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江水为何不犯河水——解读注册送68穿黄隧洞工程关键技术研究

  2010年3月8日,“十一五”国家重大科技成就展在北京国家会议中心隆重开幕。在南水北调三维GIS仿真系统演示平台,看到南来的江水穿过黄河时,不少人惊问:“这是怎么穿过去的呀!”据现场讲解员介绍,在郑州花园口西黄河河床底部40米深处,开凿两条4250米长的隧道,南来的汉江水由此穿越黄河北上。要保证江水不犯河水,复杂地质条件下注册送68穿黄隧洞工程关键技术研究功不可没。

  一项世界难题

  如何从黄河底下复杂的地层中开凿出数千米的隧洞?如何在承载内外水压保证隧洞不漏水……作为最具技术难度的单项工程之一,穿黄工程被称为南水北调注册送68的“咽喉”工程。作为“十一五”国家科技支撑计划项目课题——复杂地质条件下穿黄隧洞工程关键技术研究,开创了我国的数个第一:第一次采用大直径隧洞穿越黄河,第一次在我国水利史采用泥水平衡加压式盾构进行隧洞施工,第一次应用双层衬砌的结构。

  复杂地质条件下穿黄隧洞工程关键技术研究课题负责人、长江勘测规划设计研究院院长钮新强说,穿黄河段是典型的游荡性河段,地质条件极为复杂,恰恰又赶上地震带。在高地下水位下,在密实砂层、砂砾石层、黏土层等复杂地层中,采用盾构机一次性长距离掘进穿越大河,这是一项世界难题。我们开展了穿黄隧洞工作条件与建筑物型式、衬砌结构受力与变形特性、大型盾构工作竖井结构特性、抗震技术等八项技术攻关,开展了穿黄隧洞1:1仿真实验,较真实地模拟隧洞水土环境和受力条件,验证设计方案,提出优化措施,为整体提升技术理论水平提供实验依据。

  钮新强说,穿黄隧洞工程关键技术研究解决了13项关键技术难题。其中,穿黄隧洞抗震技术研究取得可喜成果,通过进行三维地震反应分析,证实在设计地震动作用下,隧洞结构基本安全。建立拼装式管片结构接头计算模型,以及外部土体与外衬的相互作用模型,并应用于穿黄隧洞衬砌结构设计。穿黄工程开工后,通过数项穿黄隧洞施工成熟经验,以及穿黄隧洞1∶1仿真实验研究成果,又进一步研究制定了穿黄工程输水隧洞施工控制标准和措施,在穿黄隧洞工程施工和全线贯通中发挥了重要作用。

  实践中创新工艺

  穿黄隧洞工程采用盾构机掘进,需在河边建造超深竖井,作为始发端,穿越古老的黄河。然而,黄河滩地砂土地层和高地下水位两个难题,拦住了研究者和建设者的脚步。

  穿黄隧洞盾构始发竖井设置于黄河北岸,为圆筒结构,内径16.4米,井深50.5米。据注册送68建管局有关负责人介绍,为确保竖井井壁牢固结实,采用地下连续墙形式,厚1.5米,深76.6米,均居当前国内之最。地下连续墙施工对成槽技术要求非常高,现场组织了多项生产性试验,采用了先进的成槽设备液压双轮铣,并在施工中运用了多种新技术,最终确保了地下连续墙在保证质量的前提下按期完工。

  竖井施工采用“逆作法”顺序,先造好地下连续墙,然后在其防护下,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。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,采用了一体式整体滑模,提高了浇筑质量和施工效率,最终顺利封底。

  竖井胜利完工之后,主角——盾构机就像一条钻地巨龙登场了。盾构机从地下50多米处掘进,创造了我国目前盾构机始发最深的纪录。掘进始发端采取了冷冻封水措施和高压旋喷桩加固地层,进行洞口密封。始发时对反力架、始发架进行密切监控,严格控制始发时的泥水压力。

  穿黄隧洞单长4250米,盾构机一次性掘进,只能前进,不能后退,更没有回旋的余地。为确保信息长距离传输准确,进行了接线方式的研究与优化,完善了洞内接线技术、电缆牵引技术,成功研制水下集线器;为监测内衬环锚预应力,成功研制了薄壁环锚矩形测力器。这两项成果都取得了国家知识产权局技术专利。

  解难题迎接挑战

  穿黄工程并非一帆风顺,施工过程中,一个个现实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。盾构机穿越地层有砂层、土层及砂土混合地层,地层中的砂粒、卵石、钙质结核等对盾构机刀具磨损非常严重,因此需要定期对刀具检查并进行维修。高必华介绍,下游线隧洞掘进到1360米时,发现刀具及刀盘严重磨损,已不能继续掘进施工。于是采用了三轴搅拌桩对刀盘修复区域进行加固,通过焊接增加了30多把刀,还在滚刀上增加合金柱,强化了耐磨性能,以适应穿黄复杂地层的掘进。

  “根据不同地质条件,盾构机掘进参数,如推力、扭矩、掘进速度、贯入度都不同,我们基本摸透了土层的脾气,掌握了盾构机掘进规律。”钮新强说,盾构掘进初期出现了管片破碎、错台量超出允许值、安装困难等问题。经过数月反复研究和实践,改进了管片结构型式,调整了K块偏转角和插入角等。改进后的新管片拼装顺利,也为国家节约了大量资金。

  目前,两条穿黄隧洞全部贯通运行。钮新强说,穿黄隧洞工程关键技术研究,来源于工程,服务于工程,应用于工程,为节省投资、提升技术水准、确保工程安全顺利实施提供了技术保障,也为同类地质条件下大型输水工程建设提供了借鉴。



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