南水北调中线穿黄隧洞工程设计关键技术

南水北调中线穿黄隧洞工程设计关键技术

王永杰 苌培志

南水北调工程干线工程建设管理局河南分局 450000

摘要：在我国进入21世纪快速发展的新时期，经济在迅猛发展，社会在不断进步，根据南水北调中线一期工程建设过程中的科技攻关，本文重点介绍了长距离自流输水线路输水型式选择、施工测量控制、混凝土重力坝再加高和软基中承受内水压力的水工隧洞设计施工中的几个关键技术问题，系统阐述了上述关键技术问题的解决思路和作者的再思考。

关键词：穿黄河隧洞;泥水盾构;注浆技术;南水北调中线

引言

南水北调中线工程是我国水资源优化配置的战略性基础设施。穿黄工程是中线的控制性工程，是国内外规模最大、地质条件最为复杂、技术难度最高的输水工程。穿黄工程勘察关键技术研究持续20余年，在大型输水盾构隧洞穿越游荡性大江大河勘察技术、黄土高边坡、饱和黄土洞室问题研究、砂土地基地震液化处理等方面取得了一系列创新性成果，解决了深厚砂层勘察取芯、取样、地下埋藏古木探察等一系列难题，保证了穿黄工程顺利建设，推动了国内水利勘察行业的技术进步。

1概述

在南水北调穿黄河隧洞工程的前期论证至工程建设期持续组织过程中开展了大量的研究工作，研究成果表明，隧洞穿越方案和渡槽穿越方案均能满足工程输水规模和运用要求，技术上均可行，经反复比选并兼顾黄河治理相关要求，确定采用隧洞穿越方案。根据穿黄河隧洞方案的布置要求以及黄河治理工程的总体布局，隧洞方案采用黄河孤柏嘴上游李村附近穿越黄河，该线位于河南省郑州市境内邙山黄河铁路桥以西约30km，于邙山山脉孤柏山湾横穿黄河。该方案将黄河约9.9km宽的河道压缩为3.5km，隧洞出口位于黄河北岸滩地，在黄河滩地上修建全填方明渠，与黄河北岸输水建筑物连接。为了确保工程安全，需要对隧洞工程区附近黄河进行必要的整治，保证工程区黄河河势稳定。前期论证中还对深埋于基岩中的深埋隧洞方案和在覆盖层中穿越的隧洞方案进行过比较。深埋隧洞方案深埋于黄河河床下方第三系粘土岩、粉质砂岩中，由于粘土岩、粉质砂岩岩性软弱，特别是与上方覆盖层相接触的基岩顶面破碎，且由于埋深大，难以用常规方法施工，与在覆盖层中穿越的隧洞方案相比，投资较大。经比较，采用覆盖层中穿越的隧洞方案。进口采用800m斜洞(邙山隧洞)与3450m长的过河隧洞联接，以避免进口高边坡开挖相应的技术难题。过河隧洞南、北两岸分别布置两个大型施工竖井，北岸布置盾构出发井兼施工竖井，隧洞建成后改建为竖直输水洞;南岸布置盾构检修井兼施工竖井，隧洞建成后封闭、拆除;出口采用竖井与下游明渠渠道联接。

2南水北调中线穿黄隧洞工程设计关键技术 

2.1保证自流输水安全的对策措施

自流输水的优点是运行期不消耗能源，可节约运行成本，但对于长距离、大流量输水线路，输水渠道不可避免将出现填方和挖方甚至高填方和深挖方渠段，尤其是高填方渠段，必须绝对保证输水安全。为了保证中线填方渠道输水安全，中线工程专题进行了全线输水风险分析，并采取了多种加强高填方渠道输水安全的保障措施，各种加强措施归纳起来可描述为“设计标准、适当提高;节制灵活、退水有槽;防渗排水，各司其道;基础处理、坚实可靠;填料合格、压实质好;堤防穿越，严禁渗绕;安全监测，及时警报。”“设计标准、适当提高”是指填方渠道的安全超高、堤顶宽度、内外边坡、衬砌厚度、铺膜厚度等均根据风险情况高于国家标准和南水北调工程技术标准规定。“防渗排水，各司其道”是指全面复核填方渠段的渗流稳定，确保防渗系统和排水系统的完整性，根据复核结果加强贴坡排水反滤设计，在贴坡排水的外坡脚附近设置渗流排水沟。“节制灵活、退水有槽”是指工程发生突发事故时节制闸能及时关闸，退水闸能有效退水，必要时增设高填方渠段退水闸。“基础处理、坚实可靠”是指要求施工要坚决按照设计要求进行填方渠道基础的湿陷性黄土状土处理、饱和液化砂土处理及宅基地人工杂填土处理，确保不因基础处理不到位引起堤身的不均匀沉陷。“填料合格、压实质好”是指保证填方渠道的填筑料或回填料质量合格，填筑含水率、干密度满足设计要求;水平分层填筑，严格控制层厚;碾压机具功能强大，碾压遍数合格;高填方渠堤填筑时要先超宽后削坡等。“堤防穿越，严禁渗绕”是指渠道与穿堤建筑物结合部位的开挖填筑要符合相关规定。另对于渠道填方段缺口处填筑接头要有专门的设计，渠道分段施工时衔接部位新老填土接坡要缓，缺口的接触面要做专门处理，缺口填筑后到混凝土衬砌板施工间要留足够的预沉降期。“安全监测，及时警报”是指加强高填方渠道的安全监测设计，适当增加监测断面及监测点，及时监测沉降、位移、渗流状态和工程发生的不均匀沉降、裂缝等异常现象，做好渠道的应急预案设计，要通过现代信息手段及时报警。

2.2穿黄隧洞盾构施工法的选择

从国内外工程实践来看，大多埋深较大、穿越松散含水地层、河床冲刷深度大、地质条件复杂的河底隧洞工程，采用明挖埋管法、矿山洞挖法、顶管法和沉管法建造隧洞很难实现。采用盾构法施工，与其他施工方法相比，施工进度快、安全。从目前情况来看，日本、德国、法国等国的盾构机制造水平及盾构施工技术比较先进，而国内盾构机制造水平最近几年也有了很大的提高，城市已成功地利用盾构技术完成了多条城市地铁、过江(河)隧道的施工，积累了大量的工程施工经验，依靠国内技术施工是可行可靠的。经过长时间论证和多方面比较，推荐穿黄隧洞采用盾构法施工。盾构法是在地面下暗挖隧道的一种先进的施工方法，盾构是开挖土砂围岩的主要施工机械。盾构在土体中推进，一边防止土砂的崩塌，一边在其内部进行开挖、衬砌循环作业，其优点是洞外作业面小，施工进度快(英吉利海峡隧道月进尺最高达1000m/月以上、国内引黄人晋南干线双护盾施工最高月进尺达1316m/月)，施工造价不受隧洞埋深、覆土量多少影响，不影响河道行洪。穿黄隧洞穿越地层的地下水位一般位于地表以下1-2m，地下水由黄河与降水补给，非常丰富，因此保证开挖面稳定是保证施工安全的重要因素。国内外多大数位于透水地层(如砂、砾砾地层)中且处于河(海)底下的隧道均采用泥水加压式盾构施工，其施工经验丰富，技术成熟。

2.3合理确定隧洞间距和埋深，可节省工程量

为避免前行盾构隧洞经灌浆和加固后围土结构不受后进盾构隧洞施工的扰动，隧洞间距应尽量取大值;从隧洞进、出口建筑物布置的角度考虑，隧洞的间距应尽量小一些，可使建筑物布置紧凑，节省工程量。根据相关规程规范的要求和工程实践经验，隧洞净间距一般不宜小于两倍隧洞外径，据此确定穿黄河隧洞工程两隧洞中心间距。隧洞埋深主要受地质条件、黄河河道最大冲刷深度以及盾构施工要求综合确定。从地质条件看，穿黄河隧洞在设计地震作用下，河床及北漫滩前缘为严重液化区，最大液化深度可达16m，隧洞应布置在液化区外;从黄河河道最大冲刷深度看，在黄河行洪时，最大冲刷深度20m，隧洞应埋置于冲刷深度以下;从盾构施工要求看，为防止施工过程中平衡掌子面的压力跑气、泥水渗漏、隧洞浮起，隧洞最小埋深应大于15m。综合考虑，过河隧洞顶高程最高点确定为76.8m，埋深约为23～32m，位于液化砂层及冲刷坑以下，留有一定余度，还可避开在承载力低、较为松散的Q24地层中通过。

结语

南水北调中线一期工程已于2014年12月12日实现了全线通水，在关注这一举世瞩目的工程给中国水资源配置带来社会经济效果时，也应该关注工程建设中的科技创新和经验总结，总结成功经验、避免再走弯路，不但有助于更好更快地实施调水工程建设，也必将有力地推动我国水资源优化配置工作更上一个新台阶。

参考文献

［1］王江涛，陈建军，等.南水北调中线穿黄工程泥水盾构施工技术［M］.郑州:黄河水利出版社，2010.

［2］长江勘测规划设计研究有限责任公司.复杂地质条件下穿黄隧洞工程关键技术研究报告［Ｒ］.武汉:长江勘测规划设计研究有限责任公司，2010.