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【长江设计 护水北上】天堑之下的惊世穿越

穿黄工程是南水北调的关键性工程,也是南水北调中线技术含量最高的工程之一。汉江水来到滔滔黄河边,如何做到“立交”通过、互不干扰?怎样防止黄河河床松软的泥沙坍塌?长江设计院充分运用大型超深工作竖井、新型预应力复合衬砌结构、大型隧洞衬砌1:1仿真试验、泥水平衡盾构机掘进等创新技术,将难题一一破解。

为了选择穿黄工程合适的穿越地点,长江委通过勘察、规划,各专业设计人员长期通力合作,经过不同设计阶段,并就不同引水规模的研究,最终选定于郑州黄河铁路大桥上游30公里附近的孤柏山湾,在水深近40米的河床内,以两条外直径8.7米长4.25千米的隧洞与黄河垂直相交,使来自长江流域的汉江水,与黄河实现世纪之交,并于黄河北岸登陆后一路向北输往北京。

据长江设计院南水北调中线穿黄工程设计总工程师符志远介绍,黄河河床,以易于渗水的砂层和粉质黏土为主,一旦挖开洞穴,立刻就会有地下水渗入并引起洞壁坍塌。而盾构边掘进、边构筑隧洞衬砌的功能正可以很好地解决这个问题。经反复比较了深埋隧洞、沉管法、顶管法、盾构法等诸多施工方法之后,长江设计院最终下定决心选用盾构法。

在地下采用盾构机暗挖隧洞,不仅仅出于适应黄河地层条件的考虑。盾构施工为隐蔽工程,不需要开挖黄河河床表面、土方量小,对黄河河势河床和防洪的影响降至最低。根据穿黄过河线路的地质条件,选用了泥水平衡盾构机。该盾构机外直径9米,连同后配套总长100多米长、1600多吨重,如同一列小火车,其施工规模非地铁隧道盾构施工可比。

从黄河河床中穿越的隧洞,面对的不仅仅是外部黄河水和河床对隧洞外层形成的压力;两条穿黄隧洞内每秒320立方米的加大输水流量,左右岸渠道与隧洞几十米高差所形成的内部高水压力,会给隧洞内层施加强大的向外张力。对此长江设计院开创性地设计了双层衬砌隧洞,分别应付内外的压力,此种复合衬砌结构型式,其规模无论在盾构法施工的交通隧道或水工隧洞中均属首例。

为了确保在穿黄工程成功应用,进行了隧洞衬砌1∶1仿真模型试验研究,采用众多仪器监测,揭示隧洞衬砌良好的受力与变形性态,验证了设计,为盾构隧洞预应力复合衬砌新型结构在穿黄隧洞中成功应用提供了试验依据,确保穿黄隧洞工程安全顺利实施;试验规模之大,仿真程度之高均为同类工程之首例。

据符志远介绍,外层衬砌与水底交通隧洞相仿,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;内衬与外衬由弹性排水层相隔,从而实现两层衬砌分别单独受力。盾构机每前进1.6米,便由真空吸盘式拼装机安装一环由7片弧形管片组成的管片环,管片环作为拼装结构,具有众多接缝,由于外部水压高,众多接缝的防水问题是一项技术难题。通过试验研究,比选了接缝型式、密封防水材料和弹性密封垫结构,从而使管片间的接缝抗压、防渗等难题迎刃而解。

为解决穿黄工程诸多关键性技术难题,大批长江委人付出了青春和心血;在数拾年的探索、论证中,共提出了19个中线规划方案,40余个穿黄工程布置方案,开展了数拾项科学试验研究,从技术上不断地否定自我,最终得出了最优方案。从20世纪90年代初开始,地质勘测队伍累计钻探进尺达30万米、室内试验约6万组、现场试验近万次,摸清了工程地质条件,确保了盾构机顺利穿越黄河。为掌握盾构技术,许多科研和技术人员奔赴日本、德国、英国等国家,考察盾构制造厂家、施工现场和已建类同工程,收集资料。进入施工详图阶段后,长江设计院设计人员深入现场,提供了一流的技术服务,为解决工程难题,所提出的5项技术获得了国家专利局专利,其中2项为发明专利。

如今,汇聚了长江委几代人心血的穿黄工程已建成通水,中华民族两条奔涌千年的母亲河--黄河与长江,在这里实现世纪交汇,长江委人用智慧和汗水实现了一个个举世瞩目的创新科技,筑起了工程设计的丰碑。

文章作者:颜超华 陈松平责任编辑:张濛