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中国实现重大科技创新确保长江之水穿越黄河
  2009-07-06 15:15  

    新华网北京7月4日电(记者 姚润丰)在郑州花园口西的黄河河床底部40米深处,打两条4250米长的隧道,清澈的汉江水将由此穿越黄河北上,向北方地区供水,形成长江南来水与东西向的黄河水流的十字立交,擦肩而过,江水不犯河水……当你的脑海里出现如此人文与自然奇观,一定难以想象,这一空间的穿越,应该穿越了多少工程技术的层层障碍。

    如何从黄河底下复杂的地层中开凿数千米的隧洞?如何保证隧洞不漏水,并承载内外水压……作为南水北调工程最具技术难度和工期最长的单项工程之一,穿黄工程被称为南水北调中线的“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,开创了数个中国甚至世界第一:中国第一次采用大直径隧洞穿越黄河淤积层,第一次在中国水利界采用泥水平衡加压式盾构进行隧洞掘进施工,隧洞双层衬砌的结构形式在世界前所未有。

    在早期论证设计过程中,中线工程调水通过黄河,有两个方案,有人主张凌空飞架渡槽,有人坚持开凿河底隧洞。两个方案经过无数次的比选论证,也成为南水北调工程科学论证、民主决策的典范。

    “这两个方案在技术上各有利弊。”南水北调中线建管局河南直管建管部总工程师王江涛说,渡槽结构简单、受力明确、检修方便,能形成壮丽人文景观,但修建渡槽好比在黄河上插了一把梳子,不利于河流走势,也不利于黄河中下游整体开发等。

    经过10多年的科学论证,根据技术、经济等因素的综合比较,最终确定隧洞方案。其最大的优点是:悄悄通过黄河底部,对黄河冲淤变化、河势改变、生态与环境影响不大,为该河段开发留有较大余地。穿黄隧洞采用双线平行布置,即采用两条隧洞方案,单洞长4.25公里,内径7米,两洞相距28米。隧洞深埋于黄河河床下23-35米深处。

    虽然中国成功地利用盾构法完成了多条城市地铁和过江公路,“但在高地下水位下,在密实砂层、砂砾石层、黏土层等复杂地层中用盾构机一次性长距离掘进穿越大河,这在中国尚属首例。”王江涛如是评价。

    大型超深盾构机始发工作竖井、新型隧洞双层衬砌结构、大型的黄土退水洞以及隧洞进口黄土高边坡……穿黄工程开工以来,一个个技术创新为穿黄工程盾构顺利施工起到了保驾护航的作用。

    穿黄隧洞盾构始发采用竖井形式。庞大的盾构机要钻到地下深处,对准隧洞口原点开始掘进,必须为它的“始发”创造必要而充分的条件。这就是先要打造垂直宽敞的安全竖井,如建造火箭发射场一样。

    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。据王江涛介绍,由于地层条件差、地下水位高,竖井井壁必须牢固结实,采用地下连续墙形式,厚1.5米,深76.6米,均为当前中国之最。

    竖井胜利完工,主角——盾构机就登场了。盾构机从地下50多米处掘进,就像一条钻地巨龙,创造了中国目前盾构机始发最深的纪录。下游线和上游线盾构分别于2007年7月和2008年3月顺利始发。

    新型双层衬砌结构形式,在国内,无论在盾构法施工的交通隧道或水工隧洞中均属首例。穿黄隧洞面对的不仅仅是黄河水和河床对隧洞外层形成的外压力,还要考虑隧洞过水的时候对隧洞内衬形成的压力,也就是内水压力,隧洞必须经受住外水和内水压力的夹攻。还因为穿黄河段是游荡性河段,河床对隧洞最小覆盖厚度23米,河床冲淤变化引起的纵向沉降,会作用于穿黄隧洞;还要适应烈度为7度的地震条件下,满足每秒265立方米设计流量安全运行要求;穿黄隧洞沿线将穿越单一砂土、砂砾石层、半砂半土、单一黏土等复杂地层结构。这一切决定了必须采用新型双层衬砌结构,才能保证穿黄隧洞固若金汤。外层衬砌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、外层衬砌为防排水弹性垫层所分隔,使其分别单独受力。

    “通过四级专家咨询体系,科学决策,在施工技术和设备改造上大胆进行科技创新。除穿黄隧洞工程外,我们还成功解决了穿黄工程南岸明渠的高地下水位下高边坡的稳定、施工降水以及黄河南岸退水洞工程的大断面黄土隧洞施工技术等几大技术难题。”高必华透露,目前穿黄两条隧洞掘进非常顺利,两标段掘进合计完成超过4400米,超越单个隧洞总长,预计明年年初能够贯通。


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