引黃入晉萬家寨引黃工程綜述及高技術應用李珠.pdf

第 24 卷增刊 II Vol.24 Sup.II 工 程 力 學 2007 年 12 月 Dec. 2007 ENGINEERING MECHANICS 21 收稿日期：2007-05-10 作者簡介：*李 珠(1959)，男，河南開封人，教授，博士，博導，從事結構工程與力學研究(E-mail: )； 劉元珍(1974)，女，山西霍州人，講師，博士生，從事結構工程研究(E-mail: )； 閆 旭(1975)，女，山西太原人，講師，博士生，從事結構工程研究(E-mail: )； 任夠平(1975)，男，山西孝義人，高工，博士生，從事結構工程研究(E-mail: )； 王育青(1966)，男，山西忻州人，高工，工學碩士，從事結構工程研究(E-mail: ). 文章編號：1000-4750(2007)Sup.II-0021-12 引黃入晉萬家寨引黃工程綜述及高新技術應用 *李 珠1，劉元珍1，閆 旭1，任夠平1，王育青2 (1. 太原理工大學土木工程系，太原 030024；2. 山西省引黃工程管理局，太原 030001) 摘 要：引黃工程是從根本上解決山西水資源緊缺，促進山西經濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，維系國家新 型能源和重化工基地發(fā)展的大型跨流域引水工程。介紹了萬家寨引黃工程的線路組成和水工建筑物布置情況。介 紹了三項高新技術：隧道掘進、預應力鋼筒混凝土管道輸水及預應力數(shù)字化張拉技術在引黃一期工程中的應用。 研究了三項技術的關鍵技術環(huán)節(jié)，針對實際應用時的工程條件及施工難點，提出相應的施工方法及對策，為今后 類似水工建設工程項目施工提供參考。 關鍵詞：引黃工程；水工建筑物；隧道掘進機；預應力鋼筒混凝土管道；預應力數(shù)字化張拉技術 中圖分類號：P512.2+2; P641 文獻標識碼：A SUMMARIZATION AND APPLICATION OF HIGH-TECH IN TO WANJIAZHAI PROJECTS *LI Zhu1 , LIU Yuan-zhen1 , YAN Xu1 , REN Gou-ping1 , WANG Yu-qing2 (1. Department of Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Shanxi Yellow River Diversion Project Administrative Department, Taiyuan 030006, China) Abstract: Wanjiazhai yellow river diversion project (YRDP) is a large-scale inter-basin water diversion project. The objectives of YRDP are to accommodate the water shortage in Shanxi, and to promote the economic development and the sustainable development of ecological environment. Simultaneously, the project can accelerate the development of new energy and the heavy chemical industry base of our country. Wanjiazhai YRDP lines composition and layout of the hydraulic structures are introduced. Additionally, tunnel boring machine, water transmission of pre-stressed concrete cylinder pipe and technology of digital tensioning on pre-stressed concrete are proposed. The application of the three technologies in the first stage of YRDP is presented. Through studies on the three momentous technologies, practical construction methods and measure are put forward to suit engineering conditions and to solve construction problems. The conclusions could provide valuable experiences for the similar construction of water diversion projects. Key words: yellow river diversion project (YRDP); hydraulic structures; tunnel boring machine; pre-stressed concrete cylinder pipe; technology of digital tensioning in pre-stressed concrete 萬家寨引黃工程是對山西有重大意義的大型 跨流域引水工程，是針對山西水情狀況做出的重大 決策。山西水情有三個顯著特點：第一個特點是水 資源嚴重短缺，人均占水量只有 438m3，相當于全 國人均水平的 17%，世界人均水平的 4%1。第二 個特點是地表水污染嚴重，山西境內幾乎所有河道 22 工 程 力 學 都受不同程度的污染，受污染河流長達 3700 多公 里，其中超三類污染河道占 67.2%，超五類污染水 占總河長 45.8%。山西境內的水庫也都受到不同程 度的污染，超三類水質水庫占 68%，超五類水質水 庫占 20%。第三個顯著特點是水耗量巨大，作為能 源重化工基地對水資源量的需求龐大。據(jù)專家測 算，采 1t 煤需 2.5t 水，發(fā) 1 度電的平均取水量為 12升。 僅2000年， 山西因采煤損失地下水儲量71.34 億 m3。太原、大同、朔州 3 個能源重化工基地的一 些具備生產能力的工礦企業(yè)，因供水不足，不得不 限產甚至停產，每年造成直接經濟損失 50 多億元， 間接經濟損失 130 多億元。 由于水源不足、水源污染，山西省存在對地下 水資源長期的掠奪性過量開采。以太原為例，2000 年太原市區(qū)城市生活及工業(yè)總取水量為3.55億m3， 采地下水量占 91.8%，為 3.26 億 m3。嚴重的地下 水超采，帶來了地下水位下降、地面下沉等一系列 環(huán)境問題。 山西省萬家寨引黃工程是從根本上解決山西 省太原、朔州和大同 3 大城市工業(yè)和城市生活用水 緊缺的一項大型引水工程，是推動山西省能源重化 工基地全面發(fā)展，振興山西省經濟的重大舉措之 一，是山西省的一項“生命工程” 。其意義在于： 首先，引黃工程建設成功，為山西經濟發(fā)展對 水的需求帶來了廣闊的空間。如果僅以引黃工程一 期工程形成 3.2 億 m3的供水能力計算，可滿足 1000 萬畝節(jié)水農田澆灌；可滿足新增工業(yè)產值 407 億元。引黃二期工程建成后，可實現(xiàn)向太原年 供水 6.4 億 m3， 向大同、 平朔年供水 5.6 億 m3的目 標，可滿足新增工業(yè)產值近 400 億元以及沿途縣、 市、區(qū)數(shù)百萬畝節(jié)水農田灌溉。山西水資源緊缺情 況將得到緩解，能源重化工基地的優(yōu)勢可以得到充 分發(fā)揮。 其次，引黃工程可以為省城經濟社會可持續(xù)發(fā) 展提供可靠的水資源保障。自 2003 年 10 月 26 日 開始，引黃一期工程實現(xiàn)向太原供水，引黃水對太 原城市生態(tài)環(huán)境的改善起到了推進作用。 截至 2004 年 8 月底，共向太原供水 3227 萬 m3，平均日供水 量為 10.35 萬 m3。引黃水的到來使太原市的關井壓 采工作進一步強化，到 2004 年 10 月，太原市累計 關閉了 102 個單位的 174 眼自備水源井，壓縮地下 水開采量 17 萬 m3。 到 2006 年 4 月， 太原市平均日 供水量增加至 31.5 萬 m3， 關閉了 130 家單位的 245 眼自備井，實現(xiàn)日壓縮開采地下水 25 萬 t。從壓采 地下水開始，太原市城區(qū)孔隙地下水位回升了 10m14m。 因超采地下水造成的環(huán)境問題得到了有 效遏制。由此，太原市政府計劃在“十一五”規(guī)劃 期間內關閉全部引黃管網(wǎng)覆蓋區(qū)內自備井。 再次，引黃工程投入運行，推動了汾河流域的 環(huán)境治理工作。引黃水作為城市用水，也包括作為 城市居民生活用水，進入太原呼延水廠的水質要求 必須達到三類水的標準。因引黃工程屬于封閉式調 水工程，對引黃水水質影響最大的是汾河一庫以上 81.2 公里的天然汾河河道，涉及寧武、靜樂、嵐縣、 婁煩 4 個行政區(qū)域。為解決好汾河上游水質的污染 問題，省委、省政府從建設和諧社會的高度，提出 了建設汾河流域藍天碧水工程的構想；省人大修訂 了汾河流域水污染防治條例 ；沿河各縣從建設 城市污水廠、治理污染企業(yè)、加大流域兩岸水土保 持工作三方面著手做了大量具體工作。 另外，引黃水進入人們生活后，水價提高了， 也從不同側面喚醒了人們的節(jié)水意識，提高了水資 源的利用率和廢水回收利用率。 從 1958 年，毛澤東主席首肯引黃入晉濟京的 設想開始，江澤民總書記、李鵬總理、朱镕基總理 都對建好引黃工程，作過重要批示。黨和國家領導 人鄒家華、錢正英、陳錦華等曾先后數(shù)次親臨引黃 工地，國家計委、水利部的負責人更是多次來引黃 工程檢查指導。在他們的大力支持和關懷下，2002 年，國務院將引黃一期工程列入國家的重點工程， 并先后安排了國債資金 10.4 億元， 有力地保證了一 期工程順利建設。目前，引黃一期工程已實現(xiàn)向太 原市不間斷供水，二期北干線向大同、朔州供水工 程正在積極準備前期工作。 1 萬家寨引黃工程規(guī)劃布置 1.1 引黃工程的路線布置 山西省萬家寨引黃入晉工程是一項大型跨流 域梯級引水工程，位于山西省西北部。整個引水線 路，由四部分組成：總干線西起黃河萬家寨水庫， 從萬家寨水庫取水， 經三級泵站提水， 通過過隧洞、 渡槽輸水，東至偏關縣下土寨分水閘，長 44.4 km， 引水流量 483/s，年引水量 12 億3；南干線北起 下土寨，向南穿管涔山入汾河，長 101.7 km；聯(lián)接 段沿汾河流至汾河一庫，再通過管線聯(lián)接到太原呼 延水廠，長 139.4 km；北干線從下土寨向東，穿呂 工 程 力 學 23 梁山經平魯、朔州至大同長 166.9 km，線路全長約 452 km，如圖 1 所示。 圖 1 萬家寨引黃入晉工程路線示意圖 Fig.1 Schematic drawing on the route of YRDP 由于黃河屬于多泥沙河流，8、9 兩月是萬家寨 水庫的排沙期。在此期間，引黃工程停止運行，因 此每年引水時間為 10 個月。 引黃入晉工程分二期實施。一期工程于 1993 年開工，到 2002 年完工。輸水線路長約 285km， 包括總干線全長、南干線全長和聯(lián)接段全長。一期 工程還包括總干線一級、二級、三級泵站和南干線 一級、二級泵站及部分全線自動化工程等2。 1.2 引黃工程規(guī)劃布置 在引黃入晉一期工程的引水線路上，有 5 座大 型地下或地面泵站，總揚程 636m，有隧洞 25 條， 共 162km，還有埋涵、埋管、渡槽、調節(jié)水庫等各 種水工建筑物。 1.2.1 總干線工程規(guī)劃布置 總干線引水工程由 20 座水工建筑物組成，其 中包括：泵站三座，設計總揚程 356m。一級、二 級為地下泵站，每個泵站設計安裝 10 臺定速機組， 8 臺運行，2 臺備用。1 臺變頻器用于 10 臺機組的 起動。設計揚程為 140，單機流量 6.45m3/s。一 期工程每個泵站裝機 3 臺，其中兩臺運行，一臺備 用；三級泵站為地面泵站，帶有一個無壓前池，設 計裝機 10 臺，其中 4 臺變速機組，6 臺定速機組， 8 臺運行，2 臺備用。4 臺變頻器用于變速機組的調 節(jié)。設計揚程 76m，單機流量 6.45m3/s。一期工程 裝機 3 臺，兩臺運行，一臺備用；隧洞 11 條，包 括有壓隧洞 4 條，無壓隧洞 7 條，總長約 42km； 渡槽 4 座，總長 0.56km；申同嘴日調節(jié)地面水庫一 座，水庫運行水位為 1240.5m1248.0m，調節(jié)庫容 為 14.7 萬 m3；分水閘 1 座。 總干線從萬家寨水庫壩內有壓管出口取水，經 1#、2#、3#有壓隧洞向東南約 1km，將水引至設在 清溝南岸山體內的總干一級泵站。經一級泵站出水 調壓井進入 4#有壓隧洞， 東行約 1.7 k至申同嘴以 東的總干二級泵站。二級泵站出水調壓井直接入申 同嘴調節(jié)入庫。申同嘴水庫中的放水閘，線路繼續(xù) 向東經 5#10#明流隧洞和 1#4# 渡槽到總干三級泵 站， 三級泵站位于巖頭寺， 設在偏關河右岸灘地上。 三級泵站出水線路折向東北，經 11# 隧洞至下土寨 分水點，由分水閘向南干線、北干線分水。 1.2.2 南干線工程規(guī)劃布置 南干線引水工程由 16 座水工建筑物組成。其 中：地面泵站二座，設計總揚程 280m。每個泵站 設計裝機 6 臺，其中 4 臺定速機組，允許 2 臺機組 備用。 2 臺變頻器用于機組起動和變速機組的調節(jié)。 設計揚程 140m，單機流量 6.45m3/s。一期工程每個 泵站只裝機 3 臺。安裝 1 臺定速機組，2 臺變速機 組，其中 1 臺備用；無壓隧洞 7 條，長 97.5km；渡 槽 3 座，長 1.12km；埋涵 2 座，長 1.31km；7 號洞 出口控制閘 1 座，明渠 1 段，長 0.47km。 南干線起始于下土寨分水閘，向東南方經南干 1# 渡槽穿過偏關河至設在偏關河左側河道上的南 干一級泵站。水流由一級泵站引出經過 2# 隧洞、2# 渡槽及 3#隧洞至信虎辛窯村東， 再經 1#壓力埋管穿 南溝至南干二級泵站。二級泵站出水經 4# 隧洞、3# 渡槽及 5# 隧洞至木瓜溝埋涵，再經 6# 隧洞至溫嶺 埋涵出口后， 進入 7# 隧洞， 7# 隧洞穿越寧岢鐵路和 神朔鐵路至頭馬營入汾河。 1.2.3 聯(lián)接段工程規(guī)劃布置 聯(lián)接段的水工建筑物有： 汾河水庫進水塔 1 座， 取水隧洞 1 條，PCCP 輸水管 1 條，穿 PCCP 管有 壓隧洞 6 條，無壓隧洞 1 條，減壓閥室 3 座，檢修 閥室 9 座，67 個排氣閥井，40 個排水閥井，37 個 檢查井，8 個流量計井。 聯(lián)接段工程自南干線 7# 洞頭馬營出口至太原 市呼延水廠，長 138.6km。其中利用天然河道輸水 81.2km，輸水管(洞)線輸水 57.4km。水流由天然河 道到達汾河水庫內的進水塔，經過壩下取水隧洞和 PCCP 管道到達聯(lián)接段 7#隧洞進口處，從聯(lián)接段 7# 24 工 程 力 學 隧洞之后的 43.5km，采用了內徑 3.0m 的預應力鋼 筒混凝土(PCCP)輸水管，設計流量為 20.5m3/s，總 落差約210m， 分為3個壓力管段。 第一區(qū)段10.6km， 水位落差 78.5m；第二區(qū)段 10.6km，水位落差 79.0m；第三區(qū)段 11.8km，水位落差 52.5m3。每個 區(qū)段末設一個減壓閥室， 從 7# 隧洞至呼延水廠進水 口采用埋涵(俗稱小聯(lián)接段)和直徑 4.14m 的預制混 凝土管片襯砌隧洞無壓流輸水，其中 7# 隧洞長 13.5km。全程設計流量均為 20.5m3/s。聯(lián)接段輸水 管線段還布設有減壓閥室、檢修閥室、排氣閥井、 排水閥井、檢查井、流量計井等建筑物。 1.2.4 北干線工程規(guī)劃布置 北干線引水工程由 83 座水工建筑物組成。其 中：大梁地下泵站 1 座，設計裝機 2 臺，運行 1 臺， 備用 1 臺，單機流量 4.3 m3/s，設計揚程 142m。調 節(jié)水庫 2 座：大梁水庫和趙家小村水庫，調節(jié)庫容 分別為9125萬 m3和 520萬 m3； 隧洞6段， 長 52km； 埋涵 36 座，長 100 km；倒虹 4 座；渡槽 33 座；魏 家窯電站 1 座，該電站裝機 4 臺，總裝機容量 1.28 萬 kW；北干線分為 3 段，即大梁段、平朔段和大 同段。大梁段始于下土寨分水閘，經北干 1#隧洞與 平朔段相連，其設計流量為 22.2 m3/s，大梁段還包 括大梁泵站，位于大梁水庫主壩右壩肩上游。正常 運行期間，當水從大梁段流向魏家窯電站時，泵站 將水從該段引入大梁水庫。這樣，當 8、9 兩月工 程停引期間，就可由大梁水庫向下游供水至平朔、 山陰、懷仁和大同。平朔段包括：部分 1# 隧洞、大 梁水庫取水點、1# 倒虹、魏家窯電站以及 2# 倒虹 的一部分，其設計流量仍為 22.2m3/s。魏家窯電站 位于 2 個倒虹之間，以便利用倒虹管路首尾之間 82m 的毛水頭，平朔段在 2# 倒虹中部結束，在此 設朔州分水口，分水流量為 9 m3/s。大同段起始于 朔州分水口，沿東南方向引至大同市南郊的趙家小 村水庫。 該段線路設計流量為 11m3/s， 以埋涵為主， 經山陰和懷仁縣城時分別設有分水口，分水流量均 為 0.5m3/s，趙家小村水庫為周調節(jié)水庫，用于向大 同市供水4。 2 新技術、新工藝在引黃一期工程中 的應用 引黃入晉工程是一項高難度、高科技的引水工 程。由于其引水流量大、水泵揚程高、隧洞長且埋 深大及沿線地質條件極為復雜的特點，被國內外專 家稱作“極具挑戰(zhàn)性的世界級引水工程。 ” 在引黃一期工程建設過程中，運用先進的科技 手段，解決了多個學科領域的各種復雜的工程技術 問題。在輸水隧洞掘進貫通施工過程中，采用世界 先進的 GPS 測量技術， 建立施工測量控制網(wǎng)，確保 了工程施工處于科學合理的測量精度控制之下；五 座泵站采用串連調水模式，為實現(xiàn)各級泵站等流量 運行，在國內首次在泵站機組中采用了大型變頻器 驅動的同步電動機；采用國際上先進的日本粟本鐵 工所生產的多噴孔淹沒套筒式流量調節(jié)閥，一方面 可靈活方便地滿足供水系統(tǒng)要求，在流量大范圍變 化情況下實現(xiàn)連續(xù)流量調節(jié)，另一方面便于對整個 工程實行計算機監(jiān)控，實現(xiàn)全線自動化調度管理。 在運營管理上，引黃工程是國內目前已經通水 的引水工程中規(guī)模最大的，運行工況十分復雜，自 動化調度程度高，引黃工程采用的大型計算機監(jiān)控 系統(tǒng)，可以做到對處于正常和異常狀態(tài)的所有設備 進行自動控制，實現(xiàn)了調水線路全程遙測、遙控、 遙調、遙信，達到了國內領先和國際先進水平，使 工程安全運行有了可靠保證。 在引黃工程的土建工程施工中，引水隧洞要穿 越崇山峻嶺，要通過最大埋深達 430m 的巖層，還 要通過土洞段、煤層、膨脹巖、高地下水等極為復 雜的地段，工程必須解決眾多的地質問題和施工難 題。引黃一期工程，采用了許多新技術、新材料和 新工藝，在土建施工方面主要有長隧洞施工采用的 全斷面雙護盾隧洞掘進機，創(chuàng)下日進尺 113m、月 進尺 1821.5m 的世界紀錄；在聯(lián)接段，工程地形條 件復雜，采用預應力鋼筒混凝土管(PCCP)進行輸 水，經過輸水路線合理化設計，成功實現(xiàn)了長距離 的預應力鋼筒混凝土管道(PCCP)輸水，其管道生產 直徑、鋪設線路和隧洞內穿管的技術難度，在目前 國內同類項目中首屈一指；在萬家寨引黃控制調度 中心的預應力梁張拉過程中采用了數(shù)字化張拉技 術，實現(xiàn)了預應力梁張拉過程數(shù)字化控制并保證了 張拉結果的高精度，從根本上改進了預應力工程的 張拉工藝。 2.1 隧洞掘進機(TBM)及其在引黃工程中的應用 2.1.1 TBM 的發(fā)展歷史及分類 隧洞掘進機簡稱TBM(Tunnel Boring Machine)， 是目前國際上最先進的隧洞施工設備，它依靠機械 的強大推力和剪切力破碎巖石，配合連續(xù)出渣，邊 掘進邊襯砌，使整個隧洞掘進、出渣、支護、襯砌 工 程 力 學 25 過程一次完成，廣泛應用于水利、水電、城建、交 通等行業(yè)。 世界上第一臺 TBM 誕生于 1851 年， 但由于在 刀具技術上的缺陷，使這項技術發(fā)展緩慢。其真正 意義上的發(fā)展是在近半個多世紀，美國羅賓斯 (Robbins)公司自 1952 年開發(fā)制造出了現(xiàn)代意義上 的第 1 臺軟巖 TBM 后，1956 年又研制成功中硬巖 TBM。從此，TBM 進入了快速發(fā)展時期。目前， 國外 TBM 技術已經相當成熟，這為復雜地質條件 下的隧道工程建設提供了技術保障5。國外已經建 成的采用 TBM 掘進技術施工的著名大型隧道工程 有英吉利海峽隧道、日本東京灣海底隧道、荷蘭生 態(tài)綠心隧道等。目前我國 TBM 研制相對落后，開 發(fā)的掘進機均屬開敞式，只適用于巖石整體性較好 的情況，且性能較國外同類機型有一定差距。 根據(jù)開挖過程中遇到的巖體或土體的情況不 同將 TBM 分為兩大類：一是隧道硬巖掘進機，即 在巖層中開挖隧道的 TBM，通常用這類 TBM 在穩(wěn) 定性良好、中-厚埋深、中-高強度的巖層中掘進較 長隧道。這類掘進機要解決的基本問題是如何破 巖；二是隧道軟巖掘進機在所謂的松軟地層中掘進 隧道的 TBM，通常用這類 TBM 在具有有限壓力的 地下水位以下的基本均質的軟弱地層中開挖有限 長度的隧道。這類掘進機要解決的基本問題是空洞 和開挖掌子面的穩(wěn)定。 目前，隧道硬巖掘進機的常見機型根據(jù)結構形 式主要分為三種類型： 開敞式 TBM：開敞式 TBM 適用于巖石不 易坍塌和地層比較穩(wěn)定的隧道。在較為破碎的地層 中掘進時，需要在護盾后及時進行噴錨支護。 單護盾式 TBM：單護盾式 TBM 由于掘進 和安裝管片不能同時進行，造成進度較慢，因而應 用得較少。單護盾式 TBM 的使用只有在整條隧道 地質情況都差的條件下才有意義。 雙護盾式 TBM：雙護盾式 TBM 掘進和安 裝管片可同時進行，有較快的進度。在地質條件較 差時，雙護盾式 TBM 采用單護盾模式推進。因此， 雙護盾式 TBM 應用較為廣泛，但工程造價較高。 此外，根據(jù)地質條件的復雜性和 TBM 施工技 術的進一步發(fā)展，三護盾 TBM 也已問世，為美國 羅賓斯公司的新產品。 2.1.2 TBM 在引黃一期工程中的應用 1) 隧洞工程地質情況。 引黃入晉工程的主要輸水建筑物是地下隧洞， 一期工程要開鑿 25 條隧洞，總長約 162km。隧洞 有長有短，洞線有深有淺，巖體有軟有硬，地質條 件極其復雜，幾乎包括了所有地質年代生成的地 層。中、外專家稱引黃入晉工程是活生生的地質博 物館。長深埋隧洞是引黃入晉工程遇到的大難題， 它控制著工期，影響著造價，決定著工程的成敗。 引黃一期工程包括總干線、南干線和聯(lián)接段。總干 線 6#7#8# 隧洞全長 21.41km，采用 TBM 開挖 21.24km。 南干線 4#5#6#7# 隧洞全長 90.3km， 其中采用 TBM 施工 86.9km。聯(lián)接段 7# 洞長 13.52km，采用 TBM 開挖 13.32km。 總干線 6#一 7#一 8# 隧洞通過地層主要為寒武 系、奧陶系灰?guī)r、白云巖、少量第三系紅粘土及紅 土砂礫石和第四系黃土及砂礫石。其中土洞占 5.7，是 6#一 7#一 8# 洞主要工程地質問題。 南干線 4#一 5#一 6#一 7# 隧洞通過的地層前 56km 主要是寒武系、奧陶系灰?guī)r，局部有巖溶和斷 層帶，地下水位低于洞線，另有 Q3、Q2、N2土層 洞段約 1.58km。后 34km 圍巖為石炭系、二疊系、 三疊系、侏羅系的砂巖、頁巖、泥巖及煤層，地下 水位高于洞線，水量比較豐富。整個線路中，圍巖 穩(wěn)定性較好的占 85，差的占 15。 聯(lián)接段 7# 洞長 13.52km，采用 TBM 開挖 13.32km。隧洞主要穿過奧陶系灰?guī)r，個別洞段有 斷層帶， 其中 F60 斷層較大， 斷距可達 70m100m， 斷層破碎帶及影響帶寬為 150m200m， 地下水位低 于隧洞。 隧洞工程地質基本情況見表 1。 表 1 引黃工程隧洞工程地質概況 Table 1 Overview on engineering geology about the tunnels of YRDP 隧洞 編號 隧洞長/m 基本工程 地質情況 主要不良地質問題 總 6#6532.0 灰?guī)r、 白云巖 存在黃土段和紅粘土段 長約 915m、和喀斯特溶洞 總 7#2686.0 灰?guī)r、 白云巖 存在黃土段約 219m 總 8#12193.0灰?guī)r、 白云巖 存在黃土段約 79m 南 4#6883.0 灰?guī)r 地質工程情況較好 南 5#26451.0灰?guī)r 存在區(qū)域性斷層破碎帶， 長達 35km40km 南 6#14396.0灰?guī)r 存在比較發(fā)育的巖溶 南 7#42569.0 灰?guī)r、煤 系地層 在進口段存在多個斷層破碎帶，含 弱膨脹巖地層的洞段長度約20km， 其中含中、高膨脹巖地層的洞段長 約 2.5km，洞段上游有煤系地層 680m 聯(lián) 7#13520.0灰?guī)r、 泥灰?guī)r 存在斷層破碎帶 26 工 程 力 學 2) TBM 施工情況。 引黃工程隧洞挖掘均采用雙護盾 TBM(圖 2)， 其工作階段可分為兩個步驟：第一階段，刀盤旋轉 破巖，前護盾由中部盾構內的主推力油缸向前推進 一個行程 0.6m0.8m(1/2 管片寬度)，而后護盾由抓 緊裝置系統(tǒng)穩(wěn)固在洞壁巖石上，同時傳送機將挖掘 的石碴裝入礦車；在后盾的安裝室進行吊運和安裝 管片，同時在已安裝好的管片襯砌背后充填豆礫石 并灌漿。第二階段在第一階段結束時馬上開始，此 時刀盤已停止運轉，前護盾由輔助抓著器支托著， 后護盾由反掘進油缸作用向前拖動 0.6m0.8m，后 配套設備相應地被連接在機頭上的一套特殊牽引 設備向前引進。 當后配套設備向前運行時， 通風管、 電纜、水管、軌道等設備均由相應裝置自動延伸。 至此，完成一個循環(huán)的破巖、石碴裝運、隧洞襯砌、 延伸管線等作業(yè)。 圖 2 美國羅賓斯雙護盾全斷面掘進機 Fig.2 Double shield tunnel boring machine of Robbins 中部盾構具有可伸縮的特點，保證整個運轉周 期內臨時支撐所掘進的隧洞斷面。當遇到松軟巖石 時，抓著系統(tǒng)不能為刀盤掘進提供足夠的反作用 力，則借助后護盾內的一套輔助推力油缸，使其作 用在已安裝好的襯砌管片上。 引黃工程三個階段的 TBM 施工中均采用了六 邊形預制管片襯砌。該類型襯砌包括： 六邊形 預制管片襯砌(圖 3)。 管片形狀為拱形六邊形預制混 凝土構件，其寬度一般為 TBM 的兩個沖程(總干線 管片寬 1.6m，南干線管片寬 1.4m ，聯(lián)接段 7# 洞管 片寬1.2m)， 管片安裝在TBM的后護盾內進行襯砌， 與開挖同步，管片結合形式為拼裝咬合，4 片拼為 一環(huán)。管片為預制構件，洞外制作，掘進與安裝同 步進行，保證了隧洞的快速施工； 管片與圍巖 之間為回填灌漿加固圈。由于這種襯砌接縫量很大 (引黃工程中每延米洞長的接縫長度為 15m20m)， 為使山巖壓力均勻傳遞，同時增加襯砌的整體性， 在管片與圍巖之間還充填了豆礫石，并進行水泥灌 漿。圖 4 為管片襯砌施工過程。 圖 3 六邊形預制管片 Fig.3 Hexagonal precast segment 圖 4 管片襯砌施工過程 Fig.4 Construction process of the lining segment 引黃工程的 TBM 施工從時間上可分為三個階 段：第一階段 1993 年1999 年總干線 6#、7#、8# 隧 洞施工，此階段投入了 1 臺 TBM；第二階段 1999 年2001 年南干線 4#、5#、6#、7# 隧洞施工，此階 段共投入了 4 臺 TBM；第三階段 2000 年2001 年 聯(lián)接段 7#隧洞施工， 此階段投入了 1 臺 TBM。 TBM 機型及基本施工參數(shù)如表 2 所示。 3) TBM 施工中出現(xiàn)的問題和對策。 TBM 在不良地質洞段掘進出現(xiàn)過一些問題和 處理方法如下： 總干 7# 隧洞出口段屬黃土洞段， TBM 掘進 至樁號 0+48m 處時， 發(fā)生坍塌冒頂事故， 機頭出現(xiàn) 下沉， TBM 被卡不能移動。 承包商采取一系列措施， 包括調整輔助推進缸推力，封閉 4 個周邊進碴斗， 拆除 8 個邊緣刀，減少周邊進碴量，加大正面進碴 量，限制超挖等。通過這些措施，闖過了塌方區(qū)域。 但由于 TBM 機頭下沉，隧洞有 106m 洞底高程低 于設計高程。 TBM 在總干 6# 洞掘進時遇到含水量高達 工 程 力 學 27 32的紅粘土洞段，紅粘土粘在滾刀上使 TBM 無 法前進，承包商采取在掌子面噴注特殊泡沫劑、清 潔劑等改變粘土特性的措施，但都未成功。最后通 過人工清理滾刀，以日進尺 2m3m 速度通過該洞 段。 在總干 6# 隧洞掘進過程中體積約 400m3處 遇到喀斯特溶洞，該溶洞寬 2m，高 7m，能見深度 10m，為使 TBM 通過溶洞時不發(fā)生下沉，首先用 豆礫石回填至高出洞底 25cm 以上， 待 TBM 通過溶 洞后，再對回填部位進行水泥回填灌漿。 南干線 5# 洞南段施工的 TBM 掘進至樁號 K41+808m 處時， 遇到一個天然大溶洞而被迫停機。 溶洞呈下寬上窄形，與隧洞軸線交角約 15，橫向 寬約 5m7m， 縱向寬約 13m15m， 頂部比 TBM 機 頭高約 30m，溶洞底部為松散大塊石，能見部分比 TBM 基礎低約 5m8m。處理方案是：先對溶洞底 部松散巖體進行回填封堵和灌漿，再用素混凝土回 填至隧洞底板以下 0.5m，用鋼筋砼做 TBM 通過的 基礎， 同時考慮到溶洞與隧洞軸線的交叉， TBM 在 一邊無支撐時無法掘進的情況，用素混凝土將溶洞 回填至 TBM 以上 5m，再用 TBM 掘進通過，處理 工作共用了 10 天時間。 TBM 在南干 7# 洞掘進施工中先后遇到斷 層、膨脹巖、溶洞、煤層、地下水等不良地質情況， 其中在通過區(qū)域性大斷層摩天嶺斷層時遇到 較大范圍的破碎帶，拱頂發(fā)生嚴重坍塌，大塊巖體 將刀盤和護盾卡住而被迫停機。在處埋 TBM 卡機 事故過程中，中外專家提出多種方案，后采用固結 掌子面、超前灌漿、開挖上導洞對拱頂巖層進行加 固、清理刀盤前方塌落巖石等措施使 TBM 恢復掘 進，處理卡機事故共用了 3 月時間6。 此外，長隧道采用雙護盾 TBM 并配合六邊蜂 窩形預制管片進行施工，發(fā)揮了快速、安全，掘進 和襯砌同時完成的優(yōu)點，但由于襯砌接縫多，如做 不好止水， 不能有效防止?jié)B漏， 不但造成水量損失， 而且會使圍巖地質條件惡化，影響結構安全。根據(jù) 幾個工程段的經驗，止水條選擇放在管片內側。這 是因為六邊形管片襯砌是利用管片自重自鎖的嵌 坎結構，而僅靠管片自重，部分接縫特別是縱向接 縫完全做到緊密結合比較困難。如果止水條放在內 側，止水條以外的接縫面可以在灌漿過程中由水泥 砂漿充填保證襯砌的整體性。聯(lián)接段 7#洞把止水條 移到內側，效果明顯。 表 2 引黃工程 TBM 機型及施工特性參數(shù) Table 2 Type and characteristic parameters on construction of TBM in YRDP TBM 型號 隧洞 名稱 開挖 直徑 開挖 縱坡 襯砌 內徑 管片 厚度 管片 寬度 管片 強度 羅賓斯 1811-256 總 6# 7#8#洞 6.1251/1500 5.46 25 1.6 C30 羅賓斯 1617-290 南 4# 5#北 4.921/1410 4.30 22 1.4 C55 落賓斯 154-273 南 5# 南.6# 4.821/1250 4.20 22 1.4 C55 羅賓斯 1616-289 南 7# 北洞 4.881/1250 4.20 25 1.4 C55 法 NFM 雙 護盾 TBM 南 7# 南洞 4.881/1250 4.20 25 1.4 C55 羅賓斯 155-274 聯(lián)接 段 7 4.8191/1700 4.14 25 1.2 C45 2.2 預應力鋼筒混凝土管道(PCCP)及其在引黃一 期工程中的應用 2.2.1 PCCP 的發(fā)展歷史 預應力鋼筒混凝土管(Pre-stressed Concrete Cylinder Pipe)是由預應力鋼絲、鋼筒、砼構成的復 合管材，英文縮寫為 PCCP，這種管材是在帶鋼筒 的砼管芯上，纏繞預應力鋼絲，并施噴水泥砂漿保 護層而制成的。 它既發(fā)揮了鋼板的抗拉、 抗?jié)B性能， 又利用了砼抗壓、耐腐蝕的特點，具有承受較大的 內外荷載、抗?jié)B性能好、接頭密封性好、經久耐用 等特性。 內徑 1.5m7m 不等的 PCCP 管道全世界累 計鋪設 3 萬多公里，是大型引水工程和城市給排水 工程理想的輸水管材。 PCCP 這項技術的研制源于法國 “Bonna” 公司， 1942 年美國的“Ameron”公司、 “Price Brother”公 司研制并迅速發(fā)展了 PCCP 技術。目前 PCCP 現(xiàn)已 進入了技術成熟階段，廣泛應用于長距離輸水干 線、城市供水工程、工業(yè)有壓輸水管線、電廠循環(huán) 水工程、水下管道、壓力排污干管和自流式污水管 線等方面7，并在美國、加拿大、德國等國家和地 區(qū)以及我國的臺灣省得到廣泛的應用，世界上規(guī)模 最大的 PCCP 工程為利比亞撒哈拉沙漠供水工程， 這一被譽為“人工大運河”的工程所用 PCCP 直徑 為1600mm4000mm， 工作壓力為0.8 MPa2.6 MPa， 總長 2997 km。 從 70 年代我國已開始研究 PCCP，80 年代國 內開始了 PCCP 的工業(yè)性試驗，在許多工程上得到 應用。在長距離、大流量輸水調水工程方面，山西 省萬家寨引黃工程以總長 43.2km、管徑 3.0m 暫居 28 工 程 力 學 我國乃至亞洲地區(qū)已建成工程首位8,9。 2.2.2 PCCP 的分類及特點 預應力鋼筒混凝土管是由鋼板、鋼絲和混凝土 構成的復合管材。此種管材充分而又綜合地發(fā)揮了 鋼材的抗拉、易密封性及混凝土的耐腐蝕性。它從 形式上可分為兩種：一種是內襯式預應力鋼筒混凝 土管(英文縮寫為 PCCP-L)， 它是在鋼筒內部襯以混 凝土后，在鋼筒外面纏繞預應力鋼絲，再輥射砂漿 保護層，一般可生產 DN600mmDN1200mm 的管 道； 另一種是埋置式預應力鋼筒混凝土管(英文縮寫 為 PCCP-E)，它是將鋼筒埋置在混凝土中，然后在 混凝土管芯上纏繞預應力鋼絲，再輥射砂漿保護 層10，DN12003660mm 的管道一般采用這種生產 方法。南水北調工程北京段 DN4000mm 的管道， 經過試驗，也采用這種生產方法。 預應力鋼筒混凝土管的特點可概括如下： 高強度。由于復合結構的特點，國內應用其輸水工 作壓力達 2.0MPa，覆土達 12m； 高抗?jié)B性。最 優(yōu)化地利用鋼材和混凝土，薄鋼板起到高抗?jié)B的作 用； 高密封性。采用鋼制套環(huán)和滑動膠圈接口， 密封性得到了保證； 耐久性強。對于有腐蝕性 介質的地段，管道采用環(huán)氧煤瀝青防腐，而鋼筒由 水泥混凝包裹，受到堿性游離石灰的保護，壽命得 到了延長； 接口尺寸精確，并可使用限制接口， 可免去支墩，安裝方便，加快了施工進度； 平 時不需要養(yǎng)護，可以帶壓打孔，安裝支線。唯一的 缺點是重量較重，但國內施工單位已創(chuàng)造了槽內安 裝簡易設備，施工方法和速度得到了妥善解決11。 2.2.3 PCCP 在引黃一期工程中的應用 1) 聯(lián)接段 PCCP 輸水工程的自然條件。 聯(lián)接段工程是山西省萬家寨引黃一期工程的 主要組成部分，在這段引水線路中，從汾河水庫壩 下洞至掃石 3#減壓閥室， 43.2km 長的輸水區(qū)間， 為 聯(lián)接段 PCCP 輸水工程。這是由于在該區(qū)段輸水線 路穿行于汾河河谷和沿岸山地，地形復雜，施工干 擾極其嚴重：輸水線路穿越 6 條隧洞，穿越汾河主 河道 11 次，長約 1.9km，與古交工礦區(qū)供水管交叉 20 次，與尖山鐵礦精礦粉管交叉 10 次，與煤氣管 道交叉 19 次，與太一古一嵐鐵路交叉 5 次，與太 寧公路、婁梭公路交叉 19 次，并與大量的污水管 道、雨水管道、古交自來水管道、電信、電力纜線 等發(fā)生交叉；此外，引水線路途經工礦企業(yè) 40 余 個，屬煤礦重度污染區(qū)，考慮到輸水線路復雜的地 形及施工條件以及為防止引黃水被污染、滲漏、蒸 發(fā)損失12，在這個區(qū)段的輸水管道采用世界上廣泛 使用的 PCCP 輸水工程。 2) 聯(lián)接段 PCCP 輸水工程的施工。 PCCP 管道主要布設于一級階地和河漫灘，少 量布設于二級階地及山腳基巖內，巖性變化大，有 粘土、砂礫、變質巖、沙頁巖、風化巖等不同的地 質條件，管溝開挖難度較大。聯(lián)接段 PCCP 輸水工 程的建設主要包括 PCCP 管的制造和安裝兩個部 分： PCCP 管的制造。PCCP 管的制作主要包括： 鋼圈加工、鋼筒制作、管芯混凝土澆筑、纏繞預應 力鋼絲、水泥砂漿保護層的輥射幾個步驟。其施工 工藝過程如圖 5 示。 鋼板下料承口環(huán)焊接承口環(huán)漲圓成型 異型鋼下料插口環(huán)焊接插口環(huán)漲圓成型 鋼 帶螺旋制筒 鋼筒、承插口環(huán)焊接成型鋼筒試水壓管模整理 管芯混凝土振動成型吊、注砼攪 拌水泥、砂、石、水計量 水泥、砂、石、水計量蒸汽養(yǎng)護砂漿攪拌 纏繞環(huán)向鋼筋預應力絲噴制砂漿保護層脫 模 保護層養(yǎng)護承插口防腐處理成品堆放 組裝承插口環(huán) 圖 5 PCCP 生產工藝流程圖 Fig.5 Manufacturing flow diagram of PCCP PCCP 管的安裝施工。聯(lián)接段 PCCP 輸水工 程管道安裝施工分為兩種形式：一是明挖溝槽安裝 PCCP(圖 6)，安裝長度 35.3 公里。PCCP 在明挖溝 槽內的鋪設步驟包括：管線測量放線、溝槽機械挖 土、鋪設管道基礎墊層、管道布設安裝、管道水壓 試驗、管接頭處理、覆土回填、回填質量檢查和質 量控制。二是在已成型的隧洞內安裝 PCCP，安裝 長度 7.9 公里。 PCCP 在隧洞內的鋪設步驟包括：管線測量放 線、放線定出運管車軌道中心高程和坡降、澆筑軌 道基面、焊接軌道、PCCP 管軌道運送測試及調整、 安裝門機或龍門吊及負荷試驗、吊放管件、馱管機 馱運管件、檢查裝管與待裝管的同心度、將承插口 插入、調整管道中心高程坡度、用預制混凝土塊管 道進行最終支撐和加固、對接頭進行水壓實驗、泵 送混凝土回填。 工 程 力 學 29 圖 6 明挖溝槽安裝 PCCP Fig.6 Open cut trench construction of PCCP 3) 聯(lián)接段 PCCP 輸水工程的關鍵技術。 嚴格原材料控制。PCCP 設計、生產、安裝 及測試除部分材料采用中國標準外，均采用美國供 水協(xié)會 AWWA C304、AWWA C301 標準和 AWWA M9、AWWA M11 手冊，指標顯著高于國內行業(yè)標 準，部分指標高于美國 AWWA C301、C304 標準。 水泥采用低堿水泥，嚴格控制 C3A 和堿含量；砂石 骨料不得具有堿活性；混凝土和砂漿混合物對于水 溶性氯離子含量有嚴格要求；鋼絲采用冷拉鋼絲， 符合美國材料試驗學會 ASTM A648 標準對于預應 力混凝土管道用鋼絲的要求，除滿足拉伸、扭轉等 力學指標外還有氫脆性靈敏度要求，高于 AWWA C301 標準；混凝土試塊采用圓柱體，強度較高，分 別為 C40(相當于立方體 C50)、C44(相當于立方體 C55)、C48(相當于立方體 C60)；纏絲工藝及應力指 標高于國內標準，不 PCCP 兩端的纏絲允許密繞， 纏絲應力波動不得超過平均張力值的 l0；吸水率 的試驗方法及指標要求較高；混凝土入倉溫度控制 標準嚴格。在施工中嚴格的原材料質量控制，從根 本上保證了引黃工程的施工質量。 聯(lián)合止推設計。由于工程地形復雜，限制 了混凝土支礅的使用，而全采用鎧裝接頭止推，鋼 筒的壁厚較標準管的厚， 管道加工難度大、 效率低， 因此本項目采用鎧裝接頭和混凝土支礅聯(lián)合止推 設計。由于在大管徑上采用鎧裝接頭和聯(lián)合止推在 國內外尚屬首次，本項目委托無錫華毅有限公司進 行了試驗，證明鎧裝接頭的可靠性，并為聯(lián)合止推 設計提供了依據(jù)。根據(jù)工程特點，管道止推確定有 三種止推形式：其一為靠管道約束連接和自身與土 壤摩擦力承擔止推力；其二為采取混凝土支墩、鎮(zhèn) 墩形式承擔止推力；其三為管道約束連接后自身與 土壤摩擦力承擔部分止推力，剩余止推力采取混凝 土支墩、鎮(zhèn)墩承擔。 通過模擬試驗，鎧裝接口約束連接是可行的。 在管道止推力較小位置，可采取第一或第二種止推 形式，在管道止推力巨大的位置采取第三種止推形 式。 穿越河段管線敷設。在管線布置時為減少 工程投資，根據(jù)地形條件輸水管橫穿汾河 11 次， 設計時充分考慮了這段管線的穩(wěn)定和抗沖刷問題。 為保證穩(wěn)定性， 在穿河管道三部分(進、 出口斜坡及 底部中段)的起止處設有鎮(zhèn)墩， 穿河段管頂覆蓋厚度 不小于 6m，距管頂 3m 處設有厚度為 1m 的塑料格 柵石籠，沿河總寬 18m，防止沖刷。此外，由于一 些河段開挖深度達 12m，由于高地下水，開挖后的 溝槽內鋪滿積水，對管道基礎處理極為不利。施工 中采取修筑局部圍堰, 晝夜不間斷排水，并用圓形 鋼管、槽形鋼打樁，控制溝槽邊坡塌方，在部分地 基軟弱地段進行換基處理回填碎石料或塊石，使管 道墊層達到安裝要求。 隧洞穿管技術。 在隧洞內埋設 3m 口徑管道 在國內外尚屬首例。由于管道外壁與已成型隧洞間 隙只有 15cm30cm，為了確保管道安全地運入洞 內，與已經安裝的管道準確對接、定位，以及管道 外壁與隧洞間隙充填后接觸完好，在多方技術人員 的共同努力下，確定了采用特制有軌馱梁式隧道內 運管車進行隧道內管道的運輸和安裝，并使用了管 道安全運輸、安裝、準確定位、對接和以 20m 為一 個單元用泵送混凝土對管道外壁與隧洞之間的空 隙充填混凝土的一整套隧洞穿管施工技術。 2.3 預應力數(shù)字化張拉技術及其在引黃工程中的 應用 2.3.1 預應力數(shù)字化張拉技術提出的背景 預應力張拉精度是決定預應力結構安全與正 常運營的首要條件，一旦預應力張拉精度失控，輕 則會引起結構出現(xiàn)錨固端的縱向裂紋、反拱過大， 重則會引起結構出現(xiàn)橫向裂縫、預應力筋拉斷等事 故。在土木工程領域中對預應力構件進行張拉時采 用的傳統(tǒng)施工工藝的效率及精度較低。自 20 世紀 80 年代末以來， 國內外工程界對有效提高預應力張 拉精度高度重視。研究者從不同角度對預應力張拉 進行了研究。針對這一問題提出兩種思路：一是預 應力信息化施工；二是