南水北调:科技创新 确保中线长江之水穿越黄河

　　穿黄工程作为南水北调中线的“咽喉”工程，是整个南水北调工程中最具技术难度和工期最长的单项工程之一，为确保长江之水穿越黄河，中线穿黄工程建设者不断进行科技创新，破解技术难题，为穿黄工程顺利实施保驾护航。

　　据介绍，中线穿黄工程位于河南郑州花园口西的黄河河床底部40米深处，打两条4250米长的隧道，让长江水由此穿越黄河北上，向北方地区供水。

　　南水北调中线穿黄工程遇到的技术难题多、涉及面广，是南水北调的关键性工程。如何让“水”顺利穿越黄河？如何从黄河底下复杂的地层中开凿数千米的隧洞？如何保证隧洞不漏水，并承载内外水压？为破解一系列难题，中线穿黄工程建设者通过科技创新，不仅为穿黄工程盾构顺利施工起到了保驾护航的作用，还开创了数个国内甚至世界第一。

　　科学论证 优化方案

　　黄河水文情况复杂，为确保长江之水穿越黄河，中线穿黄工程在早期论证过程中，就有地上渡槽“飞渡”和地下隧洞“穿越”两种不同的设计方案。

　　“这两个方案在技术上各有利弊。”据南水北调中线建管局河南直管建管部总工程师王江涛介绍，渡槽结构简单、受力明确、检修方便，能形成壮丽人文景观，但修建渡槽好比在黄河上插了一把梳子，不利于河流走势，也不利于黄河中下游整体开发等。

　　经过10多年的科学论证，最终确定隧洞方案。隧洞穿黄方案对黄河冲淤变化、河势改变、生态与环境影响不大，为该河段开发留有较大余地。

　　穿黄隧洞采用双线平行布置，即采用两条隧洞方案，单洞长4.25公里，内径7米，两洞相距28米，隧洞深埋于黄河河床下23－35米深处。

　　在隧洞如何挖取上，根据穿黄工程的地质、水文条件，选用泥水加压平衡盾构机。工作原理为：盾构机最前部有一个开挖舱，开挖舱内装有刀盘，刀盘上安装多种刀具，刀盘旋转，带动刀具切削掌子面，把大块土体切成相互分离的小碎块。其工作原理类似男士电动剃须刀。

　　在施工现场，记者看见两条黄色泥浆管：一条是进浆管，用于加浆，冲洗刀具；另一条是排浆管，将搅碎的土石碎块随泥浆输送到地面的泥水分离系统，分离出的碎石作为弃渣处理，用过的泥浆收回加新鲜浆液后，重新输送到盾构机开挖舱内，循环利用。泥浆除了作为载体输送渣土外，另一个重要作用是平衡掌子面的水土压力，防止土体坍塌。

　　开挖舱后面有一个气压仓，充有压缩空气。通过调节气垫对泥浆产生压力，从而平衡来自开挖掌子面的水土压力，同时还形成一层保护膜，起到护壁作用。泥水加压平衡盾构也因此得名。

　　大型超深盾构机始发工作竖井、新型隧洞双层衬砌结构、大型的黄土退水洞以及隧洞进口黄土高边坡……穿黄工程开工以来，一个个技术创新为穿黄工程盾构顺利施工起到了保驾护航的作用。

　　重视实践创新施工

　　据专家介绍，穿黄隧洞盾构始发采用竖井型式，设置于黄河北岸，为圆筒结构，内径16.4米，井深50.5米。据王江涛介绍，由于地层条件差、地下水位高，竖井井壁必须牢固结实，采用地下连续墙形式，厚1.5米，深76.6米，均为当前国内之最。

　　竖井施工采用“逆作法”顺序，先造好地下连续墙并在其防护下，边开挖边进行衬砌。开挖衬砌到设计高程后，怎样封闭底板，是一大技术难题。由于始发竖井基本为全砂层地层，地下水位高，涌水涌砂的风险很大。通过现场试验，将常规的三重管双高压旋喷工艺，调整为单管法高压旋喷工艺，顺利进行封底，保证内衬浇筑的安全，并采用了一体式整体滑模，提高了浇筑质量和施工效率。

　　竖井胜利完工后，主角——盾构机就登场了。盾构机从地下50多米处掘进，就像一条钻地巨龙，创造了我国目前盾构机始发最深的纪录。下游线和上游线盾构分别于2007年7月和2008年3月顺利始发。

　　为了隧洞能承受黄河渗水形成的外水压力，必须一面掘进一面安装高强度混凝土预制的管片，因此有6个自由度的管片拼装机。每掘进一段距离，就进行管片拼装，采用真空吸盘抓取方式，方便灵活地从喂片机上抓取管片，进行拼装。

　　新型双层衬砌结构形式，在国内，无论在盾构法施工的交通隧道或水工隧洞中均属首例。穿黄隧洞面对的不仅仅是黄河水和河床对隧洞外层形成的外压力，还要考虑隧洞过水的时候对隧洞内衬形成的压力，也就是内水压力，隧洞必须经受住外水和内水压力的夹攻。还因为穿黄河段是游荡性河段，河床对隧洞最小覆盖厚度23米，河床冲淤变化引起的纵向沉降，会作用于穿黄隧洞；还要适应烈度为7度的地震条件下，满足每秒265立方米设计流量安全运行要求；穿黄隧洞沿线将穿越单一砂土、砂砾石层、半砂半土、单一黏土等复杂地层结构。这一切决定了必须采用新型双层衬砌结构，才能保证穿黄隧洞固若金汤。外层衬砌为装配式普通钢筋混凝土管片结构，厚40厘米，管片宽度1.6米，用于承担外部水、土压力；内层衬砌厚45厘米，为现浇预应力钢筋混凝土结构，承担内水压力。内、外层衬砌为防排水弹性垫层所分隔，使其分别单独受力。

　　迎接挑战 破解难题

　　穿黄工程施工过程中，一个个实际的技术挑战如同拦路虎接踵而来。

　　盾构机在掘进的过程中，就是靠刀盘上的100多把刀具来对付各种各样复杂的地层。穿黄工程盾构机以及刀具设计，都是根据穿黄施工条件量身定做的。

　　在刀盘上共布置有145把不同类型的刀具，每种刀具“各司其职”，如切削刀具，采用大尺寸刮刀，减少开挖时细颗粒的产生，适应带有砾石土壤的地质条件；先行刀和齿刀布置在刮刀前面，可预先松动刮刀前的土壤从而降低对刮刀的直接磨损；铲刀用于清理外围开挖的渣土；滚刀用于对硬物的开挖，等等。

　　“带压进舱检查时间短、效率高、费用低，对盾构施工造成的影响小，缺点是不能进行焊接等‘大手术’。”

　　据南水北调中线干线工程建设管理局河南直管项目建管部部长高必华介绍，去年在下游洞隧洞掘进到1360米时，发现刀具及刀盘严重磨损，已不能继续掘进施工，这就必须对盾构机附近土体进行加固，并开挖出合适的空间后，在安全的常压环境下修复刀盘、更换刀具。

　　“经过施工技术方案的比选，我们采用了三轴搅拌桩对刀盘修复所需区域进行加固。”中铁十六局水电七局联营体项目部常务副经理吴庆红介绍，施工单位开展技术创新，按节点时间安全顺利地完成全部土体加固施工任务，创造了国内三轴搅拌桩施工深度记录。

　　“我们修复刀盘，并通过焊接增加30多把刀，降低了刀具磨损程度。又在滚刀上增加合金柱，强化了耐磨性能，更适应穿黄复杂地层的掘进。”吴庆红说。

　　“根据不同地质条件，盾构机掘进参数、推力、扭矩、掘进速度、贯入度都不同，我们也是摸着石头过河。”高必华表示，“现在施工人员已基本摸透了土层的脾气，掌握了盾构机掘进规律。”

　　“通过四级专家咨询体系，科学决策，在施工技术和设备改造上大胆进行科技创新。除穿黄隧洞工程外，我们还成功解决了穿黄工程南岸明渠的高地下水位下高边坡的稳定、施工降水以及黄河南岸退水洞工程的大断面黄土隧洞施工技术等几大技术难题。”高必华透露，目前穿黄两条隧洞掘进非常顺利，两标段掘进合计完成超过4400米，超越单个隧洞总长，预计明年年初能够贯通。