引黃入晉萬(wàn)家寨引黃工程綜述及高技術(shù)應(yīng)用李珠.pdf

第 24 卷增刊 II Vol.24 Sup.II 工 程 力 學(xué) 2007 年 12 月 Dec. 2007 ENGINEERING MECHANICS 21 收稿日期：2007-05-10 作者簡(jiǎn)介：*李 珠(1959)，男，河南開(kāi)封人，教授，博士，博導(dǎo)，從事結(jié)構(gòu)工程與力學(xué)研究(E-mail: )； 劉元珍(1974)，女，山西霍州人，講師，博士生，從事結(jié)構(gòu)工程研究(E-mail: )； 閆 旭(1975)，女，山西太原人，講師，博士生，從事結(jié)構(gòu)工程研究(E-mail: )； 任夠平(1975)，男，山西孝義人，高工，博士生，從事結(jié)構(gòu)工程研究(E-mail: )； 王育青(1966)，男，山西忻州人，高工，工學(xué)碩士，從事結(jié)構(gòu)工程研究(E-mail: ). 文章編號(hào)：1000-4750(2007)Sup.II-0021-12 引黃入晉萬(wàn)家寨引黃工程綜述及高新技術(shù)應(yīng)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(xué)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(jìn)山西經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，維系國(guó)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(wàn)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(xiàng)高新技術(shù)：隧道掘進(jìn)、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道輸水及預(yù)應(yīng)力數(shù)字化張拉技術(shù)在引黃一期工程中的應(yīng)用。 研究了三項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的工程條件及施工難點(diǎn)，提出相應(yīng)的施工方法及對(duì)策，為今后 類似水工建設(shè)工程項(xiàng)目施工提供參考。 關(guān)鍵詞：引黃工程；水工建筑物；隧道掘進(jìn)機(jī)；預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道；預(yù)應(yīng)力數(shù)字化張拉技術(shù) 中圖分類號(hào)：P512.2+2; P641 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(wàn)家寨引黃工程是對(duì)山西有重大意義的大型 跨流域引水工程，是針對(duì)山西水情狀況做出的重大 決策。山西水情有三個(gè)顯著特點(diǎn)：第一個(gè)特點(diǎn)是水 資源嚴(yán)重短缺，人均占水量只有 438m3，相當(dāng)于全 國(guó)人均水平的 17%，世界人均水平的 4%1。第二 個(gè)特點(diǎn)是地表水污染嚴(yán)重，山西境內(nèi)幾乎所有河道 22 工 程 力 學(xué) 都受不同程度的污染，受污染河流長(zhǎng)達(dá) 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(zhǎng) 45.8%。山西境內(nèi)的水庫(kù)也都受到不同程 度的污染，超三類水質(zhì)水庫(kù)占 68%，超五類水質(zhì)水 庫(kù)占 20%。第三個(gè)顯著特點(diǎn)是水耗量巨大，作為能 源重化工基地對(duì)水資源量的需求龐大。據(jù)專家測(cè) 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(chǔ)量71.34 億 m3。太原、大同、朔州 3 個(gè)能源重化工基地的一 些具備生產(chǎn)能力的工礦企業(yè)，因供水不足，不得不 限產(chǎn)甚至停產(chǎn)，每年造成直接經(jīng)濟(jì)損失 50 多億元， 間接經(jīng)濟(jì)損失 130 多億元。 由于水源不足、水源污染，山西省存在對(duì)地下 水資源長(zhǎng)期的掠奪性過(guò)量開(kāi)采。以太原為例，2000 年太原市區(qū)城市生活及工業(yè)總?cè)∷繛?.55億m3， 采地下水量占 91.8%，為 3.26 億 m3。嚴(yán)重的地下 水超采，帶來(lái)了地下水位下降、地面下沉等一系列 環(huán)境問(wèn)題。 山西省萬(wàn)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(xiàng)大型引水工程，是推動(dòng)山西省能源重化 工基地全面發(fā)展，振興山西省經(jīng)濟(jì)的重大舉措之 一，是山西省的一項(xiàng)“生命工程” 。其意義在于： 首先，引黃工程建設(shè)成功，為山西經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì) 水的需求帶來(lái)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(jì)算，可滿足 1000 萬(wàn)畝節(jié)水農(nóng)田澆灌；可滿足新增工業(yè)產(chǎn)值 407 億元。引黃二期工程建成后，可實(shí)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(biāo)，可滿足新增工業(yè)產(chǎn)值近 400 億元以及沿途縣、 市、區(qū)數(shù)百萬(wàn)畝節(jié)水農(nóng)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(shì)可以得到充 分發(fā)揮。 其次，引黃工程可以為省城經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(kāi)始，引黃一期工程實(shí)現(xiàn)向太原供水，引黃水對(duì)太 原城市生態(tài)環(huán)境的改善起到了推進(jìn)作用。 截至 2004 年 8 月底，共向太原供水 3227 萬(wàn) m3，平均日供水 量為 10.35 萬(wàn) m3。引黃水的到來(lái)使太原市的關(guān)井壓 采工作進(jìn)一步強(qiáng)化，到 2004 年 10 月，太原市累計(jì) 關(guān)閉了 102 個(gè)單位的 174 眼自備水源井，壓縮地下 水開(kāi)采量 17 萬(wàn) m3。 到 2006 年 4 月， 太原市平均日 供水量增加至 31.5 萬(wàn) m3， 關(guān)閉了 130 家單位的 245 眼自備井，實(shí)現(xiàn)日壓縮開(kāi)采地下水 25 萬(wàn) t。從壓采 地下水開(kāi)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(wèn)題得到了有 效遏制。由此，太原市政府計(jì)劃在“十一五”規(guī)劃 期間內(nèi)關(guān)閉全部引黃管網(wǎng)覆蓋區(qū)內(nèi)自備井。 再次，引黃工程投入運(yùn)行，推動(dòng)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(jìn)入太原呼延水廠的水質(zhì)要求 必須達(dá)到三類水的標(biāo)準(zhǔn)。因引黃工程屬于封閉式調(diào) 水工程，對(duì)引黃水水質(zhì)影響最大的是汾河一庫(kù)以上 81.2 公里的天然汾河河道，涉及寧武、靜樂(lè)、嵐縣、 婁煩 4 個(gè)行政區(qū)域。為解決好汾河上游水質(zhì)的污染 問(wèn)題，省委、省政府從建設(shè)和諧社會(huì)的高度，提出 了建設(shè)汾河流域藍(lán)天碧水工程的構(gòu)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(shè) 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(jìn)入人們生活后，水價(jià)提高了， 也從不同側(cè)面喚醒了人們的節(jié)水意識(shí)，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(jì)京的 設(shè)想開(kāi)始，江澤民總書(shū)記、李鵬總理、朱镕基總理 都對(duì)建好引黃工程，作過(guò)重要批示。黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo) 人鄒家華、錢(qián)正英、陳錦華等曾先后數(shù)次親臨引黃 工地，國(guó)家計(jì)委、水利部的負(fù)責(zé)人更是多次來(lái)引黃 工程檢查指導(dǎo)。在他們的大力支持和關(guān)懷下，2002 年，國(guó)務(wù)院將引黃一期工程列入國(guó)家的重點(diǎn)工程， 并先后安排了國(guó)債資金 10.4 億元， 有力地保證了一 期工程順利建設(shè)。目前，引黃一期工程已實(shí)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(zhǔn)備前期工作。 1 萬(wàn)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(wàn)家寨引黃入晉工程是一項(xiàng)大型跨流 域梯級(jí)引水工程，位于山西省西北部。整個(gè)引水線 路，由四部分組成：總干線西起黃河萬(wàn)家寨水庫(kù)， 從萬(wàn)家寨水庫(kù)取水， 經(jīng)三級(jí)泵站提水， 通過(guò)過(guò)隧洞、 渡槽輸水，東至偏關(guān)縣下土寨分水閘，長(zhǎng) 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(zhǎng) 101.7 km；聯(lián)接 段沿汾河流至汾河一庫(kù)，再通過(guò)管線聯(lián)接到太原呼 延水廠，長(zhǎng) 139.4 km；北干線從下土寨向東，穿呂 工 程 力 學(xué) 23 梁山經(jīng)平魯、朔州至大同長(zhǎng) 166.9 km，線路全長(zhǎng)約 452 km，如圖 1 所示。 圖 1 萬(wàn)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(wàn)家寨 水庫(kù)的排沙期。在此期間，引黃工程停止運(yùn)行，因 此每年引水時(shí)間為 10 個(gè)月。 引黃入晉工程分二期實(shí)施。一期工程于 1993 年開(kāi)工，到 2002 年完工。輸水線路長(zhǎng)約 285km， 包括總干線全長(zhǎng)、南干線全長(zhǎng)和聯(lián)接段全長(zhǎng)。一期 工程還包括總干線一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)泵站和南干線 一級(jí)、二級(jí)泵站及部分全線自動(dòng)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(yáng)程 636m，有隧洞 25 條， 共 162km，還有埋涵、埋管、渡槽、調(diào)節(jié)水庫(kù)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(shè)計(jì)總揚(yáng)程 356m。一級(jí)、二 級(jí)為地下泵站，每個(gè)泵站設(shè)計(jì)安裝 10 臺(tái)定速機(jī)組， 8 臺(tái)運(yùn)行，2 臺(tái)備用。1 臺(tái)變頻器用于 10 臺(tái)機(jī)組的 起動(dòng)。設(shè)計(jì)揚(yáng)程為 140，單機(jī)流量 6.45m3/s。一 期工程每個(gè)泵站裝機(jī) 3 臺(tái)，其中兩臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備 用；三級(jí)泵站為地面泵站，帶有一個(gè)無(wú)壓前池，設(shè) 計(jì)裝機(jī) 10 臺(tái)，其中 4 臺(tái)變速機(jī)組，6 臺(tái)定速機(jī)組， 8 臺(tái)運(yùn)行，2 臺(tái)備用。4 臺(tái)變頻器用于變速機(jī)組的調(diào) 節(jié)。設(shè)計(jì)揚(yáng)程 76m，單機(jī)流量 6.45m3/s。一期工程 裝機(jī) 3 臺(tái)，兩臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用；隧洞 11 條，包 括有壓隧洞 4 條，無(wú)壓隧洞 7 條，總長(zhǎng)約 42km； 渡槽 4 座，總長(zhǎng) 0.56km；申同嘴日調(diào)節(jié)地面水庫(kù)一 座，水庫(kù)運(yùn)行水位為 1240.5m1248.0m，調(diào)節(jié)庫(kù)容 為 14.7 萬(wàn) m3；分水閘 1 座。 總干線從萬(wàn)家寨水庫(kù)壩內(nèi)有壓管出口取水，經(jīng) 1#、2#、3#有壓隧洞向東南約 1km，將水引至設(shè)在 清溝南岸山體內(nèi)的總干一級(jí)泵站。經(jīng)一級(jí)泵站出水 調(diào)壓井進(jìn)入 4#有壓隧洞， 東行約 1.7 k至申同嘴以 東的總干二級(jí)泵站。二級(jí)泵站出水調(diào)壓井直接入申 同嘴調(diào)節(jié)入庫(kù)。申同嘴水庫(kù)中的放水閘，線路繼續(xù) 向東經(jīng) 5#10#明流隧洞和 1#4# 渡槽到總干三級(jí)泵 站， 三級(jí)泵站位于巖頭寺， 設(shè)在偏關(guān)河右岸灘地上。 三級(jí)泵站出水線路折向東北，經(jīng) 11# 隧洞至下土寨 分水點(diǎn)，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(shè)計(jì)總揚(yáng)程 280m。每個(gè)泵站 設(shè)計(jì)裝機(jī) 6 臺(tái)，其中 4 臺(tái)定速機(jī)組，允許 2 臺(tái)機(jī)組 備用。 2 臺(tái)變頻器用于機(jī)組起動(dòng)和變速機(jī)組的調(diào)節(jié)。 設(shè)計(jì)揚(yáng)程 140m，單機(jī)流量 6.45m3/s。一期工程每個(gè) 泵站只裝機(jī) 3 臺(tái)。安裝 1 臺(tái)定速機(jī)組，2 臺(tái)變速機(jī) 組，其中 1 臺(tái)備用；無(wú)壓隧洞 7 條，長(zhǎng) 97.5km；渡 槽 3 座，長(zhǎng) 1.12km；埋涵 2 座，長(zhǎng) 1.31km；7 號(hào)洞 出口控制閘 1 座，明渠 1 段，長(zhǎng) 0.47km。 南干線起始于下土寨分水閘，向東南方經(jīng)南干 1# 渡槽穿過(guò)偏關(guān)河至設(shè)在偏關(guān)河左側(cè)河道上的南 干一級(jí)泵站。水流由一級(jí)泵站引出經(jīng)過(guò) 2# 隧洞、2# 渡槽及 3#隧洞至信虎辛窯村東， 再經(jīng) 1#壓力埋管穿 南溝至南干二級(jí)泵站。二級(jí)泵站出水經(jīng) 4# 隧洞、3# 渡槽及 5# 隧洞至木瓜溝埋涵，再經(jīng) 6# 隧洞至溫嶺 埋涵出口后， 進(jìn)入 7# 隧洞， 7# 隧洞穿越寧岢鐵路和 神朔鐵路至頭馬營(yíng)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(kù)進(jìn)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(wú)壓隧洞 1 條，減壓閥室 3 座，檢修 閥室 9 座，67 個(gè)排氣閥井，40 個(gè)排水閥井，37 個(gè) 檢查井，8 個(gè)流量計(jì)井。 聯(lián)接段工程自南干線 7# 洞頭馬營(yíng)出口至太原 市呼延水廠，長(zhǎng) 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(dá)汾河水庫(kù)內(nèi)的進(jìn)水塔，經(jīng)過(guò)壩下取水隧洞和 PCCP 管道到達(dá)聯(lián)接段 7#隧洞進(jìn)口處，從聯(lián)接段 7# 24 工 程 力 學(xué) 隧洞之后的 43.5km，采用了內(nèi)徑 3.0m 的預(yù)應(yīng)力鋼 筒混凝土(PCCP)輸水管，設(shè)計(jì)流量為 20.5m3/s，總 落差約210m， 分為3個(gè)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(gè) 區(qū)段末設(shè)一個(gè)減壓閥室， 從 7# 隧洞至呼延水廠進(jìn)水 口采用埋涵(俗稱小聯(lián)接段)和直徑 4.14m 的預(yù)制混 凝土管片襯砌隧洞無(wú)壓流輸水，其中 7# 隧洞長(zhǎng) 13.5km。全程設(shè)計(jì)流量均為 20.5m3/s。聯(lián)接段輸水 管線段還布設(shè)有減壓閥室、檢修閥室、排氣閥井、 排水閥井、檢查井、流量計(jì)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(shè)計(jì)裝機(jī) 2 臺(tái)，運(yùn)行 1 臺(tái)， 備用 1 臺(tái)，單機(jī)流量 4.3 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程 142m。調(diào) 節(jié)水庫(kù) 2 座：大梁水庫(kù)和趙家小村水庫(kù)，調(diào)節(jié)庫(kù)容 分別為9125萬(wàn) m3和 520萬(wàn) m3； 隧洞6段， 長(zhǎng) 52km； 埋涵 36 座，長(zhǎng) 100 km；倒虹 4 座；渡槽 33 座；魏 家窯電站 1 座，該電站裝機(jī) 4 臺(tái)，總裝機(jī)容量 1.28 萬(wàn) 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(jīng)北干 1#隧洞與 平朔段相連，其設(shè)計(jì)流量為 22.2 m3/s，大梁段還包 括大梁泵站，位于大梁水庫(kù)主壩右壩肩上游。正常 運(yùn)行期間，當(dāng)水從大梁段流向魏家窯電站時(shí)，泵站 將水從該段引入大梁水庫(kù)。這樣，當(dāng) 8、9 兩月工 程停引期間，就可由大梁水庫(kù)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(kù)取水點(diǎn)、1# 倒虹、魏家窯電站以及 2# 倒虹 的一部分，其設(shè)計(jì)流量仍為 22.2m3/s。魏家窯電站 位于 2 個(gè)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(jié)束，在此 設(shè)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(kù)。 該段線路設(shè)計(jì)流量為 11m3/s， 以埋涵為主， 經(jīng)山陰和懷仁縣城時(shí)分別設(shè)有分水口，分水流量均 為 0.5m3/s，趙家小村水庫(kù)為周調(diào)節(jié)水庫(kù)，用于向大 同市供水4。 2 新技術(shù)、新工藝在引黃一期工程中 的應(yīng)用 引黃入晉工程是一項(xiàng)高難度、高科技的引水工 程。由于其引水流量大、水泵揚(yáng)程高、隧洞長(zhǎng)且埋 深大及沿線地質(zhì)條件極為復(fù)雜的特點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外專 家稱作“極具挑戰(zhàn)性的世界級(jí)引水工程。 ” 在引黃一期工程建設(shè)過(guò)程中，運(yùn)用先進(jìn)的科技 手段，解決了多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的各種復(fù)雜的工程技術(shù) 問(wèn)題。在輸水隧洞掘進(jìn)貫通施工過(guò)程中，采用世界 先進(jìn)的 GPS 測(cè)量技術(shù)， 建立施工測(cè)量控制網(wǎng)，確保 了工程施工處于科學(xué)合理的測(cè)量精度控制之下；五 座泵站采用串連調(diào)水模式，為實(shí)現(xiàn)各級(jí)泵站等流量 運(yùn)行，在國(guó)內(nèi)首次在泵站機(jī)組中采用了大型變頻器 驅(qū)動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)；采用國(guó)際上先進(jìn)的日本粟本鐵 工所生產(chǎn)的多噴孔淹沒(méi)套筒式流量調(diào)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(shí)現(xiàn)連續(xù)流量調(diào)節(jié)，另一方面便于對(duì)整個(gè) 工程實(shí)行計(jì)算機(jī)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)全線自動(dòng)化調(diào)度管理。 在運(yùn)營(yíng)管理上，引黃工程是國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)通水 的引水工程中規(guī)模最大的，運(yùn)行工況十分復(fù)雜，自 動(dòng)化調(diào)度程度高，引黃工程采用的大型計(jì)算機(jī)監(jiān)控 系統(tǒng)，可以做到對(duì)處于正常和異常狀態(tài)的所有設(shè)備 進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了調(diào)水線路全程遙測(cè)、遙控、 遙調(diào)、遙信，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先和國(guó)際先進(jìn)水平，使 工程安全運(yùn)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(guò)最大埋深達(dá) 430m 的巖層，還 要通過(guò)土洞段、煤層、膨脹巖、高地下水等極為復(fù) 雜的地段，工程必須解決眾多的地質(zhì)問(wèn)題和施工難 題。引黃一期工程，采用了許多新技術(shù)、新材料和 新工藝，在土建施工方面主要有長(zhǎng)隧洞施工采用的 全斷面雙護(hù)盾隧洞掘進(jìn)機(jī)，創(chuàng)下日進(jìn)尺 113m、月 進(jìn)尺 1821.5m 的世界紀(jì)錄；在聯(lián)接段，工程地形條 件復(fù)雜，采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)進(jìn)行輸 水，經(jīng)過(guò)輸水路線合理化設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離 的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道(PCCP)輸水，其管道生產(chǎn) 直徑、鋪設(shè)線路和隧洞內(nèi)穿管的技術(shù)難度，在目前 國(guó)內(nèi)同類項(xiàng)目中首屈一指；在萬(wàn)家寨引黃控制調(diào)度 中心的預(yù)應(yīng)力梁張拉過(guò)程中采用了數(shù)字化張拉技 術(shù)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力梁張拉過(guò)程數(shù)字化控制并保證了 張拉結(jié)果的高精度，從根本上改進(jìn)了預(yù)應(yīng)力工程的 張拉工藝。 2.1 隧洞掘進(jìn)機(jī)(TBM)及其在引黃工程中的應(yīng)用 2.1.1 TBM 的發(fā)展歷史及分類 隧洞掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)稱TBM(Tunnel Boring Machine)， 是目前國(guó)際上最先進(jìn)的隧洞施工設(shè)備，它依靠機(jī)械 的強(qiáng)大推力和剪切力破碎巖石，配合連續(xù)出渣，邊 掘進(jìn)邊襯砌，使整個(gè)隧洞掘進(jìn)、出渣、支護(hù)、襯砌 工 程 力 學(xué) 25 過(guò)程一次完成，廣泛應(yīng)用于水利、水電、城建、交 通等行業(yè)。 世界上第一臺(tái) TBM 誕生于 1851 年， 但由于在 刀具技術(shù)上的缺陷，使這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展緩慢。其真正 意義上的發(fā)展是在近半個(gè)多世紀(jì)，美國(guó)羅賓斯 (Robbins)公司自 1952 年開(kāi)發(fā)制造出了現(xiàn)代意義上 的第 1 臺(tái)軟巖 TBM 后，1956 年又研制成功中硬巖 TBM。從此，TBM 進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。目前， 國(guó)外 TBM 技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，這為復(fù)雜地質(zhì)條件 下的隧道工程建設(shè)提供了技術(shù)保障5。國(guó)外已經(jīng)建 成的采用 TBM 掘進(jìn)技術(shù)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(guó) TBM 研制相對(duì)落后，開(kāi) 發(fā)的掘進(jìn)機(jī)均屬開(kāi)敞式，只適用于巖石整體性較好 的情況，且性能較國(guó)外同類機(jī)型有一定差距。 根據(jù)開(kāi)挖過(guò)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(jìn)機(jī)，即 在巖層中開(kāi)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(qiáng)度的巖層中掘進(jìn)較 長(zhǎng)隧道。這類掘進(jìn)機(jī)要解決的基本問(wèn)題是如何破 巖；二是隧道軟巖掘進(jìn)機(jī)在所謂的松軟地層中掘進(jìn) 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(zhì)的軟弱地層中開(kāi)挖有限 長(zhǎng)度的隧道。這類掘進(jìn)機(jī)要解決的基本問(wèn)題是空洞 和開(kāi)挖掌子面的穩(wěn)定。 目前，隧道硬巖掘進(jìn)機(jī)的常見(jiàn)機(jī)型根據(jù)結(jié)構(gòu)形 式主要分為三種類型： 開(kāi)敞式 TBM：開(kāi)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(jìn)時(shí)，需要在護(hù)盾后及時(shí)進(jìn)行噴錨支護(hù)。 單護(hù)盾式 TBM：?jiǎn)巫o(hù)盾式 TBM 由于掘進(jìn) 和安裝管片不能同時(shí)進(jìn)行，造成進(jìn)度較慢，因而應(yīng) 用得較少。單護(hù)盾式 TBM 的使用只有在整條隧道 地質(zhì)情況都差的條件下才有意義。 雙護(hù)盾式 TBM：雙護(hù)盾式 TBM 掘進(jìn)和安 裝管片可同時(shí)進(jìn)行，有較快的進(jìn)度。在地質(zhì)條件較 差時(shí)，雙護(hù)盾式 TBM 采用單護(hù)盾模式推進(jìn)。因此， 雙護(hù)盾式 TBM 應(yīng)用較為廣泛，但工程造價(jià)較高。 此外，根據(jù)地質(zhì)條件的復(fù)雜性和 TBM 施工技 術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，三護(hù)盾 TBM 也已問(wèn)世，為美國(guó) 羅賓斯公司的新產(chǎn)品。 2.1.2 TBM 在引黃一期工程中的應(yīng)用 1) 隧洞工程地質(zhì)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(kāi)鑿 25 條隧洞，總長(zhǎng)約 162km。隧洞 有長(zhǎng)有短，洞線有深有淺，巖體有軟有硬，地質(zhì)條 件極其復(fù)雜，幾乎包括了所有地質(zhì)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(zhì)博 物館。長(zhǎng)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(jià)，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(zhǎng) 21.41km，采用 TBM 開(kāi)挖 21.24km。 南干線 4#5#6#7# 隧洞全長(zhǎng) 90.3km， 其中采用 TBM 施工 86.9km。聯(lián)接段 7# 洞長(zhǎng) 13.52km，采用 TBM 開(kāi)挖 13.32km。 總干線 6#一 7#一 8# 隧洞通過(guò)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(zhì)問(wèn)題。 南干線 4#一 5#一 6#一 7# 隧洞通過(guò)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(yè)巖、泥巖及煤層，地下 水位高于洞線，水量比較豐富。整個(gè)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(zhǎng) 13.52km，采用 TBM 開(kāi)挖 13.32km。隧洞主要穿過(guò)奧陶系灰?guī)r，個(gè)別洞段有 斷層帶， 其中 F60 斷層較大， 斷距可達(dá) 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(zhì)基本情況見(jiàn)表 1。 表 1 引黃工程隧洞工程地質(zhì)概況 Table 1 Overview on engineering geology about the tunnels of YRDP 隧洞 編號(hào) 隧洞長(zhǎng)/m 基本工程 地質(zhì)情況 主要不良地質(zhì)問(wèn)題 總 6#6532.0 灰?guī)r、 白云巖 存在黃土段和紅粘土段 長(zhǎng)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(zhì)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(zhǎng)達(dá) 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(jìn)口段存在多個(gè)斷層破碎帶，含 弱膨脹巖地層的洞段長(zhǎng)度約20km， 其中含中、高膨脹巖地層的洞段長(zhǎng) 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(xué) 2) TBM 施工情況。 引黃工程隧洞挖掘均采用雙護(hù)盾 TBM(圖 2)， 其工作階段可分為兩個(gè)步驟：第一階段，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn) 破巖，前護(hù)盾由中部盾構(gòu)內(nèi)的主推力油缸向前推進(jìn) 一個(gè)行程 0.6m0.8m(1/2 管片寬度)，而后護(hù)盾由抓 緊裝置系統(tǒng)穩(wěn)固在洞壁巖石上，同時(shí)傳送機(jī)將挖掘 的石碴裝入礦車；在后盾的安裝室進(jìn)行吊運(yùn)和安裝 管片，同時(shí)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(jié)束時(shí)馬上開(kāi)始，此 時(shí)刀盤(pán)已停止運(yùn)轉(zhuǎn)，前護(hù)盾由輔助抓著器支托著， 后護(hù)盾由反掘進(jìn)油缸作用向前拖動(dòng) 0.6m0.8m，后 配套設(shè)備相應(yīng)地被連接在機(jī)頭上的一套特殊牽引 設(shè)備向前引進(jìn)。 當(dāng)后配套設(shè)備向前運(yùn)行時(shí)， 通風(fēng)管、 電纜、水管、軌道等設(shè)備均由相應(yīng)裝置自動(dòng)延伸。 至此，完成一個(gè)循環(huán)的破巖、石碴裝運(yùn)、隧洞襯砌、 延伸管線等作業(yè)。 圖 2 美國(guó)羅賓斯雙護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機(jī) Fig.2 Double shield tunnel boring machine of Robbins 中部盾構(gòu)具有可伸縮的特點(diǎn)，保證整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周 期內(nèi)臨時(shí)支撐所掘進(jìn)的隧洞斷面。當(dāng)遇到松軟巖石 時(shí)，抓著系統(tǒng)不能為刀盤(pán)掘進(jìn)提供足夠的反作用 力，則借助后護(hù)盾內(nèi)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(gè)階段的 TBM 施工中均采用了六 邊形預(yù)制管片襯砌。該類型襯砌包括： 六邊形 預(yù)制管片襯砌(圖 3)。 管片形狀為拱形六邊形預(yù)制混 凝土構(gòu)件，其寬度一般為 TBM 的兩個(gè)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(hù)盾內(nèi)進(jìn)行襯砌， 與開(kāi)挖同步，管片結(jié)合形式為拼裝咬合，4 片拼為 一環(huán)。管片為預(yù)制構(gòu)件，洞外制作，掘進(jìn)與安裝同 步進(jìn)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(zhǎng)的接縫長(zhǎng)度為 15m20m)， 為使山巖壓力均勻傳遞，同時(shí)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(jìn)行水泥灌 漿。圖 4 為管片襯砌施工過(guò)程。 圖 3 六邊形預(yù)制管片 Fig.3 Hexagonal precast segment 圖 4 管片襯砌施工過(guò)程 Fig.4 Construction process of the lining segment 引黃工程的 TBM 施工從時(shí)間上可分為三個(gè)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(tái) 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(tái) 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(tái) TBM。 TBM 機(jī)型及基本施工參數(shù)如表 2 所示。 3) TBM 施工中出現(xiàn)的問(wèn)題和對(duì)策。 TBM 在不良地質(zhì)洞段掘進(jìn)出現(xiàn)過(guò)一些問(wèn)題和 處理方法如下： 總干 7# 隧洞出口段屬黃土洞段， TBM 掘進(jìn) 至樁號(hào) 0+48m 處時(shí)， 發(fā)生坍塌冒頂事故， 機(jī)頭出現(xiàn) 下沉， TBM 被卡不能移動(dòng)。 承包商采取一系列措施， 包括調(diào)整輔助推進(jìn)缸推力，封閉 4 個(gè)周邊進(jìn)碴斗， 拆除 8 個(gè)邊緣刀，減少周邊進(jìn)碴量，加大正面進(jìn)碴 量，限制超挖等。通過(guò)這些措施，闖過(guò)了塌方區(qū)域。 但由于 TBM 機(jī)頭下沉，隧洞有 106m 洞底高程低 于設(shè)計(jì)高程。 TBM 在總干 6# 洞掘進(jìn)時(shí)遇到含水量高達(dá) 工 程 力 學(xué) 27 32的紅粘土洞段，紅粘土粘在滾刀上使 TBM 無(wú) 法前進(jìn)，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(guò)人工清理滾刀，以日進(jìn)尺 2m3m 速度通過(guò)該洞 段。 在總干 6# 隧洞掘進(jìn)過(guò)程中體積約 400m3處 遇到喀斯特溶洞，該溶洞寬 2m，高 7m，能見(jiàn)深度 10m，為使 TBM 通過(guò)溶洞時(shí)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(guò)溶 洞后，再對(duì)回填部位進(jìn)行水泥回填灌漿。 南干線 5# 洞南段施工的 TBM 掘進(jìn)至樁號(hào) K41+808m 處時(shí)， 遇到一個(gè)天然大溶洞而被迫停機(jī)。 溶洞呈下寬上窄形，與隧洞軸線交角約 15，橫向 寬約 5m7m， 縱向?qū)捈s 13m15m， 頂部比 TBM 機(jī) 頭高約 30m，溶洞底部為松散大塊石，能見(jiàn)部分比 TBM 基礎(chǔ)低約 5m8m。處理方案是：先對(duì)溶洞底 部松散巖體進(jìn)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(guò)的 基礎(chǔ)， 同時(shí)考慮到溶洞與隧洞軸線的交叉， TBM 在 一邊無(wú)支撐時(shí)無(wú)法掘進(jìn)的情況，用素混凝土將溶洞 回填至 TBM 以上 5m，再用 TBM 掘進(jìn)通過(guò)，處理 工作共用了 10 天時(shí)間。 TBM 在南干 7# 洞掘進(jìn)施工中先后遇到斷 層、膨脹巖、溶洞、煤層、地下水等不良地質(zhì)情況， 其中在通過(guò)區(qū)域性大斷層摩天嶺斷層時(shí)遇到 較大范圍的破碎帶，拱頂發(fā)生嚴(yán)重坍塌，大塊巖體 將刀盤(pán)和護(hù)盾卡住而被迫停機(jī)。在處埋 TBM 卡機(jī) 事故過(guò)程中，中外專家提出多種方案，后采用固結(jié) 掌子面、超前灌漿、開(kāi)挖上導(dǎo)洞對(duì)拱頂巖層進(jìn)行加 固、清理刀盤(pán)前方塌落巖石等措施使 TBM 恢復(fù)掘 進(jìn)，處理卡機(jī)事故共用了 3 月時(shí)間6。 此外，長(zhǎng)隧道采用雙護(hù)盾 TBM 并配合六邊蜂 窩形預(yù)制管片進(jìn)行施工，發(fā)揮了快速、安全，掘進(jìn) 和襯砌同時(shí)完成的優(yōu)點(diǎn)，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(huì)使圍巖地質(zhì)條件惡化，影響結(jié)構(gòu)安全。根據(jù) 幾個(gè)工程段的經(jīng)驗(yàn)，止水條選擇放在管片內(nèi)側(cè)。這 是因?yàn)榱呅喂芷r砌是利用管片自重自鎖的嵌 坎結(jié)構(gòu)，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(jié)合比較困難。如果止水條放在內(nèi) 側(cè)，止水條以外的接縫面可以在灌漿過(guò)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(nèi)側(cè)，效果明顯。 表 2 引黃工程 TBM 機(jī)型及施工特性參數(shù) Table 2 Type and characteristic parameters on construction of TBM in YRDP TBM 型號(hào) 隧洞 名稱 開(kāi)挖 直徑 開(kāi)挖 縱坡 襯砌 內(nèi)徑 管片 厚度 管片 寬度 管片 強(qiáng)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(hù)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(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道(PCCP)及其在引黃一 期工程中的應(yīng)用 2.2.1 PCCP 的發(fā)展歷史 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Pre-stressed Concrete Cylinder Pipe)是由預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼筒、砼構(gòu)成的復(fù) 合管材，英文縮寫(xiě)為 PCCP，這種管材是在帶鋼筒 的砼管芯上，纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲，并施噴水泥砂漿保 護(hù)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(diǎn)，具有承受較大的 內(nèi)外荷載、抗?jié)B性能好、接頭密封性好、經(jīng)久耐用 等特性。 內(nèi)徑 1.5m7m 不等的 PCCP 管道全世界累 計(jì)鋪設(shè) 3 萬(wàn)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(xiàng)技術(shù)的研制源于法國(guó) “Bonna” 公司， 1942 年美國(guó)的“Ameron”公司、 “Price Brother”公 司研制并迅速發(fā)展了 PCCP 技術(shù)。目前 PCCP 現(xiàn)已 進(jìn)入了技術(shù)成熟階段，廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)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(guó)、加拿大、德國(guó)等國(guó)家和地 區(qū)以及我國(guó)的臺(tái)灣省得到廣泛的應(yīng)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(yù)為“人工大運(yùn)河”的工程所用 PCCP 直徑 為1600mm4000mm， 工作壓力為0.8 MPa2.6 MPa， 總長(zhǎng) 2997 km。 從 70 年代我國(guó)已開(kāi)始研究 PCCP，80 年代國(guó) 內(nèi)開(kāi)始了 PCCP 的工業(yè)性試驗(yàn)，在許多工程上得到 應(yīng)用。在長(zhǎng)距離、大流量輸水調(diào)水工程方面，山西 省萬(wàn)家寨引黃工程以總長(zhǎng) 43.2km、管徑 3.0m 暫居 28 工 程 力 學(xué) 我國(guó)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(diǎn) 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是由鋼板、鋼絲和混凝土 構(gòu)成的復(fù)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(nèi)襯式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝 土管(英文縮寫(xiě)為 PCCP-L)， 它是在鋼筒內(nèi)部襯以混 凝土后，在鋼筒外面纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲，再輥射砂漿 保護(hù)層，一般可生產(chǎn) DN600mmDN1200mm 的管 道； 另一種是埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(英文縮寫(xiě) 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(yù)應(yīng)力鋼絲，再輥射砂漿保護(hù) 層10，DN12003660mm 的管道一般采用這種生產(chǎn) 方法。南水北調(diào)工程北京段 DN4000mm 的管道， 經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，也采用這種生產(chǎn)方法。 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的特點(diǎn)可概括如下： 高強(qiáng)度。由于復(fù)合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)應(yīng)用其輸水工 作壓力達(dá) 2.0MPa，覆土達(dá) 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(dòng)膠圈接口， 密封性得到了保證； 耐久性強(qiáng)。對(duì)于有腐蝕性 介質(zhì)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(hù)，壽命得 到了延長(zhǎng)； 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(jìn)度； 平 時(shí)不需要養(yǎng)護(hù)，可以帶壓打孔，安裝支線。唯一的 缺點(diǎn)是重量較重，但國(guó)內(nèi)施工單位已創(chuàng)造了槽內(nèi)安 裝簡(jiǎn)易設(shè)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(yīng)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(wàn)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(kù)壩 下洞至掃石 3#減壓閥室， 43.2km 長(zhǎng)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(fù)雜，施工干 擾極其嚴(yán)重：輸水線路穿越 6 條隧洞，穿越汾河主 河道 11 次，長(zhǎng)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(lái)水管道、電信、電力纜線 等發(fā)生交叉；此外，引水線路途經(jīng)工礦企業(yè) 40 余 個(gè)，屬煤礦重度污染區(qū)，考慮到輸水線路復(fù)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(gè)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(shè)于一級(jí)階地和河漫灘，少 量布設(shè)于二級(jí)階地及山腳基巖內(nèi)，巖性變化大，有 粘土、砂礫、變質(zhì)巖、沙頁(yè)巖、風(fēng)化巖等不同的地 質(zhì)條件，管溝開(kāi)挖難度較大。聯(lián)接段 PCCP 輸水工 程的建設(shè)主要包括 PCCP 管的制造和安裝兩個(gè)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(yù)應(yīng) 力鋼絲、水泥砂漿保護(hù)層的輥射幾個(gè)步驟。其施工 工藝過(guò)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(dòng)成型吊、注砼攪 拌水泥、砂、石、水計(jì)量 水泥、砂、石、水計(jì)量蒸汽養(yǎng)護(hù)砂漿攪拌 纏繞環(huán)向鋼筋預(yù)應(yīng)力絲噴制砂漿保護(hù)層脫 模 保護(hù)層養(yǎng)護(hù)承插口防腐處理成品堆放 組裝承插口環(huán) 圖 5 PCCP 生產(chǎn)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(zhǎng)度 35.3 公里。PCCP 在明挖溝 槽內(nèi)的鋪設(shè)步驟包括：管線測(cè)量放線、溝槽機(jī)械挖 土、鋪設(shè)管道基礎(chǔ)墊層、管道布設(shè)安裝、管道水壓 試驗(yàn)、管接頭處理、覆土回填、回填質(zhì)量檢查和質(zhì) 量控制。二是在已成型的隧洞內(nèi)安裝 PCCP，安裝 長(zhǎng)度 7.9 公里。 PCCP 在隧洞內(nèi)的鋪設(shè)步驟包括：管線測(cè)量放 線、放線定出運(yùn)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(yùn)送測(cè)試及調(diào)整、 安裝門(mén)機(jī)或龍門(mén)吊及負(fù)荷試驗(yàn)、吊放管件、馱管機(jī) 馱運(yùn)管件、檢查裝管與待裝管的同心度、將承插口 插入、調(diào)整管道中心高程坡度、用預(yù)制混凝土塊管 道進(jìn)行最終支撐和加固、對(duì)接頭進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)、泵 送混凝土回填。 工 程 力 學(xué) 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(guān)鍵技術(shù)。 嚴(yán)格原材料控制。PCCP 設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝 及測(cè)試除部分材料采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)外，均采用美國(guó)供 水協(xié)會(huì) AWWA C304、AWWA C301 標(biāo)準(zhǔn)和 AWWA M9、AWWA M11 手冊(cè)，指標(biāo)顯著高于國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)，部分指標(biāo)高于美國(guó) AWWA C301、C304 標(biāo)準(zhǔn)。 水泥采用低堿水泥，嚴(yán)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(duì)于水 溶性氯離子含量有嚴(yán)格要求；鋼絲采用冷拉鋼絲， 符合美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì) ASTM A648 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于預(yù)應(yīng) 力混凝土管道用鋼絲的要求，除滿足拉伸、扭轉(zhuǎn)等 力學(xué)指標(biāo)外還有氫脆性靈敏度要求，高于 AWWA C301 標(biāo)準(zhǔn)；混凝土試塊采用圓柱體，強(qiáng)度較高，分 別為 C40(相當(dāng)于立方體 C50)、C44(相當(dāng)于立方體 C55)、C48(相當(dāng)于立方體 C60)；纏絲工藝及應(yīng)力指 標(biāo)高于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，不 PCCP 兩端的纏絲允許密繞， 纏絲應(yīng)力波動(dòng)不得超過(guò)平均張力值的 l0；吸水率 的試驗(yàn)方法及指標(biāo)要求較高；混凝土入倉(cāng)溫度控制 標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。在施工中嚴(yán)格的原材料質(zhì)量控制，從根 本上保證了引黃工程的施工質(zhì)量。 聯(lián)合止推設(shè)計(jì)。由于工程地形復(fù)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(biāo)準(zhǔn)管的厚， 管道加工難度大、 效率低， 因此本項(xiàng)目采用鎧裝接頭和混凝土支礅聯(lián)合止推 設(shè)計(jì)。由于在大管徑上采用鎧裝接頭和聯(lián)合止推在 國(guó)內(nèi)外尚屬首次，本項(xiàng)目委托無(wú)錫華毅有限公司進(jìn) 行了試驗(yàn)，證明鎧裝接頭的可靠性，并為聯(lián)合止推 設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。根據(jù)工程特點(diǎn)，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(dān)止推力；其二為采取混凝土支墩、鎮(zhèn) 墩形式承擔(dān)止推力；其三為管道約束連接后自身與 土壤摩擦力承擔(dān)部分止推力，剩余止推力采取混凝 土支墩、鎮(zhèn)墩承擔(dān)。 通過(guò)模擬試驗(yàn)，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(shè)。在管線布置時(shí)為減少 工程投資，根據(jù)地形條件輸水管橫穿汾河 11 次， 設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了這段管線的穩(wěn)定和抗沖刷問(wèn)題。 為保證穩(wěn)定性， 在穿河管道三部分(進(jìn)、 出口斜坡及 底部中段)的起止處設(shè)有鎮(zhèn)墩， 穿河段管頂覆蓋厚度 不小于 6m，距管頂 3m 處設(shè)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(kāi)挖深度達(dá) 12m，由于高地下水，開(kāi)挖后的 溝槽內(nèi)鋪滿積水，對(duì)管道基礎(chǔ)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(jìn)行換基處理回填碎石料或塊石，使管 道墊層達(dá)到安裝要求。 隧洞穿管技術(shù)。 在隧洞內(nèi)埋設(shè) 3m 口徑管道 在國(guó)內(nèi)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(yùn)入洞 內(nèi)，與已經(jīng)安裝的管道準(zhǔn)確對(duì)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(shù)人員 的共同努力下，確定了采用特制有軌馱梁式隧道內(nèi) 運(yùn)管車進(jìn)行隧道內(nèi)管道的運(yùn)輸和安裝，并使用了管 道安全運(yùn)輸、安裝、準(zhǔn)確定位、對(duì)接和以 20m 為一 個(gè)單元用泵送混凝土對(duì)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(shù)。 2.3 預(yù)應(yīng)力數(shù)字化張拉技術(shù)及其在引黃工程中的 應(yīng)用 2.3.1 預(yù)應(yīng)力數(shù)字化張拉技術(shù)提出的背景 預(yù)應(yīng)力張拉精度是決定預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)安全與正 常運(yùn)營(yíng)的首要條件，一旦預(yù)應(yīng)力張拉精度失控，輕 則會(huì)引起結(jié)構(gòu)出現(xiàn)錨固端的縱向裂紋、反拱過(guò)大， 重則會(huì)引起結(jié)構(gòu)出現(xiàn)橫向裂縫、預(yù)應(yīng)力筋拉斷等事 故。在土木工程領(lǐng)域中對(duì)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行張拉時(shí)采 用的傳統(tǒng)施工工藝的效率及精度較低。自 20 世紀(jì) 80 年代末以來(lái)， 國(guó)內(nèi)外工程界對(duì)有效提高預(yù)應(yīng)力張 拉精度高度重視。研究者從不同角度對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉 進(jìn)行了研究。針對(duì)這一問(wèn)題提出兩種思路：一是預(yù) 應(yīng)力信息化施工；二是