引江补汉工程作为南水北调中线工程的后续水源，从长江三峡水库自流引水至汉江丹江口水库坝下，是首个开工建设的南水北调后续工程大型项目，是构建完善国家骨干水网的标志性工程。

工程将打通长江三峡向我国北方地区的输水通道，创造长江—汉江—华北平原水资源协同调配的工程条件，提升三峡水库在国家骨干水网中的战略水源作用，具有重大战略意义。该工程也是我国在建单洞长度最长、洞径最大、综合难度最高的长距离有压引调水隧洞，关键技术涉及地质勘探、设计、施工、智慧调控等方面。

钮新强院士接受采访时解读引江补汉工程关键技术挑战

一、引江补汉工程关键技术

1、深埋长大隧洞地质勘探技术

引江补汉工程输水隧洞穿越地层众多、地质条件复杂，具有“三高、两多、一软、一活动”特点。

“三高”即高地应力、高外水压力、高岩石强度：沿线实测水平主应力达35.2MPa；已开展的钻孔实测洞线区域最大水压超过5MPa；超硬岩分布范围广，实测最大岩石强度达281MPa。

“两多”即断层多、地下水多：输水隧洞穿越区域性断裂7条，地区性断层50余条，其中著名的青峰断裂带总宽度达6km以上；隧洞沿线地下水丰富，预测可能发生涌水洞段长约37.5km。

“一软”指隧洞穿越软质岩总长度达58.5km，占比约30%，预测可能发生中等及以上软岩大变形的洞段长约18km。

“一活动”指输水隧洞穿越两条蠕滑型活动断裂，分别为通城河断裂和城口—房县断裂，其中通城河断裂实测年均位移量约0.3mm。

为应对复杂的工程地质问题，工程勘察设计阶段综合采用了多种勘察技术和手段，并在遥感、钻探、测试、试验等方面开展了新技术探索和应用，形成了基于三维实景影像的地质信息解译技术、超深大顶角斜孔及水平孔钻探技术、超深复合定向钻探技术、超深孔压水试验技术、千米级深孔地应力测试技术等。

隧洞开挖时，对掌子面前方不良地质体进行探测并对地质灾害进行超前预报十分重要。由于目前勘察装备和评价理论的局限性，不良地质体超前探测与预报精度尚难以满足工程建设需要，应从可靠、高效获取隧洞围岩工程地质特征参数的关键装备研制出发，开展物探方法、钻探工艺、测试技术攻关，构建安全、高效、合理的超前勘察技术体系。

2、深埋长大隧洞总体施工方案

“长洞短打、分段掘进”是超特长隧洞施工的基本方法，但如何合理划分施工分段和优选施工方案，既能充分发挥TBM（全断面硬岩隧道掘进机）优势，提高施工效率，又能利用钻爆法开挖不良地质洞段，规避施工风险，达到综合效益最优的目标，是一个极为复杂而重要的问题。

引江补汉工程隧洞开挖采用“TBM法+钻爆法”组合的总体施工方案，充分考虑了TBM及其配套设备性能和国内现有承包商的技术能力和管理水平，紧密结合隧洞工程地形地质条件与结构要求，以期实现缩短工期、减少辅助工程设施及附加工作量、降低施工成本的目标。

工程共采用9台TBM集群施工，开挖直径达12.2m，为非常规的超大直径TBM，是我国在建项目投入超大直径TBM施工最多的隧洞，对TBM结构件刚度、大直径主轴承等关键部件的性能、支护系统的配备与优化、超前预处理及卡机脱困辅助设施配置等方面要求高，而现有设备设计与制造的参考经验有限。

在TBM功能配置方面，亟需提升TBM设计与制造技术，增强复杂地质条件下超大直径TBM的适用性，针对不同的地质条件，尤其是局部不良地质洞段，研究不同类型TBM相应的功能配置要求，解决和克服超大直径TBM施工过程中面临的诸多不确定因素，总结形成一套成熟的超大直径TBM功能配置关键技术。

3、深埋长大隧洞关键地质问题及对策

引江补汉工程输水隧洞地质条件复杂，隧洞施工面临涌水突泥、高外水压力、软岩大变形、坚硬岩岩爆、活动断裂错动影响等工程地质问题，对工程施工安全、投资控制与工期保障存在不利影响。

工程沿线穿越黄陵背斜、聚龙山复式向斜、青峰断裂带等多个构造单元，部分洞段具有围岩软弱破碎、地下水水头高且补给充足等特点，高压富水破碎地层的涌水突泥灾害是工程建设过程最突出的施工风险。

应对涌水突泥问题，一是遵循“绕避优先、避重就轻”原则，在选线过程中最大限度避开或短距离穿越易发生隧洞地下水害的强岩溶区和大断裂带；二是“超前物探+超前钻探”相结合开展超前地质预报，提前探明富水构造，并采取“封堵、排水减压、疏导、绕行”等针对性处置措施；三是超前注浆加固，根据现场实际综合考虑洞内超前灌浆、地表超前复合定向钻灌浆；四是超前支护，在超前灌浆堵水完成后采取超前管棚等措施，确保下一步开挖围岩安全稳定。

输水隧洞穿越高地应力软弱岩地层时面临软岩大变形风险，主要危害表现为围岩变形侵限、支护破坏、TBM频繁卡机等，甚至是二衬开裂，影响结构寿命。对于软岩大变形问题，总体上采用“监测预警、超前支护、预留变形、初支加强、及时封闭、底部加强、衬砌紧跟、动态优化”等措施应对。对特别严重洞段考虑“放-抗结合、主动支护、分层施作”的软岩大变形控制理念，具体采用让压支护、预应力锚杆（索）、双层初期支护等措施。

工程线路存在中等岩爆风险的洞段长约25km。岩爆防治遵循“以防为主、防治结合”原则，施工过程中结合岩爆监测预警，综合采用强支护、应力解除爆破、超前应力释放、喷水或钻孔注水软化等防控措施。TBM施工洞段优先考虑护盾式TBM，通过管片结构降低施工安全风险及爆渣清理对掘进速度的影响。针对强烈岩爆洞段，则采用以重型钢管片为主的综合防护措施。

输水隧洞穿越两条蠕滑型活动断裂，针对活动断裂的主要设计思路：一是铰接设计，增加衬砌在轴向的自由度，以适应断层错动位移；二是超挖设计，预留出断层错动变形空间；三是隔离设计，在初支和二衬之间充填柔性缓冲层，以适应断层错动位移，避免或减小衬砌结构受到的影响。

4、水网工程精细精准智慧调度技术

引江补汉工程实施后形成了以三峡水库和丹江口水库为水源，南水北调中线一期工程、引汉济渭工程、鄂北地区水资源配置工程等为通道，长江、汉江流域与京津华北地区为供水对象的水网综合工程体系，工程调度涉及多水源、多通道、多用户、多目标的均衡优化配置问题，需要厘清水量调配、水力控制、水质保护的互馈响应机理，协调好流域、区域等不同空间尺度和月、旬、实时等不同时间尺度间调度的解耦-耦合关系。已有研究成果多集中在单一工程或小尺度区域，难以支撑水网工程精细化、精准化、智能化调度，亟待开展相关技术研究。

创新水网系统多尺度多过程高效模拟技术，研究水网跨区域多目标协同实时调度技术，提出超大规模有压管道系统的水锤防护技术准则及方法模型，突破无压及有压输水系统全情景工况智能、精准、精细调控技术难题，实现水网多目标时空效益均衡调度，保障水网工程效益充分发挥。

5、数字孪生引江济汉工程关键技术

数字孪生引江补汉工程旨在服务和保障全生命期工程安全、供水安全、水质安全等，建设可计算、可推演、可追溯、可决策的工程数字孪生体，打造各参建方协同、全生命期业务应用一体化的管理工作平台，形成数字孪生创新平台，实现从被动应对安全风险转向主动防控，数据驱动工程质量持续优化，促进工程建设体系技术和模式变革，促使工程运维能力现代化和科学化升级。

现阶段，数字孪生工程主要面临工程信息模型、数据融合和服务标准缺失，专业模型智能化程度不高、智能基因注入不足，以及数字孪生应用场景广度不够、深度不足等问题，亟需针对工程数字孪生体、建设和运维智能模型和知识构建，以及数字孪生应用场景挖掘等开展技术攻关。

二、展望

作为首个开工的南水北调后续工程重大项目，引江补汉工程在复杂构造条件下地质勘察、大范围多目标水资源配置、工程规模布局论证、复杂地质条件下深埋长大隧洞设计等方面形成了一系列自主研发的勘察设计技术，高效完成了工程规划论证。

未来以引江补汉工程为突破口，有望引领精准高效勘探、不良地质体超前预报与安全高效施工、水网精细精准智慧化调度、数字孪生工程建设等关键技术的攻克，可为南水北调西线工程等国家水网重大工程建设提供参考和借鉴。