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揭秘南水北调中线工程技术奇迹:看一渠清水如何穿江越河

2014-12-15 08:38:10
科技日报




行进:看一渠清水如何穿江越河

——揭秘南水北调中线工程技术奇迹(中)

本报记者  

南水北调中线通水后,一渠清水以每秒1米的流速缓慢行进,一路北上。长江水将会在河南的邙山脚下,与黄河不期而遇。

横贯中华大地的两条大动脉,千年相望,万年不遇,各自东西。没想到,历史老人不经意之中,安排了北上长江水与东流而去黄河兄弟的邂逅,充满了意外惊喜,也遭遇着情何以堪的尴尬……

潜龙暗行,让江水不犯河水

如何穿越黄河天堑?当初的设计方案多达40余个,焦点是上跨与下穿之争。有人认为,从黄河上建一座横空大渡槽,让江水飞渡,入夜万盏灯火勾勒夜空,宛如“黄河彩虹”,势必成为中原一大景观。

然而,如若架设渡槽,那托起渡槽的密集墩柱,就等于在黄河上横插了一把大梳子,占据了黄河过汛通道,会造成泥沙淤积,不利于黄河中下游水势。

因此,更多人主张还是从黄河河床底部打隧道,让江水低调行事,昼夜潜行。最后经过科学论证,选择“潜龙暗行”方案:从河南郑州花园口西的黄河底40米深处,打两条平行的4250米长的隧道,让长江水从黄河南岸流到北岸。

如何开凿隧洞?根据黄河的复杂地质、水文条件,科技人员决定使用泥水加压平衡盾构机为长江水开路。

这台量身定做的德国产盾构机长80米,有三层楼那么高。为了把这个庞然大物送下去,就要在黄河北岸河滩地挖出大圆筒结构竖井,正处于细砂强透水地层中,地下水位高,竖井井壁采用了牢固结实的地下连续墙形式,厚1.5米,深76.6米。先造好地下连续墙并在其防护下,边开挖边衬砌,基坑工程规模之大、开挖之深、地质条件之复杂、工作难度之高,均居国内之最。

竖井胜利完工后,主角——盾构机登场了,庄严出征,是谓始发。盾构机就像一条钻地巨龙,从地下50多米深处找准未来隧洞的出口,由北向南,步步为营,层层掘进。举手投足间,创造了我国目前盾构机始发最深的纪录。

盾构机的工作原理类似男士电动剃须刀:最前部有一个开挖舱,开挖舱内装有可旋转刀盘,刀盘配有100多把不同类型的刀具,切削掌子面,把大块土体切成相互分离的小碎块。

每种刀具对付各样复杂地层,各司其职:如采用大尺寸刮刀切削岩土,减少开挖时细颗粒的产生;先行刀和齿刀布置在刮刀前面,预先松动土壤从而降低对刮刀的直接磨损;铲刀用于清理外围开挖的渣土;滚刀用于对硬物的开挖,等等。

盾构机有两条黄色泥浆管:一条是进浆管,用于加浆,冲洗刀具;另一条是排浆管,将搅碎的土石碎块随泥浆输送到地面的泥水分离系统,分离出的碎石作为弃渣处理,用过的泥浆收回加新鲜浆液后,重新输送到盾构机开挖舱内,循环利用。

开挖舱后面有一个气压仓,充有压缩空气。通过调节气垫对泥浆产生压力,从而平衡来自开挖掌子面的水土压力,同时还形成一层保护膜,起到护壁作用,防止土体坍塌。泥水加压平衡盾构也因此得名。

穿黄之旅充满艰辛和挑战,它们如同拦路虎接踵而来。因为穿黄河段是游荡性河段,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;穿黄隧洞沿线将穿越各类复杂地层结构。

穿黄隧洞最难之处在于,面临“双层夹攻”,内外受压:黄河水和河床对隧洞外层形成的外压力;同时隧洞过水的时候对隧洞内衬形成的压力,也就是内水压力。为了保证穿黄隧洞固若金汤,能承载内外水压而不漏水,工程技术人员进行11仿真模型试验后,采用了新型双层衬砌结构。

外层衬砌为装配式钢筋混凝土管片结构,盾构机有6个自由度的管片拼装机,每掘进一段距离,就采用真空吸盘抓取方式,方便灵活地从喂片机上抓取管片,拼装高强度混凝土预制管片。

内层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。这种结构形式在国内外均属先例。

“剃须刀”用久了刀片会磨损。盾构机亦是如此。在下游线隧洞掘进到1000多米时,发现刀具及刀盘严重磨损,已不能继续掘进施工。于是,技术人员进行了改造,把透水密封三道加成四道,增加中心保护刀和边缘保护刀,提高了密封性和刀盘的刚度、强度。

我国科技人员操作并改进、完善盾构机,终于稳步摸着石头,无一闪失地穿过黄河,两条巨型隧洞全线贯通,开创了我国水利水电工程水底隧洞长距离软土施工新纪录,迎来了长江水不犯黄河水的立交喜相逢。

安稳如山,大型渡槽保驾护航

南来水凭借水源地和北京近百米的地势落差,自然北流、时而潜行、时而飞渡,飞渡时就靠一种庞大的空中输水廊道来护送,这就是渡槽。

渡槽,作为输水建筑物的重要组成部分,在这1000多公里的中线工程中,就荟萃了27个不同类型的渡槽,实至名归,堪称当今渡槽博物馆。

240多公里外奔流来的丹江水流入的大型沙河渡槽,则是其中的翘楚。沙河渡槽槽身采用预应力钢筋U型槽结构型式,单槽重1200吨,承受的荷载是公路和铁路的几倍甚至几十倍,槽身结构复杂,施工架设难度极大。

沙河渡槽采用的是预制方法,即槽身在预制厂预制完毕后,直接吊运到槽墩上去,要求准确拼接,严丝合缝。

沙河渡槽槽身厚度仅为35厘米。如何把这些千余吨重的单片渡槽一个个排在一起呢?设计人员想出了“槽上运槽”的新方法。单片渡槽全部完工以后,施工人员把架槽机设在基墩上,然后把单片渡槽沿着已经放置好的渡槽运过去。两个单片渡槽在一起时,足有6层楼那么高,加上架槽机的高度,整个高度有8层楼高。这种施工技术,开创了水利工程建设的国际先例。

此前世界已建最大的渡槽为印度戈麦蒂渡槽,但从沙河渡槽流量、跨度、重量、总长等指标综合评估,沙河渡槽规模和建设难度都超越了戈麦蒂渡槽。

科研人员开展了渡槽总体结构选型、水力学、结构分析、施工技术、预制槽蒸养温控等一系列技术研究与试验,满足了沙河渡槽设计与施工需要。在沙河渡槽设计与施工中,成功应用了大型渡槽温度边界条件、荷载作用机理及对结构的影响,大跨度渡槽结构新型式及优化设计,抗震性能与减震措施,渡槽施工技术及施工工艺,大型渡槽的耐久性及可靠性等课题研究成果。

与沙河渡槽形状一样的湍河渡槽,采用的是一种截然不同的施工方法:利用可移动模板,采用造槽机现场浇注施工,其渡槽内径、单跨跨度、最大流量属世界首例。

湍河渡槽每榀混凝土槽身自重1600吨。造槽机总重约1350吨。两个庞然大物重叠一起,接近3000吨。造槽机完成每榀槽身一个循环,需要经历包括钢筋加工、绑扎、焊接、混凝土浇筑、拆模、模架移动等48道工序。养护完成一榀槽身后,造槽机“金蚕脱壳”,实现分离,独自向前缓慢移动40米,接着孕育第二个“生命”,依次向前推进。

于是,在造槽机身后,留下了一座气势如虹的湍河渡槽,屹立大地之上,巍峨挺拔,傲然托举着一泓清流北上。

(本文采写过程中得到南水北调中线干线工程建设管理局庞敏、许安强等支持)