引黄入晋万家寨引黄工程综述及高技术应用李珠.pdf

第 24 卷增刊 II Vol.24 Sup.II 工 程 力 学 2007 年 12 月 Dec. 2007 ENGINEERING MECHANICS 21 收稿日期：2007-05-10 作者简介：*李 珠(1959)，男，河南开封人，教授，博士，博导，从事结构工程与力学研究(E-mail: )； 刘元珍(1974)，女，山西霍州人，讲师，博士生，从事结构工程研究(E-mail: )； 闫 旭(1975)，女，山西太原人，讲师，博士生，从事结构工程研究(E-mail: )； 任够平(1975)，男，山西孝义人，高工，博士生，从事结构工程研究(E-mail: )； 王育青(1966)，男，山西忻州人，高工，工学硕士，从事结构工程研究(E-mail: ). 文章编号：1000-4750(2007)Sup.II-0021-12 引黄入晋万家寨引黄工程综述及高新技术应用 *李 珠1，刘元珍1，闫 旭1，任够平1，王育青2 (1. 太原理工大学土木工程系，太原 030024；2. 山西省引黄工程管理局，太原 030001) 摘 要：引黄工程是从根本上解决山西水资源紧缺，促进山西经济社会发展和生态环境可持续发展，维系国家新 型能源和重化工基地发展的大型跨流域引水工程。介绍了万家寨引黄工程的线路组成和水工建筑物布置情况。介 绍了三项高新技术：隧道掘进、预应力钢筒混凝土管道输水及预应力数字化张拉技术在引黄一期工程中的应用。 研究了三项技术的关键技术环节，针对实际应用时的工程条件及施工难点，提出相应的施工方法及对策，为今后 类似水工建设工程项目施工提供参考。 关键词：引黄工程；水工建筑物；隧道掘进机；预应力钢筒混凝土管道；预应力数字化张拉技术 中图分类号：P512.2+2; P641 文献标识码：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 万家寨引黄工程是对山西有重大意义的大型 跨流域引水工程，是针对山西水情状况做出的重大 决策。山西水情有三个显著特点：第一个特点是水 资源严重短缺，人均占水量只有 438m3，相当于全 国人均水平的 17%，世界人均水平的 4%1。第二 个特点是地表水污染严重，山西境内几乎所有河道 22 工 程 力 学 都受不同程度的污染，受污染河流长达 3700 多公 里，其中超三类污染河道占 67.2%，超五类污染水 占总河长 45.8%。山西境内的水库也都受到不同程 度的污染，超三类水质水库占 68%，超五类水质水 库占 20%。第三个显著特点是水耗量巨大，作为能 源重化工基地对水资源量的需求庞大。据专家测 算，采 1t 煤需 2.5t 水，发 1 度电的平均取水量为 12升。 仅2000年， 山西因采煤损失地下水储量71.34 亿 m3。太原、大同、朔州 3 个能源重化工基地的一 些具备生产能力的工矿企业，因供水不足，不得不 限产甚至停产，每年造成直接经济损失 50 多亿元， 间接经济损失 130 多亿元。 由于水源不足、水源污染，山西省存在对地下 水资源长期的掠夺性过量开采。以太原为例，2000 年太原市区城市生活及工业总取水量为3.55亿m3， 采地下水量占 91.8%，为 3.26 亿 m3。严重的地下 水超采，带来了地下水位下降、地面下沉等一系列 环境问题。 山西省万家寨引黄工程是从根本上解决山西 省太原、朔州和大同 3 大城市工业和城市生活用水 紧缺的一项大型引水工程，是推动山西省能源重化 工基地全面发展，振兴山西省经济的重大举措之 一，是山西省的一项“生命工程” 。其意义在于： 首先，引黄工程建设成功，为山西经济发展对 水的需求带来了广阔的空间。如果仅以引黄工程一 期工程形成 3.2 亿 m3的供水能力计算，可满足 1000 万亩节水农田浇灌；可满足新增工业产值 407 亿元。引黄二期工程建成后，可实现向太原年 供水 6.4 亿 m3， 向大同、 平朔年供水 5.6 亿 m3的目 标，可满足新增工业产值近 400 亿元以及沿途县、 市、区数百万亩节水农田灌溉。山西水资源紧缺情 况将得到缓解，能源重化工基地的优势可以得到充 分发挥。 其次，引黄工程可以为省城经济社会可持续发 展提供可靠的水资源保障。自 2003 年 10 月 26 日 开始，引黄一期工程实现向太原供水，引黄水对太 原城市生态环境的改善起到了推进作用。 截至 2004 年 8 月底，共向太原供水 3227 万 m3，平均日供水 量为 10.35 万 m3。引黄水的到来使太原市的关井压 采工作进一步强化，到 2004 年 10 月，太原市累计 关闭了 102 个单位的 174 眼自备水源井，压缩地下 水开采量 17 万 m3。 到 2006 年 4 月， 太原市平均日 供水量增加至 31.5 万 m3， 关闭了 130 家单位的 245 眼自备井，实现日压缩开采地下水 25 万 t。从压采 地下水开始，太原市城区孔隙地下水位回升了 10m14m。 因超采地下水造成的环境问题得到了有 效遏制。由此，太原市政府计划在“十一五”规划 期间内关闭全部引黄管网覆盖区内自备井。 再次，引黄工程投入运行，推动了汾河流域的 环境治理工作。引黄水作为城市用水，也包括作为 城市居民生活用水，进入太原呼延水厂的水质要求 必须达到三类水的标准。因引黄工程属于封闭式调 水工程，对引黄水水质影响最大的是汾河一库以上 81.2 公里的天然汾河河道，涉及宁武、静乐、岚县、 娄烦 4 个行政区域。为解决好汾河上游水质的污染 问题，省委、省政府从建设和谐社会的高度，提出 了建设汾河流域蓝天碧水工程的构想；省人大修订 了汾河流域水污染防治条例 ；沿河各县从建设 城市污水厂、治理污染企业、加大流域两岸水土保 持工作三方面着手做了大量具体工作。 另外，引黄水进入人们生活后，水价提高了， 也从不同侧面唤醒了人们的节水意识，提高了水资 源的利用率和废水回收利用率。 从 1958 年，毛泽东主席首肯引黄入晋济京的 设想开始，江泽民总书记、李鹏总理、朱镕基总理 都对建好引黄工程，作过重要批示。党和国家领导 人邹家华、钱正英、陈锦华等曾先后数次亲临引黄 工地，国家计委、水利部的负责人更是多次来引黄 工程检查指导。在他们的大力支持和关怀下，2002 年，国务院将引黄一期工程列入国家的重点工程， 并先后安排了国债资金 10.4 亿元， 有力地保证了一 期工程顺利建设。目前，引黄一期工程已实现向太 原市不间断供水，二期北干线向大同、朔州供水工 程正在积极准备前期工作。 1 万家寨引黄工程规划布置 1.1 引黄工程的路线布置 山西省万家寨引黄入晋工程是一项大型跨流 域梯级引水工程，位于山西省西北部。整个引水线 路，由四部分组成：总干线西起黄河万家寨水库， 从万家寨水库取水， 经三级泵站提水， 通过过隧洞、 渡槽输水，东至偏关县下土寨分水闸，长 44.4 km， 引水流量 483/s，年引水量 12 亿3；南干线北起 下土寨，向南穿管涔山入汾河，长 101.7 km；联接 段沿汾河流至汾河一库，再通过管线联接到太原呼 延水厂，长 139.4 km；北干线从下土寨向东，穿吕 工 程 力 学 23 梁山经平鲁、朔州至大同长 166.9 km，线路全长约 452 km，如图 1 所示。 图 1 万家寨引黄入晋工程路线示意图 Fig.1 Schematic drawing on the route of YRDP 由于黄河属于多泥沙河流，8、9 两月是万家寨 水库的排沙期。在此期间，引黄工程停止运行，因 此每年引水时间为 10 个月。 引黄入晋工程分二期实施。一期工程于 1993 年开工，到 2002 年完工。输水线路长约 285km， 包括总干线全长、南干线全长和联接段全长。一期 工程还包括总干线一级、二级、三级泵站和南干线 一级、二级泵站及部分全线自动化工程等2。 1.2 引黄工程规划布置 在引黄入晋一期工程的引水线路上，有 5 座大 型地下或地面泵站，总扬程 636m，有隧洞 25 条， 共 162km，还有埋涵、埋管、渡槽、调节水库等各 种水工建筑物。 1.2.1 总干线工程规划布置 总干线引水工程由 20 座水工建筑物组成，其 中包括：泵站三座，设计总扬程 356m。一级、二 级为地下泵站，每个泵站设计安装 10 台定速机组， 8 台运行，2 台备用。1 台变频器用于 10 台机组的 起动。设计扬程为 140，单机流量 6.45m3/s。一 期工程每个泵站装机 3 台，其中两台运行，一台备 用；三级泵站为地面泵站，带有一个无压前池，设 计装机 10 台，其中 4 台变速机组，6 台定速机组， 8 台运行，2 台备用。4 台变频器用于变速机组的调 节。设计扬程 76m，单机流量 6.45m3/s。一期工程 装机 3 台，两台运行，一台备用；隧洞 11 条，包 括有压隧洞 4 条，无压隧洞 7 条，总长约 42km； 渡槽 4 座，总长 0.56km；申同嘴日调节地面水库一 座，水库运行水位为 1240.5m1248.0m，调节库容 为 14.7 万 m3；分水闸 1 座。 总干线从万家寨水库坝内有压管出口取水，经 1#、2#、3#有压隧洞向东南约 1km，将水引至设在 清沟南岸山体内的总干一级泵站。经一级泵站出水 调压井进入 4#有压隧洞， 东行约 1.7 k至申同嘴以 东的总干二级泵站。二级泵站出水调压井直接入申 同嘴调节入库。申同嘴水库中的放水闸，线路继续 向东经 5#10#明流隧洞和 1#4# 渡槽到总干三级泵 站， 三级泵站位于岩头寺， 设在偏关河右岸滩地上。 三级泵站出水线路折向东北，经 11# 隧洞至下土寨 分水点，由分水闸向南干线、北干线分水。 1.2.2 南干线工程规划布置 南干线引水工程由 16 座水工建筑物组成。其 中：地面泵站二座，设计总扬程 280m。每个泵站 设计装机 6 台，其中 4 台定速机组，允许 2 台机组 备用。 2 台变频器用于机组起动和变速机组的调节。 设计扬程 140m，单机流量 6.45m3/s。一期工程每个 泵站只装机 3 台。安装 1 台定速机组，2 台变速机 组，其中 1 台备用；无压隧洞 7 条，长 97.5km；渡 槽 3 座，长 1.12km；埋涵 2 座，长 1.31km；7 号洞 出口控制闸 1 座，明渠 1 段，长 0.47km。 南干线起始于下土寨分水闸，向东南方经南干 1# 渡槽穿过偏关河至设在偏关河左侧河道上的南 干一级泵站。水流由一级泵站引出经过 2# 隧洞、2# 渡槽及 3#隧洞至信虎辛窑村东， 再经 1#压力埋管穿 南沟至南干二级泵站。二级泵站出水经 4# 隧洞、3# 渡槽及 5# 隧洞至木瓜沟埋涵，再经 6# 隧洞至温岭 埋涵出口后， 进入 7# 隧洞， 7# 隧洞穿越宁岢铁路和 神朔铁路至头马营入汾河。 1.2.3 联接段工程规划布置 联接段的水工建筑物有： 汾河水库进水塔 1 座， 取水隧洞 1 条，PCCP 输水管 1 条，穿 PCCP 管有 压隧洞 6 条，无压隧洞 1 条，减压阀室 3 座，检修 阀室 9 座，67 个排气阀井，40 个排水阀井，37 个 检查井，8 个流量计井。 联接段工程自南干线 7# 洞头马营出口至太原 市呼延水厂，长 138.6km。其中利用天然河道输水 81.2km，输水管(洞)线输水 57.4km。水流由天然河 道到达汾河水库内的进水塔，经过坝下取水隧洞和 PCCP 管道到达联接段 7#隧洞进口处，从联接段 7# 24 工 程 力 学 隧洞之后的 43.5km，采用了内径 3.0m 的预应力钢 筒混凝土(PCCP)输水管，设计流量为 20.5m3/s，总 落差约210m， 分为3个压力管段。 第一区段10.6km， 水位落差 78.5m；第二区段 10.6km，水位落差 79.0m；第三区段 11.8km，水位落差 52.5m3。每个 区段末设一个减压阀室， 从 7# 隧洞至呼延水厂进水 口采用埋涵(俗称小联接段)和直径 4.14m 的预制混 凝土管片衬砌隧洞无压流输水，其中 7# 隧洞长 13.5km。全程设计流量均为 20.5m3/s。联接段输水 管线段还布设有减压阀室、检修阀室、排气阀井、 排水阀井、检查井、流量计井等建筑物。 1.2.4 北干线工程规划布置 北干线引水工程由 83 座水工建筑物组成。其 中：大梁地下泵站 1 座，设计装机 2 台，运行 1 台， 备用 1 台，单机流量 4.3 m3/s，设计扬程 142m。调 节水库 2 座：大梁水库和赵家小村水库，调节库容 分别为9125万 m3和 520万 m3； 隧洞6段， 长 52km； 埋涵 36 座，长 100 km；倒虹 4 座；渡槽 33 座；魏 家窑电站 1 座，该电站装机 4 台，总装机容量 1.28 万 kW；北干线分为 3 段，即大梁段、平朔段和大 同段。大梁段始于下土寨分水闸，经北干 1#隧洞与 平朔段相连，其设计流量为 22.2 m3/s，大梁段还包 括大梁泵站，位于大梁水库主坝右坝肩上游。正常 运行期间，当水从大梁段流向魏家窑电站时，泵站 将水从该段引入大梁水库。这样，当 8、9 两月工 程停引期间，就可由大梁水库向下游供水至平朔、 山阴、怀仁和大同。平朔段包括：部分 1# 隧洞、大 梁水库取水点、1# 倒虹、魏家窑电站以及 2# 倒虹 的一部分，其设计流量仍为 22.2m3/s。魏家窑电站 位于 2 个倒虹之间，以便利用倒虹管路首尾之间 82m 的毛水头，平朔段在 2# 倒虹中部结束，在此 设朔州分水口，分水流量为 9 m3/s。大同段起始于 朔州分水口，沿东南方向引至大同市南郊的赵家小 村水库。 该段线路设计流量为 11m3/s， 以埋涵为主， 经山阴和怀仁县城时分别设有分水口，分水流量均 为 0.5m3/s，赵家小村水库为周调节水库，用于向大 同市供水4。 2 新技术、新工艺在引黄一期工程中 的应用 引黄入晋工程是一项高难度、高科技的引水工 程。由于其引水流量大、水泵扬程高、隧洞长且埋 深大及沿线地质条件极为复杂的特点，被国内外专 家称作“极具挑战性的世界级引水工程。 ” 在引黄一期工程建设过程中，运用先进的科技 手段，解决了多个学科领域的各种复杂的工程技术 问题。在输水隧洞掘进贯通施工过程中，采用世界 先进的 GPS 测量技术， 建立施工测量控制网，确保 了工程施工处于科学合理的测量精度控制之下；五 座泵站采用串连调水模式，为实现各级泵站等流量 运行，在国内首次在泵站机组中采用了大型变频器 驱动的同步电动机；采用国际上先进的日本粟本铁 工所生产的多喷孔淹没套筒式流量调节阀，一方面 可灵活方便地满足供水系统要求，在流量大范围变 化情况下实现连续流量调节，另一方面便于对整个 工程实行计算机监控，实现全线自动化调度管理。 在运营管理上，引黄工程是国内目前已经通水 的引水工程中规模最大的，运行工况十分复杂，自 动化调度程度高，引黄工程采用的大型计算机监控 系统，可以做到对处于正常和异常状态的所有设备 进行自动控制，实现了调水线路全程遥测、遥控、 遥调、遥信，达到了国内领先和国际先进水平，使 工程安全运行有了可靠保证。 在引黄工程的土建工程施工中，引水隧洞要穿 越崇山峻岭，要通过最大埋深达 430m 的岩层，还 要通过土洞段、煤层、膨胀岩、高地下水等极为复 杂的地段，工程必须解决众多的地质问题和施工难 题。引黄一期工程，采用了许多新技术、新材料和 新工艺，在土建施工方面主要有长隧洞施工采用的 全断面双护盾隧洞掘进机，创下日进尺 113m、月 进尺 1821.5m 的世界纪录；在联接段，工程地形条 件复杂，采用预应力钢筒混凝土管(PCCP)进行输 水，经过输水路线合理化设计，成功实现了长距离 的预应力钢筒混凝土管道(PCCP)输水，其管道生产 直径、铺设线路和隧洞内穿管的技术难度，在目前 国内同类项目中首屈一指；在万家寨引黄控制调度 中心的预应力梁张拉过程中采用了数字化张拉技 术，实现了预应力梁张拉过程数字化控制并保证了 张拉结果的高精度，从根本上改进了预应力工程的 张拉工艺。 2.1 隧洞掘进机(TBM)及其在引黄工程中的应用 2.1.1 TBM 的发展历史及分类 隧洞掘进机简称TBM(Tunnel Boring Machine)， 是目前国际上最先进的隧洞施工设备，它依靠机械 的强大推力和剪切力破碎岩石，配合连续出渣，边 掘进边衬砌，使整个隧洞掘进、出渣、支护、衬砌 工 程 力 学 25 过程一次完成，广泛应用于水利、水电、城建、交 通等行业。 世界上第一台 TBM 诞生于 1851 年， 但由于在 刀具技术上的缺陷，使这项技术发展缓慢。其真正 意义上的发展是在近半个多世纪，美国罗宾斯 (Robbins)公司自 1952 年开发制造出了现代意义上 的第 1 台软岩 TBM 后，1956 年又研制成功中硬岩 TBM。从此，TBM 进入了快速发展时期。目前， 国外 TBM 技术已经相当成熟，这为复杂地质条件 下的隧道工程建设提供了技术保障5。国外已经建 成的采用 TBM 掘进技术施工的著名大型隧道工程 有英吉利海峡隧道、日本东京湾海底隧道、荷兰生 态绿心隧道等。目前我国 TBM 研制相对落后，开 发的掘进机均属开敞式，只适用于岩石整体性较好 的情况，且性能较国外同类机型有一定差距。 根据开挖过程中遇到的岩体或土体的情况不 同将 TBM 分为两大类：一是隧道硬岩掘进机，即 在岩层中开挖隧道的 TBM，通常用这类 TBM 在稳 定性良好、中-厚埋深、中-高强度的岩层中掘进较 长隧道。这类掘进机要解决的基本问题是如何破 岩；二是隧道软岩掘进机在所谓的松软地层中掘进 隧道的 TBM，通常用这类 TBM 在具有有限压力的 地下水位以下的基本均质的软弱地层中开挖有限 长度的隧道。这类掘进机要解决的基本问题是空洞 和开挖掌子面的稳定。 目前，隧道硬岩掘进机的常见机型根据结构形 式主要分为三种类型： 开敞式 TBM：开敞式 TBM 适用于岩石不 易坍塌和地层比较稳定的隧道。在较为破碎的地层 中掘进时，需要在护盾后及时进行喷锚支护。 单护盾式 TBM：单护盾式 TBM 由于掘进 和安装管片不能同时进行，造成进度较慢，因而应 用得较少。单护盾式 TBM 的使用只有在整条隧道 地质情况都差的条件下才有意义。 双护盾式 TBM：双护盾式 TBM 掘进和安 装管片可同时进行，有较快的进度。在地质条件较 差时，双护盾式 TBM 采用单护盾模式推进。因此， 双护盾式 TBM 应用较为广泛，但工程造价较高。 此外，根据地质条件的复杂性和 TBM 施工技 术的进一步发展，三护盾 TBM 也已问世，为美国 罗宾斯公司的新产品。 2.1.2 TBM 在引黄一期工程中的应用 1) 隧洞工程地质情况。 引黄入晋工程的主要输水建筑物是地下隧洞， 一期工程要开凿 25 条隧洞，总长约 162km。隧洞 有长有短，洞线有深有浅，岩体有软有硬，地质条 件极其复杂，几乎包括了所有地质年代生成的地 层。中、外专家称引黄入晋工程是活生生的地质博 物馆。长深埋隧洞是引黄入晋工程遇到的大难题， 它控制着工期，影响着造价，决定着工程的成败。 引黄一期工程包括总干线、南干线和联接段。总干 线 6#7#8# 隧洞全长 21.41km，采用 TBM 开挖 21.24km。 南干线 4#5#6#7# 隧洞全长 90.3km， 其中采用 TBM 施工 86.9km。联接段 7# 洞长 13.52km，采用 TBM 开挖 13.32km。 总干线 6#一 7#一 8# 隧洞通过地层主要为寒武 系、奥陶系灰岩、白云岩、少量第三系红粘土及红 土砂砾石和第四系黄土及砂砾石。其中土洞占 5.7，是 6#一 7#一 8# 洞主要工程地质问题。 南干线 4#一 5#一 6#一 7# 隧洞通过的地层前 56km 主要是寒武系、奥陶系灰岩，局部有岩溶和断 层带，地下水位低于洞线，另有 Q3、Q2、N2土层 洞段约 1.58km。后 34km 围岩为石炭系、二叠系、 三叠系、侏罗系的砂岩、页岩、泥岩及煤层，地下 水位高于洞线，水量比较丰富。整个线路中，围岩 稳定性较好的占 85，差的占 15。 联接段 7# 洞长 13.52km，采用 TBM 开挖 13.32km。隧洞主要穿过奥陶系灰岩，个别洞段有 断层带， 其中 F60 断层较大， 断距可达 70m100m， 断层破碎带及影响带宽为 150m200m， 地下水位低 于隧洞。 隧洞工程地质基本情况见表 1。 表 1 引黄工程隧洞工程地质概况 Table 1 Overview on engineering geology about the tunnels of YRDP 隧洞 编号 隧洞长/m 基本工程 地质情况 主要不良地质问题 总 6#6532.0 灰岩、 白云岩 存在黄土段和红粘土段 长约 915m、和喀斯特溶洞 总 7#2686.0 灰岩、 白云岩 存在黄土段约 219m 总 8#12193.0灰岩、 白云岩 存在黄土段约 79m 南 4#6883.0 灰岩 地质工程情况较好 南 5#26451.0灰岩 存在区域性断层破碎带， 长达 35km40km 南 6#14396.0灰岩 存在比较发育的岩溶 南 7#42569.0 灰岩、煤 系地层 在进口段存在多个断层破碎带，含 弱膨胀岩地层的洞段长度约20km， 其中含中、高膨胀岩地层的洞段长 约 2.5km，洞段上游有煤系地层 680m 联 7#13520.0灰岩、 泥灰岩 存在断层破碎带 26 工 程 力 学 2) TBM 施工情况。 引黄工程隧洞挖掘均采用双护盾 TBM(图 2)， 其工作阶段可分为两个步骤：第一阶段，刀盘旋转 破岩，前护盾由中部盾构内的主推力油缸向前推进 一个行程 0.6m0.8m(1/2 管片宽度)，而后护盾由抓 紧装置系统稳固在洞壁岩石上，同时传送机将挖掘 的石碴装入矿车；在后盾的安装室进行吊运和安装 管片，同时在已安装好的管片衬砌背后充填豆砾石 并灌浆。第二阶段在第一阶段结束时马上开始，此 时刀盘已停止运转，前护盾由辅助抓着器支托着， 后护盾由反掘进油缸作用向前拖动 0.6m0.8m，后 配套设备相应地被连接在机头上的一套特殊牵引 设备向前引进。 当后配套设备向前运行时， 通风管、 电缆、水管、轨道等设备均由相应装置自动延伸。 至此，完成一个循环的破岩、石碴装运、隧洞衬砌、 延伸管线等作业。 图 2 美国罗宾斯双护盾全断面掘进机 Fig.2 Double shield tunnel boring machine of Robbins 中部盾构具有可伸缩的特点，保证整个运转周 期内临时支撑所掘进的隧洞断面。当遇到松软岩石 时，抓着系统不能为刀盘掘进提供足够的反作用 力，则借助后护盾内的一套辅助推力油缸，使其作 用在已安装好的衬砌管片上。 引黄工程三个阶段的 TBM 施工中均采用了六 边形预制管片衬砌。该类型衬砌包括： 六边形 预制管片衬砌(图 3)。 管片形状为拱形六边形预制混 凝土构件，其宽度一般为 TBM 的两个冲程(总干线 管片宽 1.6m，南干线管片宽 1.4m ，联接段 7# 洞管 片宽1.2m)， 管片安装在TBM的后护盾内进行衬砌， 与开挖同步，管片结合形式为拼装咬合，4 片拼为 一环。管片为预制构件，洞外制作，掘进与安装同 步进行，保证了隧洞的快速施工； 管片与围岩 之间为回填灌浆加固圈。由于这种衬砌接缝量很大 (引黄工程中每延米洞长的接缝长度为 15m20m)， 为使山岩压力均匀传递，同时增加衬砌的整体性， 在管片与围岩之间还充填了豆砾石，并进行水泥灌 浆。图 4 为管片衬砌施工过程。 图 3 六边形预制管片 Fig.3 Hexagonal precast segment 图 4 管片衬砌施工过程 Fig.4 Construction process of the lining segment 引黄工程的 TBM 施工从时间上可分为三个阶 段：第一阶段 1993 年1999 年总干线 6#、7#、8# 隧 洞施工，此阶段投入了 1 台 TBM；第二阶段 1999 年2001 年南干线 4#、5#、6#、7# 隧洞施工，此阶 段共投入了 4 台 TBM；第三阶段 2000 年2001 年 联接段 7#隧洞施工， 此阶段投入了 1 台 TBM。 TBM 机型及基本施工参数如表 2 所示。 3) TBM 施工中出现的问题和对策。 TBM 在不良地质洞段掘进出现过一些问题和 处理方法如下： 总干 7# 隧洞出口段属黄土洞段， TBM 掘进 至桩号 0+48m 处时， 发生坍塌冒顶事故， 机头出现 下沉， TBM 被卡不能移动。 承包商采取一系列措施， 包括调整辅助推进缸推力，封闭 4 个周边进碴斗， 拆除 8 个边缘刀，减少周边进碴量，加大正面进碴 量，限制超挖等。通过这些措施，闯过了塌方区域。 但由于 TBM 机头下沉，隧洞有 106m 洞底高程低 于设计高程。 TBM 在总干 6# 洞掘进时遇到含水量高达 工 程 力 学 27 32的红粘土洞段，红粘土粘在滚刀上使 TBM 无 法前进，承包商采取在掌子面喷注特殊泡沫剂、清 洁剂等改变粘土特性的措施，但都未成功。最后通 过人工清理滚刀，以日进尺 2m3m 速度通过该洞 段。 在总干 6# 隧洞掘进过程中体积约 400m3处 遇到喀斯特溶洞，该溶洞宽 2m，高 7m，能见深度 10m，为使 TBM 通过溶洞时不发生下沉，首先用 豆砾石回填至高出洞底 25cm 以上， 待 TBM 通过溶 洞后，再对回填部位进行水泥回填灌浆。 南干线 5# 洞南段施工的 TBM 掘进至桩号 K41+808m 处时， 遇到一个天然大溶洞而被迫停机。 溶洞呈下宽上窄形，与隧洞轴线交角约 15，横向 宽约 5m7m， 纵向宽约 13m15m， 顶部比 TBM 机 头高约 30m，溶洞底部为松散大块石，能见部分比 TBM 基础低约 5m8m。处理方案是：先对溶洞底 部松散岩体进行回填封堵和灌浆，再用素混凝土回 填至隧洞底板以下 0.5m，用钢筋砼做 TBM 通过的 基础， 同时考虑到溶洞与隧洞轴线的交叉， TBM 在 一边无支撑时无法掘进的情况，用素混凝土将溶洞 回填至 TBM 以上 5m，再用 TBM 掘进通过，处理 工作共用了 10 天时间。 TBM 在南干 7# 洞掘进施工中先后遇到断 层、膨胀岩、溶洞、煤层、地下水等不良地质情况， 其中在通过区域性大断层摩天岭断层时遇到 较大范围的破碎带，拱顶发生严重坍塌，大块岩体 将刀盘和护盾卡住而被迫停机。在处埋 TBM 卡机 事故过程中，中外专家提出多种方案，后采用固结 掌子面、超前灌浆、开挖上导洞对拱顶岩层进行加 固、清理刀盘前方塌落岩石等措施使 TBM 恢复掘 进，处理卡机事故共用了 3 月时间6。 此外，长隧道采用双护盾 TBM 并配合六边蜂 窝形预制管片进行施工，发挥了快速、安全，掘进 和衬砌同时完成的优点，但由于衬砌接缝多，如做 不好止水， 不能有效防止渗漏， 不但造成水量损失， 而且会使围岩地质条件恶化，影响结构安全。根据 几个工程段的经验，止水条选择放在管片内侧。这 是因为六边形管片衬砌是利用管片自重自锁的嵌 坎结构，而仅靠管片自重，部分接缝特别是纵向接 缝完全做到紧密结合比较困难。如果止水条放在内 侧，止水条以外的接缝面可以在灌浆过程中由水泥 砂浆充填保证衬砌的整体性。联接段 7#洞把止水条 移到内侧，效果明显。 表 2 引黄工程 TBM 机型及施工特性参数 Table 2 Type and characteristic parameters on construction of TBM in YRDP TBM 型号 隧洞 名称 开挖 直径 开挖 纵坡 衬砌 内径 管片 厚度 管片 宽度 管片 强度 罗宾斯 1811-256 总 6# 7#8#洞 6.1251/1500 5.46 25 1.6 C30 罗宾斯 1617-290 南 4# 5#北 4.921/1410 4.30 22 1.4 C55 落宾斯 154-273 南 5# 南.6# 4.821/1250 4.20 22 1.4 C55 罗宾斯 1616-289 南 7# 北洞 4.881/1250 4.20 25 1.4 C55 法 NFM 双 护盾 TBM 南 7# 南洞 4.881/1250 4.20 25 1.4 C55 罗宾斯 155-274 联接 段 7 4.8191/1700 4.14 25 1.2 C45 2.2 预应力钢筒混凝土管道(PCCP)及其在引黄一 期工程中的应用 2.2.1 PCCP 的发展历史 预应力钢筒混凝土管(Pre-stressed Concrete Cylinder Pipe)是由预应力钢丝、钢筒、砼构成的复 合管材，英文缩写为 PCCP，这种管材是在带钢筒 的砼管芯上，缠绕预应力钢丝，并施喷水泥砂浆保 护层而制成的。 它既发挥了钢板的抗拉、 抗渗性能， 又利用了砼抗压、耐腐蚀的特点，具有承受较大的 内外荷载、抗渗性能好、接头密封性好、经久耐用 等特性。 内径 1.5m7m 不等的 PCCP 管道全世界累 计铺设 3 万多公里，是大型引水工程和城市给排水 工程理想的输水管材。 PCCP 这项技术的研制源于法国 “Bonna” 公司， 1942 年美国的“Ameron”公司、 “Price Brother”公 司研制并迅速发展了 PCCP 技术。目前 PCCP 现已 进入了技术成熟阶段，广泛应用于长距离输水干 线、城市供水工程、工业有压输水管线、电厂循环 水工程、水下管道、压力排污干管和自流式污水管 线等方面7，并在美国、加拿大、德国等国家和地 区以及我国的台湾省得到广泛的应用，世界上规模 最大的 PCCP 工程为利比亚撒哈拉沙漠供水工程， 这一被誉为“人工大运河”的工程所用 PCCP 直径 为1600mm4000mm， 工作压力为0.8 MPa2.6 MPa， 总长 2997 km。 从 70 年代我国已开始研究 PCCP，80 年代国 内开始了 PCCP 的工业性试验，在许多工程上得到 应用。在长距离、大流量输水调水工程方面，山西 省万家寨引黄工程以总长 43.2km、管径 3.0m 暂居 28 工 程 力 学 我国乃至亚洲地区已建成工程首位8,9。 2.2.2 PCCP 的分类及特点 预应力钢筒混凝土管是由钢板、钢丝和混凝土 构成的复合管材。此种管材充分而又综合地发挥了 钢材的抗拉、易密封性及混凝土的耐腐蚀性。它从 形式上可分为两种：一种是内衬式预应力钢筒混凝 土管(英文缩写为 PCCP-L)， 它是在钢筒内部衬以混 凝土后，在钢筒外面缠绕预应力钢丝，再辊射砂浆 保护层，一般可生产 DN600mmDN1200mm 的管 道； 另一种是埋置式预应力钢筒混凝土管(英文缩写 为 PCCP-E)，它是将钢筒埋置在混凝土中，然后在 混凝土管芯上缠绕预应力钢丝，再辊射砂浆保护 层10，DN12003660mm 的管道一般采用这种生产 方法。南水北调工程北京段 DN4000mm 的管道， 经过试验，也采用这种生产方法。 预应力钢筒混凝土管的特点可概括如下： 高强度。由于复合结构的特点，国内应用其输水工 作压力达 2.0MPa，覆土达 12m； 高抗渗性。最 优化地利用钢材和混凝土，薄钢板起到高抗渗的作 用； 高密封性。采用钢制套环和滑动胶圈接口， 密封性得到了保证； 耐久性强。对于有腐蚀性 介质的地段，管道采用环氧煤沥青防腐，而钢筒由 水泥混凝包裹，受到碱性游离石灰的保护，寿命得 到了延长； 接口尺寸精确，并可使用限制接口， 可免去支墩，安装方便，加快了施工进度； 平 时不需要养护，可以带压打孔，安装支线。唯一的 缺点是重量较重，但国内施工单位已创造了槽内安 装简易设备，施工方法和速度得到了妥善解决11。 2.2.3 PCCP 在引黄一期工程中的应用 1) 联接段 PCCP 输水工程的自然条件。 联接段工程是山西省万家寨引黄一期工程的 主要组成部分，在这段引水线路中，从汾河水库坝 下洞至扫石 3#减压阀室， 43.2km 长的输水区间， 为 联接段 PCCP 输水工程。这是由于在该区段输水线 路穿行于汾河河谷和沿岸山地，地形复杂，施工干 扰极其严重：输水线路穿越 6 条隧洞，穿越汾河主 河道 11 次，长约 1.9km，与古交工矿区供水管交叉 20 次，与尖山铁矿精矿粉管交叉 10 次，与煤气管 道交叉 19 次，与太一古一岚铁路交叉 5 次，与太 宁公路、娄梭公路交叉 19 次，并与大量的污水管 道、雨水管道、古交自来水管道、电信、电力缆线 等发生交叉；此外，引水线路途经工矿企业 40 余 个，属煤矿重度污染区，考虑到输水线路复杂的地 形及施工条件以及为防止引黄水被污染、渗漏、蒸 发损失12，在这个区段的输水管道采用世界上广泛 使用的 PCCP 输水工程。 2) 联接段 PCCP 输水工程的施工。 PCCP 管道主要布设于一级阶地和河漫滩，少 量布设于二级阶地及山脚基岩内，岩性变化大，有 粘土、砂砾、变质岩、沙页岩、风化岩等不同的地 质条件，管沟开挖难度较大。联接段 PCCP 输水工 程的建设主要包括 PCCP 管的制造和安装两个部 分： PCCP 管的制造。PCCP 管的制作主要包括： 钢圈加工、钢筒制作、管芯混凝土浇筑、缠绕预应 力钢丝、水泥砂浆保护层的辊射几个步骤。其施工 工艺过程如图 5 示。 钢板下料承口环焊接承口环涨圆成型 异型钢下料插口环焊接插口环涨圆成型 钢 带螺旋制筒 钢筒、承插口环焊接成型钢筒试水压管模整理 管芯混凝土振动成型吊、注砼搅 拌水泥、砂、石、水计量 水泥、砂、石、水计量蒸汽养护砂浆搅拌 缠绕环向钢筋预应力丝喷制砂浆保护层脱 模 保护层养护承插口防腐处理成品堆放 组装承插口环 图 5 PCCP 生产工艺流程图 Fig.5 Manufacturing flow diagram of PCCP PCCP 管的安装施工。联接段 PCCP 输水工 程管道安装施工分为两种形式：一是明挖沟槽安装 PCCP(图 6)，安装长度 35.3 公里。PCCP 在明挖沟 槽内的铺设步骤包括：管线测量放线、沟槽机械挖 土、铺设管道基础垫层、管道布设安装、管道水压 试验、管接头处理、覆土回填、回填质量检查和质 量控制。二是在已成型的隧洞内安装 PCCP，安装 长度 7.9 公里。 PCCP 在隧洞内的铺设步骤包括：管线测量放 线、放线定出运管车轨道中心高程和坡降、浇筑轨 道基面、焊接轨道、PCCP 管轨道运送测试及调整、 安装门机或龙门吊及负荷试验、吊放管件、驮管机 驮运管件、检查装管与待装管的同心度、将承插口 插入、调整管道中心高程坡度、用预制混凝土块管 道进行最终支撑和加固、对接头进行水压实验、泵 送混凝土回填。 工 程 力 学 29 图 6 明挖沟槽安装 PCCP Fig.6 Open cut trench construction of PCCP 3) 联接段 PCCP 输水工程的关键技术。 严格原材料控制。PCCP 设计、生产、安装 及测试除部分材料采用中国标准外，均采用美国供 水协会 AWWA C304、AWWA C301 标准和 AWWA M9、AWWA M11 手册，指标显著高于国内行业标 准，部分指标高于美国 AWWA C301、C304 标准。 水泥采用低碱水泥，严格控制 C3A 和碱含量；砂石 骨料不得具有碱活性；混凝土和砂浆混合物对于水 溶性氯离子含量有严格要求；钢丝采用冷拉钢丝， 符合美国材料试验学会 ASTM A648 标准对于预应 力混凝土管道用钢丝的要求，除满足拉伸、扭转等 力学指标外还有氢脆性灵敏度要求，高于 AWWA C301 标准；混凝土试块采用圆柱体，强度较高，分 别为 C40(相当于立方体 C50)、C44(相当于立方体 C55)、C48(相当于立方体 C60)；缠丝工艺及应力指 标高于国内标准，不 PCCP 两端的缠丝允许密绕， 缠丝应力波动不得超过平均张力值的 l0；吸水率 的试验方法及指标要求较高；混凝土入仓温度控制 标准严格。在施工中严格的原材料质量控制，从根 本上保证了引黄工程的施工质量。 联合止推设计。由于工程地形复杂，限制 了混凝土支礅的使用，而全采用铠装接头止推，钢 筒的壁厚较标准管的厚， 管道加工难度大、 效率低， 因此本项目采用铠装接头和混凝土支礅联合止推 设计。由于在大管径上采用铠装接头和联合止推在 国内外尚属首次，本项目委托无锡华毅有限公司进 行了试验，证明铠装接头的可靠性，并为联合止推 设计提供了依据。根据工程特点，管道止推确定有 三种止推形式：其一为靠管道约束连接和自身与土 壤摩擦力承担止推力；其二为采取混凝土支墩、镇 墩形式承担止推力；其三为管道约束连接后自身与 土壤摩擦力承担部分止推力，剩余止推力采取混凝 土支墩、镇墩承担。 通过模拟试验，铠装接口约束连接是可行的。 在管道止推力较小位置，可采取第一或第二种止推 形式，在管道止推力巨大的位置采取第三种止推形 式。 穿越河段管线敷设。在管线布置时为减少 工程投资，根据地形条件输水管横穿汾河 11 次， 设计时充分考虑了这段管线的稳定和抗冲刷问题。 为保证稳定性， 在穿河管道三部分(进、 出口斜坡及 底部中段)的起止处设有镇墩， 穿河段管顶覆盖厚度 不小于 6m，距管顶 3m 处设有厚度为 1m 的塑料格 栅石笼，沿河总宽 18m，防止冲刷。此外，由于一 些河段开挖深度达 12m，由于高地下水，开挖后的 沟槽内铺满积水，对管道基础处理极为不利。施工 中采取修筑局部围堰, 昼夜不间断排水，并用圆形 钢管、槽形钢打桩，控制沟槽边坡塌方，在部分地 基软弱地段进行换基处理回填碎石料或块石，使管 道垫层达到安装要求。 隧洞穿管技术。 在隧洞内埋设 3m 口径管道 在国内外尚属首例。由于管道外壁与已成型隧洞间 隙只有 15cm30cm，为了确保管道安全地运入洞 内，与已经安装的管道准确对接、定位，以及管道 外壁与隧洞间隙充填后接触完好，在多方技术人员 的共同努力下，确定了采用特制有轨驮梁式隧道内 运管车进行隧道内管道的运输和安装，并使用了管 道安全运输、安装、准确定位、对接和以 20m 为一 个单元用泵送混凝土对管道外壁与隧洞之间的空 隙充填混凝土的一整套隧洞穿管施工技术。 2.3 预应力数字化张拉技术及其在引黄工程中的 应用 2.3.1 预应力数字化张拉技术提出的背景 预应力张拉精度是决定预应力结构安全与正 常运营的首要条件，一旦预应力张拉精度失控，轻 则会引起结构出现锚固端的纵向裂纹、反拱过大， 重则会引起结构出现横向裂缝、预应力筋拉断等事 故。在土木工程领域中对预应力构件进行张拉时采 用的传统施工工艺的效率及精度较低。自 20 世纪 80 年代末以来， 国内外工程界对有效提高预应力张 拉精度高度重视。研究者从不同角度对预应力张拉 进行了研究。针对这一问题提出两种思路：一是预 应力信息化施工；二是