山西中部引黄工程技术难题及关键技术研究

2022-05-12张成军石建军

水利建设与管理 2022年4期

张成军马菲石建军

(山西中部引黄工程建设管理有限公司，山西太原 030000)

时空分布不均是我国水资源的特点，缓解资源性缺水问题，有必要兴建引调水工程。引调水工程通过建立江河湖库之间的水利联系，达到提高水资源利用率，强化水安全保障能力的目的。相关资料显示，迄今为止全球范围内超过40个国家及地区建成了400多项规模不一的调水工程(其中不包括主干渠长度小于20km，年输水量小于1000万m3的工程)。

近50年来，我国各省份先后兴建了若干个跨流域引调水工程，影响力较大的如南水北调、引大济湟、引黄入淀、引黄济青、引黄入晋、引汉济渭、滇中引水、引江补汉、引江济淮及鄂北调水等工程，这些工程获得了良好的社会生态效益，同时在大跨度渡槽、高压倒虹等输水建筑物方面的研究也取得了突破性的进展，尤其在复杂地质环境中超长深埋隧洞建设的关键技术问题上取得了显著进步。我国引调水工程在建设规模、处理复杂难题的关键技术及水资源高效配置等方面均已达到世界先进水平。

1 工程概况

1.1 工程规划

山西省中部引黄工程是山西省的大型骨干引水工程，是全省大水网建设中输水线路最长、覆盖市县最广、投资规模最大、受益人口最多的水利工程，规划年供水6.02亿m3，工程从黄河北干上游段天桥电站库区取水，主要输水到山西吕梁山沿线的16个县市。

中部引黄工程包括取水工程和输水工程。取水工程设计取水流量23.55m3/s，泵站装机容量96000kW，水泵设计扬程200m，装备7台机组。从天桥电站提水后，通过无压引水隧洞，从出水池全线自流向下到各个分水口。输水工程线路全长约384km，整体线路较长；其中隧洞长度约382km，埋深较大，且工程沿线地质构造与水文地质条件复杂。

1.2 水文地质和工程地质

中部引黄工程地下水类型主要有碎屑岩裂隙水以及碳酸盐岩类喀斯特裂隙水等；引黄工程区位于黄河流域，以吕梁山脉中脊为分界线，工程地理环境复杂，汾河水系和入黄支流水系分别位于分界线东西两侧。跨越多个地貌单元，从北向南依次有黄土丘陵区、褶皱断裂高中山区、侵蚀构造中山区、破碎黄土塬区等，地形起伏较大，全线地面高程908～1640m。

引黄工程跨越鄂尔多斯断块和吕梁太行断块两大二级构造单元。其中离石断裂带是位于山西断陷带西侧吕梁隆起的西坡上，由北向南绵延逾270km的断裂带，此断裂带局部与中部引黄工程输水线路相距较近甚至相交，在隧洞掘进过程中存在围岩稳定性差和突水等工程地质问题。

引黄工程无论是隧洞总长，还是单个贯通长度都居世界前列，受选线限制，长距离输水隧洞在建设过程中，将不可避免地需要穿越具有复杂地质构造的山岭地区，勘察阶段难以对洞室周边地下水及围岩稳定情况有较准确的掌握。本工程初设阶段勘探钻孔平均深度为166m，技施阶段平均深度为230m，同时对个别重要地段进行了深孔钻探、原位测试、地应力测试、抽水试验。但由于工程线路平均埋深较大，最大埋深达到694m，所以在勘察阶段，由于勘探技术手段、设备和选线的局限性，想要准确查明隧洞水文地质并进行有效的工程地质评价十分困难。

2 工程建设技术难题

2.1 复杂地质条件高含沙量取水工程设计建造问题

2.1.1 高含沙量引水问题

黄河是高含沙量河流，在黄河大北干流富含泥沙段取水，认识和解决泥沙这项艰巨难题具有重大意义。目前，取水口上游的龙口水库和万家寨水库枢纽已经冲淤平衡，采取蓄清排浑的运行方式，将导致取水口的过沙含量增大，对中部引黄取水不利，影响中长线输水的科学安全调度。

取水口泥沙淤积研究、沉沙池设计、开展高含沙量引水线路中泥沙运动特性和疏导方法等关键技术的研究是一个重要难点。

2.1.2 设计方案和设备比选

首部取水枢纽主要有天桥电站左坝头取水+黄崖沟内设泵站和枣林沟沟口取水+铁匠铺设泵站两种方案，两种方案的取水条件、引水线路布置、泵站布置、设计扬程、出水压力管线与主干线隧洞的衔接、压矿情况、施工条件等都均有不同。

对于半地下泵站和地下泵站两种方案，需要根据取水水位、出水池水位、泵站机组选型和扬水方案，结合工程水文地质、高程关系、工程量、运行检修等因素进行综合分析对比。

对于水泵的型式、单机流量以及额定转速等关键参数，需要根据泵站设计流量、扬程、运行时间、泥沙磨蚀、使用寿命以及国内外运行经验等多因素来综合考量。

因此对首部取水枢纽方案比较、取水泵站选址及建筑物选型、水泵选型进行多方面综合比较研究，达到合理优化的目标是十分困难的。

2.1.3 中部引黄工程地下泵站厂房围岩稳定及防渗问题

引黄工程取水工程的地下泵站位于天桥泉域排泄区，主要含水层为奥陶系中统上马家沟组灰岩，同时灰岩的渗透系数为32.7～34.9m/d，具有较强的渗透性。泵站埋深区间为170～195m，喀斯特水水位834m，地下泵站底板开挖高程802.6m，喀斯特水水位高于底板开挖面30m以上，静水压力较高，经估算如果降水至高程802.1m时，基坑涌水量为33000～36000m3/d，影响半径达1861m。同时，地下泵站顶拱部泥灰岩较软，强度应力比为1.56～3.01，遇水后软化，稳定性极差。

如何确保地下泵站厂房的围岩稳定和地下水处理是一大挑战。

2.1.4 泵站工程岩锚梁施工及质量控制问题

中部引黄泵站厂房岩锚梁岩台开挖地质条件为：岩锚梁下端位置处发育一条泥灰岩夹层，该夹层的厚度在1～5m，夹层遇水易软化，强度较低，且在夹层上部灰岩层交界处又发育一层10～20cm厚的泥化夹层，对岩锚梁的施工质量安全造成显著影响。同时，随着后续的地下洞室开挖，高强度爆破产生的震动极易使岩锚梁产生裂缝，对岩锚梁的施工质量控制及安全运行造成巨大威胁。

如何确保厂房岩锚梁质量控制及在后续施工中的结构安全，是泵站厂房施工质量的关键。

2.1.5 取水口倒悬空腔复杂环境下的围堰施工技术

取水口围堰设计拟采用混凝土拱围堰，基础开挖高程为824m，拱中心线半径12.35m，中心线长度16.28m，围堰厚度1.5m。但是通过实地勘察得知：进水口部高程824m以下一定区域内存在倒悬空腔，导致中墩至上游边墩范围内的拱围堰基础在高程824m处不能严格依据设计图纸进行布置。需要重点探究在取水口存在局部倒悬空腔的情况下，如何高效、安全地进行围堰施工这一难题。

2.2 泉域、地下水影响大，突涌水问题严重

工程线路涉及天桥、柳林和郭庄三个泉域。泉域内喀斯特水位大多位于设计隧洞洞底以下，比如总干桩号93+696～97+384和119+843～124+558段的碳酸盐岩类裂隙喀斯特水，预计涌水量分别达为1.8万m3/d和2.3万m3/d；东干9+109～11+855地段穿过奥陶系中统地层，位于柳林泉域的排泄区，喀斯特发育程度较高，且外水压力大，估计涌水量达到13万m3/d。

碎屑岩类裂隙水主要赋存在以砂岩、页岩和泥岩为主的二叠、三叠系地层中，该类水埋深不大，富水性不均，特别是三叠系地层中，砂岩含量相对较多，涌水量较大。比如西干桩号30+365～85+600地段，长约55km，洞顶地层岩性为三叠系中统二马营组砂岩和泥页岩，开挖时涌水量较大，估算涌水量达到21万m3/d。

2.3 软质岩变形大，穿越断层破碎多，不良地质现象突出

工程隧洞穿越的软岩地层较多，以三叠系、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系及前寒武系地层为典型代表，遇到泥灰岩、泥页岩及片岩等，在地应力和地下水的作用下，主要有塑性挤出、塑流涌出及重力坍塌等破坏形式。

工程区的离石断裂带最新活动时代为早更新世，虽然为非活动性断裂，但是距离总干后段及东干首段、西干首段等洞段较近，工程线路约有80km与之相距较近或者交织，断裂带呈密集劈理带或碎裂岩带，围岩裂隙的主要发育方向与隧洞走向呈小角度相交，位于地下水位以下时富水性强，且有高压力特征。在隧洞掘进过程中存在围岩稳定性差和突水等工程地质问题。此外工程沿线共经过13条断层，线路附近分布十余条断层，共有7条断层处于地下水位以下，其中3条断层位于区域喀斯特地下水位以下。

2.4 长距离小断面隧洞钻爆法施工难题

本工程设计流量23.55m3/s，断面型式有马蹄形、城门洞形和圆形三种。从总干到各个支线，随着输水量的减少，断面尺寸也逐渐变小。例如，浦大支线隧洞的断面净宽2.5m，净高3.04m，直墙段高2.2m，顶拱中心角135°，半径仅为1.35m。

隧洞断面小，开挖支护作业效率低，有轨运输施工组织不便，运料出渣、通风、排水等重大技术需要攻克。钻爆法开挖长隧洞，地质条件极为复杂，随着地层岩性、构造的不同，工程区出现各种问题，如突涌水、塌方、大变形、高外水压力、下穿北川河及省级公路等疑难问题和技术需要攻克。

2.5 深埋超长隧洞TBM施工难题

2.5.1 TBM性能要求

中部引黄TBM段施工的洞段围岩以灰岩、白云岩、泥灰岩及变质岩为主，硬质岩占绝大多数。TBM洞段埋深较大，构造应力较大，岩性复杂，特别是东干TBM受地下水影响较大，涌水量达到3万m3/d，这要求TBM除了高强度的结构设计外，还应具有足够的推力储备及扭矩储备以适应高地应力、软岩大变形、喀斯特及突涌水、高外水压力、断层破碎带等不良地质。需要在TBM选型以及推进系统推力、刀盘驱动转矩、刀盘驱动功率等主要技术参数方面加强论证。

2.5.2 TBM长距离独头掘进出渣运输及通风问题

总干77+040.9～总干118+395.8段为岩石洞段，长41.4km，采用两台TBM对向掘进，见图1。其中，TBM1标掘进26.25km。

图1 TBM1标进洞支洞与通风洞布置

由于TBM1标通风支洞地处黑茶山保护区内，水资源丰富，通风支洞开挖过程中地质条件复杂多变，隧洞涌水量大，施工进度缓慢，与主洞TBM掘进进度不能匹配。因此须对TBM1主洞的出渣方案及通风系统进行优化，以满足总干工程进度的需要。

现阶段，国内外TBM独头掘进通风距离多在20km以内，如辽宁大伙房输水工程最大通风距离为12.7km，引大济湟工程采用混合式通风方式，最大通风距离14.3km。在中间增设风机后，独头通风距离可达到20km以上。

长距离TBM出渣运输及通风系统如何进行优化，解决26km独头掘进条件下的出渣及通风问题，是中部引黄工程施工面临的一大前所未有的难题。

2.5.3 不良地质问题处理

针对不良地质条件，如岩层破碎带、高压富水地层、软弱地层、溶洞等，TBM适应性较差，掘进效率低，处理不当甚至会发生突水、塌方、卡机、淹机等工程事故，严重影响工程的安全、质量、经济与社会效益。

中部引黄工程总共有三条TBM施工段，全部采用敞开式双护盾TBM。其中，中部引黄总干线3号隧洞，长度50.9km，最大埋深610m，TBM掘进面临高地应力岩爆以及软弱围岩大变形卡机等风险。东干TBM3标，洞径3.2m，断面较小，后配套系统不易布置，施工较困难，且面临高压富水段，不如钻爆法灵活，存在潜在的工期风险，需要重点研究。

2.6 调水工程运行调度难题

中部引黄工程输水线路总长384.5km，共有12个分水口，主要建筑物包括无压引水隧洞、埋涵、倒虹吸2座、渡槽2座、地面式闸室7座(进水闸、分水闸、节制闸共23个)、地下式闸室5座(进水闸、分水闸、节制闸共10个)，无调蓄水库，具有输水线路长、供水区域广、控制闸泵及分水口多等特点。

由于工程引水隧洞全线无压，干线没有水库缓冲，在面对复杂多变的水力工况时，泵站、闸室、线路需要高度协同，同时还涉及泵站效能、水量分配、市场运作等多种问题。如何建立科学的运行调度管理系统，发挥工程的最大效益是一大难题。

此外，工程上还有平面控制网方案设计，高墩大跨度预应力渡槽挂篮施工技术等，都是在中部引黄工程中遇到的技术难点。

3 关键技术研究

3.1 复杂地质条件高含沙量取水工程设计建造技术

3.1.1 高含沙量引水线路中泥沙运动特性的研究

黄河干支流属于高含沙水流，多沙河流的运动特性、输沙特性和低含沙水流有很大不同，河床冲淤变化快，水沙需要耦合求解。通过试验分析取水口库区的泥沙特性，测量取水口上下游河段地形，研究分析取水口来水来沙过程，建立了库区多泥沙水深平均的二维泥沙数学模型。同时考虑高含量水沙特性，尤其泥沙恢复饱和系数等参数的取值对于模型的影响进行了深入探讨研究，模型验证后分析预测了库区取水口的河床演变及对取水的影响，成果应用于后续的模型试验及输水调度研究。

3.1.2 首部取水枢纽方案、取水泵站选址及建筑物选择、水泵选型等

首部取水将枣林沟取水口优化为义门镇取水口，采用工作闸门设在1号洞首部的无压取水布置方式。根据取水水位、出水池水位、泵站机组选型和扬水方案等，最终确定为地下泵站的方案。取水泵站的选址，在满足地形、地质条件的基础上，兼顾取水口位置与泵站压力管道出水池位置，最大限度地降低了泵站设计扬程，减少了工程运行期管理费用。综合考虑取水口引水引沙情况和泥沙颗粒对水泵机组的磨损情况，在1号隧洞末端布置沉沙池。为保证泵站更好地匹配提水流量、运行灵活，采用5台设计流量4.71m/m3的立式单吸三级离心泵，2台设计流量6.6m/m3的立式单吸单级离心泵，设计扬程约200m。

3.1.3 泵站厂房施工

首先，在地下泵站周围进行帷幕灌浆封闭地下水，然后对厂房进行分层开挖。

地下泵站处软质岩主要以泥灰岩为主，多分布于地下泵站顶拱及上部位置处。开挖前，先对顶拱分布的泥灰岩层进行高压固结灌浆处理，以提高该岩层的强度和整体性；开挖后及时封闭开挖面，采用格栅钢架和喷锚支护等封闭措施；为防止围岩持续变形，在封闭措施的基础上，及时对施工厂房顶拱的钢筋混凝土进行衬砌，并借助锚索将围岩和衬砌拉结为一体。

3.1.4 岩锚梁裂缝处理

地下厂房部分岩锚梁施工过程中可见裂缝情况，为解决或防止这一问题，需借助预应力锚杆及固结灌浆等有效方式实施加固操作，通过对地下厂房工程地质条件、施工程序及围岩应力变形监测资料的综合分析，论证了加固处理后岩锚梁的运行安全性，监测数据表明加固处理对于岩锚梁起到了有效的安全保障作用。

3.1.5 取水口预留岩埂围堰施工和预留钢管桩岩坎爆破拆除关键技术研究

针对进水口高程824m以下局部存在倒悬空腔，综合考虑围堰混凝土施工的不利因素，决定采用预留岩埂加固的挡水围堰方案，在围堰内基坑开挖支护，并加强防渗漏的处理。方案实施后，收集了加固期间相应的安全变形监测数据，数据显示预留岩埂趋于稳定状态，证实预留岩埂挡水围堰的加固是一项安全有效的措施。

取水口岩坎工程中，注浆钢管桩的安装密度为0.83根/m2，并与周围建筑物过于接近，爆破拆除难度大。如何安全实施高难度爆破拆除需要技术攻关，通过分析工程结构特点和力学性质，合理设计预裂孔、倾斜光爆孔、炮孔间距等爆破参数，来控制爆破块度和爆破效果。爆破拆除按下述方式进行：爆破之前，首先拆除所涉及的内支撑梁，爆破选择的是一次性整体爆破形式。每两个钢管桩之间布设一个炮孔，基岩处相应的单耗维持在0.7～0.8kg/m3，底部的单耗值则超出了1.5kg/m3。从实践来看，爆破能够实现钢管桩、岩石二者的快速有效分离，同时严格控制了爆破界限，能够有效保障区域内建筑物的安全。

3.2 TBM超长深埋隧洞施工关键技术

3.2.1 TBM长距离独头掘进出渣运输系统方案及通风系统研究

TBM1标工程隧洞坡度大、独头掘进距离长，洞内最长运输距离达26.3km，掘进段开挖直径为5.06m，成洞段隧洞内净空仅4.3m。

为解决小断面、长距离隧洞出渣难的问题，创新性地研制开发了磁力摩擦式中间加力驱动系统，在辅助驱动胶带下方设置磁钢，磁力穿透辅助驱动胶带作用于连续皮带机承载胶带的钢丝绳，从而在隧洞空间有限的情况下合理布置设备。该系统避免了在转载式多点驱动情况下，石渣由助力驱动从高处下落对胶带产生的二次冲击荷载。该磁力摩擦式中间加力驱动系统很好地适应了TBM施工中不连续出渣及石渣对皮带损伤等问题，确保驱动力始终在合理范围内，保证施工出渣的顺利运行。

TBM1标段独头掘进长度为26.3km，如何提高通风保证率，在不损失风量的条件下将进风向下游持续输送，需要考虑通风布置方案。工程成功形成了一套完整的巷道式通风系统(见图2)，包括利用压入式轴流通风机从进洞支洞进风，利用抽出式除尘风机回风，辅以间隔串联布置的接力风机。采用无损接力风机连接片(见图3)，实现对连接片内部压力的实时监控，并变频调节风速，从而减少了串联风机接口处的漏风量，提高了供风量及供风压力，为实现独头26km掘进提供了有力保障，单月最长掘进达到1054m。

图2 无损接力风机连接片工作原理

图3 通风系统布置

3.2.2 高压强富水地层TBM施工技术

针对不良地质条件，如岩层破碎带、高压富水地层、软弱地层、溶洞等，TBM适应性较差，掘进效率低，处理不当甚至会发生突水、塌方、卡机、淹机等工程事故，严重影响工程的质量，安全性和经济性都将降低。

中部引黄工程TBM3标施工穿越高压富水破碎带等不良地质段，开挖面及隧道周边发生突涌水，水压高、涌水量大。由于断面洞径小，TBM设备占用隧道空间，注浆设备作业受到限制，为正常施工带来了巨大的困难。针对上述问题，提出了“钻孔分流+表面嵌缝+浅层封堵+深层加固”的裂隙注浆堵水处理措施，配合新型的注浆材料，实现了对高压富水裂隙渗流出水的有效封堵，形成了高压富水隧洞硬岩地层径向注浆堵水施工关键技术。

3.3 复杂环境下长距离小断面引水隧洞钻爆法施工技术

3.3.1 长距离小断面引水隧洞运料出渣、通风、排水技术

由于隧洞断面较小，作业面有限，无法通过增加施工人员和机械设备来提高工作效率，因此引水隧洞运料出渣、通风、排水等方面的合理安排是需要解决的关键技术。

a.风水管线的布置。通过合理布置隧洞风水管线，减少了风水管线对施工的干扰，有效地解决了隧洞内空间狭小对施工机具的影响，加快了施工速度。

b.避(调)车洞的选择和布置。必须确定合理的加宽段距离。由于隧洞断面小，无论采用装载机或耙渣机进行装渣，都必须设置加宽段，加宽段设置的间距过大，导致装渣时间长，影响工程进度。加宽段设置的间距小，增加了加宽段数量，隧洞开挖支护量大，不经济，另外加宽段断面较大，施工难度大，导致进度较慢。因此必须合理确定加宽段距离。

c.运输出渣。针对小断面、大坡度的施工支洞，采用矿用提升绞车加平板运输车的配套运输系统施工，这种施工方案大大降低了安全风险，具有施工速度快、效率高、造价低等优点，而且有效解决了绞车拉矿车传统运输出渣、混凝土运输过程中多次装卸倒运问题，工程质量得到保障，实践证明平板提升系统将有轨运输变相过渡成了无轨运输方式，此类运输方案比传统的有轨运输月进尺平均提高了20m，减少投入两台挖机或装载机进行二次装车，节省多次倒运工时，施工速度明显提升。

d.针梁台车衬砌快速施工组织。超前支护、钻爆开挖、装渣出渣、立架、喷锚等工序交替作业频繁。工序多、衔接频繁、相互干扰大，通过对工序和施工工艺的调整，解决了隧洞断面狭小、无法连续作业的问题，提高了衬砌的施工速度。

3.3.2 小断面隧洞钻爆法开挖段突涌水灾害治理的注浆技术

现实隧洞开挖过程中，尽管有各种地质预报和探测手段，但是不可避免地遇到不良地质时，容易发生突涌水。治理的原则是：在满足工程安全顺利施工的情况下，尽量减少对地下水及周边环境的不良影响。

工程中应根据实际情况，包括围岩的隔水性能、涌水量和压力、涌水补给路径和范围、工程进度和预算以及地下水位下降对环境的影响等，来综合考量“排”和“堵”的结合。针对高水压小断面引水隧洞的特点,提出了基于掌子面卸压、SYDH快速速凝剂、简易孔口止浆阀等技术的超前帷幕注浆方法。具体做法如下：沿隧道开挖轮廓线径向布置钻孔，按一定间距钻孔，采用排水减压技术，在开挖面上钻若干个排水孔；然后注入双液浆充填节理裂隙,增强围岩强度同时封堵涌水路径，达到固结围岩和止水目的，并建立了相应的施工规范,在实际工程中得到了应用,效益显著。

3.3.3 浅埋隧洞下穿复杂建(构)筑物关键技术

针对浅埋隧洞下穿复杂建构筑物,提出了综合考虑隧道自身安全与环境安全风险管理相结合的施工控制技术标准。内容涵盖施工前的建筑物现状调查和危险性分级；施工方法的分析和拟定;施工过程监测和过程控制;工后评估和恢复方案制定。克服了传统地下工程施工只考虑隧道自身安全或者环境安全风险的情况。

3.4 调水工程运行调度与控制关键技术

工程调度遵循监测立体、决策科学和控制自动的思路，构建工程调度与运行管理系统，保证工程安全运行，全面实现工程的信息化管理和科学调度。首先在工程沿线布设数据采集和传输设备，采集流量、水位、水压、水质、泥沙等数据，构建实时立体监测体系；开发建立水力水质仿真模型、水资源优化配置、系统优化控制模型等，对水资源调度方案进行模拟、研究和分析，为科学调度提供决策支持；最后建设稳定可靠、安全快捷的闸(泵)站监控操作系统，实现调度方案的自动化和精准化。