头戴钢盔身穿防弹衣,秦岭引水隧洞竟是这么挖出来的!

作者:须臾千秋,清华大学土木工程博士来源:网易新闻发布时间:2020-03-26

厉害了,中国制造!

       中国缺水吗?

  缺,也不缺。

  所谓缺水,是指中国北方气候干旱,人均水资源占有量低,人民的生产生活,尤其是农业生产常常受到水资源不足的制约;而所谓不缺水,是指中国南方气候潮湿,雨量充足,许多地方不仅不缺水,还时常发生洪涝灾害。

  分布不均的水资源严重制约了中国的经济建设,因此,早在60年前,我们的国家领导人就提出了“南水北调”的构想。

  事实上,南水北调不仅仅是将长江流域的水引入缺水的北方地区,而是一个涉及全国的系统性工程。其中,“引汉济渭”就是陕西省的南水北调工程。

  陕西省是中国水资源分布不均的一个缩影,人口占全省77%的关中、陕北地区,水资源只占全省的29%。特别是处在渭河流域的关中地区,历史上一直是以富饶著称的八百里秦川,目前年均缺水17.3亿立方米,缺水程度达34%。

  由于水资源严重短缺,关中地区长期以超采地下水、牺牲生态水为代价来维持经济社会的发展,渭河已经保证生态流量甚至断流,干流水质一直为劣V类,以城市为中心的地下水严重超采区面积达7000平方公里,西安、宝鸡等多市甚至因为地下水超采产生地裂缝,生态环境面临着严重威胁。从水资源充沛的陕南地区引水济渭迫在眉睫。

  

  从汉江引水到渭河,这意味着将长江流域的水引入黄河流域,中间要穿过中国最重要的地理屏障——秦岭。黄鹤之飞尚不得过,又怎么把每年十多亿立方米的水引过去呢?

  (一)史上最长的穿山隧道,将水引过秦岭

  想要引水进关中,就只能把秦岭凿穿。

  依照规划,汉江的水从三河口水利枢纽中出来,就需要穿过81.6公里的秦岭主脊,这是人类首次尝试从底部横穿世界十大主要山脉之一的秦岭。其中,隧道的设计出口延伸段全长3493米,地质条件极为复杂、施工难度极大、不可预见因素极多。

  这么长而复杂的穿山引水隧道,可以说是空前绝后。

  

  (秦岭主脊)

  由于秦岭主脊海拔高而且非常陡峭,隧道的埋深很大,因此无法从中间打支洞进去施工,只能从两侧仅有的两个工作面硬生生地各挖四十公里。这么长的距离相当于已经与外界相隔一座北京城了,通风、排水、测量、物资运输都很成问题。尤其是远距离的隧道通风,是隧道施工领域的世界性难题。

  由于空气无法对流,有毒有害气体、烟雾和粉尘很容易在隧道内堆积,严重危害人员健康。在施工过程中,工程队创造性地建设了多级风站,在隧洞内3000米处建立了压风站并配套建设了专门服务隧道通风的变电站,满足了施工通风需要。

  由于隧道开挖实在太长,施工人员每次进场施工都要先乘中巴车前行一段,再换乘隧道小火车,接近一个小时才能进入施工区。


  (长距离隧道的人员运输与物资调配是施工的一大难点)

  (二)挖隧道,多亏了国产首台大直径全断面硬岩隧道掘进机

  按照规划,秦岭引水隧道的年引水量应达到15亿立方米,相当于每秒75立方米,才能补足关中地区的用水缺口。为了达到这一设计,隧道的断面尺寸需为直径7.5米的马蹄形,与公路隧道尺寸相当。隧道处的沿途结构以坚硬岩石为主,因此施工方选用了TBM盾构法进行施工。


  (国产首台全断面隧道掘进机(TBM)“长春号”)

  TBM盾构法与普通盾构法不同,它采用全断面掘进法,用于岩石地层的挖掘。相比起普通盾构机,TBM因其对设备的可靠性和长寿命要求极高,被称为工程机械的“掘进机之王”。

  秦岭隧道使用的盾构机掘进力可达1.7万千牛,相当于四列满载的复兴号高铁的重量。

  在岩石地层中,如果采用传统打眼爆破的钻爆法,每月开挖距离在100米左右,要到2050年才能挖完整座秦岭引水隧道。而采用TBM盾构法,每月最快可以掘进1000米,四年即可将隧道全部打通。

  大直径全断面岩石隧道掘进机是国之重器。从1996年中国引入第一台TBM以来,这一设备一直被国外垄断。2011年,铁建重工与浙江大学等高校以及施工方中铁十八局携手研发国产TBM,突破了大功率、变载荷、高精度电液控制系统设计与集成、关键部件状态监测等核心技术,最终于2014年底生产出了拥有自主知识产权的国产首台大直径全断面硬岩隧道掘进机“长春号”。

  它可以克服隧道建设中长距离、大埋深、高应力、高地温、大涌水、易岩爆这些经典难题,尤其适用于引水隧道的开挖工程。


  (TBM盾构机工作示意图)

  TBM盾构机可不仅有切削岩体这一个功能。

  它在切削岩石时会发出特定的地震波,被前方岩体反射回来后,施工队使用一种特殊的传感器接受并进行处理,就可以对工作面前方的地质条件,包括岩石种类、地下水、裂隙等情况形成预测,进而提早展开应对。

  

  (三)引水隧道的最大难题,居然是水

  然而,仅有盾构机是远远不够的,TBM不怕坚硬的岩石,但却很难对付松软的流沙。

  秦岭引水隧道的挖掘区域内虽然主要是坚硬的岩石,但其中也不乏断裂带和破碎岩体。秦岭山体中的地下水就沿着这些裂隙进入施工中的隧道中来。虽然引水隧道本身不像公路隧道那样怕水,但这些涌水还是会给施工带来非常大的麻烦,甚至造成危险。

  在秦岭隧道的北侧工程掘进到一半的时候,就出现了大量地下水裹挟着流动的砂石,将盾构机死死卡住,不仅不能继续掘进,连后退也不行,并在盾构机的前方形成了无法判断的巨大空腔。一旦空腔发展过大,很容易造成隧道的严重塌方,严重威胁施工安全。

  

  (施工隧道穿过流沙体)

  工程部决定,采用人工开挖纵向小导洞的方式,开挖一点支护一点,在纵向穿过破碎带以后再进行环向开挖,进而覆盖整个破碎带。最终,在人工开挖出1500立方米的砂石并成功浇筑混凝土支撑了全部松散体后,才将TBM盾构机解救出来,恢复掘进。

 

  (人工开挖的纵向及环向小导洞)

  地下水带来的问题,岭南一侧也不能幸免。

  岭南侧的掘进过程中遭遇了一次特大涌水,涌水量达到了每天4.6万立方米,而隧道内的设计排水量只有每天1.2万立方米。在水位最高时一度距离水泵电气柜高度只有2厘米。电气柜一旦被淹,整台价值2.5亿元的TBM盾构机将彻底毁坏。

  因此,工程部紧急抢装了多台水泵,修了无数个小水坝来排水、堵水。

  

  (隧道涌水)

  然而,如此大量的涌水,意味着附近的山体内事实上存满了水,单靠抽是不可能抽得完的。隧道内的情况非常危险,工作人员只能坐着橡皮艇前去抢险。经过一千多人两个多月的奋战,采用注浆堵水的办法,终于攻克了涌水难题,水位最终得以回落。

  除了水带来的问题,南北两侧的施工队还在不断地遭受岩爆的侵袭。这是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放,导致岩石爆裂并弹射出来的现象。

  随着掘进深度的逐渐增加,隧道顶向上的山体也越来越厚。厚重的山体及其中的地下水会将山体内部的空气压缩成高压气团。一旦开挖到了气团的附近,薄弱的岩石就会被高压气团爆开。

  

  (岩爆很容易引发塌方并飞石伤人,十分危险)

  掘进越深,工程队遭遇的岩爆就越多,强度也越大,最严重的岩爆飞出的碎石速度堪比子弹,极其危险。在岩爆威胁下,普通安全帽的防护是无效的。为了避免被飞石砸伤,隧道中的施工人员都是头戴钢盔,身穿防弹衣进行作业的。

  到目前为止,洞内先后出现较大涌水4次、塌方7次。但即使在这样艰苦的环境下,施工队仍然在连续安全生产2175天,保持零伤亡的基础上,将主洞工作量完成了总目标的85%,超额完成了预期目标,并屡次打破TBM的世界掘进记录。

  结语

  按工程计划,秦岭输水隧洞将于2020年全线贯通,届时西安市民将喝上汉江水。

  到2030年,“引汉济渭”工程完工后调水总量可达到15亿立方米,可让关中1400万人喝上干净卫生的优质汉江水,让失灌的500万亩良田有水可灌,并为陕北国家能源化工基地建设提供水资源保障。

  汉江水还能有效地保护关中已经严重报警的地下水,帮助恢复生态环境。



原标题:头戴钢盔身穿防弹衣,秦岭引水隧洞是这么挖出来的

版权信息