南水北调中线穿黄工程主要技术挑战

  南水北调工程就是把中国长江流域丰盈的水资源抽调一部分送到华北和中国西北地区，从而改变中国南涝北旱和北方地区水资源严重短缺局面的重大战略性工程。时值东线一期工程开通之际，我们特邀了相关权威专家解读南水北调工程中的技术重点——中线穿黄。

  穿黄工程是南水北调中线总干渠的关键性工程，穿黄工程的主要任务是安全有效地将中线调水从黄河南岸输送到黄河北岸。穿黄工程设计流量265立方米/秒，加大流量为320立方米/秒。

  穿黄工程由三部分所组成：总长19.3公里，南岸明渠长4.85公里，为深开挖梯形渠道，北岸明渠长10.3公里，为填筑渠道，穿黄隧洞长4.25公里。隧洞采用双线米，两洞中心线米。隧洞深埋于黄河河床下23米至35米深。

  主体工程开工建设以来，通过科研攻关、现场生产试验、专家咨询等多途径解决技术难题，为穿黄工程的顺利实施提供了坚实的技术保障。

  穿黄工程北岸竖井为穿黄隧洞盾构机始发井，井壁为地下连续墙形式，厚1.5米，深76.6米，其厚度和深度均居当前国内之最。由于地层条件差、地下水位高，地下连续墙施工中对成槽技术、钢筋笼下放、水下混凝土浇筑、槽段连接技术、防渗技术等要求非常高，施工难度很大。

  施工中采用了先进成槽设备—液压双轮铣进行成槽施工；并进行了多项生产性试验，熟练掌握施工工艺；并在施工中运用了铣接头、钢筋接驳器等多种新技术，顺利按期完工。

  穿黄隧洞盾构机始发和接收均采取了圆形竖井型式，其中始发竖井内径16.4米，深50.5米。竖井施工采用“逆作法”顺序，在地下连续墙的防护下，边开挖边进行衬砌。由于地层为黄河河床沉积砂层，地下水位高，施工中竖井内出现涌水涌砂的风险很大。竖井的降水方案、开挖施工、封底技术等都是实施工程技术难点。

  施工前，请科研单位对竖井实施工程的方案进行了数值计算分析；通过现场试验，对封底措施比较了多种工法，确定了单管法高压旋喷工艺；经过咨询论证，确定合理的降水、开挖及封底方案。顺顺利利地进行封底，保证内衬浇筑的安全；内衬施工采用了一体式整体滑模，提高了浇筑质量和施工效率。

  穿黄工程的盾构机始发区域距地面近50米，是国内最深的盾构始发，受始发井尺寸所限，采取分段始发方案，始发地层主要为砂层，埋深大，地下水位高，始发时易发生涌水涌砂，对人员设备造成严重威胁。

  始发前采取了高压旋喷桩加固地层和冷冻封水措施，并加强洞口密封，始发时对反力架、始发架进行密切监控，严控始发时的泥水压力。下游线日顺利始发，上游线日顺利始发。

  穿黄隧洞管片施工时承受的外力很大，管片拼装技术方面的要求非常高。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，经过数月的研究、试验、论证，对管片结构可以进行了改进。

  新管片与老管片相比，进行了六项改进：调整了封顶块偏转角和插入角、优化弹性密封衬垫型式和参数、修改管片的纵缝接头、修改管片的环缝接头、增加防裂钢筋、增加定位标识。

  盾构管片拼装中，通过大量的现场试验和洞内试拼，采用已备用的老管片加设钢板限位销与新管片交替拼装方案，拼装效果良好。

  穿黄隧洞总长4250米，其中过河隧洞长3450米，盾构机要一次穿越过河隧洞后，才能到达南岸竖井，做全面检修和维护，如何保证在穿越过河隧洞过程中，盾构机正常工作，是盾构施工中的一个重大技术挑战。

  通过技术攻关，穿黄工程建立起一套完善的盾构机维护技术。根据“勤检查、勤换刀”的原则，把带压进舱检查换刀作为一项常态的维护手段。对受磨损严重的刀盘具，施工中使用先进的“SMW”工法进行掌子面加固以后，成功地进行了常压下的刀盘具修复，保证了盾构机正常的掘进。

  穿黄工程南岸明渠开挖深度20～57米，开挖地层中有两层饱和软黄土状粉质壤土，抗剪强度低，对渠坡稳定不利。另外，黄土状粉质壤土在地下水的作用下，易产生流土破坏。在地下水位高出渠底近30米的情况下，怎么样保持开挖边坡和渠道的防渗稳定是南岸明渠施工的重要环节。

  通过专业机构开展高边坡渗控措施科学研究，并通过现场试验予以确定，渠道高边坡采取群井降水措施，保证了南岸明渠的开挖施工的顺利进行。

  穿黄工程退水洞位于渠道右侧，长790米，用于将南岸渠道退水泄入黄河主河床，隧洞断面为城门洞型，内径4.2米×5.8米，衬砌厚度0.5至0.6米，开挖断面5.80×7.50m。围土为黄土状粉质壤土、粉质壤土和古土壤层组成，地下水位高于洞顶20～30m，开挖过程中易发流泥和坍塌，施工难度极大。

  退水洞开挖施工前期，按照“管超前、少扰动、严注浆、短开挖、严治水、强支护、快封闭、勤量测”的原则，制定实施工程的方案。施工中从地面采取真空降水技术措施，尽可能降低地下水位，洞身开挖采用开敞式盾构、分部台阶法、双侧壁导洞法、九宫法等多种开挖工法，并采用高压劈裂注浆加固和管棚支护、超前锚杆、钢拱架、钢筋网以及喷射混凝土等加固支护措施。并编制了冷冻封水方案作为备用。穿黄退水洞于2013年8月9日实现了安全贯通，11月4日完成衬砌施工。

  穿黄工程南北岸渠道过水断面均为10厘米厚的混凝土板，由于渠线长，衬砌薄，采用传统浇筑方法费时费工费料，而采用摊铺、振实、整平和抹光一次完成的渠道衬砌机，提高了工效，改善了作业环境。

  穿黄工程渠道衬砌机由行走系统、升降系统、布料系统、摊铺振捣系统和安全系统等五个部分所组成。整体衬砌成型好，混凝土表面十分光滑平整，无错台及水平施工缝，施工效率高，已成为南水北调中线渠道衬砌作业的样板工程。