埃及穿蘇伊士運河輸水隧洞工程

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為開發(fā)西奈北部，埃及實施了西奈北部開發(fā)工程。它是埃及最大的一項土地開發(fā)工程，將尼羅河水及蘇伊士運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）輸水隧洞穿過蘇伊士運河，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。主要目標是灌溉蘇伊士運河以西的8.4萬hm2和運河以東的16.8萬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)委員會組織實施和管理。
    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。它與我國的南水北調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的有關情況進行了整理。
    1、工程概況
    拉薩姆輸水隧洞工程由四條內徑為5.1 m的隧洞組成，每條隧洞包括進、出口建筑物長約770 m該項工程由英國豪克（HALCROW）咨詢公司負責設計、咨詢及施工指導，C·B（CMC·BESTX）聯(lián)合體（兩家意大利公司組成）承包施工。工程總承包費用為2億埃鎊（約合6 000萬美元）。
    工程前期工作階段，在蘇伊士運河兩岸沿隧洞軸線進行了地質勘探，但在運河河床中未進行勘探。隧洞穿越地層的頂部為灰色壤土質黏土，向下為黃灰色砂、硬質黏土層、砂層。其地下水位接近地表。實際施工中，運河河床內的地層與設計階段估計有些出入，主要反映在河床的黏性土層基本不存在，這給施工帶來了一定的困難。
    2、隧洞布置與結構設計
    2.1 水力設計 
    水力設計是倒虹吸設計的重要組成部分。該工程最大設計流量為160 m3/s，相應流速為2 m/s；最小設計流量為40 m3/s，相應流速為1 m/s。工程進口水位為＋1.5 m，出口水位為＋0.6 m，倒虹吸的設計水頭損失為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
    在設計階段曾對采用2、3或4條隧洞進行了技術和經(jīng)濟比較，主要考慮工程造價、施工、進行管理等因素。
    盾構機直徑的大小，關系到價格的高低和工程成本。大直徑的盾構機，技術復雜，價格昂貴，制造周期長。小直徑的盾構機，技術簡單，價格便宜，制造周期短。對薩拉姆輸水隧洞工程，經(jīng)比較后認為盾構機直徑為5.96 m為最優(yōu)。
    由于年內引水流量變化較大，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，從工程運行、管理及維護的角度考慮，洞數(shù)不宜少。
    經(jīng)造價、施工、運行管理等方面綜合分析，認為采用四條隧洞方案，與大多數(shù)采用盾構法施工的交通洞洞徑接近，施工相對容易，綜合造價低，便于運行管理。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、出口段隧洞中心間距為12 m，在主洞段中心間距擴大為15 m。隧洞兩端為1∶5的斜坡洞段，中間為1∶200的平洞段，平洞段最低點高程為－45 m。兩段斜洞與平洞通過曲線連接，曲線的平面和立面曲率半徑均為500 m。將來運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出口段，主要是為了改善水流條件，減少進出口斜井的工作量。
    2.4 隧洞襯砌
    由于工程處環(huán)境條件復雜，如地下水含咸量高，在設計中特別注意了隧洞襯砌的耐久性和使用壽命。詳細比較了預制混凝土管片襯砌、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行管理費用少等方面考慮，決定增加部分工程造價，選擇雙層襯砌方案。
    隧洞外襯砌為預制鋼筋混凝土管片，每環(huán)由7片標準塊和1片楔型塊組成，環(huán)管內徑為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?，鋼筋保護層最小厚度為4.5 cm?？紤]到隧洞的工作環(huán)境為五級侵蝕性地區(qū)，依據(jù)英國標準BRE規(guī)范363（1991年7月）進行了水泥品種選擇，水泥為30％波特蘭水泥并摻以70％磨細鼓風爐渣。管片由承包商在工地現(xiàn)場預制，曲線段的管片形狀有所變化，以適應曲線段管片拼裝的精確度要求。
    隧洞的內襯為鋼模臺車泵澆素混凝土。內徑為510 cm，外徑為574 cm，厚32 cm，分段長度10 m，混凝土標號為400＃/200＃。內層襯砌按100％的土壓力和100％的水壓力設計，并考慮地震加速度0.15 g進行校核。在運行期所有荷載由內襯承擔，考慮到外襯的作用，內襯的安全系數(shù)選用1.1（常規(guī)為1.4）。
    2.5 混凝土的防腐設計
    進出口建筑物的混凝土專門進行了防腐設計。進出口建筑物采用由德國進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 運行期檢修
    檢修隧洞時，需要關閉進、出口的閘門和迭梁門，將隧洞內的水抽出。抽水設備包括兩臺可移動的潛水泵、相應的管路、起重機和電器設備。
    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機，以更好地適應含水地層、高水壓對掌子面進行有效支護的掘進要求。
    3.2 施工機械—盾構機
    盾構機由德國海倫克奈特（HERRENKNECHT GMBH）公司設計并制造。盾構機外徑為5.69 m，總推力為3 000 t，由22個千斤頂（壓力為300 kg/cm2）支持，盾尾設三道鋼絲刷密封，刀片可破碎孤石。為適應曲線段的推進要求，盾構機為中折型。
    3.3 施工過程
    3.3.1 初始推進
    盾構機在露天進行安裝，采用200 t吊車作業(yè)。盾構機初始推進段為1∶5的下坡段，推進長度大約220～235 m。為防止工作面漏水、坍塌及加壓泥水從地表噴出，初始掘進前先開挖進口建筑物基礎及隧洞的開始一段（開挖范圍為沿軸線方向不小于19 m，盾構機機體全部入土后保持其機頭部位四周的覆蓋厚度不小于盾構機外徑）,然后由人工分層回填并碾壓密實。對正面土體進行保護，擋土墻高出隧洞頂約1 m，并留有供盾構機進洞的洞門。
    據(jù)介紹，在施工過程中，盾構推進時曾發(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
    通過對膨潤土泥漿加壓形成挖掘面支護，然后盾構掘進。切削輪腔充滿了泥漿，然后艙中的壓縮空氣對泥漿進行加壓，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30 cm直徑的管道運送到洞口。隧洞口建有泥漿處理場，每小時處理泥漿1 000 m3。在處理場分離出砂土料，過濾泥漿，并不斷地拌合新鮮泥漿，然后用泵將準備好的泥漿送回掌子面。
    3.3.3 管片制運及安裝
    管片由承包商地預制，預制件廠每天可生產(chǎn)64塊混凝土管片，相當于完成8個混凝土環(huán)。因隧洞進出口坡度達20％，用特制輪胎式雙向卡車運送管片，每趟可運送一環(huán)管片。在施工過程中，由在盾構機尾部的管片安裝工安裝外層預制混凝土襯砌。
    3.3.4 掘進方向控制
    為保證隧洞的平面、立面定線，要求盾構機具有實用、準確的導航能力。該工程配用音波導航裝置，它能不間斷的監(jiān)測盾構機的位置，也能預先計算襯砌環(huán)施工結果。在偏離航線的情況下，能自動計算誤差校正曲線，重新確定方向和襯砌環(huán)的安裝模式。它還能用電線把導航數(shù)據(jù)傳送到地面辦公室的探測系統(tǒng)，幾乎同時能在屏幕上監(jiān)視到盾構機的運行情況，數(shù)據(jù)可記錄或打印出來。探測系統(tǒng)有一臺工業(yè)計算機，用于數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理和探測數(shù)據(jù)的儲存。
    3.3.5 內襯施工程序
    內襯澆注前，在外襯內表面覆上一層PVC防水薄膜。內襯采用鋼模臺車泵澆素混凝土，分段長度10 m，用壓力泵和150 mm的壓力管將混凝土運送到隧洞澆注。內襯需在相鄰隧洞掘進領先50～60環(huán)后才能進行，以防止由于相鄰隧洞推進時引起的地層松弛產(chǎn)生變形。
    3.4 施工進度
    3.4.1 盾構機推進速度
    盾構機計劃每推進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)的推進和管片安裝。實際施工中，一般為每天8環(huán)，最快每天可達19環(huán)。內襯施工速度平均每天為10 m。
    3.4.2 施工工期
    施工計劃總工期為3年?，F(xiàn)場施工于1994年2月開始，第一條隧洞在24周內完成，它由下游側向上游側推進。第一條洞是作為勘探洞進行施工的，掘進速度較慢，以便收集資料指導其余3條洞的施工。施工中發(fā)現(xiàn)了未曾預料的孤石，對在硬度相間及多分層的地層中掘進取得了經(jīng)驗。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。
    3.5 工程管理
    業(yè)主聘請了英國毫克公司在設計和施工中進行咨詢，以幫助業(yè)主更好地進行管理并培訓自己的工程師。咨詢公司在施工期間主要負責工程質量管理與合同管理。據(jù)介紹，監(jiān)理工程師力量較強，為控制工程投資、保證工程質量和工程進度起到了很大作用。
    4、幾點啟示
    盾構法修建隧洞工程，在國內外得到了廣泛的應用，但多用于交通工程和市政工程，它們的技術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外荷載，對結構要求和技術特點均與南水北調中線穿黃隧洞工程類似，因此，埃及薩拉姆輸水隧洞的規(guī)劃設計和施工中的經(jīng)驗以及科學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爬坡和下坡的施工技術問題。通過在盾構機向下開挖斜坡隧洞時加設防滑裝置，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出口，可使水流條件順暢，并減少斜井的工程量。
    盾構機直徑的大小，關系到價格的高低和工程的成本。大直徑的盾構機，不僅技術復雜，而且價格昂貴，制造周期長。小直徑的盾構機，相應的技術簡單，價格便宜，制造周期短。隧洞的直徑應經(jīng)過各種方案組合計算，綜合比較后確定。
    盾構機的設計、制造和使用能否成功，最主要的制約因素是搞清地質條件。只有摸清了地質條件后，制造廠家才能有針對性地設計和制造出適應這種地質條件的盾構機，保證隧洞的順利施工，對特殊地質問題采取相應的措施，增設不同的裝置，滿足施工需要。
    要加強工程的建設管理，尤其是加強工程監(jiān)理，對工程的質量、進度、投資進行了嚴格控制。只有堅持科學化、規(guī)范化管理，才能夠保證質量，控制投資。