埃及穿蘇伊士運(yùn)河輸水隧洞工程

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為開發(fā)西奈北部，埃及實(shí)施了西奈北部開發(fā)工程。它是埃及最大的一項(xiàng)土地開發(fā)工程，將尼羅河水及蘇伊士運(yùn)河西岸其他一些地區(qū)的退水匯入薩拉姆（EL SALAM）干渠，經(jīng)薩拉姆（EL SALAM）輸水隧洞穿過(guò)蘇伊士運(yùn)河，接嘎勃（EL AHEIK GABER）干渠至西奈半島北部，年引水量為44.5億m3，其中從尼羅河引21.1億m3。主要目標(biāo)是灌溉蘇伊士運(yùn)河以西的8.4萬(wàn)hm2和運(yùn)河以東的16.8萬(wàn)hm2農(nóng)田。該工程由埃及公共工程與水資源部所屬的西奈北部開發(fā)委員會(huì)組織實(shí)施和管理。
    薩拉姆輸水隧洞工程是埃及西奈北部開發(fā)工程的重要組成部分。它與我國(guó)的南水北調(diào)中線穿黃隧洞工程有很多相似之處。本文將以前考察該工程時(shí)的有關(guān)情況進(jìn)行了整理。
    1、工程概況
    拉薩姆輸水隧洞工程由四條內(nèi)徑為5.1 m的隧洞組成，每條隧洞包括進(jìn)、出口建筑物長(zhǎng)約770 m該項(xiàng)工程由英國(guó)豪克（HALCROW）咨詢公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、咨詢及施工指導(dǎo)，C·B（CMC·BESTX）聯(lián)合體（兩家意大利公司組成）承包施工。工程總承包費(fèi)用為2億埃鎊（約合6 000萬(wàn)美元）。
    工程前期工作階段，在蘇伊士運(yùn)河兩岸沿隧洞軸線進(jìn)行了地質(zhì)勘探，但在運(yùn)河河床中未進(jìn)行勘探。隧洞穿越地層的頂部為灰色壤土質(zhì)黏土，向下為黃灰色砂、硬質(zhì)黏土層、砂層。其地下水位接近地表。實(shí)際施工中，運(yùn)河河床內(nèi)的地層與設(shè)計(jì)階段估計(jì)有些出入，主要反映在河床的黏性土層基本不存在，這給施工帶來(lái)了一定的困難。
    2、隧洞布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    2.1 水力設(shè)計(jì) 
    水力設(shè)計(jì)是倒虹吸設(shè)計(jì)的重要組成部分。該工程最大設(shè)計(jì)流量為160 m3/s，相應(yīng)流速為2 m/s；最小設(shè)計(jì)流量為40 m3/s，相應(yīng)流速為1 m/s。工程進(jìn)口水位為＋1.5 m，出口水位為＋0.6 m，倒虹吸的設(shè)計(jì)水頭損失為0.9 m。連接隧洞的薩拉姆輸水干渠的最大流速為0.7 m/s。
    2.2 隧洞數(shù)量的選定
    在設(shè)計(jì)階段曾對(duì)采用2、3或4條隧洞進(jìn)行了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，主要考慮工程造價(jià)、施工、進(jìn)行管理等因素。
    盾構(gòu)機(jī)直徑的大小，關(guān)系到價(jià)格的高低和工程成本。大直徑的盾構(gòu)機(jī)，技術(shù)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，制造周期長(zhǎng)。小直徑的盾構(gòu)機(jī)，技術(shù)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，制造周期短。對(duì)薩拉姆輸水隧洞工程，經(jīng)比較后認(rèn)為盾構(gòu)機(jī)直徑為5.96 m為最優(yōu)。
    由于年內(nèi)引水流量變化較大，一般10月—次年1月流量為40～65 m3/s，春秋季流量90～160 m3/s，6—7月為70～80 m3/s，從工程運(yùn)行、管理及維護(hù)的角度考慮，洞數(shù)不宜少。
    經(jīng)造價(jià)、施工、運(yùn)行管理等方面綜合分析，認(rèn)為采用四條隧洞方案，與大多數(shù)采用盾構(gòu)法施工的交通洞洞徑接近，施工相對(duì)容易，綜合造價(jià)低，便于運(yùn)行管理。因此，最后選定四條隧洞方案。
    2.3 隧洞定線
    為方便渠道與隧洞的連接，進(jìn)、出口段隧洞中心間距為12 m，在主洞段中心間距擴(kuò)大為15 m。隧洞兩端為1∶5的斜坡洞段，中間為1∶200的平洞段，平洞段最低點(diǎn)高程為－45 m。兩段斜洞與平洞通過(guò)曲線連接，曲線的平面和立面曲率半徑均為500 m。將來(lái)運(yùn)河拓寬和航道加深后，隧洞上覆蓋土層厚不小于10 m。
    據(jù)英國(guó)毫克咨詢公司的工程師介紹，采用1∶5的斜坡洞段作為隧洞的進(jìn)出口段，主要是為了改善水流條件，減少進(jìn)出口斜井的工作量。
    2.4 隧洞襯砌
    由于工程處環(huán)境條件復(fù)雜，如地下水含咸量高，在設(shè)計(jì)中特別注意了隧洞襯砌的耐久性和使用壽命。詳細(xì)比較了預(yù)制混凝土管片襯砌、加不透水層襯砌和雙層襯砌三種方案。從水力條件和耐久性好及運(yùn)行管理費(fèi)用少等方面考慮，決定增加部分工程造價(jià)，選擇雙層襯砌方案。
    隧洞外襯砌為預(yù)制鋼筋混凝土管片，每環(huán)由7片標(biāo)準(zhǔn)塊和1片楔型塊組成，環(huán)管內(nèi)徑為574 cm，外徑為634 cm，厚30 cm，環(huán)寬1.2 m，環(huán)為錐型環(huán)，左、右有20 mm的斜度。管片間由彎曲螺栓（M24×520 mm）連接，接縫處采用親水性的EPDM的密封墊片（可承受70 m水頭）充填，所有管片表面均涂滿瀝青油環(huán)氧樹脂。管片為450＃/200?；炷粒摻畋Ｗo(hù)層最小厚度為4.5 cm。考慮到隧洞的工作環(huán)境為五級(jí)侵蝕性地區(qū)，依據(jù)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BRE規(guī)范363（1991年7月）進(jìn)行了水泥品種選擇，水泥為30％波特蘭水泥并摻以70％磨細(xì)鼓風(fēng)爐渣。管片由承包商在工地現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制，曲線段的管片形狀有所變化，以適應(yīng)曲線段管片拼裝的精確度要求。
    隧洞的內(nèi)襯為鋼模臺(tái)車泵澆素混凝土。內(nèi)徑為510 cm，外徑為574 cm，厚32 cm，分段長(zhǎng)度10 m，混凝土標(biāo)號(hào)為400＃/200＃。內(nèi)層襯砌按100％的土壓力和100％的水壓力設(shè)計(jì)，并考慮地震加速度0.15 g進(jìn)行校核。在運(yùn)行期所有荷載由內(nèi)襯承擔(dān)，考慮到外襯的作用，內(nèi)襯的安全系數(shù)選用1.1（常規(guī)為1.4）。
    2.5 混凝土的防腐設(shè)計(jì)
    進(jìn)出口建筑物的混凝土專門進(jìn)行了防腐設(shè)計(jì)。進(jìn)出口建筑物采用由德國(guó)進(jìn)口的特殊抗腐蝕水泥拌制外包混凝土，其水灰比為0.4，每方混凝土含水泥400 kg。砂和碎石均經(jīng)過(guò)專門沖洗。建筑物表面涂抹10 cm厚沙漿，刷二道防腐油漆，再外包一層PVC材料。
    2.6 運(yùn)行期檢修
    檢修隧洞時(shí)，需要關(guān)閉進(jìn)、出口的閘門和迭梁門，將隧洞內(nèi)的水抽出。抽水設(shè)備包括兩臺(tái)可移動(dòng)的潛水泵、相應(yīng)的管路、起重機(jī)和電器設(shè)備。
    3、隧洞工程施工
    3.1 施工方法
    隧洞最大覆蓋層厚約為40 m，洞頂水壓力為4 kg/cm2,考慮到開挖面上為含水非黏性土層和黏性土層，并且可能存在礫石，施工中要很好地控制斜洞和平洞段坡度等條件，最終選擇混合式盾構(gòu)機(jī)，以更好地適應(yīng)含水地層、高水壓對(duì)掌子面進(jìn)行有效支護(hù)的掘進(jìn)要求。
    3.2 施工機(jī)械—盾構(gòu)機(jī)
    盾構(gòu)機(jī)由德國(guó)海倫克奈特（HERRENKNECHT GMBH）公司設(shè)計(jì)并制造。盾構(gòu)機(jī)外徑為5.69 m，總推力為3 000 t，由22個(gè)千斤頂（壓力為300 kg/cm2）支持，盾尾設(shè)三道鋼絲刷密封，刀片可破碎孤石。為適應(yīng)曲線段的推進(jìn)要求，盾構(gòu)機(jī)為中折型。
    3.3 施工過(guò)程
    3.3.1 初始推進(jìn)
    盾構(gòu)機(jī)在露天進(jìn)行安裝，采用200 t吊車作業(yè)。盾構(gòu)機(jī)初始推進(jìn)段為1∶5的下坡段，推進(jìn)長(zhǎng)度大約220～235 m。為防止工作面漏水、坍塌及加壓泥水從地表噴出，初始掘進(jìn)前先開挖進(jìn)口建筑物基礎(chǔ)及隧洞的開始一段（開挖范圍為沿軸線方向不小于19 m，盾構(gòu)機(jī)機(jī)體全部入土后保持其機(jī)頭部位四周的覆蓋厚度不小于盾構(gòu)機(jī)外徑）,然后由人工分層回填并碾壓密實(shí)。對(duì)正面土體進(jìn)行保護(hù)，擋土墻高出隧洞頂約1 m，并留有供盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞的洞門。
    據(jù)介紹，在施工過(guò)程中，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)曾發(fā)生冒漿、噴漿事故，后又增加了約5 m厚的回填土體。
    3.3.2 隧洞開挖及泥漿管理
    通過(guò)對(duì)膨潤(rùn)土泥漿加壓形成挖掘面支護(hù)，然后盾構(gòu)掘進(jìn)。切削輪腔充滿了泥漿，然后艙中的壓縮空氣對(duì)泥漿進(jìn)行加壓，并由空氣緩沖器校正循環(huán)期間壓力的變化，使挖掘面壓力保持常數(shù)。尾部400 KVA泥漿泵把切削輪腔中開挖的沙土料通過(guò)30 cm直徑的管道運(yùn)送到洞口。隧洞口建有泥漿處理場(chǎng)，每小時(shí)處理泥漿1 000 m3。在處理場(chǎng)分離出砂土料，過(guò)濾泥漿，并不斷地拌合新鮮泥漿，然后用泵將準(zhǔn)備好的泥漿送回掌子面。
    3.3.3 管片制運(yùn)及安裝
    管片由承包商地預(yù)制，預(yù)制件廠每天可生產(chǎn)64塊混凝土管片，相當(dāng)于完成8個(gè)混凝土環(huán)。因隧洞進(jìn)出口坡度達(dá)20％，用特制輪胎式雙向卡車運(yùn)送管片，每趟可運(yùn)送一環(huán)管片。在施工過(guò)程中，由在盾構(gòu)機(jī)尾部的管片安裝工安裝外層預(yù)制混凝土襯砌。
    3.3.4 掘進(jìn)方向控制
    為保證隧洞的平面、立面定線，要求盾構(gòu)機(jī)具有實(shí)用、準(zhǔn)確的導(dǎo)航能力。該工程配用音波導(dǎo)航裝置，它能不間斷的監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)的位置，也能預(yù)先計(jì)算襯砌環(huán)施工結(jié)果。在偏離航線的情況下，能自動(dòng)計(jì)算誤差校正曲線，重新確定方向和襯砌環(huán)的安裝模式。它還能用電線把導(dǎo)航數(shù)據(jù)傳送到地面辦公室的探測(cè)系統(tǒng)，幾乎同時(shí)能在屏幕上監(jiān)視到盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行情況，數(shù)據(jù)可記錄或打印出來(lái)。探測(cè)系統(tǒng)有一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)，用于數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理和探測(cè)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。
    3.3.5 內(nèi)襯施工程序
    內(nèi)襯澆注前，在外襯內(nèi)表面覆上一層PVC防水薄膜。內(nèi)襯采用鋼模臺(tái)車泵澆素混凝土，分段長(zhǎng)度10 m，用壓力泵和150 mm的壓力管將混凝土運(yùn)送到隧洞澆注。內(nèi)襯需在相鄰隧洞掘進(jìn)領(lǐng)先50～60環(huán)后才能進(jìn)行，以防止由于相鄰隧洞推進(jìn)時(shí)引起的地層松弛產(chǎn)生變形。
    3.4 施工進(jìn)度
    3.4.1 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度
    盾構(gòu)機(jī)計(jì)劃每推進(jìn)1.2 m需要25 min，安裝管片約需30 min，因此共需約1h可完成一環(huán)的推進(jìn)和管片安裝。實(shí)際施工中，一般為每天8環(huán)，最快每天可達(dá)19環(huán)。內(nèi)襯施工速度平均每天為10 m。
    3.4.2 施工工期
    施工計(jì)劃總工期為3年。現(xiàn)場(chǎng)施工于1994年2月開始，第一條隧洞在24周內(nèi)完成，它由下游側(cè)向上游側(cè)推進(jìn)。第一條洞是作為勘探洞進(jìn)行施工的，掘進(jìn)速度較慢，以便收集資料指導(dǎo)其余3條洞的施工。施工中發(fā)現(xiàn)了未曾預(yù)料的孤石，對(duì)在硬度相間及多分層的地層中掘進(jìn)取得了經(jīng)驗(yàn)。第二條隧洞于1996年12月完成。第四條隧洞在1997年5月份完成掘進(jìn)。
    3.5 工程管理
    業(yè)主聘請(qǐng)了英國(guó)毫克公司在設(shè)計(jì)和施工中進(jìn)行咨詢，以幫助業(yè)主更好地進(jìn)行管理并培訓(xùn)自己的工程師。咨詢公司在施工期間主要負(fù)責(zé)工程質(zhì)量管理與合同管理。據(jù)介紹，監(jiān)理工程師力量較強(qiáng)，為控制工程投資、保證工程質(zhì)量和工程進(jìn)度起到了很大作用。
    4、幾點(diǎn)啟示
    盾構(gòu)法修建隧洞工程，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，但多用于交通工程和市政工程，它們的技術(shù)要求同水工隧洞差別很大。埃及薩拉姆輸水隧洞，其功能和所承受的內(nèi)外荷載，對(duì)結(jié)構(gòu)要求和技術(shù)特點(diǎn)均與南水北調(diào)中線穿黃隧洞工程類似，因此，埃及薩拉姆輸水隧洞的規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工中的經(jīng)驗(yàn)以及科學(xué)的管理方式均可為穿黃隧洞工程借鑒。
    薩拉姆輸水隧洞解決了盾構(gòu)爬坡和下坡的施工技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)在盾構(gòu)機(jī)向下開挖斜坡隧洞時(shí)加設(shè)防滑裝置，是可行的，從已建的三條隧洞看是成功的。采用20％的斜坡作為隧洞的進(jìn)出口，可使水流條件順暢，并減少斜井的工程量。
    盾構(gòu)機(jī)直徑的大小，關(guān)系到價(jià)格的高低和工程的成本。大直徑的盾構(gòu)機(jī)，不僅技術(shù)復(fù)雜，而且價(jià)格昂貴，制造周期長(zhǎng)。小直徑的盾構(gòu)機(jī)，相應(yīng)的技術(shù)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，制造周期短。隧洞的直徑應(yīng)經(jīng)過(guò)各種方案組合計(jì)算，綜合比較后確定。
    盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和使用能否成功，最主要的制約因素是搞清地質(zhì)條件。只有摸清了地質(zhì)條件后，制造廠家才能有針對(duì)性地設(shè)計(jì)和制造出適應(yīng)這種地質(zhì)條件的盾構(gòu)機(jī)，保證隧洞的順利施工，對(duì)特殊地質(zhì)問(wèn)題采取相應(yīng)的措施，增設(shè)不同的裝置，滿足施工需要。
    要加強(qiáng)工程的建設(shè)管理，尤其是加強(qiáng)工程監(jiān)理，對(duì)工程的質(zhì)量、進(jìn)度、投資進(jìn)行了嚴(yán)格控制。只有堅(jiān)持科學(xué)化、規(guī)范化管理，才能夠保證質(zhì)量，控制投資。