1. 工程概况及主要地质问题
1.1. 工程概况及主要特点
北疆供水二期工程全长540 km，由西二、喀—双、双—三等3段组成（图1至图3）。隧洞长度分别为141 km、283 km、92 km， 合 计516 km， 占 全 长 的95.6%，3段隧洞TBM开挖洞径分别为5.5 m、7.0 m、7.8 m。工程具有以下显著特点：
（1）深埋隧洞。平均埋深420 m，最大埋深774 m。洞线穿越中、低山区和低山丘陵区，地形起伏不大，海拔高程600~1500 m，相对高差150 ～ 650 m，埋深H≤450 m，总长357.7 km；埋深450＜H≤650 m，总长96.8 km；埋深H＞650 m，总长61.5 km。
（2）千里掘进。隧洞掘进总进尺569 km。主洞掘进516 km，49条各类支洞掘进53 km；缓斜井24条，为了安装其他TBM，有14台TBM通过9条缓斜井进入主洞安装始发，缓斜井纵坡10.5% ～ 12%，长度0.86 ～6.44 km；各类竖井25条，深度46 ～ 714 m。
（3）机群施工。用20台开敞式TBM。主洞采用18台TBM掘进393 km，占隧洞总长的80%；钻爆法施工123 km。较大或连续分布的断裂构造带和软岩地层采用钻爆法。两条最长的缓斜井支洞（5.2 km、6.4 km）采用2台TBM掘进。
（4）世界之最。单洞长283 km，单机掘进27 km。喀—双隧洞单洞长283 km，是目前世界最长输水隧道，单机连续掘进长度15.5 ～ 24.5 km，单机累计掘进最长27 km。将突破单洞掘进、单机连续掘进、累计掘进最长的世界纪录[1–3]。
图1. 西二隧洞工程地质及施工组织设计示意图。
图2. 喀—双隧洞工程地质及施工组织设计示意图。
图3. 双—三隧洞工程地质及施工组织设计示意图。
1.2. 地质构造和地层岩性
（1）断裂构造。工程区地处褶皱系地质构造单元内，隧洞穿越8条区域性断裂构造带，构造带地表宽度100 ～ 200 m，最宽800 m。同时，还分布次一级断层破碎带129条。工程沿线断层和裂隙不发育，裂隙以中—陡倾角为主，裂隙面大多数被石英脉充填，以压扭性结构面为主，地震基本烈度为Ⅶ度。
（2）地层岩性。以花岗岩、黑云母片麻岩、凝灰质砂岩、凝灰岩、钙质砂岩为主，喀—双和双—三隧洞尾部连续分布含有泥岩、砂岩的软弱地层，累计38 km。花岗岩、黑云母片岩石英含量为20% ～ 30%，其他各类岩石的石英含量一般为5% ～ 10%。硐室中Ⅱ、Ⅲ类围岩占82.7%，其中有78.5%的饱和抗压强度在30 ～120 MPa。
1.3. 主要工程地质问题评价
笔者围绕塌方、突涌水、岩爆、软岩变形、高地温、放射性、高地应力、活动性断层等主要工程地质问题，开展专题研究，主要结论如下：
（1）围岩条件总体较好，适合TBM机械化施工。易发生塌方洞段共有19处，累计52 km，主要处于区域性断裂带内和局部较大的次级断层带内。
（2）工程区地表水贫乏，地下水主要为基岩裂隙水，岩体较完整，多呈微—弱透水性。易发生突（涌）水的洞段与易发生塌方的洞段位置大致相同。
（3）西二隧洞埋深在500 m以上、长度为18 km的洞段，喀—双隧洞埋深在650 m以上、长度为47 km的洞段，岩石强度应力比为3 ～ 4，属中等岩爆区。
（4）软岩隧洞总长38 km，易发生塑性大变形。
（5）高地温、放射性、有害气体等问题未见显现。
（6）活动性断裂对隧洞衬砌结构有一定的影响，设计中应考虑适宜变形的抗断措施。
2. 工程难点与风险评价
2.1. 工程主要难点问题
风险防控、安全高效、科学规范是建设这项超级隧洞工程的总体原则，工程建设管理中主要面临以下6大难点问题[
4]。
（1）TBM与钻爆法可掘性评价与分段掘进问题。在复杂地质条件下，以工程风险管控为前提，科学合理地划分施工区段，充分发挥钻爆法和TBM法的各自优势，并制定对应的技术对策和管控方式，是深埋、超特长隧洞施工组织方案首先应解决的问题。根据岩体特性、断层构造分布、技术装备能力、环境条件、施工效率、工程投资等综合影响因素，研究TBM对工程地质条件的适应性，提出技术可行、经济合理的分段施工方案。其中施工通道、中间支洞、竖井位置和数量的选择，是施工组织优化设计的关键。
（2）TBM进入通道与施工安全问题。大型设备通过竖井、斜井或缓斜井（小于7°）等支洞型式进入深埋地下的主洞，以及洞内组装、始发、步进、拆解等成套技术，是极具挑战性的难题。在综合确定TBM采用缓斜井进洞、主洞有轨运输、支洞无轨运输方案的基础上，系统开展长距离大坡度缓斜井及其硐室结构与出碴通风、物料运输、输电供水、人员交通等配套系统的匹配性设计，是保障施工安全和效率的关键。
（3）TBM设计制造与智能掘进问题。关键部件的适应性、耐久性和可靠性，是“打得快、用得久、走得长”的重要保证，综合平衡设备的技术先进性和经济实用性，针对具体工程地质条件开展个性化设计，是TBM设计制造者需深入思考的问题。在掘进的过程中，提高TBM综合感知能力和信息化水平，实时获取围岩参数，适时更换刀具，适时调整掘进参数，基于大数据和云平台，建立“人-机-岩”互为感知的智能掘进控制系统，是现代隧洞施工技术的发展方向。
（4）TBM及配套设施安全保障问题。超特长隧洞机械化施工，设备众多，系统庞大，TBM机群及配套系统的检测诊断、保养维护、故障修复、施工质量、工程进度等信息化管理，是现代隧洞施工必须解决的重大问题。出碴、通风、供电、给排水、物料运输等配套设施的安全保障性，设备性能的可靠性，排险抢修的时效性等都是工程建设中的难点问题。
（5）地质灾害预报与风险防控问题。断层破碎带、软弱破碎岩体、含水构造、涌水塌方、巨石塌落、围岩变形、岩爆等，是影响TBM安全高效施工的主要地质问题。由于隧洞深埋超特长，地质条件复杂，在施工过程中，必须加强超前预报、超前勘探，重视灾害监测与预警，提前做好超前加固及其他跟进施工措施，做到科学、安全、高效掘进，预防各种工程地质灾害造成姿态失调、卡机、埋机等事件的发生，做好突发地质灾害的处置预案。
（6）软岩变形与施工方案选择问题。软岩地层主要连续分布在喀—双隧洞尾端，总长11.7 km；双—三隧洞后段，总长26.3 km。其中，双—三隧洞软岩段80%为饱和抗压强度小于5 MPa的极软岩，上覆岩体60 ～80 m，地下水位高于洞底50 ～ 62 m，极易发生塑性变形、围岩鼓胀和流变，采用钻爆法施工需采取大量的辅助措施，造价和工期难以控制，即使采用土压平衡或泥水平衡盾构施工，也存在极高的风险[
5]。
2.2. 工程建设及施工风险等级划分
从地质、设备、施工、环保、投资等主要风险源出发，根据隐患发生的可能性和严重性，将风险划分为4级12类（图4）。
图4. 超特长隧洞TBM集群施工风险等级划分框图。
一级风险：涉及重大地质灾害、重大设备、集中作业通道和群体人员安全的风险源。
（1）区域性断裂构造带。隧洞穿越8条区域性断裂构造带，可能带来的突水、突泥、塌方及卡机、埋机和人员安全风险。
（2）极软岩塑性大变形。双—三隧洞深埋、地下水位高、岩洞段极软，易产生塑性大变形而带来的施工风险。
（3）施工作业通道安全。超长隧洞、大坡度缓斜井和深埋竖井，以及风、水、电、碴、物等运送系统密集布置，对施工作业通道构成的安全风险。
二级风险：涉及一般性地质灾害、主要配套设备和作业人员较多的安全风险源。
（4）次一级断层破碎带。由断裂构造带产生的129条次一级断层破碎带，以及可能带来的涌水、大变形、塌方和卡机风险。
（5）TBM制造运行维护。包括整体性能及关键部件的设计制造、性状诊断、故障修复，以及安装、始发、步进、拆解等存在的运行操作风险。
（6）配套设备运行管理。出碴、通风、供电、给排水、物料运输等配套设施应具备安全可靠、耐久稳定、节能高效等特点，但仍存在风险隐患。
三级风险：涉及生态保护、作业环境、工程投资、质量工期等方面的安全风险源。
（7）水土保持与生态保护。工程穿越牧区天然草场和国家级有蹄类野生动物保护区，水土保持和生态环境保护存在较大风险。
（8）质量工期与投资控制。工程总投资512亿元人民币，建设期84个月，质量工期、投资控制、贷款风险均存在较大风险。
（9）作业环境与劳动保障。隧洞掘进掌子面的通风换气质量、除尘降温措施、污物排放、噪声控制等作业环境存在风险隐患。
四级风险：涉及一般性的施工管理安全风险源。
（10）贯通测量与导线控制。隧洞被分解为18个TBM掘进洞段，34个钻爆洞段，地面控制网和洞内导线测量的精度和可靠性难以确保隧洞精准贯通。
（11）备品备件管理。TBM及其配套设备设施众多，系统庞杂，存在备品备件安全储备、性能匹配、及时供应的运行管理风险。
（12）硬岩掘进与中等岩爆。花岗岩和黑云母片岩，石英含量为20% ～ 30%，为抗压强度大于180 MPa的坚硬岩石，存在刀具磨损和卡机风险，深埋洞段发生中等岩爆的概率较高。
3. 风险管控与机制架构
3.1. 总体思路对风险实施分责、分级、分类管控。
（1）分责管控。根据设备制造、设备运维、工程承建、材料供应、施工监理、质量检测、勘察设计、项目管理等责任主体单位，实施分责管控。
（2）分级管控。一是组建一个风险防控中心、5个分中心，按风险等级实施分级管控；二是分解、化小风险隐患，降低施工难度，如 “长洞短打、分段掘进”是超特长隧道洞施工的基本原则，合理划分施工洞段，优化施工组织，既要充分发挥TBM高效掘进的优势，也要因地制宜地应用好钻爆法。地质条件比较差的洞段，优先考虑采用钻爆法施工，规避TBM施工风险。
（3）分类管控。按照地质灾害、设备运维、施工安全、质量保障、投资控制、环境保护等风险类别分类管控。
3.2. 管控原则
（1）以超前地质预报为前导的“515”全覆盖监测原则。在勘测阶段平均每2 km一个地质钻孔的基础上，结合施工地质，每个掌子面采用地质分析法基本摸清前方500 m距离主要地质构造，采用地质预报方法基本掌握前方100 m、准确掌握50 m距离地质构造和岩层含水情况，建立“长—中—短，短—中—长”循环预报和“前摄性”地质预警机制。
（2）以施工作业班组为重点的“20+120”（表示20个TBM作业面+120个钻爆作业面）定点管控原则。20台TBM及其后配套设备、49个支洞掌子面、91个主洞施工作业面，是工程风险概率高发点。因此，要以超前地质预报为导向，组建培训好140个作业班组，实施最严格的风险管控措施。用现代信息技术和先进的科学技术手段，建立“岩机相适、人机相融、人机岩感知”的智能掘进系统，降低风险发生概率和灾害程度。
（3）以TBM及配套设备为重点的“5托1”预警监控原则。TBM是长隧洞施工的“主角”，掘进过程中，时常出现刀盘卡机、油缸温度过高、滚刀异常磨损、姿态失控、主轴承等核心构建异常损毁等突发事件，如不及时处理将会导致重大设备事故。因此，在对TBM实施全程预警监控的同时，也要对出碴、通风、供电、给排水、物料运输等5大系统中的关键设备，实行预警监控[
6]。
3.3. 机制架构
图5为风险管控机制框图，其主要特点为：
图5. 超特长隧洞施工风险管控机制框图。
（1）明确3个主体责任。由地质勘查和超前地质预报单位组成的地质灾害定位测试、“前摄性”预警联合体，是地质分析、灾害评估的责任主体；工程承建单位是钻爆段施工、TBM安全掘进、配套设备运维、风险预案制定和处置的责任主体；工程管理单位是信息平台建设、风险综合决策管理的责任主体。
（2）建立一个防控中心。基于TBM集群施工信息化、云计算、大数据分析互联网平台，建立超前预报与灾害防控中心，并依托项目管理部分设5个分中心，组建专家决策咨询机构，实现现场分析决策和云端化解决方案。
（3）组建抢险维修队伍。在各种地质灾害处理、TBM故障修复、配套设备运维、人员逃生救援等方面，都需要制定应急抢险预案、配备专业化的施工队伍和维修班组。防患于未然，处置于萌发。抢险队伍由工程承建单位各自组建管理，在应急状态中由灾害防控中心统一调配。
（4）依靠先进技术手段。研发、应用先进的科学技术，也是化解和降低风险的重要手段，如高识别率、准确率的地质超前预报技术、“人-机-岩”感知的智能掘进技术、实时迅达的监测预警及现代信息技术、性能可靠的 通风出碴与降尘技术、快速有效的堵水技术等。
4. 风险管控主要技术保障措施
4.1. 超前地质灾害预报
4.1.1. 建立综合超前地质预报体系
坚持以地质分析法为基础，并选择快捷、可靠的物探方法，科学建立施工地质预报体系，是保证TBM安全高效掘进的重要措施。采取长短结合、地面与地下相结合、钻探与物探结合、探构造与探水相结合、搭载式与便携式探测方法相结合的综合预报方法，实现超前地质预报自动化、快速化、全覆盖和信息共享交流、会商决策、超前处理等3大功能。
（1）共享交流。解决点多线长、各种预报方法和预报结果及其数据格式、图像形式众多的难题，建立大数据交流共享平台，成立地质预报会诊专家组，制定技术规程，进行技术指导、专业培训，实现超前地质预报成果交互化、规范化，提高地质预报判释效率
和准确性。
（2）会商决策。面对地质灾害和预报管理的风险考验，充分利用大数据系统和信息化管理平台，建立科学有效的沟通会商、咨询决策机制，重点对高风险的不良地质灾害，开展诊断识别、风险评价、会商决策，实现超前地质预报在线、实时决策处理。
（3）超前处理。面对大量的地质灾害威胁，开发并搭载360°全向快速钻机，制定有效的处置预案，包括超前注浆加固、注浆堵水、超前管棚、小导管或锚杆、人工开挖旁支洞等措施，组建应急抢险队伍，实现TBM安全快速掘进。
4.1.2. TBM 搭载地质预报技术进展
适于钻爆法施工的常用隧道地质预报方法，如TSP/TGP、TST、TRT等，很难适应TBM高效安全的施工要求[
7]。研究适合于TBM施工的地质预报新技术，并将其搭载于TBM系统，是目前理论研究和设备研发的新趋势。探测理论方法主要分为两大类：一类是利用介质弹性波阻抗差，探测前方断层破碎带、软弱夹层等地质构造的探测方法；另一类是利用介质温度场、介电差异、极化特性等，探测前方地下水情况的探测方法。
山东大学研发的三维（3D）地震SAP（seismic ahead prospecting）[
8]和三维（3D）激发极化超前预报系统（tunnel induced-polarization prospecting）[
9]，利用TBM停机工序进行自动化探测，能够对掌子面前方100 m范围内断层破碎带和前方30 m含水构造进行3D定位和水量估算。中铁西南科学研究院研发的水平声波剖面法预报技术HSP（horizontal seismic profiling）及产品设备，利用掘进机刀盘冲击岩石产生的震动信号，测试水平声波反射变化，预报前方地质构造，能够在不停机状态下完成测试[
10]；温度场地下水探测RTP技术（rock-mass temperature probing），可通过温度场畸变的位置和范围来预测隧道开挖面前方地下水情况，防止隧道突涌水地质灾害的发生[
11]。北京同度工程物探技术有限公司研发的地震波层析成像预报方法BMST（boring machine
seismic tomography），在TST系统基础上，实时3D成像，可探测前方30 ～ 50 m内的地质构造[
7]。华中科技大学研发的光纤电流屏蔽聚焦法隧道在线地质前探系统[
12]，能够利用掘进机刀盘旋转的扫描模式，预测掌子面前方地质构造状况。
以上这些预报方法各有特点，也取得了不同程度的应用效果，但整体上还有待进一步改进。如何更好地实现TBM一体化集成和自动化实时探测，是超前地质预报技术研究发展的方向。相信在不久的将来，适用于TBM施工环境的超前预报技术手段将会更加便捷成熟，更加先进科学。
4.2. 岩机感知与智能掘进
4.2.1. 面临的问题
TBM施工过程中不仅受到不良地质的威胁，还要时刻关注设备适应性、零部件健康状态、掘进参数等因素的影响。目前，TBM施工虽然已在众多工程中取得令人瞩目的成就，但依然无法摆脱事故频发的窘境，究其原因主要有：
（1）缺感知。缺乏科学方法和有效手段，快速感知围岩信息、设备自身运行状态和关键零部件健康程度以及岩机信息融合互馈。
（2）缺决策。缺乏状态评价和智能决策的有效手段，主要依靠人为经验而非科学依据，轻则造成施工效率低下、设备资源浪费，重则造成塌方、卡机、埋机等不良后果。
（3）缺平台。缺乏信息融合、共享和分析平台，TBM海量掘进信息未被有效保存、挖掘和分析，信息化、物联网、大数据以及智能算法等关键技术和业务支撑平台亟待创新突破。
4.2.2. 岩机信息感知与融合互馈
信息感知与融合是实现TBM智能化掘进的基石和先导。从TBM集群施工产生海量信息中，挖掘岩机感知信息，寻找感知规律，建立感知模型，开发智能系统，开展围岩和设备状态辨识评价，对于提升TBM施工安全和掘进效能有着重要意义。
（1）设备信息感知和状态评价。感知刀盘受力、刀具磨损、振动情况、异常报警、岩碴特征等状态信息以及推力、扭矩、转速、贯入度等主参数信息，构建多指标、多参数的设备状态分级评价体系和地质适应性评价体系，对TBM掘进状态和适应性进行动态评价。
（2）围岩信息感知和状态评价。TBM掘进参数与岩体力学参数密切相关，在地质勘查和超前地质预报的基础上，研发数字随钻监测系统，利用超前钻孔信息，揭示钻进参数与岩体参数关系模型，实现岩体力学参数的随钻实时感知；以TBM为钻进整体，利用岩机作用模型，以设备参数反演获取岩体参数；研发滚刀受力掌子面岩体反演、岩碴图像识别等智能信息系统，实时感知和评价在掘岩体状态。
（3）岩机信息融合互馈和大数据平台。建立TBM集群施工海量信息大数据储存和分析平台，对岩机信息进行深度融合、深入挖掘、系统分析，以知识发现和建模为核心，揭示围岩信息、TBM运行状态以及岩机相互作用等内在规律[
13]，根据“人-机-岩”信息感知和互馈规律，为智能化施工提供理论依据（图6）。
图6. TBM主要掘进参数关系图。
4.2.3. 智能掘进与优化决策
新一代信息技术的发展，已使信息处理的容量、速度和质量取得长足进步，人工智能方法获得更为广泛的应用。在TBM信息感知和融合互馈的基础上，智能化掘进是实现安全高效掘进的重要方向。
（1）智能掘进策略。在不良地层中，智能掘进要结合超前地质预报，快速感知、辨识当前掘进状态，集成专家知识库和经验库，实现灾害预警预判和方案决策，保证设备安全通过；在常规地层中，智能掘进要根据岩体感知信息，智能调控掘进参数，优化掘进目标。
（2）智能掘进目标。TBM施工受到多因素、多目标的影响，智能掘进策略要充分考虑各目标之间的“不可公度性”，应用多目标动态规划理论和方法，依据精准的岩机作用模型，实现TBM施工高效、经济、节能等多目标综合最优。
（3）高效掘进目标。以TBM设计主参数、岩机作用模型、配套设备运行状态为限定条件，以最大掘进速度Vmax 为目标，计算贯入度P和刀盘转速R，并以某一限定条件下的最小值作为掘进参数的理论最大值。
（4）经济掘进目标。结合滚刀磨损监测数据，研究某一地质状况滚刀磨损与掘进参数相关规律，建立滚刀磨损预测模型，以“最小刀具磨损χ
min 、最少换刀时间T
min 、最大进尺量L
max ”为目标，选择最优掘进参数[
14]。
（5）节能掘进目标。依据室内滚刀切割试验和现场掘进数据，研究不同掘进参数时滚刀切削破岩能量消耗规律，搜索不同岩体破碎所需最小比能和所对应的最优掘进参数。
4.3. TBM 集群施工综合管理信息系统
充分发挥信息化和智能化在现代施工中的技术支撑作用，是提升超特长隧洞TBM集群施工质量、安全和进度管理水平的重要保障。
TBM集群施工综合管理信息云平台建设“分散采集、多级集成、按需共享、分层发布”的原则整合工程所有信息资源，运用云计算和大数据技术，使项目业主方、设计方、监理方、施工方、设备制造厂家、技术咨询机构等参建各方均能实时、系统、安全地获取项目施工信息，满足施工进度跟踪、设备运行维护、工程质量管理、安全风险管控等需求。
平台由一个监控指挥中心、5个分中心和9大功能系统构成（图7）。不仅具备在线实时监控跟踪、调度资源、发布指令、会商决策以及遇到突发事件组织应急抢险等功能，同时系统接入TBM制造商大数据中心，实现信息共享、故障诊断、在线会商等功能。5个分
中心负责采集汇总所辖项目各类监控信息，应用岩机信息感知与融合技术，指导现场科学、高效安全施工。工程各参建方根据用户授权，借助于电脑和手机等终端，对数据中心云端信息进行远程访问。搭建管理决策信息系统平台的目的，就是要建立数据共享的机制，打破信息壁垒，实现数据共享，方便大数据挖掘，促进TBM行业发展及技术进步。同时，鉴于工程的保密性，应做好网络分级、隔离管控，解决系统安全、数据保密的问题。
图7. 超特长隧洞TBM集群施工综合管理决策信息系统。
4.4. 建立风险管控综合技术保障系统
围绕超特长隧洞安全高效、智能掘进的总目标，通过严格的管理机制和科学的技术手段，构建施工技术保障体系。一方面，针对工程难点和主要风险源，建立严格的分类、分级、分责风险管理机制，化解降低施工风险；另一方面，充分利用先进的地质灾害预报技术、软岩大变形控制支护技术、TBM智能感知掘进技术和BIM云平台技术，建立完善的技术支撑，科学规避风险。将管理机制与技术手段相结合，耦合形成 “超特长隧洞TBM集群施工的风险管控‘六化’综合技术保障体系”（图8）。即严控制度化、风险分解化、决策科学化、变形可控化、控制智能化、感知信息化。
图8. 超特长隧洞“六化”施工技术保障体系。
5. 结语
（1）超特长输水隧洞施工风险涉及地质灾害、设备运维、施工安全、质量保障、投资控制、环境保护等诸多方面，基于分责、分级、分类管控的总体原则，建立科学有效的风险管控机制，是统筹管控风险、合理组织施工的关键一环。
（2）我国在超前地质预报技术研发与应用方面取得了显著进步，为风险防控提供了良好的技术手段，但针对超特长隧洞施工仍需结合地质勘查、超前预报和岩体信息感知等手段，建立适合TBM施工的综合地质预报系统，为TBM安全高效施工保驾护航。对于重大地质灾害洞段，建立TBM地质预报搭载系统，实现实时、跟踪探测，必要时配合采用超前地质钻探进行验证，并做好相应的灾害处置应急预案。
（3）国产化TBM装备制造技术虽已取得重大突破，但因本工程特点，其设备制造和运行维护的风险仍然较高，必须开展持续性的研究创新，特别注意成套设备的研发与工程应用服务，提升关键部件的适应性、耐久性、可靠性，为超特长隧洞“打得快、用得久、走得长”提供重要保证。
（4）基于信息化、物联网、大数据等新一代高技术手段，提高TBM设备岩机信息感知和融合能力，建立运行状态和掘进适应性评价体系，开发智能控制软件，为TBM信息化、智能化施工装上“中国脑”，是超特长隧洞施工风险管控迈上新台阶的重要措施。
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