1.2 深埋长隧洞的发展概况

1949年新中国建立以来，我国水利水电工程隧洞由浅短向深长发展的历程，大致可分为以下几个阶段。

第1阶段——钻爆法短洞阶段：在20世纪50～70年代，隧洞的长度多小于1000m，埋深多在200m以内。施工方法普遍采用钻爆法，遇到的多为浅埋隧洞工程地质问题。这个阶段可称为钻爆法短洞阶段。

第2阶段——钻爆法“长洞短打”阶段：在20世纪70年代后期至80年代，由于施工采用“长洞短打”的钻爆法，水工隧洞的长度和埋深都有所增大。代表性的工程有：20世纪70年代末的四川岷江渔子溪一期引水发电隧洞和20世纪80年代初的天津市引滦入津输水隧洞。渔子溪引水隧洞全长8429m，埋深200～650m，隧洞围岩全部为中～细粒花岗闪长岩和闪长岩，无区域性大断层通过，曾发生轻微—中等岩爆，为此进行了岩爆工程地质研究。天津市引滦入津隧洞工程全长12.39km，其中隧洞总长9669m，埋深为10～110m。在隧洞线上布置了15个施工支洞，采用“长洞短打”、“新奥法”施工技术，仅用1.5年全线贯通。隧洞遇到了宽大的断层及断层交会带、浅埋风化岩带、隧洞涌水塌方、隧洞出口滑坡体以及隧洞长期排水造成的环境地质问题等。引滦入津隧洞对浅埋长隧洞工程起到重要的借鉴作用。

第3阶段——TBM深埋长隧洞发展阶段：在20世纪80年代末至21世纪初，我国许多地区需长距离、跨流域调水解决水资源优化配置和充分利用地形落差建设高水头水力发电站，促进了深埋长隧洞的飞速发展。为了解决深埋长隧洞的施工问题，在改革开放的大好形势下，开始引进掘进机（TBM）和勘测设计、施工及管理先进技术。采用TBM或TBM与钻爆法混合施工，使隧洞长度由小于10km陡增至数十千米，隧洞埋深由数百米增至800m左右，进入了深埋长隧洞发展的新时期。这个时期代表性的工程主要有：

（1）广西壮族自治区天生桥二级（坝索）水力发电隧洞：该隧洞长9.58km（3条），TBM开挖洞径10.8m，最大埋深810m。1983年武警水电部队引进了2台罗宾斯开敞式掘进机（二手机），共掘进了7.5km。因遇到岩溶突水突泥、岩爆，掘进多次受阻，机械损坏严重，工期一再推迟。反映了当时TBM隧洞的勘测设计、施工及管理的综合水平还很低。在施工过程中，针对岩爆、岩溶和工程处理进行了研究，取得了可贵的经验。

（2）甘肃省引大入秦输水工程：该工程隧洞总长75km，其中38号隧洞（长4.95km）和30号隧洞（长11.65km），采用罗宾斯公司生产的1811—256型双护盾式TBM施工。隧洞围岩主要为中等硬度的砂岩，TBM创造了平均月进尺1100m令人震惊的好成绩，标志着我国深长隧洞工程的综合技术水平有了明显的提高。

（3）山西省万家寨引黄入晋输水工程：是继引大入秦之后兴建的大型水利工程项目。一期工程线路总长317.45km，其中隧洞总长约191km，在20多条隧洞中有6条长度超过10km，最长的南干线7号隧洞为42.5km，隧洞埋深大部分在100～400m之间。采用TBM与钻爆混合法施工，其中5台双护盾式和1台单护盾式TBM承担了约125km的施工任务，TBM施工创造了平均月进尺748～998m的好成绩。隧洞工程地质条件复杂多样，遇到了岩溶、软岩土、膨胀性岩土、黄土、大断层带、围岩大变形、涌水、高外水压力、有害气体及有害水质等不良工程地质问题。引黄入晋工程地质勘察，特别是TBM隧洞工程地质研究方面取得了许多创新性经验，同时为我国深埋长隧洞的勘测设计、施工及管理积累了许多宝贵的经验。

（4）辽宁省大伙房输水隧洞：该工程是继万家寨引黄入晋工程又一大型跨流域调水的深埋长隧洞工程。主洞长85.31km，设计洞径8.0m，最大埋深约600m。隧洞穿过的地层岩性有混合岩、混合花岗岩、正长岩、火山熔岩、火山碎屑岩及大理岩等。隧洞前段长24.58km，因地质条件差，采用“长洞短打”的钻爆法施工。后60.72km隧洞地质条件相对较好，无区域性大断层，地下水较少，故采用3台开敞式TBM施工，每台施工段长度在20km左右。该隧洞工程进展顺利，于2009年竣工。

可以说引大入秦、万家寨引黄入晋和大伙房引水工程的成功，标志着我国水利水电深埋长隧洞工程取得了突破性进展，并已发展到一个新的历史阶段。

第4阶段——世界高难度的TBM深埋长隧洞发展阶段：进入21世纪以来，我国相继有大量调水和水力发电的深埋长隧洞工程开始兴建或进入工程勘测设计阶段。单洞长度达数十千米，埋深在1000m以上者已屡见不鲜，最大约2500m。由于这些工程多分布在我国中西部地区，地形地质条件更加复杂，需穿过许多复杂地质单元或构造带，断层多、规模大、且活动性强，地层岩性复杂；隧洞突涌水、岩爆、围岩大变形、高外水压力、高地温、放射性元素与有害气体等不良工程地质问题更加突出。而人们对深埋（或超埋深）岩体地应力状况、岩体工程性质、岩体渗透性、地下水分布、补给径流与排泄等规律了解得很不够，甚至存在着很多未知领域；同时TBM对地质条件的适用性人们还缺乏经验，TBM受困事故屡有发生。这些都是工程地质勘察研究的重要课题。

从工程实践情况来看，并非一帆风顺，困难与挑战、成功与挫折、认识与探索并存。可以说21世纪以来我国深埋长隧洞工程已进入世界最高难度的水平。

21世纪以来我国正在兴建的（或竣工）代表性工程有：

（1）云南掌鸠河引水工程：输水线路总长97.258km，其中隧洞16座，总长约85.6km，采用双护盾式TBM施工的国标1标洞段，长21.5km，TBM开挖洞径3.67m，设计直径3.00m，隧洞埋深100～368m。由于宽大的断层带塌方涌水、软岩大变形、岩溶突水突泥等，使TBM掘进多次受困，效率很低，并被迫将TBM施工洞段改为钻爆法施工。再次深刻认识到不良地质条件对TBM的危害，TBM工程地质越来越引起重视。

（2）青海引大济湟大坂山输水隧洞：长24.3km，隧洞内径5.5m，采用一台双护盾式TBM施工，控制段长21.18km。工程位于中纬度高寒少氧的高原地区，区域地质构造复杂，最大埋深1100m。预测存在岩爆、区域性大断层、隧洞涌水、高外水压力等工程地质问题。该工程于2006年开始施工，TBM在区域性大断层带、蚀变岩带掘进时遇到围岩大变形，TBM掘进受阻。

（3）四川雅砻江锦屏二级发电隧洞：单洞长约16.6km（4条），最大埋深约2500m，采用钻爆法与开敞式TBM法施工。隧洞横穿锦屏山，大理岩高压涌水及强岩爆问题十分突出，强岩爆破坏了一期支护，使TBM和人员受到伤害。

（4）甘肃引洮（一期）工程：隧洞总长约93.52km，最大单洞长18.24km的7号隧洞和17.24km长的9号隧洞采用TBM施工，隧洞最大埋深为1100m。隧洞位于秦岭东西构造带中，地层岩性复杂，需穿过秦岭北缘大断裂等多条宽大断层。该工程于2007年开始施工。7号隧洞TBM施工中，上第三系疏松砂岩含水层围岩的变形与塌方，使TBM多次严重受困，TBM被迫由7号隧洞的出口工作面撤出，移至该隧洞进口施工。

我国正在勘测设计的深埋长隧洞也很多。例如南水北调西线工程，一期输水线路总长260.3km，其中隧洞总长244.1km；二期输水线路总长304km，其中隧洞总长287.8km，单洞最长73km，最大埋深1150m。隧洞位于高原山区，地面高程大于3500m，气候条件恶劣，严重缺氧。预测隧洞存在区域性大断层（具现代活动性）、隧洞突涌水、岩爆、围岩变形、高地温等工程地质问题。又如陕西省引汉济渭隧洞，长77km，洞径6.0m，最大埋深近2000m。采用TBM与钻爆法联合施工。

新疆天山、昆仑山区的深埋长隧洞。地质构造背景十分复杂，分别处于北天山和帕米尔复杂构造带中，断裂规模巨大、岩性复杂，地应力量值高，预测存在大断层突涌水、围岩大变形、强岩爆、高外水压力、高地温、高放射性等重大工程地质问题，已达到世界高难度水平。例如新疆喀什叶尔羌河的齐热哈塔尔水电站引水发电隧洞，全长15.66km，最大埋深1720m，埋深大于500m的洞段长度约占总长度的67%。位于新构造活跃、地质构造条件复杂的昆仑山区，地应力高，最大水平主应力达43MPa以上。施工中已发生轻～中等岩爆，洞内岩体温度最高已达80℃；水气温度已达172℃。恶劣的工作环境造成工作人员晕厥、爆破哑炮，并影响混凝土浇筑的质量等。

从我国水利水电工程隧洞由浅到深、从短到长，施工方法由钻爆法向TBM法的发展历程表明：

（1）TBM施工显示了巨大的优越性，具有快速、安全、环保性好，解决不良地质条件的能力也逐步得到提高，使深长隧洞工程获得长足的发展，使过去难以实施的跨流域引、调水工程，如今得以实现。我国的深埋长隧洞工程已达到世界最高难度的水平。

（2）由于深埋长隧洞穿过许多不同的地貌、地质构造单元、水文地质单元，隧洞工程地质条件日趋复杂多样，使工程地质勘察、工程设计、施工都遇到许多新问题与新难点。岩溶发育洞段突水突泥，大断裂围岩塌方、涌水，软岩、蚀变岩、膨胀岩等特殊性围岩大变形，高地应力围岩岩爆，高地温，放射性及有害气体、有害地下水等，给深埋长隧洞施工带来很大的困难，常造成TBM下沉、管片破损、卡机、埋机、受困等，TBM施工的风险性仍然较大，TBM对地质条件的适用性与对策研究需要进一步深化。

（3）深埋长隧洞工程地质勘察，虽然取得了很大的成绩，但因受勘察的条件、手段、工作量、综合分析水平等的限制，使勘察成果多为定性水平，甚至与实际发生较大的偏差。地质工作者对隧洞TBM工程地质、长大深埋隧洞的工程地质条件还缺乏经验，TBM隧洞超前地质预测预报，因受多方面条件的限制，实施困难，效果并不理想。以上问题均需要不断地总结、改进和提高。

（4）我国一些省、地区，初次实施TBM隧洞工程，出现一些困难和问题是正常的，在工程实施过程中无论是成功的经验还是挫折与教训都是宝贵的，只有不断地总结、传承、创新，深埋长隧洞工程才能继续发展。