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南水北调工程建设遇到的技术难题多，涉及面广，而穿黄工程是南水北调中线技术含量最高、工程最复杂的项目，是南水北调的关键性工程。
如何让“水”穿越黄河？近日本刊记者独家采访了穿黄工程设计单位--长江水利委员会长江设计院院长、南水北调中线设计负责人钮新强等专家。
穿黄工程备受关注。早在上个世纪50年代，长江水利委员会设计院在开展南水北调中线工程规划设计工作的同时，便对穿黄工程开展了大量的研究。
黄河如何过
据介绍，穿黄工程位于郑州市以西约３０公里处，于孤柏山湾李村附近横穿黄河。南岸起点为河南省荥阳县王村乡王村化肥厂南的Ａ点，终点为黄河以北温县南张羌乡马庄东的Ｓ点，总长１９．３公里。
现阶段，穿黄工程按南水北调一期规模考虑（一期工程多年平均调水量９５亿立方米）,相应穿黄工程设计流量２６５立方米／秒，加大流量为３２０立方米／秒。
穿黄工程总的工程结构，由南岸明渠、南岸退水建筑物，进口建筑物、穿黄隧洞、出口建筑物、北岸明渠、北岸新蟒河渠道倒虹吸、老蟒河河道倒虹吸、北岸防护堤、南北岸跨渠建筑物和南岸孤柏嘴控导工程等组成。现阶段，穿黄工程按南水北调一期规模考虑，设计流量265立方米/秒，加大流量为320立方米/秒，总投资３１．３７亿元，施工总工期５６个月，计划于２０１０年３月竣工。
黄河水文情况太复杂，为确保穿黄工程万无一失，水利部先后组织长江设计院和黄委会设计院分别独立设计渡槽凌空穿黄和隧洞遁地穿黄两个方案，并进行综合研究比选。经过反复论证，专家们最终选择了隧洞穿黄方案。因为与渡槽凌空穿黄相比，隧洞可以避免外界温度、气候等气象条件的干扰，耐久性更好。
穿黄工程设计主要技术负责人符志远、谢向荣等专家介绍说，受南水北调中线总干渠线路布置等因素的制约，总干渠只能在郑州以西自邙山头至汜水河一带约二、三十公里的范围内穿过黄河。而此段黄河河段冲淤变化迅速，河道不稳定，主流摆动幅度大，是典型的游荡性河道。因此，研究解决穿黄工程与黄河的相互影响，并据此确定穿黄工程线路是穿黄工程的重大技术问题。
据介绍，穿黄河段供比较的线路有邙山头线、桃花峪线、牛口峪１线、牛口峪２线、孤柏嘴线、李村线、李寨线等多条线路。
多年来，遵循工程与河两利，即少影响黄河河势，又使工程安全可靠、技术先进、经济合理的原则，针对穿黄工程与河势、防洪问题，做了大量的勘测、设计和科研工作，最后穿黄线路比选集中到孤柏嘴矶头附近约２．６公里的河段范围内进行，其上线为李村线，下线为孤柏嘴线。
隧洞如何挖
根据穿黄工程的地质、水文条件，曾比较了埋管法、沉管法、顶管法、盾构法等施工方法，最终采用盾构法施工。
专家解释说，穿黄隧洞从水下穿越黄河，除承受较高的内水压力外，还承受外部土水压力，而隧洞却位于粉质壤土及砂层内，因此隧洞施工只能采用盾构法。盾构法施工，就是在地表以下采用专用的盾构机械暗挖隧道的一种施工方法。
经过对穿黄隧洞施工条件分析，结合国内外大量工程实践，又对土压平衡盾构、泥水式盾构进行了综合比较，推荐采用泥水式盾构机。
专家介绍说，盾构机前面有一个刀盘，刀盘上有许多刀片，刀盘旋转起来就像剃须刀刮胡子一样把泥沙切削下。盾构机机头后面是数十米长的后续台车，每往前走一个外衬砌管片的距离，推进油缸把“腿”缩回去，施工人员着手外层衬砌管片的安装、注浆，然后，推进油缸再顶住刚衬砌好的管片，盾构机向前切削。
隧洞掘进全部完成后，就在外衬砌管片拼装形成的隧洞内按圆形带车道平台的段面进行混凝土(二次衬砌)浇筑。内外两层衬砌管片厚度分别为４５厘米和４０厘米，两者之间由弹性防排水垫层相隔。这是穿黄工程与常规的水工隧洞和盾构法施工的交通隧道均有所不同之处。因为穿黄隧洞为输水洞，在考虑外部黄河水和土层的压力之外，还必须考虑洞内水流的压力，因此隧洞实行的是双层衬砌结构，即在用盾构机进行外层衬砌之后，还须进行内层衬砌。
此种复合结构是一次重大的结构创新，施工前进行1：1的仿真验证。
专家强调，穿黄工程地层为以渗透系数较大的含水砂层和粉质粘土为主，隧洞断面外径为８．7米。为解决穿黄工程的中盾构法的关键技术问题，长江设计院先后派人赴日本、德国、英国、法国、埃及等国家考察。
隧洞如何防震防水
据介绍，长江设计院对穿黄工程的抗震研究工作一直给予高度重视，为确保隧洞安全，长江设计院对穿黄隧洞因河床冲淤变化与地震引起的纵向变形进行了分析研究。
穿黄隧洞是一特大型倒虹吸输水建筑物，隧洞主要穿越黄河主槽饱和含水软土地层，隧洞一般埋深２５－３０米。黄河属游荡性河道，据河工模型试验，穿黄河段主槽最大摆幅达８００余米。穿黄隧洞处河床冲淤变化，使隧洞上方纵向荷载发生变化，下卧土层纵向也相应变化，因此沿纵向隧洞有可能发生不均匀变形而张裂。因隧洞较长，地震波沿纵向传播时，地震响应存在相位差，导致隧洞沿纵向有可能发生差异性变形张裂。
根据国家地震局分析预报中心对穿黄隧洞进行的地震危险性分析，穿黄隧洞按５０年超越概率５％的地震标准进行设防，场区地震设计基本烈度为７度。在７度地震条件下河床段砂土液化最大深度为１６米，而隧洞顶板最小埋深为２３米，位于液化砂层之下不受砂土液化的影响。
而通过采用双层衬砌、独立工作的结构型式，无论沿横向或沿纵向均有良好的抗震性能，隧洞衬砌各工作阶段的应力与变形均满足设计要求。
穿黄工程以隧洞倒虹吸方式穿越黄河主槽，采用盾构法施工，在盾壳保护下进行开挖，同时采用拼装式管片作一次支护。而决定拼装式管片结构是否可行，关键是衬砌防水是否可靠、稳定、安全。
盾构法隧洞衬砌防水设计历来是国内、外盾构隧道工程设计的重点之一，近２０年来大量的成功的工程实例已积累丰富的设计理念和经验，针对穿黄工程特性而言，较高的内、外水压力，较长的推进距离，较复杂的地质环境，给穿黄隧洞的设计与施工提出了更高的要求。
为此，对穿黄隧洞拼装式管片衬砌防水材料设计和试验进行了专题研究。对水密性、耐久性和稳定性试验，验证了现有防水材料、防水措施和防水布置的合理性，通过管片及接头水密性试验，又确定了穿黄隧洞防水等级和变形控制标准。
穿黄工程过河建筑物按黄河３００年一遇洪水设计，按千年一遇洪水校核；北岸河滩明渠及新、老蟒河交叉建筑物按１００年一遇洪水设计，按３００年一遇洪水校核，穿黄工程过河建筑物施工导流按２０年一遇洪水设计。
长江设计院同时还对穿黄工程南岸渠道黄土高边坡及北岸渠道基础处理方案进行了专题研究。穿黄工程南岸最大坡高达５５米。边坡稳定直接关系到总干渠的运行安全，对边坡土体物理力学性质、地下水运动规律、施工降水措施、施工程序、边坡型、坡体排水措施、坡面保护等进行了全面的研究，得到了既满足渠道安全运行、又经济合理的边坡结构型式。
穿黄工程北岸河滩明渠为填方渠道，渠堤高８－１０米，地基土主要为砂壤土、粉砂、细砂等，在饱水条件下可能产生地震液化，且浅表层砂壤土（壤土）、粉细砂承载能力较低，需考虑采取渠基加固处理措施。参考国内地基处理的大量工程实践，对纯振冲法、强夯法、挤密砂桩法和压盖法等工程措施进行了多方案比选。对砂土震动液化机理进行了研究，建立砂土震动液化的数值计算模型，对砂土液化深度和各方案的处理工程量进行了分析论证，根据技术可行和经济合理的原则推荐采用挤密砂桩法。
穿黄工程是南水北调中线的关键工程。专家们表示，在国务院南水北调办公室的直接领导下，通过穿黄工程各参建单位的共同努力，南水北调中线穿黄工程一定能建设成为技术质量一流水平的宏伟工程。
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发表于 2007-7-2 22:07:00
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发表于 2007-10-11 22:04:00
