洞室施工安全的重要因素，隧洞的涌水更是常见的工程地质灾害；而且，深埋长隧洞的涌水还具有涌水量大、水头压力高、补给丰富的特点。隧道岩体的突水、涌水是影响施工进度和安全的一个重要因素，如何尽早、准确预测涌水，适时处理涌水对TBM施工是非常重要的。目前国内外对岩体裂隙水涌水预测预报的研究有一定发展，但准确性有待进一步提高。施工期间遇到涌水时通常根据具体情况采用堵、排或两者结合的方法进行处理。

4．能进行超前地质探测

在深埋、长大隧道机械化施工过程中，隧道掘进机不能及时适应地质条件的变化，往往出现意想不到的事故，因此及时查清地质条件至关重要。在这方面，近年来采取了一些最新的技术：空间技术(如3S技术)、地球物理勘探技术(如三维地震CT成像)、隧道地震预报(TSP)、常规地质钻探技术等。TSP探测技术是建立在对反射地震波信号接收和处理的基础上的，有报道称，该技术能准确预报隧道施工前方150m范围内地质条件和岩石特性的变化。近年来发展起来的定向岩芯钻探技术也普遍受到人们的关注。定向钻探技术是在水平定向钻探的基础上发展起来的，能够适应多个方向，并根据指令水平、上下，蜿蜒前进追踪岩层的变化。

5．能适应高地温施工环境

高地温历来是深埋洞室施工面临的一个主要工程地质问题。研究表明，西线工程引水隧洞高程处的地温可达20℃～25℃，局部地温异常区的洞室围岩温度可达53℃～68℃。高地温环境将对TBM机构的工作寿命、机械零件的疲劳强度、工作状况等产生不利影响，特别是超长隧洞的施工，一般的通风冷却设备不能满足正常的施工要求，需要考虑设置特殊的降温措施。

6．能适应高寒、缺氧气候条件

在海拔高程3500m左右，地面气压仅相当于海平面气压的60％～70％，空气中的含氧量也相当于海平面的60％—70％。极端最低气温为—30℃～40℃。在这种条件下，TBM的发动机功率、燃油消耗率、起动性能、冷却系统散热能力、碳烟排放、整个装备的动力性能都将发生重大变化，需采取高原特殊环境适应性的技术措施。

7．能满足超长隧洞对出渣与通风的要求

出渣也是超长隧洞TBM施工必须着重考虑的问题。计算表明，西线工程较大隧洞的施工每公里将产生7.85万m3渣土，运输距离将达到数十公里，运输能力必须满足TBM最高掘进速度的要求。渣土的运输应考虑连续皮带机和编组列车互相结合的方式，连续皮带机应具备自动延伸功能，对大块岩渣具有防护功能，防止皮带损坏，皮带系统应高效可靠。为减少对环境破坏程度，皮带运输部分应采用封闭式皮带输送。特殊情况下应考虑开挖支洞协助施工。

由于地处高海拔高寒缺氧地带，超长隧洞施工中的通风也应特殊考虑。洞径越小，通风设备的布置越困难，必须考虑设置竖井通风，竖井的间距不宜太大。竖井的布置应考虑工程地址、地形与水文地质条件，避开大的断层、破碎带等恶劣地质状况。同时通风管的管径、风量、进风口的位置也要认真设计和选择。

四、几点思考

据有关规划，西线工程一期将于2010年正式开工建设。因此开工前有关重大装备和关键设备的研究已经刻不容缓，特别是像TMB这样的特大型装备，其研究和制造需要比较长的周期，应该及早开始研究。

①在未来的50年，我国的经济将高速发展。作为基础设施建设的交通、水利、能源将放在优先的地位。据有关专家预计，今后20年，我国在铁路、水利水电、公路、地铁及城市隧道、采矿业等领域的隧道建设将接近6000km，每年需要大量的隧道施工机械设备，特别是南水北调西线这样的大工程，隧洞总长超过1000km。这些为发展我国的TBM产业提供了良好的机遇，也是我国发展自己的TBM产业的必然所在。

②研究和生产TBM涉及结构设计、金属材料、电气自动化、机械工程、液压传动技术、计算机应用、测量技术、激光导向等众多学科，是一个国家总体科技和工业水平的具体体现，对促进和推动相关技术和产业的发展，对提高我国的综合科技水平有着非常重要的意义。

③TBM是集机械、电子、液压、激光、控制等技术于一体的高度机械化和自动化的大型地下隧道开挖衬砌成套装备。西方国家的技术也不是在短时间内靠一个国家发展起来的，而是经过世界上许多国家和多个工业部门的通力协作，才发展到今天的地步。因此开展跨学科、跨行业的联合攻关和研究是至关重要的。

④TBM作为“十五”期间国家重大装备研制计划——“南水北调工程成套设备研制”的项目已经启动。对TBM的研制给予了政策和资金上的支持，这无疑最大限度地促进了TBM的研制和开发。但作为一个代表国家科技和工业水平，集众多高科技于一身的重大技术装备，应成立相应的科研攻关领导机构，组织有关高校、科研单位和企业进行攻关，加强组织协调和成果共享，充分利用发达国家的成熟经验和技术，加快研制的效率和速度。特别应针对南水北调西线工程区恶劣的气候环境条件和复杂的地质构造对TBM施工的特殊要求进行攻关和研究。

⑤TBM施工的工艺及技术也是至关重要的。在对TBM设备进行技术攻关的同时，应加强对TBM施工技术和工艺的研究，搜集国内外TBM的施工经验，针对南水北调西线工程的地质特点进行相关研究。西安安康铁路所经过的秦岭地区是一个极其复杂的地质构造断褶带，地下断层密布，高地应力、剧烈岩爆、突发性涌水等现象都曾出现，在其特长隧道18.4km，埋深最大达1600m的I线隧道掘进机施工中积累了丰富的施工经验，很值得总结、研究和借鉴。

⑥应重点研究和积累水工隧洞的TBM施工工艺和经验。近期已经开工的辽宁省大伙房水库引水工程，引水隧洞长80km，由TBM施工的隧洞总长约60km，洞径8m，引进3台TBM进行隧洞的施工。在设备引进、工艺设计、施工组织、配套设备、工程管理以及装运技术、支护技术、衬砌技术、防排水技术、通风环控技术等方面都应认真研究和总结，为南水北调西线工程的施工积累经验。

参考文献：

1 王学潮，马国彦．南水北调西线工程及其主要工程地质问题．黄河规划设计．2002．2
2 水利部黄河水利委员会．南水北调西线工程规划简介．中国水利，2003．1B
3 李国英．对南水北调西线工程的认识与评价．人民黄河，2001.10