南水北调中线穿黄工程位于郑州市以西约30公里,其任务是将中线调来的长江水从黄河南岸输送到黄河北岸,向黄河以北地区供水,同时在水量丰沛时可向黄河相机补水。工程于2005年9月27日开工。工程北岸竖井为大型圆筒结构,建于黄河河滩地中细砂强透水地层中,内径16.4米,井深50.5米。设计流量为265立方米每秒,加大流量为320立方米每秒,井壁为双层结构,外层为地下连续墙形式,厚1.5米,深76.6米;内层为0.8米厚钢筋混凝土现浇衬砌,采用逆作法施工。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。
国内最深的调水竖井——中线穿黄工程竖井,采用逆作法施工,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。
2005年9月27日,该工程开工。工程北岸竖井为大型圆筒结构,建于黄河河滩地中细砂强透水地层中,内径16.4米,井深50.5米。设计流量为265立方米每秒,加大流量为320立方米每秒,井壁为双层结构,外层为地下连续墙形式,厚1.5米,深76.6米;内层为0.8米厚钢筋混凝土现浇衬砌,采用逆作法施工。
在中线穿黄工程竖井外,在“软土富水”下建地下隧洞的课题也创造了“一个奇迹”。
这个难题2007年6月25日,南水北调中线的“咽喉”(穿黄工程的退水洞)开始施工。
全长790米穿黄工程的退水洞,位于穿黄隧洞的下游,是南水北调干线渠道与黄河的唯一连接点,主要作用是在穿黄隧洞检修时,把总干渠多余的水量退回黄河,同时向黄河补水。
退水洞开始施工后,因为地质土体流泥等因素,退水洞身发生了八次较大塌方,穿黄一标项目部的同志们不畏艰险、不等不靠、拼搏努力、积极主动地进行技术创新研究。他们先后尝试采取了台阶法、双侧壁下导洞法等多种开挖工艺及工法,最终成功解决了这种在“软土富水”条件下建造地下隧洞的超级难题。
2013年3月29日,中国水电股份公司组织科技成果鉴定会,专家鉴定这项成果达到国际先进水平,并获得电建集团科技进步二等奖。成果可供类似工程借鉴。
2013年8月9日,穿黄工程的退水洞顺利贯通,为南水北调中线如期实现通水目标提供了支持。

降服“工程癌症”膨胀土

南水北调中线总干渠穿越膨胀土(岩)渠段累计近400公里,膨胀(岩)土是一种具有特殊性质的(岩)土,其处理技术难度、处理工程量和投资都比较大,是南水北调中线工程面临的关键技术问题之一,是世界公认的“工程癌症”。专家组选取了膨胀土结构最为复杂,且兼具地下水问题区域进行试验,自2008年11月28日开工以后,先后尝试了4种方案。最终,在膨胀土中掺入3%到5%比例水泥,经过晾晒、粉碎、拌和,将膨胀性降下来的水泥改性土方案获得了认可。
在南阳段,施工人员遇到了有 “工程癌症”之称的膨胀土。
“这种土遇水会膨胀,无水时就是干散状态。”该段项目经理朱建军告诉记者。头三年,“他们一共挖了十三个大坑,一直和这种土较劲儿。”
“那三年,我们没干别的,天天就在坑里和这种土斗争,研究不同方案。” 朱建军告诉记者。
膨胀土未受到搅动时强度很高,但有致命弱点,由于其体内存在天然形成的蜡状裂隙滑面,一旦暴露在大气中,水分风干就产生裂缝,再遇水就变成扶不上墙的一滩烂泥,柔弱无力。因此,在膨胀土地段修筑过水渠道,最易引起滑坡、变形、冲刷垮塌。
如何制服膨胀土的无常特性,保持渠道的健全“体型”和良好“身段”?成了摆在设计人员面前的一道难题。
设计人员认为要破解这道难题,首先要真正摸透膨胀土的脾气,取得精细数据,建立数学模型,以便对症施治。他们在现场原型渠道上设置了膨胀土渠坡试验段,开展大气环境影响模拟试验(人工降雨试验),根据南阳的气象资料并考虑各种不利情况进行叠加,分别模拟弱降雨、暴雨和特大暴雨三种降雨形式,反复进行降雨试验。
这些试验重点研究膨胀土渠坡大气影响带的形成过程、雨淋沟的形成机理和发展过程、浅层滑坡的产生机理及破坏模式,从而为膨胀渠坡处理提供试验依据。
设计人员最终在膨胀土物理力学特性上取得突破性发现的基础上,经过长期试验,有针对性地调整了技术处理方案:压重+保护。压重就是在膨胀土中加入3%—5%的水泥,让它改性,然后覆盖在原膨胀土上,使其保湿。通过修建M型的抗滑桩和梁,现在渠道坡度控制在1∶3,节省了大量投资。
试验成功后, 长江水安然渡过了膨胀土的“怪异脾气”地段,一路缓缓流淌,步伐轻盈。

“3毫米奇迹”创造世界工程极限

南水北调中线北京段西四环暗涵工程堪称超高难度工程。该工程要确保南来水不动声色地穿越北京市五棵松地铁站。这是世界上第一次大管径浅埋暗挖有压输水隧洞,近距离穿越地铁下部。
顶上是百吨重的地铁列车来回不停穿梭从拱顶呼啸而过,土层之下是隧洞开挖地动山摇的轰鸣。如此叠床架屋的场景,岂止是险象环生。下层掏空,必然会使地面出现沉降。要害是究竟沉降多少?仅是毫米之差,就可决定工程的成败。
南水北调中线北京段西四环暗涵工程,创下暗涵结构顶部与地铁结构距离仅3.67米、地铁结构最大沉降值不到3毫米的纪录,挑战了极限,创下了世界之最。
3毫米,仅仅是1粒稻米的高度,相对于一个深埋地下10多米、直径5米左右、长近1.5公里的隧道来说,只是一个篮球与地球的比例。地下建筑物沉降的国际通行标准是7毫米,号称世界地下工程超级大国的日本历经百年发展,目前沉降控制还是5毫米。
然而,将地面沉降控制在3毫米以内,对于地下工程领域来说,则是一座难以逾越的大山。南水北调中线北京段西四环暗涵工程跨越了这座高山,创造了世界工程极限。
北京五棵松地铁车站正下方的地腹:围岩为砂卵石, 土层不够坚硬, 不易开挖成洞型,容易发生掌子面坍塌;西四环地下铺设管线较多,盘根错节……
为了能托住3毫米沉降,工程人员创新了各种施工工艺:对地铁以下土层注浆加固,严密控制注浆压力,防止过度注浆造成负沉降;增设了临时仰拱,采取密排钢拱架和初支外周边注浆加固相结合的措施,控制地面结构沉降;应用远程自动化监测技术全天候监测,使施工全过程处于可控状态等等。
就这样,工程成功后,北京西四环12.4公里暗涵,安稳地穿过23座大型立交桥、8座人行桥、2条铁路、400余条盘根错节的管线src=">

超大型渠道衬砌设备技术

工人在艰苦的工作环境下奋战。南水北调巨大的工程不可避免面临许多新的技术问题,中国的工程设计建设者们用科技创新的力量,攻克一个个难关,创造了一个伟大的工程。
在滹沱河倒虹吸工程施工时,中国水利水电第十一工程局有限公司(简称“水电十一局”)中标了渠道工程京石段的S31标和S6标。要想高质量、高效率地做好渠道衬砌工作,必须配置上大型渠道衬砌设备。
配置超大型渠道衬砌设备的技术,当时在国际上都还是空白。水电十一局又将如何解决这个难题?
“出路只有一条,就是我们自己动手,自己创新。” 项目领导鼓励大家。
盛夏夜晚,繁星闪烁。尽管夜色已深,但是为了探索解决之道,大伙儿还是难以入眠。负责该项目领导同志们和作业二处的处长徐其阳,坐在渠道边,商量对策。
“我说其阳啊,你说如果是把龙门式布料机,改造成符合咱们渠道浇筑的浇筑机会怎怎样呢?”有人突发奇想。
“我觉得这个点子可以呀,可以试一下!”徐其阳有些兴奋。
“我们要自己设计,还必须满足不低于三十米坡长的跨度,以及不同坡比的要求,而且这种设备还必须具备摊铺、布料、震捣、整平功能等等。”又有同事插话。
“我觉得,还有一点也非常重要,那就是必须要满足浇筑混凝土的密实度以及平整度的要求。衬砌厚度也要能够调节,可以连续施工作业,符合渠道设计坡比及曲率半径的要求。操作起来呢,还要安全、简单、这样维修也能便利,当然,也要做到方便移动。” 徐其阳越聊越兴奋。“其阳,这个任务就由你来主要完成吧,明天我们就开始行动。”
真是没想到,一次深夜渠边的聊天,竟然成就了科技创新的一段“传奇”。桁架的上饶度计算值是设计中难度最大的是问题。“之所以有难度,是因为桁架上面有布料、小车及皮带输送混凝土料等在不停行走,桁架所承受的重量又是动态变化的。我们经过技术人员上百次的计算试验等,成功测出了适合该设备的桁架上饶度数值。”徐其阳说。
2006年7月,经过无数次的拆装、焊接、试验后,由该公司自主研制的大跨度综合型振碾式渠道混凝土浇筑机终于走下了生产线,顺利投入使用。
2006年8月,南水北调中线干线渠道首块渠道衬砌混凝土,在滹沱河倒虹吸出口渠道段试衬成功。