时间：2023-05-30 09:05:06
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇穿黄工程，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
南水北调中线工程属特大型跨流域调水工程，从长江支流汉江上的丹江口水库引水，跨江、淮、黄、海四大流域，主要向唐白河流域、淮河中上游和海河流域的湖北、河南、河北、北京及天津供水。主体工程由水源区工程和输水工程两大部分组成，输水工程包括总干渠、天津干渠工程以及穿黄河工程。
穿黄工程是南水北调中线总干渠与黄河的交叉建筑物，是总干渠上规模最大、技术最复杂并控制工期的关键性工程，一期设计输水流量265m3/s、加大设计流量320m3/s.为确保穿黄工程万无一失，水利部指派黄河水利委员会勘测规划设计研究院和长江水利委员会长江勘测规划设计研究院两 大全国最权威的水利部门分别独立设计渡槽、隧洞两个方案。
隧洞方案与渡槽方案相比，可免受温度、冰冻、大风、意外灾害等不利因素影响，耐久性好，检修维护相对简单；采用渡槽方案则增加了世界治水史上最为宏伟的人文景观，而且还可以成为具有较高开发价值的旅游资源。从技术上看，无论是渡槽还是隧洞方案都是可行的，并且工程造价相当。经过水利部及国家计委组织的专家多次审查，考虑到隧洞方案可避免与黄河河势、黄河规划的矛盾，且盾构法施工技术国内外都有成功经验，因此最终选择了隧洞方案。
2、工程概况
穿黄工程位于河南省郑州市上游约30km处，线路总长19.30km，南起荥阳市李村村西，北至河南焦作市温县陈沟村西。主体工程由南北岸渠道、南岸退水洞、进口建筑物、穿黄隧洞、出口建筑物、北岸防护堤、北岸新老蟒河交叉工程以及孤柏嘴控导工程等组成。
穿黄隧洞总长4250m，包括过河隧洞段和邙山隧洞段，双洞布置，隧洞轴线间距为28m，两洞各采用一台盾构自北向南推进。穿黄隧洞最大埋深35m，最小埋深23m；最高水压为0.45MPa；最小曲线半径为800m；过河隧洞段坡度为1‰和2‰，邙山隧洞段坡度为49.107‰；穿黄隧洞为圆断面，内径？7.0m，外径8.7m，隧洞外层为7等分装配式普通钢筋混凝土管片结构，管片内径为7.9m，外径为8.7m，管片宽度1.6m；内层为现浇预应力钢筋混凝土整体结构，厚45cm，标准分段长度为9.6m，隧洞内衬在与北岸和南岸施工竖井衔接的洞段以及地层变化洞段将局部加密；内外层衬砌由弹性防、排水垫层相隔。
3、工程地质
过河隧洞桩号5＋658.57～9+108.57，全长3450m.北岸始发竖井中心高程67m，桩号9＋108.57；南岸到达竖井中心高程72.45m，桩号5＋658.57.过河隧洞穿越的主要地层为Q2粉质壤土、Q41砂层和砂砾（泥砾）石层。根据隧洞围土的组成可划分为三种类型：
1）单一粘土结构隧洞围土为Q2粉质壤土层，分布在桩号5+658～6+033和7+109～7+919，总长1185m.
2）上砂下土结构隧洞围土上部为Q41砂层，下部为Q2粉质壤土层，分布在桩号6+033～7+109和7+919～8+233，总长1390m.
3）单一砂土结构隧洞围土主要为Q41中砂层，局部为粗砂层，砂层中零星分布砂砾石透镜体，该类结构分布在桩号8+233以北，长875m.
过河隧洞开挖范围内，砾卵石粒径2～10cm；Q2粉质壤土中夹有钙质结核层；Q41砂层中石英颗粒含量较高，达40％～70％，且分布有泥砾层和砂砾石透镜体，局部有淤泥质粉质壤土透镜体；在桩号8+670～8+940之间，隧洞底板分布有Q3粉质粘土，应考虑其变形特性。根据目前地质勘察资料，不排除在隧洞掘进过程中偶遇粒径大于15cm的块石、枯树及上第三系粘土岩、砂岩、粉砂岩和砂质粘土岩的可能性。上第三系的粘土岩、砂岩、粉砂岩和砂质粘土岩成岩作用差。粘土岩强度较Q2粘土略高，抗压强度为0.53 MPa；砂岩一般为泥质胶结，强度低，抗压强度为0.62MPa.局部分布有薄层钙质胶结的砂岩，呈坚硬状，强度较高，抗压强度为16.5MPa.
邙山隧洞段桩号5+658.57～4＋893.57，长800m.桩号4＋893.57～5＋090隧洞段为黄土状壤土；桩号5＋090～5＋359.08段为粉质壤土，中间夹3层古土壤层；桩号5＋359.08～5＋658.57段为粉质壤土，中间夹4层古土壤层，其下多富积钙质结核或钙质结核层。粉质壤土渗透系数k＝1×10－5cm/s，黄土渗透系数为1×10－5～1×10－4cm/s.黄土状粉质壤土渗透系数k＝3.7×10－5～1.0×10－4cm/s.过河隧洞段穿越的饱和含水砂层，其渗透系数k＝10-3～10-2cm/s.
4、盾构类型的选择
4.1盾构类型与地层的关系
盾构选型应从安全性、可靠性、经济性等方面综合考虑，所选择的机型要能尽量减少辅助施工法并确保施工安全可靠。不同类型的盾构适应的地质范围不同，盾构选型的主要依据是土质条件、岩性，要确保所选择的盾构能适应地质条件，保持开挖面稳定。
土压平衡盾构是依靠推进油缸的推力给土仓内的开挖土碴加压，使土压作用于开挖面使其稳定，主要适用于粉土、粉质粘土、淤泥质粉土和粉砂层等粘稠土壤的施工。在粘性土层中掘进时，由刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋机输出，在螺旋机内形成压力梯降，保持土仓压力稳定，使开挖面土层处于稳定。盾构向前推进的同时螺旋机排土，使排土量等于开挖量，即可使开挖面的地层始终保持稳定。当含砂量超过某一限度时泥土的塑流性明显变差，土仓内的土体因固结作用而被压密，导致碴土难以排送，需向土仓内注水或泡沫、泥浆等，以改善土体的塑流性。
泥水盾构利用循环悬浮液的体积对泥浆压力进行调节和控制，采用膨润土悬浮液（俗称泥浆）作为支护材料。开挖面的稳定是将泥浆送入泥水平衡仓内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。泥水盾构适用的地质范围较大，能适应穿黄工程的所有地质。
从地质条件来看，本工程可使用加泥式土压平衡盾构和泥水平衡盾构。但使用加泥式土压平衡盾构在砂层和砂砾（泥砾）石层施工时需要向开挖仓中注添加剂，以改善碴土的性能，使其成为具有良好塑流性、低的摩擦系数及止水性的碴土，且对于砂砾（泥砾）石层，开挖破碎后可能会有大颗粒碴土，需要考虑螺旋输送机通过粒径的能力。泥水盾构能适应粉质壤土、砂层和砂砾（泥砾）石层等各种地质，对于砂砾（泥砾）石层可在泥水平衡仓内设置破碎机。
4.2盾构类型与水压及渗透性的关系
地层渗透系数是盾构选型的重要因素。根据欧美和日本的施工经验，当地层的渗透系数小于10-7m/s时可以选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10-7m/s和10-4m/s之间时既可选用土压平衡盾构也可选用泥水盾构；当地层的渗透系数大于10-4m/s时，如采用土压平衡盾构开挖仓中添加剂将被稀释，水、砂、砂砾相互混合后土碴不易形成具有良好塑性及止水性碴土，在螺旋机出碴门处易发生喷涌，施工困难。本工程过河隧洞段穿越的饱和含水砂层，其渗透系数k＝10-3～10-2cm/s，远远超过土压平衡盾构允许的最大范围，因此宜采用泥水盾构。
当水压大于0.3MPa时螺旋输送机也难以形成有效的土塞效应，在输送机排土闸门处易发生水土喷涌现象，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌。本工程水压高达0.45MPa，采用泥水盾构最适应南水北调中线一期穿黄工程的地质情况和水文情况，可以确保穿黄隧洞工程施工安全可靠。
5、盾构驱动方式的选择
由于受始发竖井结构尺寸的限制，盾构设计时要求结构紧凑、效率高、起动扭矩大、设备的散热温度低，所以对盾构驱动方式的选择非常关键。驱动方式有三种，一是变频电机驱动，二是液压驱动，三是定速电机驱动，鉴于定速电机驱动时刀盘转速不能调节，一般不采用。现将变频驱动与液压驱动进行比较，见表1.经综合评价宜采用变频驱动。
6、泥水压力控制模式的选择
泥水盾构根据泥水平衡仓构造形式和对泥浆压力的控制方式不同分为直接控制型和间接控制型。
直接控制型泥水盾构采用泥水直接加压模式，其泥水输送系统的流程如下：送泥泵从地面调浆池将新鲜泥浆输入盾构泥水仓，与开挖泥土进行混合形成稠泥浆，然后由排泥泵输送到地面泥水分离处理站，经分离后排除土碴，而稀泥浆流向调浆池，再对泥浆密度和浓度进行调整后，重新输入盾构循环使用。直接控制型泥水盾构的泥水压力通过调节送泥泵转速或调节控制阀的开度来进行，送泥泵安在地面，控制距离长而产生延迟效应不便于控制泥浆压力，因此常用调节控制阀的开度来进行泥浆压力调节。
间接控制型泥水盾构的泥水压力控制采用气压模式，由泥浆和空气双重回路组成。在盾构的泥水仓内插装一道半隔板（沉浸墙），在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在隔板后面与泥浆的接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力，由于空气缓冲层的弹性作用，当液位波动时对支护泥浆压力变化无明显影响，泥水压力的波动小，控制精度高，对开挖面土层支护更为稳定，对地表变形控制也更为有利，因此选择间接控制型泥水盾构最佳。
7、本工程对泥水盾构的设计要求
7.1对砂土地层及砂卵石地层的适应性
过河隧洞段穿越的主要地层为Q2粉质壤土、Q41砂层和砂砾（泥砾）石层。其中上砂下土结构的地层总长1390m，隧洞上部为Q41砂层；单一砂土结构的地层总长为875m，隧洞主要为Q41中砂层，局部为粗砂层，砂层中零星分布砂砾石透镜体。
这种地层石英含量高，对刀盘、刀具、管路的磨损性强，砂土地层渗透性大，需要的泥水平衡压力更大，而需要的扭矩通常较小，在这种地层中施工通常要损失更多的泥浆。施工中应特别注意泥浆循环的速度不能低于防止泥浆沉淀所需的最小速度，因此盾构在砂土地段的施工时应重点考虑以下功能：①具备平衡掌子面水土压力的能力；②刀盘、刀具、泥浆管路的高耐磨性；④合理的刀盘及刀具设计，恰当的刀盘开口率，合理的开口位置；⑤盾构本体在压力状态下的防水密封性能；⑥防止流砂；⑦人仓设计；⑧管片壁后同步注浆系统；⑨能够对较大的卵石进行破碎，有效防止堵管情况的发生。
7.2适应卵石、孤石、古树等不良地质
砂卵石地层中土体属松散体，若采用适用于硬岩的滚刀进行破岩，则在滚刀的掘进挤压下土体会产生较大的变形，滚刀将不转动，大大降低了滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。穿越砂卵石地层宜采用碳化钨球齿滚刀（图2）或碳化钨撕裂刀（图3），但碳化钨球齿滚刀不能对古树等进行有效破碎，为了适应卵石、孤石、古树等不良地质，采用碳化钨撕裂刀较适应穿黄工程的不良复杂地质。
在泥水平衡仓的底部的排泥管前面安装一个颚板式碎石机，用来破碎漂石和钙质结核，使其破碎后能通过排浆管排出。破碎机配有栏石隔栅，用来限制进入排泥管路石块的尺寸。
7.3对软硬不均地层的适应性
过河隧洞段穿越的地层主要有全土层、全砂土层、复合层、钙质结核土层和砂砾石层（或泥砾层），邙山隧洞段穿越的地层主要有全土层和钙质结核土层。刀盘上布置双层碳化钨先行刀（撕裂刀）、双层碳化钨切刀和碳化钨刮刀。碳化钨刀具的高强度和高耐磨性完全适应穿黄工程的地质条件。对于地层较大的卵石，在泥水室中安装液压油缸驱动的破碎机（图4）进行破碎。刀盘上焊接的耐磨条及耐磨焊层也是刀盘在复合地层中掘进时的重要保证措施。
盾构在软硬不均地段掘进时，由于刀盘的受力不均而易发生姿态较难控制的现象，为此盾构的推进油缸在圆周方向进行分组，每组可以单独调整推进力和推进行程而改变盾构的掘进方向。盾构采用先进的激光导向系统，盾构的姿态可以随时反映在操作室内，从而可以对盾构的姿态随时进行灵活的调整，同时配合调整刀盘的推力和扭矩参数保证盾构在软硬不均地段保持正确的姿态。
7.4对粘土地层的适应性
总体而言，粘土地层的渗透性更小、自稳性更好，因此需要的泥水平衡的压力比在砂层中更小。但粘性地层掘进时刀盘需要更大的扭矩，盾构需配备较大的刀盘驱动功率；同时要防止刀盘中心粘结泥饼和防止排泥管路堵塞。
刀盘中心部位线速度较低，粘土、粉土、膨润土等粘稠土体在中心部位的流动性较差，粘性土容易在中心部位沉积，同时在泥水仓的后部也容易粘结泥饼。设计盾构时采用如下措施：
①采用膨润土泥浆冲洗系统，在刀盘的中心设计膨润土注入口，用于对刀盘中心部位进行冲洗和清理；
②加大中心部位开口率，使粘性土没有粘结的位置，直接从刀盘开口顺利进入到泥水室；
③刀盘开口部位采用特殊结构设计，开口设计成楔形梯形结构，使开口逐渐变大，利于碴土的流动。
在粘土地层别容易发生排泥管堵塞，为防止堵管、对泥浆系统需进行针对性设计，安装电磁控制球阀和相应管路，可以实现在进排浆管中进行反循环，反循环的目的是清理堵塞的排泥管。此外，在气仓的底部安装电磁球阀，在开挖模式下盾构司机可以在切削仓的上面实现反向循环，以便清理在破碎机和仓室底部的沉积物，在粘土地层中掘进时这种沉积物更是经常发生。反循环和底部注入可以在需要的基础上周期性使用，同时需采用重型的排泥泵，设计较大的排泥通道，能够泵送的最大粒径不小于180mm.泥浆泵的关键部件进行耐磨设计，以便适应泵送的磨损性介质。
7.5对高水压的适应性
过河隧洞穿越地层主要为富含地下水的砂土层，地下水压力高达0.45MPa，在高水压下施工，施工安全和工程防水是第一重点，隧洞防水是盾构法施工的关键。盾构在高水压地段推进，重点是保证主轴承密封、盾尾密封在高承压状态下的正常工作。
1）主轴承密封主轴承内外密封应具有自动功能、自动密封功能、自动检测密封的工作状况功能和密封磨损后的继续使用功能，可采用唇形密封（图5）或指形密封（图6）。
2）盾尾密封盾尾密封（图7）是集弹簧钢、钢丝刷及不锈钢金属网于一体的结构，在弹簧钢和钢丝刷上涂氟树脂进行防锈处理。盾尾密封可采用4道钢丝刷密封或3道钢丝刷密封加1道钢板束，在各盾尾密封之间注入油脂来提高止水性能。在盾尾设计1道膨胀应急密封，当钢丝刷密封正常时该密封弯曲在盾尾的沟槽里不起密封作用。当钢丝刷密封失效时通过注水或充气使该密封膨胀，将管片外侧与盾尾内侧之间的间隙完全密封以防止涌水从盾尾漏入隧洞内，并可在隧洞内安全更换前2～3道钢丝刷密封。
7.6对深竖井及长距离泥水输送的适应性
过河隧洞掘进时从北岸始发，北岸竖井深达50.5m，且隧洞线路长，长距离水平输送和高扬程的垂直输送要求送排泥泵具有大功率和大扬程。送排泥泵均采用变频驱动。送泥泵采用1台大功率、大扬程、大流量的重型泥浆泵；排泥泵采用3台大功率、大扬程、大流量的重型泥浆泵。具体是在盾构后配套拖车上安装1台主排泥泵，在竖井底部安装1台接力泵，当盾构掘进到过河隧洞的中间时在隧道内安装1台中继排泥泵。
邙山隧洞段施工时分离站从北岸搬至南岸，南岸竖井深达39.95m，受竖井周围场地（约2000m2）的限制，泥水分离站宜建在山上。盾构施工时仍使用1台送泥泵、3台排泥台，主排泥泵安装在盾构上，中继泵安装在南岸竖井底部，接力泵安装在竖井平台上。
7.7地表沉降控制要求
盾构需穿越不同埋深的地层，在不同位置水压力也不同，盾构应具有良好的泥水压力调整功能，满足地表沉降控制在规定范围，保证能够顺利安全穿越黄河。为了减小泥水压力的波动宜采用气压式间接控制型泥水盾构。
7.8精确的方向控制要求
要求盾构具有良好的方向控制能力，导向系统具有很高的精度，以保证线路方向误差控制在规定的范围内。盾构方向的控制包括两个方面：一是盾构本身能够进行纠偏、转向，二是采用先进的导向技术保证盾构掘进方向的正确。
7.9环境保护的要求
环境保护包括三个方面：一是盾构施工时对周围自然环境的保护，使用的辅助材料如油脂、泥浆添加剂等不对环境造成污染；二是盾构及后配套设备无大的噪声、震动等；三是盾构法施工的现场环境管理，隧洞内的施工污水通过低压排污泵抽到污水箱，再通过污水箱中的高压泵泵送到泥浆回路。
7.10长距离掘进不换刀技术
本工程在过河隧洞掘进时一次掘进距离长达3450m，为了安全可靠必须避免刀盘磨损和中途换刀。对刀盘和刀具必须进行耐磨性设计，刀盘的面板焊接格栅状的特殊耐磨材料，刀盘的外圈焊接高强度的耐磨板，在刀盘的开口部位进行表面硬化，充分保证刀盘在掘进时的耐磨性能。长距离掘进中途不换刀一般采用图8的两种方案。方案一：设计救援刀具，在初装刀具磨损到极限后将内藏的救援刀具伸出；方案二：
采用高耐磨切刀，切刀的刀刃采用双层碳化钨结构。由于内藏式救援刀结构较复杂、成本较高，穿黄隧洞宜采用双层高耐磨碳化钨切刀。
为确保刀具的高耐磨性所有刀具均采用碳化钨刀具，先行刀和切刀均采用双层碳化钨刀刃，并设计有耐磨齿。在不同区域的切刀上安装刀具磨损量检测装置，及时掌握刀具的磨损情况，保证刀具正常工作，除此之外还应采取以下措施。
1）刀具的排列行数在刀盘面板的同一轨迹上，通过增加刀具的排列行数来增加刀具数量，以减少每把刀具的磨损。
2）采用超硬重型刀具连同安装刀具用的刀座一起大型化，加大刀具的宽度，以达到增大刀刃的耐磨性
3）刀具背面进行耐磨防护在超硬刀具背面进行充分的硬化堆焊，设计双排碳钨合金柱齿，防止刀具的基材磨损。
4）带压换刀作为应急措施配备双气路的双室人仓，以便在压缩空气下带压进入开挖室和隧洞掌子面，确保万一需要换刀时的施工安全和快速作业。
7.11盾构的可靠性和安全性
盾构施工时应保证人员及设备的安全。盾构的可靠性是工程施工的重要保障，盾构的关键部件必须在施工过程中万无一失，做到百分之百的可靠。盾构的可靠性表现在以下方面：对地质的适应性，整体设计的可靠性；设备本身性能、质量、使用寿命等的可靠性；在盾构设计的同时应该考虑到应用先进的技术来确保施工安全及人员和设备的安全。
为了保证刀具检修更换及处理障碍物作业的特殊空间需要，刀盘可采用可伸缩型并具有足够的伸缩行程，必要时在沉浸墙上设置隔板安全门，保证在常压下进入气压调节仓进行维修破碎机和进行吸泥管的排堵，确保作业的快速和安全。
8、泥水处理设备的选择
8.1泥水处理概述
泥水盾构是通过加压泥水来稳定开挖面，开挖土碴与泥浆混合由排浆泵输送到洞外的泥水分离站，经分离后进入泥浆调整池进行泥水性状调整后，由送泥泵将泥浆送往盾构的泥水平衡仓重复使用，将泥水中的水和土分离的过程称为泥水处理。
泥水处理分为三级。一级泥水处理的对象是粒径74μm以上的砂和砾石，工艺比较简单，用振动筛或有旋流器的离心机等设备对其进行筛分，分离出的土颗粒用车运走。二级泥水处理的对象主要是一级处理时不能分离的74μm以下的淤泥、粘土等的细小颗粒。三级处理是对需排放的剩余水作PH值调整，使泥水排放达到国家环保要求。
泥水处理系统设于地面，由泥水分离系统和泥浆制备系统两部分组成。泥水分离系统主要由振动筛、旋流器、储浆槽、调整槽、碴浆泵等组成；泥浆制备系统由沉淀池、调浆池、制浆设备等组成。
8.2泥水分离站选型
选择泥水分离设备时必须考虑两个方面：①有效地分离排泥浆中的泥土和水分；②具有与盾构最大推进速度相适应的分离能力。
8.3泥水处理工艺
地质不同，泥浆处理的工艺也不同。在一般情况下砂质土只需进行一级处理，粘性土需进行二级处理，对需排放的剩余水进行三级处理，作PH值调整。
1）一级除砂处理盾构在砂砾石层或细砂、中粗砂层掘进时只需进行一级除砂处理。其工艺流程如下：竖井内的排泥泵将携带土碴的污浆输送到分离站的预筛器，经振动筛选后，粒径在3mm以上的碴料分离出来，筛余的泥浆进入储浆槽，由碴浆泵从储浆槽内抽吸泥浆，在泵的出口具有一定储能的泥浆沿输浆软管从旋流除砂器进浆口切向射入，经过旋流除砂器分选，粒级74um以上的泥砂由下端的沉砂嘴排除落入细筛；细筛脱水筛选后，干燥的细碴料分离出来；经过第二道筛选的泥浆循环返回储浆槽内，处理后的干净泥浆从旋流器溢流管进入中储箱，然后沿出浆软管输送到调浆池。
2）二级除砂处理盾构在粉土、粉砂层掘进时，一级除砂处理不足以将泥浆密度及含砂率降至合理范围内时需进行二级除砂处理。其流程如下：盾构排出的泥浆经排泥管输送至预振筛内，预振筛将泥浆中3mm以上的砂砾筛除，经旋流除砂分离及细筛脱水后清除74μm以上的砂质颗粒，经过第二道筛选的泥浆进入小直径旋流除砂器，将泥浆中剩余的74μm以上砂质清除，并同时清除掉45μm以上的泥质颗粒。二次除砂后的泥浆由出浆口输送至沉淀池。
3）一级除砂、二级除泥处理在粘土地层掘进时需进行二级除泥处理。其工艺流程与二级除砂处理相似，不同之处在于旋流除泥器组的应用。通过小直径的长锥除泥器和超细目振动筛网的组合，二级除泥处理后泥浆中30μm以上的泥质颗粒及时清除，粘度得以控制，见图9.
4）三级处理三级处理是将进入PH槽中的液体进行酸碱处理，以达到排放标准。采用的材料主要是稀硫酸或适量的二氧化碳气体。
8.4泥水性能管理
从泥水分离站排出的泥浆经沉砂池沉淀后进入调浆池，在调浆池内由制浆系统的高速制浆机对泥浆进行调配，确保输送到盾构的泥浆性能满足使用要求。
在泥水循环利用的过程中，泥水性能的管理主要是对泥浆质量的控制，即对泥浆最大颗粒粒径、粒径分布、泥浆密度、泥水粘度的管理。穿黄隧洞施工时泥水粘度一般控制在25～35s范围内。当泥水粘度过大时排泥管易堵塞。泥水密度是一个主要控制指标，过高将影响泥水的输送，过低将破坏开挖面的稳定，一般在能满足开挖面稳定的情况下泥水密度越小越好，这样能节省泥水制作成本，减少膨润土的消耗。掘进过程中对泥浆性状进行管理时根据地质而定，送泥密度一般控制在1.15～1.2g/cm3之间。当泥水密度偏低时通过快速制浆机加入膨润土进入调整；当密度偏高时加入清水进行稀释。
9、盾构关键参数的计算
盾构关键参数的计算是盾构选型的参考依据，盾构工作过程的力学参数计算是一个非常复杂的问题，由于受地质因素、土质改良方法和掘进参数等一系列因素的影响，在盾构参数计算的方法上存在很多的不确定因素。至今应用的盾构参数计算方法在很大程度上只是处于研究、探索阶段，甚至很大程度上是一些经验性的计算方法，盾构关键参数的计算主要包括以下内容。
1）推力计算盾构推进过程中的阻力主要包括盾壳和土层的摩擦力、土压的正面阻力、水压的正面阻力、盾尾密封与管片之间的摩擦力、拖拉后配套的力。盾构施工时为满足上坡、曲线施工和纠偏的需要，无法充分利用所有的推进油缸，推进系统装备的推进力必须留有足够的余量，总推力应大于总阻力的1.3～1.5倍。
2）刀盘扭矩的计算盾构在软土中推进时的扭矩包括切削扭矩（克服泥土切削阻力所需的扭矩）、刀盘自重形成的轴承扭矩、刀盘轴向荷载形成的轴承扭矩、主轴承密封装置摩擦力矩、刀盘前面摩擦扭矩、刀盘圆周面的摩擦反力矩、刀盘背面摩擦力矩和刀盘开口槽的剪切力矩等。
3）功率计算主要包括主驱动功率计算、推进系统功率计算。
4）同步注浆能力的计算首先计算同步注浆应具备的理论能力，再考虑1.5～1.8的注入率，同时还要考虑注浆泵的效率，一般按75%的效率计算。
5）泥水输送系统参数的计算主要包括送排泥流量的计算、送排泥流速的计算、送排泥扬程的计算。
10、结束语
盾构选型主要依据招标文件、工程勘察报告、隧洞设计和相关标准和规范，针对工程特点及难点、隧洞设计参数、盾构施工工艺和进度要求等因素进行分析，对盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数和辅助设备的配置等进行研究，并邀请具有同类盾构制造经验国际著名的盾构制造商和国内外盾构设计、隧洞设计及盾构施工方面的专家共同参与。经过反复论证和研究，参照类似工程盾构的选型及施工情况，完成适应穿黄隧洞施工盾构的选型工作，确定盾构方案、主要功能、主要技术性能参数及辅助设备的配置。盾构选型是盾构法施工的关键环节，直接影响盾构隧洞的安全、质量、工艺及成本，为了保证南水北调穿黄隧洞工程的顺利完成，必须重视盾构的选型工作。穿黄隧洞施工用盾构应进行国际性招标，在建设管理单位指导下进行盾构的采购，邀请建设单位专家审核盾构国际招标文件。
1、前言
南水北调中线工程属特大型跨流域调水工程，从长江支流汉江上的丹江口水库引水，跨江、淮、黄、海四大流域，主要向唐白河流域、淮河中上游和海河流域的湖北、河南、河北、北京及天津供水。主体工程由水源区工程和输水工程两大部分组成，输水工程包括总干渠、天津干渠工程以及穿黄河工程。
穿黄工程是南水北调中线总干渠与黄河的交叉建筑物，是总干渠上规模最大、技术最复杂并控制工期的关键性工程，一期设计输水流量265m3/s、加大设计流量320m3/s.为确保穿黄工程万无一失，水利部指派黄河水利委员会勘测规划设计研究院和长江水利委员会长江勘测规划设计研究院两 大全国最权威的水利部门分别独立设计渡槽、隧洞两个方案。
隧洞方案与渡槽方案相比，可免受温度、冰冻、大风、意外灾害等不利因素影响，耐久性好，检修维护相对简单；采用渡槽方案则增加了世界治水史上最为宏伟的人文景观，而且还可以成为具有较高开发价值的旅游资源。从技术上看，无论是渡槽还是隧洞方案都是可行的，并且工程造价相当。经过水利部及国家计委组织的专家多次审查，考虑到隧洞方案可避免与黄河河势、黄河规划的矛盾，且盾构法施工技术国内外都有成功经验，因此最终选择了隧洞方案。
2、工程概况
穿黄工程位于河南省郑州市上游约30km处，线路总长19.30km，南起荥阳市李村村西，北至河南焦作市温县陈沟村西。主体工程由南北岸渠道、南岸退水洞、进口建筑物、穿黄隧洞、出口建筑物、北岸防护堤、北岸新老蟒河交叉工程以及孤柏嘴控导工程等组成。
穿黄隧洞总长4250m，包括过河隧洞段和邙山隧洞段，双洞布置，隧洞轴线间距为28m，两洞各采用一台盾构自北向南推进。穿黄隧洞最大埋深35m，最小埋深23m；最高水压为0.45MPa；最小曲线半径为800m；过河隧洞段坡度为1‰和2‰，邙山隧洞段坡度为49.107‰；穿黄隧洞为圆断面，内径？7.0m，外径8.7m，隧洞外层为7等分装配式普通钢筋混凝土管片结构，管片内径为7.9m，外径为8.7m，管片宽度1.6m；内层为现浇预应力钢筋混凝土整体结构，厚45cm，标准分段长度为9.6m，隧洞内衬在与北岸和南岸施工竖井衔接的洞段以及地层变化洞段将局部加密；内外层衬砌由弹性防、排水垫层相隔。
3、工程地质
过河隧洞桩号5＋658.57～9+108.57，全长3450m.北岸始发竖井中心高程67m，桩号9＋108.57；南岸到达竖井中心高程72.45m，桩号5＋658.57.过河隧洞穿越的主要地层为Q2粉质壤土、Q41砂层和砂砾（泥砾）石层。根据隧洞围土的组成可划分为三种类型：
1）单一粘土结构隧洞围土为Q2粉质壤土层，分布在桩号5+658～6+033和7+109～7+919，总长1185m.
2）上砂下土结构隧洞围土上部为Q41砂层，下部为Q2粉质壤土层，分布在桩号6+033～7+109和7+919～8+233，总长1390m.
3）单一砂土结构隧洞围土主要为Q41中砂层，局部为粗砂层，砂层中零星分布砂砾石透镜体，该类结构分布在桩号8+233以北，长875m.
过河隧洞开挖范围内，砾卵石粒径2～10cm；Q2粉质壤土中夹有钙质结核层；Q41砂层中石英颗粒含量较高，达40％～70％，且分布有泥砾层和砂砾石透镜体，局部有淤泥质粉质壤土透镜体；在桩号8+670～8+940之间，隧洞底板分布有Q3粉质粘土，应考虑其变形特性。根据目前地质勘察资料，不排除在隧洞掘进过程中偶遇粒径大于15cm的块石、枯树及上第三系粘土岩、砂岩、粉砂岩和砂质粘土岩的可能性。上第三系的粘土岩、砂岩、粉砂岩和砂质粘土岩成岩作用差。粘土岩强度较Q2粘土略高，抗压强度为0.53 MPa；砂岩一般为泥质胶结，强度低，抗压强度为0.62MPa.局部分布有薄层钙质胶结的砂岩，呈坚硬状，强度较高，抗压强度为16.5MPa.
邙山隧洞段桩号5+658.57～4＋893.57，长800m.桩号4＋893.57～5＋090隧洞段为黄土状壤土；桩号5＋090～5＋359.08段为粉质壤土，中间夹3层古土壤层；桩号5＋359.08～5＋658.57段为粉质壤土，中间夹4层古土壤层，其下多富积钙质结核或钙质结核层。粉质壤土渗透系数k＝1×10－5cm/s，黄土渗透系数为1×10－5～1×10－4cm/s.黄土状粉质壤土渗透系数k＝3.7×10－5～1.0×10－4cm/s.过河隧洞段穿越的饱和含水砂层，其渗透系数k＝10-3～10-2cm/s.
4、盾构类型的选择
4.1盾构类型与地层的关系
盾构选型应从安全性、可靠性、经济性等方面综合考虑，所选择的机型要能尽量减少辅助施工法并确保施工安全可靠。不同类型的盾构适应的地质范围不同，盾构选型的主要依据是土质条件、岩性，要确保所选择的盾构能适应地质条件，保持开挖面稳定。
土压平衡盾构是依靠推进油缸的推力给土仓内的开挖土碴加压，使土压作用于开挖面使其稳定，主要适用于粉土、粉质粘土、淤泥质粉土和粉砂层等粘稠土壤的施工。在粘性土层中掘进时，由刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋机输出，在螺旋机内形成压力梯降，保持土仓压力稳定，使开挖面土层处于稳定。盾构向前推进的同时螺旋机排土，使排土量等于开挖量，即可使开挖面的地层始终保持稳定。当含砂量超过某一限度时泥土的塑流性明显变差，土仓内的土体因固结作用而被压密，导致碴土难以排送，需向土仓内注水或泡沫、泥浆等，以改善土体的塑流性。
泥水盾构利用循环悬浮液的体积对泥浆压力进行调节和控制，采用膨润土悬浮液（俗称泥浆）作为支护材料。开挖面的稳定是将泥浆送入泥水平衡仓内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。泥水盾构适用的地质范围较大，能适应穿黄工程的所有地质。
从地质条件来看，本工程可使用加泥式土压平衡盾构和泥水平衡盾构。但使用加泥式土压平衡盾构在砂层和砂砾（泥砾）石层施工时需要向开挖仓中注添加剂，以改善碴土的性能，使其成为具有良好塑流性、低的摩擦系数及止水性的碴土，且对于砂砾（泥砾）石层，开挖破碎后可能会有大颗粒碴土，需要考虑螺旋输送机通过粒径的能力。泥水盾构能适应粉质壤土、砂层和砂砾（泥砾）石层等各种地质，对于砂砾（泥砾）石层可在泥水平衡仓内设置破碎机。
4.2盾构类型与水压及渗透性的关系
地层渗透系数是盾构选型的重要因素。根据欧美和日本的施工经验，当地层的渗透系数小于10-7m/s时可以选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10-7m/s和10-4m/s之间时既可选用土压平衡盾构也可选用泥水盾构；当地层的渗透系数大于10-4m/s时，如采用土压平衡盾构开挖仓中添加剂将被稀释，水、砂、砂砾相互混合后土碴不易形成具有良好塑性及止水性碴土，在螺旋机出碴门处易发生喷涌，施工困难。本工程过河隧洞段穿越的饱和含水砂层，其渗透系数k＝10-3～10-2cm/s，远远超过土压平衡盾构允许的最大范围，因此宜采用泥水盾构。
当水压大于0.3MPa时螺旋输送机也难以形成有效的土塞效应，在输送机排土闸门处易发生水土喷涌现象，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌。本工程水压高达0.45MPa，采用泥水盾构最适应南水北调中线一期穿黄工程的地质情况和水文情况，可以确保穿黄隧洞工程施工安全可靠。
5、盾构驱动方式的选择
由于受始发竖井结构尺寸的限制，盾构设计时要求结构紧凑、效率高、起动扭矩大、设备的散热温度低，所以对盾构驱动方式的选择非常关键。驱动方式有三种，一是变频电机驱动，二是液压驱动，三是定速电机驱动，鉴于定速电机驱动时刀盘转速不能调节，一般不采用。现将变频驱动与液压驱动进行比较，见表1.经综合评价宜采用变频驱动。
6、泥水压力控制模式的选择
泥水盾构根据泥水平衡仓构造形式和对泥浆压力的控制方式不同分为直接控制型和间接控制型。
直接控制型泥水盾构采用泥水直接加压模式，其泥水输送系统的流程如下：送泥泵从地面调浆池将新鲜泥浆输入盾构泥水仓，与开挖泥土进行混合形成稠泥浆，然后由排泥泵输送到地面泥水分离处理站，经分离后排除土碴，而稀泥浆流向调浆池，再对泥浆密度和浓度进行调整后，重新输入盾构循环使用。直接控制型泥水盾构的泥水压力通过调节送泥泵转速或调节控制阀的开度来进行，送泥泵安在地面，控制距离长而产生延迟效应不便于控制泥浆压力，因此常用调节控制阀的开度来进行泥浆压力调节。
间接控制型泥水盾构的泥水压力控制采用气压模式，由泥浆和空气双重回路组成。在盾构的泥水仓内插装一道半隔板（沉浸墙），在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在隔板后面与泥浆的接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力，由于空气缓冲层的弹性作用，当液位波动时对支护泥浆压力变化无明显影响，泥水压力的波动小，控制精度高，对开挖面土层支护更为稳定，对地表变形控制也更为有利，因此选择间接控制型泥水盾构最佳。
7、本工程对泥水盾构的设计要求
7.1对砂土地层及砂卵石地层的适应性
过河隧洞段穿越的主要地层为Q2粉质壤土、Q41砂层和砂砾（泥砾）石层。其中上砂下土结构的地层总长1390m，隧洞上部为Q41砂层；单一砂土结构的地层总长为875m，隧洞主要为Q41中砂层，局部为粗砂层，砂层中零星分布砂砾石透镜体。
这种地层石英含量高，对刀盘、刀具、管路的磨损性强，砂土地层渗透性大，需要的泥水平衡压力更大，而需要的扭矩通常较小，在这种地层中施工通常要损失更多的泥浆。施工中应特别注意泥浆循环的速度不能低于防止泥浆沉淀所需的最小速度，因此盾构在砂土地段的施工时应重点考虑以下功能：①具备平衡掌子面水土压力的能力；②刀盘、刀具、泥浆管路的高耐磨性；④合理的刀盘及刀具设计，恰当的刀盘开口率，合理的开口位置；⑤盾构本体在压力状态下的防水密封性能；⑥防止流砂；⑦人仓设计；⑧管片壁后同步注浆系统；⑨能够对较大的卵石进行破碎，有效防止堵管情况的发生。
7.2适应卵石、孤石、古树等不良地质
砂卵石地层中土体属松散体，若采用适用于硬岩的滚刀进行破岩，则在滚刀的掘进挤压下土体会产生较大的变形，滚刀将不转动，大大降低了滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。穿越砂卵石地层宜采用碳化钨球齿滚刀（图2）或碳化钨撕裂刀（图3），但碳化钨球齿滚刀不能对古树等进行有效破碎，为了适应卵石、孤石、古树等不良地质，采用碳化钨撕裂刀较适应穿黄工程的不良复杂地质。
在泥水平衡仓的底部的排泥管前面安装一个颚板式碎石机，用来破碎漂石和钙质结核，使其破碎后能通过排浆管排出。破碎机配有栏石隔栅，用来限制进入排泥管路石块的尺寸。
7.3对软硬不均地层的适应性
过河隧洞段穿越的地层主要有全土层、全砂土层、复合层、钙质结核土层和砂砾石层（或泥砾层），邙山隧洞段穿越的地层主要有全土层和钙质结核土层。刀盘上布置双层碳化钨先行刀（撕裂刀）、双层碳化钨切刀和碳化钨刮刀。碳化钨刀具的高强度和高耐磨性完全适应穿黄工程的地质条件。对于地层较大的卵石，在泥水室中安装液压油缸驱动的破碎机（图4）进行破碎。刀盘上焊接的耐磨条及耐磨焊层也是刀盘在复合地层中掘进时的重要保证措施。
盾构在软硬不均地段掘进时，由于刀盘的受力不均而易发生姿态较难控制的现象，为此盾构的推进油缸在圆周方向进行分组，每组可以单独调整推进力和推进行程而改变盾构的掘进方向。盾构采用先进的激光导向系统，盾构的姿态可以随时反映在操作室内，从而可以对盾构的姿态随时进行灵活的调整，同时配合调整刀盘的推力和扭矩参数保证盾构在软硬不均地段保持正确的姿态。
7.4对粘土地层的适应性
总体而言，粘土地层的渗透性更小、自稳性更好，因此需要的泥水平衡的压力比在砂层中更小。但粘性地层掘进时刀盘需要更大的扭矩，盾构需配备较大的刀盘驱动功率；同时要防止刀盘中心粘结泥饼和防止排泥管路堵塞。
刀盘中心部位线速度较低，粘土、粉土、膨润土等粘稠土体在中心部位的流动性较差，粘性土容易在中心部位沉积，同时在泥水仓的后部也容易粘结泥饼。设计盾构时采用如下措施：
①采用膨润土泥浆冲洗系统，在刀盘的中心设计膨润土注入口，用于对刀盘中心部位进行冲洗和清理；
②加大中心部位开口率，使粘性土没有粘结的位置，直接从刀盘开口顺利进入到泥水室；
③刀盘开口部位采用特殊结构设计，开口设计成楔形梯形结构，使开口逐渐变大，利于碴土的流动。
在粘土地层别容易发生排泥管堵塞，为防止堵管、对泥浆系统需进行针对性设计，安装电磁控制球阀和相应管路，可以实现在进排浆管中进行反循环，反循环的目的是清理堵塞的排泥管。此外，在气仓的底部安装电磁球阀，在开挖模式下盾构司机可以在切削仓的上面实现反向循环，以便清理在破碎机和仓室底部的沉积物，在粘土地层中掘进时这种沉积物更是经常发生。反循环和底部注入可以在需要的基础上周期性使用，同时需采用重型的排泥泵，设计较大的排泥通道，能够泵送的最大粒径不小于180mm.泥浆泵的关键部件进行耐磨设计，以便适应泵送的磨损性介质。
7.5对高水压的适应性
过河隧洞穿越地层主要为富含地下水的砂土层，地下水压力高达0.45MPa，在高水压下施工，施工安全和工程防水是第一重点，隧洞防水是盾构法施工的关键。盾构在高水压地段推进，重点是保证主轴承密封、盾尾密封在高承压状态下的正常工作。
1）主轴承密封主轴承内外密封应具有自动功能、自动密封功能、自动检测密封的工作状况功能和密封磨损后的继续使用功能，可采用唇形密封（图5）或指形密封（图6）。
2）盾尾密封盾尾密封（图7）是集弹簧钢、钢丝刷及不锈钢金属网于一体的结构，在弹簧钢和钢丝刷上涂氟树脂进行防锈处理。盾尾密封可采用4道钢丝刷密封或3道钢丝刷密封加1道钢板束，在各盾尾密封之间注入油脂来提高止水性能。在盾尾设计1道膨胀应急密封，当钢丝刷密封正常时该密封弯曲在盾尾的沟槽里不起密封作用。当钢丝刷密封失效时通过注水或充气使该密封膨胀，将管片外侧与盾尾内侧之间的间隙完全密封以防止涌水从盾尾漏入隧洞内，并可在隧洞内安全更换前2～3道钢丝刷密封。
7.6对深竖井及长距离泥水输送的适应性
过河隧洞掘进时从北岸始发，北岸竖井深达50.5m，且隧洞线路长，长距离水平输送和高扬程的垂直输送要求送排泥泵具有大功率和大扬程。送排泥泵均采用变频驱动。送泥泵采用1台大功率、大扬程、大流量的重型泥浆泵；排泥泵采用3台大功率、大扬程、大流量的重型泥浆泵。具体是在盾构后配套拖车上安装1台主排泥泵，在竖井底部安装1台接力泵，当盾构掘进到过河隧洞的中间时在隧道内安装1台中继排泥泵。
邙山隧洞段施工时分离站从北岸搬至南岸，南岸竖井深达39.95m，受竖井周围场地（约2000m2）的限制，泥水分离站宜建在山上。盾构施工时仍使用1台送泥泵、3台排泥台，主排泥泵安装在盾构上，中继泵安装在南岸竖井底部，接力泵安装在竖井平台上。
7.7地表沉降控制要求
盾构需穿越不同埋深的地层，在不同位置水压力也不同，盾构应具有良好的泥水压力调整功能，满足地表沉降控制在规定范围，保证能够顺利安全穿越黄河。为了减小泥水压力的波动宜采用气压式间接控制型泥水盾构。
7.8精确的方向控制要求
要求盾构具有良好的方向控制能力，导向系统具有很高的精度，以保证线路方向误差控制在规定的范围内。盾构方向的控制包括两个方面：一是盾构本身能够进行纠偏、转向，二是采用先进的导向技术保证盾构掘进方向的正确。
7.9环境保护的要求
环境保护包括三个方面：一是盾构施工时对周围自然环境的保护，使用的辅助材料如油脂、泥浆添加剂等不对环境造成污染；二是盾构及后配套设备无大的噪声、震动等；三是盾构法施工的现场环境管理，隧洞内的施工污水通过低压排污泵抽到污水箱，再通过污水箱中的高压泵泵送到泥浆回路。
7.10长距离掘进不换刀技术
本工程在过河隧洞掘进时一次掘进距离长达3450m，为了安全可靠必须避免刀盘磨损和中途换刀。对刀盘和刀具必须进行耐磨性设计，刀盘的面板焊接格栅状的特殊耐磨材料，刀盘的外圈焊接高强度的耐磨板，在刀盘的开口部位进行表面硬化，充分保证刀盘在掘进时的耐磨性能。长距离掘进中途不换刀一般采用图8的两种方案。方案一：设计救援刀具，在初装刀具磨损到极限后将内藏的救援刀具伸出；方案二：
采用高耐磨切刀，切刀的刀刃采用双层碳化钨结构。由于内藏式救援刀结构较复杂、成本较高，穿黄隧洞宜采用双层高耐磨碳化钨切刀。
为确保刀具的高耐磨性所有刀具均采用碳化钨刀具，先行刀和切刀均采用双层碳化钨刀刃，并设计有耐磨齿。在不同区域的切刀上安装刀具磨损量检测装置，及时掌握刀具的磨损情况，保证刀具正常工作，除此之外还应采取以下措施。
1）刀具的排列行数在刀盘面板的同一轨迹上，通过增加刀具的排列行数来增加刀具数量，以减少每把刀具的磨损。
2）采用超硬重型刀具连同安装刀具用的刀座一起大型化，加大刀具的宽度，以达到增大刀刃的耐磨性
3）刀具背面进行耐磨防护在超硬刀具背面进行充分的硬化堆焊，设计双排碳钨合金柱齿，防止刀具的基材磨损。
4）带压换刀作为应急措施配备双气路的双室人仓，以便在压缩空气下带压进入开挖室和隧洞掌子面，确保万一需要换刀时的施工安全和快速作业。
7.11盾构的可靠性和安全性
盾构施工时应保证人员及设备的安全。盾构的可靠性是工程施工的重要保障，盾构的关键部件必须在施工过程中万无一失，做到百分之百的可靠。盾构的可靠性表现在以下方面：对地质的适应性，整体设计的可靠性；设备本身性能、质量、使用寿命等的可靠性；在盾构设计的同时应该考虑到应用先进的技术来确保施工安全及人员和设备的安全。
为了保证刀具检修更换及处理障碍物作业的特殊空间需要，刀盘可采用可伸缩型并具有足够的伸缩行程，必要时在沉浸墙上设置隔板安全门，保证在常压下进入气压调节仓进行维修破碎机和进行吸泥管的排堵，确保作业的快速和安全。
8、泥水处理设备的选择
8.1泥水处理概述
泥水盾构是通过加压泥水来稳定开挖面，开挖土碴与泥浆混合由排浆泵输送到洞外的泥水分离站，经分离后进入泥浆调整池进行泥水性状调整后，由送泥泵将泥浆送往盾构的泥水平衡仓重复使用，将泥水中的水和土分离的过程称为泥水处理。
泥水处理分为三级。一级泥水处理的对象是粒径74μm以上的砂和砾石，工艺比较简单，用振动筛或有旋流器的离心机等设备对其进行筛分，分离出的土颗粒用车运走。二级泥水处理的对象主要是一级处理时不能分离的74μm以下的淤泥、粘土等的细小颗粒。三级处理是对需排放的剩余水作PH值调整，使泥水排放达到国家环保要求。
泥水处理系统设于地面，由泥水分离系统和泥浆制备系统两部分组成。泥水分离系统主要由振动筛、旋流器、储浆槽、调整槽、碴浆泵等组成；泥浆制备系统由沉淀池、调浆池、制浆设备等组成。
8.2泥水分离站选型
选择泥水分离设备时必须考虑两个方面：①有效地分离排泥浆中的泥土和水分；②具有与盾构最大推进速度相适应的分离能力。
8.3泥水处理工艺
地质不同，泥浆处理的工艺也不同。在一般情况下砂质土只需进行一级处理，粘性土需进行二级处理，对需排放的剩余水进行三级处理，作PH值调整。
1）一级除砂处理盾构在砂砾石层或细砂、中粗砂层掘进时只需进行一级除砂处理。其工艺流程如下：竖井内的排泥泵将携带土碴的污浆输送到分离站的预筛器，经振动筛选后，粒径在3mm以上的碴料分离出来，筛余的泥浆进入储浆槽，由碴浆泵从储浆槽内抽吸泥浆，在泵的出口具有一定储能的泥浆沿输浆软管从旋流除砂器进浆口切向射入，经过旋流除砂器分选，粒级74um以上的泥砂由下端的沉砂嘴排除落入细筛；细筛脱水筛选后，干燥的细碴料分离出来；经过第二道筛选的泥浆循环返回储浆槽内，处理后的干净泥浆从旋流器溢流管进入中储箱，然后沿出浆软管输送到调浆池。
2）二级除砂处理盾构在粉土、粉砂层掘进时，一级除砂处理不足以将泥浆密度及含砂率降至合理范围内时需进行二级除砂处理。其流程如下：盾构排出的泥浆经排泥管输送至预振筛内，预振筛将泥浆中3mm以上的砂砾筛除，经旋流除砂分离及细筛脱水后清除74μm以上的砂质颗粒，经过第二道筛选的泥浆进入小直径旋流除砂器，将泥浆中剩余的74μm以上砂质清除，并同时清除掉45μm以上的泥质颗粒。二次除砂后的泥浆由出浆口输送至沉淀池。
3）一级除砂、二级除泥处理在粘土地层掘进时需进行二级除泥处理。其工艺流程与二级除砂处理相似，不同之处在于旋流除泥器组的应用。通过小直径的长锥除泥器和超细目振动筛网的组合，二级除泥处理后泥浆中30μm以上的泥质颗粒及时清除，粘度得以控制，见图9.
4）三级处理三级处理是将进入PH槽中的液体进行酸碱处理，以达到排放标准。采用的材料主要是稀硫酸或适量的二氧化碳气体。
8.4泥水性能管理
从泥水分离站排出的泥浆经沉砂池沉淀后进入调浆池，在调浆池内由制浆系统的高速制浆机对泥浆进行调配，确保输送到盾构的泥浆性能满足使用要求。
在泥水循环利用的过程中，泥水性能的管理主要是对泥浆质量的控制，即对泥浆最大颗粒粒径、粒径分布、泥浆密度、泥水粘度的管理。穿黄隧洞施工时泥水粘度一般控制在25～35s范围内。当泥水粘度过大时排泥管易堵塞。泥水密度是一个主要控制指标，过高将影响泥水的输送，过低将破坏开挖面的稳定，一般在能满足开挖面稳定的情况下泥水密度越小越好，这样能节省泥水制作成本，减少膨润土的消耗。掘进过程中对泥浆性状进行管理时根据地质而定，送泥密度一般控制在1.15～1.2g/cm3之间。当泥水密度偏低时通过快速制浆机加入膨润土进入调整；当密度偏高时加入清水进行稀释。
9、盾构关键参数的计算
盾构关键参数的计算是盾构选型的参考依据，盾构工作过程的力学参数计算是一个非常复杂的问题，由于受地质因素、土质改良方法和掘进参数等一系列因素的影响，在盾构参数计算的方法上存在很多的不确定因素。至今应用的盾构参数计算方法在很大程度上只是处于研究、探索阶段，甚至很大程度上是一些经验性的计算方法，盾构关键参数的计算主要包括以下内容。
1）推力计算盾构推进过程中的阻力主要包括盾壳和土层的摩擦力、土压的正面阻力、水压的正面阻力、盾尾密封与管片之间的摩擦力、拖拉后配套的力。盾构施工时为满足上坡、曲线施工和纠偏的需要，无法充分利用所有的推进油缸，推进系统装备的推进力必须留有足够的余量，总推力应大于总阻力的1.3～1.5倍。
2）刀盘扭矩的计算盾构在软土中推进时的扭矩包括切削扭矩（克服泥土切削阻力所需的扭矩）、刀盘自重形成的轴承扭矩、刀盘轴向荷载形成的轴承扭矩、主轴承密封装置摩擦力矩、刀盘前面摩擦扭矩、刀盘圆周面的摩擦反力矩、刀盘背面摩擦力矩和刀盘开口槽的剪切力矩等。
3）功率计算主要包括主驱动功率计算、推进系统功率计算。
4）同步注浆能力的计算首先计算同步注浆应具备的理论能力，再考虑1.5～1.8的注入率，同时还要考虑注浆泵的效率，一般按75%的效率计算。
5）泥水输送系统参数的计算主要包括送排泥流量的计算、送排泥流速的计算、送排泥扬程的计算。
10、结束语
穿黄工程用的两台盾构机，是德国制造的，全国只有两台，每台一亿元人民币。盾构机从黄河北岸的竖井下去，在河床底下三四十米深处，每天往南掘进十几米。它就像一台电动剃须刀，巨大的刀片在前面掘进，刮下泥沙，通过竖井输送出来。“随着盾构机身上的‘黄河号’三个字逐渐没入隧洞，人群里发出一阵阵‘进去了，进去了’的庆贺声……”一家水利媒体记者兴奋地写道。
7月9日，河南省省长李成玉也到南水北调中线工程安阳段和温县穿黄工程施工现场，察看工程进度。据该项工程建设的权威人士透露，全部开工准备其实早就做好了，业主等着中央电视台来现场直播。但央视6月份一直忙于10周年庆典，拖来拖去，就拖到了7月8日。
权威人士透露，穿黄掘进的风险很大，如果盾构机到底下不转了怎么办?刀片被孤石或古树卡住了怎么办?隧洞渗水坍塌了怎么办?地下几十米的压力很大，一旦封不住，就是灭顶之灾。
所以，为了保证现场直播万无一失，7月8日开工前，施工单位已经把盾构机提前钻进去，调试好了。
穿黄，咽喉工程
南水北调的中线总干渠看起来挺长，1400多公里，但绝大部分修的都是明渠，直白说就叫“挖河”。时代大修水利，农民们年年都挖河，没什么稀奇的，真正工程量大、技术难度大的，一是丹江口水库大坝加高，二是穿黄工程。
穿黄工程，顾名思义，是总干渠要穿越黄河。从地理位置上说，穿黄是咽喉，从技术难度上说也是咽喉。干渠要穿过宽阔的黄河河床，还要对黄河河势影响最小，要保证100年不渗漏、不坍塌，不怕地震，不怕洪水凌汛等，一年四季水流平稳、通畅，如果黄河是一条规规矩矩、清清白白的河，这也不难做到。但黄河是一条万年古河，河面上浊浪翻滚，河床下沉淀着数不清的古木孤石，而且从小浪底以下，黄河就变成了游荡型的河流，即所谓“30年河东，30年河西”。
黄河的河势在郑州附近变化尤为剧烈，它为穿黄工程带来两个难题：一是选址在哪里，才能够相对稳定，不至于等你辛苦建好“穿黄工程”，黄河却跑一边儿玩去了？二是修建什么样的穿黄设施，才能从安全性、经济性、技术可行性等方面占优?
先说第二项。关于穿黄设施，长江委设计院和黄委会设计院各拿了一套方案。黄委会设计院的方案是“渡槽”，一槽飞架南北，天堑变通途，而且还“可以为郑州增添亮丽的标志性景观”。2003年，河南省政府积极向国家有关部门递交报告，建议选用“渡槽”方案。
但一年后，水利部组织的院士、专家们相中的却是长江委设计院设计的“隧洞”方案，这让黄委会设计院的专家们有些难堪。盖因黄委会设计院常年研究黄河，不仅对黄河河势了如指掌，对水利工程对黄河的影响研究经验也更丰富，有人笑曰：“在黄河里建的工程，黄委会设计院的方案都没能通过，他们自己都感到很没面子。”
“隧洞”方案的优势，据长江委设计院院长钮新强介绍说，从技术角度讲，穿黄工程用的盾构技术较为成熟，从经济性考虑，地下方案所需要投资也相对少一些。另外，隧洞从河底穿越，对黄河河势的影响也最小，本身受凌汛、风化风湿、气温变化等影响也较小。万一发生地震，建筑物越高，越容易受影响，而隧洞在地下对
走出武汉长江水利委员会设计院的办公室，站在丹江口水库大坝喷涌而出的泄洪巨流前，耳听得穿黄工程施工现场的隆隆机器声，记者的脚步踏在中线工程的关键点上，并深入工程背后地方省份的利益考量之中。抗震是有利的。
但钮新强强调说：“我们两个设计院实际上是一个共同的团队，具体分工上有所侧重，长江设计院侧重隧道，黄委会设计院侧重渡桥。两个方案有一个技术经济结论之后，两个单位一起进行技术论证，最后的论证报告是两家共同完成的。”
而对于穿黄工程的选址，根据工程的总体布署，总干渠只能在邙山头至汜水河一带二三十公里范围内穿越黄河。在这个范围内，勘探人员钻了600多个洞，还钻出来一段千年古木，最后选定在郑州以西约30公里处，孤柏山湾李村附近，在黄河地下23米至32米处开掘隧洞。
“穿黄隧洞”简单地说，就是在黄河底下23米以下处，打两个直径7米、长4公里多的通道。如此规模的隧洞，国内外很多地方都修建过，但那都是过车的，而这却是过水的，十几米水头的高压水穿越而过，每秒钟最少要通过265立方米水量，这在国际上还是第一次。
长江委设计院院长钮新强说，接下来，在盾构穿越黄河的整个过程中，可能还会碰到各种各样的技术难点。整个穿黄工程预计2010年完工。
河南的动静
河南省上下盼南水北调盼得最久，也最热烈。跟位于武汉的长江委一样，位于郑州的黄委会也已研究了几十年的“南水北调”。最早引发“南水北调”构想的那句“南方水多，北方水少,如有可能，借一点来是可以的”，就是在1952年视察黄河时说的。河南省水利厅有位老厅长，在任上经常接待从北京来河南考察南水北调的人马，有一天，他叹息说“来考察南水北调的人，喝我们的酒都喝多少缸了，南水北调还不见影儿……”
南水北调中线工程一开，河南省从政府到老百姓，都踊跃支持，一来河南是个缺水的省份，像新乡市的人均水资源只有308立方米，为全国水平的1/7，南水北调对新乡的第一个好处，就是每年能带来4亿立方米的优质水。南水北调的水源地丹江口水库，名义上是河南与湖北共有，实际上河南用得很少。
中线工程名义上是“调水进京”，实际上，河南才是受水面积最大的省。中线工程一开，河南省一口气要开39处口门，划了42座受水城市，连离总干渠很远的周口、漯河等城市也划上了。从陶岔到北京的总干渠全长1277公里，河南境内就占了731公里；中线一期调水量95亿立方米，北京只用10亿立方米，而河南要用37．69亿立方米。
同时，这也是一个宝贵的引资机会。中线一期主体工程静态总投资1367亿元，在河南省内的投资就达670亿元。河南境内最先开工的安阳段，总投资21亿元，工期3年，根据安阳水利局局长江子蔚的计算：每年将拉动GDP增加约6．3亿元，拉动一般财政预算增加3700万元，税收增加7700多万元。安阳段总干渠建设需要钢筋28万多吨，水泥35万吨，石材130万吨，工程每年可供近2万人就业……
新乡段长77．7公里，在河南境内是最长的一段，预计投资超过60亿元。就是当地领导出去招商引资，也很难引来这么大的项目。无怪乎新乡段开工建设动员大会之际，新乡市大街小巷飘扬着“支持南水北调工程，促进新乡经济发展”、“搞好
南水北调工程，加快中原崛起步伐”的标语，警车跑到高速路口迎接会议代表。会议组织者请来了国务院南水北调办的副主任、中线局的局长、河南省委副书记和副省长等贵宾。大会开始前，豫剧女演员在小乐队伴奏下，演唱了歌曲《祖国的大建设一日千里》。
而总干渠郑州段的投资将达102亿元。穿黄工程概算投资31．37亿元，用一位桥梁专家的话说，一个穿黄工程的投资，就超过目前整个黄河上所有大桥的投资总和了。
湖北的考量
南水北调中线的引水方案本来有两个，一是从长江引水，二是从丹江口引水。湖北省政府积极支持从丹江口引水。汉江是长江以北最大的支流，丹江口以上为上游，丹江口以下为中下游。南水北调引了丹江口的水，对汉江中下游流域会有诸多不利，为什么湖北省还如此积极呢?
汉江的脾气是陡涨陡落，历史上三年两溃，是长江支流中洪水灾害最严重的一条，所以解放后政府即修建了丹江口大坝，加上兴建杜家台等分蓄洪区，综合运用才可抵御20年一遇的洪水。
2005年10月，汉江流域发生1983年以来的最大秋汛，杜家台不得不分洪，转移3万民众。分洪区运用一次，国家要花上亿甚至几十、上百亿，农民地也淹了，家也要搬走，等洪水落了再搬回来。虽然有国家补贴，也沾不了多少光。而且，因为始终有洪水威胁，整个汉江中下游地区不敢建工厂，搞建设，产业结构以农业为主，工业所占比重仅为40％，远远低于全省平均水平。
中线北段，明年4月向北京供水
南水北调中线的最初规划是，丹江口一湾清水2008年北京。2006年8月，黄委会主任李国英在国新办的新闻会上说：估计在2008年，中线调水进入北京不成问题。50天后，国务院南水北调办举行了“加快南水北调中线京石段应急供水工程建设动员会”，会议透露：中线总干渠预计到20lO年才能全线建成供水，为确保2008奥运会的顺利开展和首都供水安全，国务院领导要求对北京市应急供水的几个方案进行再论证。国家发改委在反复比较了小浪底、万家寨调水等方案的基础上，认为加快建设京石段应急供水工程是最现实的，因此，本次会议正式明确京石段工程2007年底建设完成，先期利用河北省4座水库，实现2008年向北京应急供水的目标。
河北省副省长宋恩华在动员会上说，河北是南水北调受水区七省市中最为缺水的省份，“雀我省自身极度缺水的情况下，我们还要作出新的贡献”。因此，省里多次建议中央通过京石段应急供水工程建设对河北给予投资倾斜，并得到了国家发改委的支持。
据最新消息，京石段工程预计将在2008年3月完工，4月具备通水条件。届时北京将从河北4座水库调水3～4亿立方米．承担北京市10％的供水任务。
中线总干渠离水源地最远的一段最早建成，并且穷帮穷地供起水来，颇有些“两棵苦瓜一根藤，穷不帮穷谁照应”的意味。预计2010年中线总干渠全线通水后，京石段还将通过西黑山口门连接天津干渠向天津市分水；向河北省石家庄、保定、廊坊、衡水等城市供水。
其实，1958年丹江口大坝兴建时，设计蓄水位就是现在要达到的170米。只是由于3年自然灾害，国家钱紧，只建到157米就停下了。如今大坝桩基还在，正在加高的水库大坝，即是在此桩基上继续往上砌。
那么，不靠南水北调，湖北省自己加高丹江口大坝行不行呢?该省一位水利专家告诉记者，其实光大坝加高也没什么，顶多20多个亿，但丹江口大坝加高须移民32．8万人，移民费用至少是240亿，这些移民中有一半是河南人，湖北省的财政自然顾虑重重。
所以，2003年11月以来，湖北省政府专门向中央行文，支持大坝按正常蓄水位170米高程加高，省调水办等部门将力争“170方案”摆在各项工作之首。在此期间，湖北省政府曾向国家提出调水之后的补偿问题，但是由于担心影响“170方案”上马，很快又不提了。最后，经过一年论证，国家确定按“170方案”加高丹江口大坝，湖北省调水办在有关材料里写道：“这标志着我省根本利益得到了维护，我省经济、社会的长远发展有了较好的基础……加坝调水方案是历届省委、省政府艰苦努力的结果，确实来之不易。”
南水北调中线工程对湖北省的直接影响，是丹江口库区的淹没损失和汉江中下游干流供水区的水量损失。
中线水源公司总工程师张小厅告诉记者：汉江的水本身消耗不大，94％都从汉口进入了长江，长江也不缺汉江这点水。丹江口大坝加高后，总库容可以达到339个亿，南水北调只用95个亿，影响不算大。
丹江口库区85％以上面积为山丘区，坡陡沟深，1958年，丹江口水库建设时，采用的是“靠后移民”的形式，山民们越移越往深山去，毁林开荒，破坏植被，自身生活也更贫苦。此次丹江口大坝加高，政府采取“开发式移民”方式，把部分农民移到经济发达的地方，或利用国家移民资金在山区改造山地，移民的生产生活将一并得到妥善安置。
张小厅告诉记者，丹江口市政府也非常支持，一来工程能为丹江口市带来资金等好处，二来这项工程迟早要上马，一天不上马，当地就不能搞建设，经济就发展不起来，库区百姓连新房也不能盖。工程上马了，国家给补偿，对当地经济发展也有好处。
丹江口是个小小的县级市，市区十来万人口，不通火车。一个本地出租车司机告诉记者：“南水北调的好处，可能就是有利于我们招商引资吧。丹江口位置太偏，很多人不知道在哪里，现在一搞南水北调，知名度大大提升，都有人叫我们‘水都’了。”
关键词：引黄输水工程；水质变化特征；水污染；措施
华北地区是我国水资源最紧缺的地区之一，也是实施跨流域调水工程最多的地区。引黄济津、引黄济淀工程都是为了缓解该地区水资源匮乏的大型调水工程。特别是进入21世纪以来，随着城市经济社会的大力发展，水资源问题变得更加严峻。河北省引黄受水区区域水资源总量为20.35亿m3，人均水资源量160m3，低于全国人均300m3的标准，为全国平均值的1/15。2000年天津出现用水危机，国务院实施了引黄济津跨流域调水工程。白洋淀地区也面临非常严峻的缺水状况。为缓解白洋淀地区干旱缺水状况，保护淀区生态和环境，保障淀区及周边群众生活、生产用水安全，河北省开始了引黄济津和引黄济淀工程，确保天津和白洋淀区生态水环境的用水安全。
1、引黄输水工程概况
1.1 工程概况
引黄输水路线主要利用现有渠道和河道，从山东省东阿县黄河下游位山闸引水(q＝100 m3/s)，经山东省聊城位山灌区西输沙渠、西沉沙渠、总干渠、三干渠到穿卫枢纽，进入河北省境内的清临干渠、清凉江、清南连接渠，在河北省沧州市泊头进入南运河，在九宣闸进入天津市，再分两条路线，分别进入市区和北大港水库，整个输水线路全长580 km。引黄济津输水线路途经山东省鲁北地区，河北省东部地区至天津市，主要涉及的水系有：徒骇马颊河、漳卫南运河、黑龙港运东3大水系。引黄济淀输水路线从黄河位山闸引水，经位山三干渠、穿卫(运河)工程，入河北境内，沿清临干渠、清凉江、滏东排河、紫塔干渠、陌南干渠、小白河、人文干渠，在自洋淀十二孔闸进入淀区。输水路线总长达397 km。见图1。黄河以北调水区域直接涉及的城镇(县级以上)有14个，人口约2679万人，耕地面积263万hm2。
1.2 通水前引黄沿线水质状况
河北省引黄受水区位于海河南系平原最为缺水的黑龙港及运东地区。引黄济津从位山闸引水，经三干渠到临清市引黄穿卫枢纽，进入河北省境内的临清渠、清凉江、清南连渠，在泊头附近入南运河，在九宣闸进入天津市境内。其中，影响引黄水质的主要河段为位山三干渠、清凉江、南运河。
三干渠自周店开始，至临清市人卫涵洞止，全长78.6km，负担着引黄入卫、引黄济津、引黄补淀的输水任务。清凉江是黑龙港地区的主要支流，流域面积13661 km2，是河北省黑龙港运东地区的排涝河道，同时也是引黄济津的输水渠道。非输水期，清凉江由于蓄存有来自河北省清河县和部分卫运河的污水，水质为劣v类，codcr、高锰酸盐指数、非离子氨、氨氮均超标。黄河水进入河北省境内后在沧州市泊头附近流入南运河，进而到达九宣闸补给天津用水。因此，这3个河段河道水质情况对引黄水质最终结果尤为重要。据统计，每年直接排入输水河道的污水量为2827.5万t，主要污染物codcr，排放量1.36万t，有关污水排放情况详见表1。
2000年南运河非汛期基本断流，汛期曾有计划地从卫运河调水，流量较大，四女寺断面7月份平均流量达到80m3/s。应急工程中南运河段有泊头大桥和沧州桥两个断面，水质全部劣于v类，主要污染物为codccr、高锰酸盐指数、非离子氨、氨氮，溶解氧含量较低，达到地表水v类标准。泊头大桥断面的亚硝酸盐也达到iv类。
2000年引黄输水前期，河北、山东、天津3省市共完成清淤444万m3、土方537万m3、改建桥梁45座、封堵排污口门1386处。
2、引黄工程水质变化趋势分析
2.1 沿线水质变化趋势分析
河北省引黄工程的黄河干流取水口设在位山闸，通过对位山闸水质监测成果的分析，可以看出，黄河下游的水体污染物含量呈现一定的规律性。
从2000年10月位山闸开启至2001年2月关闭，黄河位山闸累计供水8.66亿m3，历时112 d。从黄河位山引水流量为100 m3/s，水质为ⅲ类，由于河道内原蓄存部分积水及污染物，水头到达天津市九宣闸时，水质较差，为超v类。氯化物、高锰酸盐指数、非离子氨等污染物均超标，除溶解性总固体稍有减少的趋势，高锰酸盐指数及氯化物等各项参数前4 d通过水体自净作用变化较大外，之后没有呈现出明显的减少或增加的规律性变化。第10 d以后，水质基本稳定在ⅱ类。这主要是由于水质达到ⅱ、ⅲ类后，平原地区河道的高锰酸盐指数、非离子氨等污染指标已基本达到当地水环境背景值的水平，因此不会呈现出明显的自净作用。
输水期间，从小浪底坝下一位山一刘口一连接渠一九宣闸沿途监测断面的水质分析结果见表2。
引黄工程自黄河位山闸，经穿卫枢纽进入河北境内.其水体质量好坏直接影响到河北省受水区水体质量。尽管水体有一定的自我净化调节能力，但如果接收水体质量较差，对于受水区水质也有一定的影响。
2002年引黄济津过程中，12月21日山东与河北交界的穿卫枢纽监测断面氨氮超过ⅲ类标准所规定的1 mg/l，为ⅳ类。此后，沿线位山至穿卫枢纽段氨氮持续轻微超标，介于ⅲ－ⅳ类之间，但经过沿途的降解，到达天津九宣闸时氨氮达到ⅲ类，仍然满足输水要求。从2003年1月6日起，九宣闸断面水质开始超标，为ⅳ类。至1月16日九宣闸断面水质一直在ⅳ－超ⅴ类之间，主要超标项目为氨氮和高锰酸盐指数。2004年引黄济津应急调水从10月9日开始启动，从位山闸提闸放水，至2005年1月25日关闸。本次引水共布设主要水质监测断面11个，分别是小浪底坝下、花园口、高村、孙口、位山闸、崔庄、穿卫枢纽、张二庄闸、连村、代庄、九宣闸。各断面监测结果见表3。
2008年引黄济淀输水期取用代庄、丰乐堡、沧保公路、出岸、天门口、大树刘庄几个监测断面监测值见表4。表5为2009年－2010年引黄济淀引水工程所设监测断面监测数据。通过对引黄监测断面水体主要污染物进行分析发现，水体质量沿程无大的变化。在整个输水过程中，经过长距离输水后通过水体的自净和沿途泥沙的沉降，使得水体的有机污染指数有所降低，水质也由超ⅴ类逐渐变为ⅱ、ⅲ类。变化比 较大的污染物成分为高锰酸盐和氨氮。
3、主要污染物沿程变化情况分析
黄河水质在输水期间前后无明显差异，水质较好。但入境后由于沿途河道存蓄少量污水和河道腐殖质影响导致输水初期水质较差，其中高锰酸盐和氨氮为主要污染指标，他们主要是人类活动的产物，不过随着水体的自净和沿途泥沙的沉积作用，高锰酸盐指数和氨氮沿程呈逐渐降低趋势。
3.1 高猛酸盐指数变化趋势分析
2004、2009年高锰酸盐指数沿程变化趋势见图2、图3。
从图中可以看出，在引水初期，高锰酸盐含量均较高，这主要是输水前河道存水污染比较严重，通过清淤及控制污水向输水河道的排放，高锰酸盐含量逐渐稳定。随着引水次数的增多，在没有大量污水涌人的前提下引水河道高锰酸盐含量逐渐减少且逐步呈现稳定趋势。
3.2 氨氮变化趋势分析
2004年引黄济津、2008年引黄济淀沿程氨氮变化趋势见图4、图5。
图4为氨氮沿程变化情况。由图4可以看出，引黄济津所引黄河水水质在初期和到达九宣闸后无大的变化，只是沿途变化比较大，这是因为引水初期河道原有污水污染所致。经过水体自净和沿途降解作用氨氮在整个输水过程中总体趋势为下降。
4、防止污染控制对策
大型调水工程往往需要跨流域输水，为确保调水水质安全，必须强化监督管理，完善水质监测站网建设，建立自动水质监测系统，将输水干线河道及两侧划为国家(二级)水源保护区，严禁倾倒或堆放垃圾，限制污染严重的行业发展，通过产业结构调整，使调水沿线水污染逐步得到控制。
引黄济津济淀沿线拟布设12个水量水质监测站，其中4个监测站，即位山闸下、引黄穿卫枢纽(刘口)、九宣闸(南运河断面)、白洋淀人口十二孔闸需要协测。各协测站点水量监测，位山闸由黄委负责，山东省和海委派员参加；引黄穿卫枢纽(刘口)由海委负责，山东省和河北省派员参加；九宣闸(南运河断面)由天津市负责，河北省和海委派员参加；白洋淀入口十二孔闸由河北省负责，海委派员参加。位山闸、引黄穿卫枢纽(刘口)、九宣闸(南运河断面)水质监测由海委负责。
引黄济津，最值得关注的就是水污染问题，因为原有河道污染严重，调水多次选线。2000年调水仅因为污水问题，就要损失4000多万m3的水。要加强水污染防治力度，加快污染源的治理，确保外来水的水质和受水区的水环境。
非输水期，清凉江、南运河等河道水质均劣于ⅴ类，在引黄济津输水期间，对河北省清河、泊头、沧州、青县等县市排污口采取了封堵措施，在上述河段进行监测结果表明，所有断面水质均能达到ⅱ、ⅲ类，南水北调东线规划位山三千渠——清凉江——南运河——天津输水路线，沿线收水水质均能满足ⅲ类要求。
沿途各省市要加强各自境内的引水涵、闸、泵站封堵巡查，防止跑水、漏水，严禁沿途截水。沿途各省市要强化水质监督、管理，严禁向输水河(渠)道内排放污水。
关键词：下穿；涉路；桥梁
Abstract: the article puts forward city underpass has operation speed design principles and attention to matters, and puts forward the reasonable construction procedure and process scheme, in terms of design, combined with the road to the bridge 's particularity, in the selection of bridge pier, the overall fabric cross aspect outstanding proposal, for designers to design the similar projects as a reference.
Key words: wear under the road bridge; involved.
中图分类号：K928.78 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1引言
随着近年来各个城市大幅扩展，使得原本在城市外缘的高速公路，逐渐被城市所包容，为了更好地发展高速公路两边城市的经济，纵横交错的城市道路不得不穿越现状高速公路，已打通高速公路两边地域的交通。因此，城市建设的高速发展将会带来越来越多的下穿或上跨高速公路桥梁的实施，桥梁的实施也将会给正在运营的高速公路带来质量和安全隐患[1]。为了降低和减少质量和安全隐患，尽可能减少对运营高速的影响，桥梁的设计方案需要精心设计，认真对待每个细节[2]。
2总体设计原则
下穿高速公路桥梁工程属于高速公路路基改桥梁工程，工程的实施直接影响运营的安全，路基开挖对施工期和运营期高速路基的稳定性影响也是设计需要考虑的重要问题。如何设计好该类涉路工程，需遵循以下几项原则[3][4]：
（1） 桥梁结构形式选取宜选取结构耐久性好、安全性好的结构。
（2） 考虑下穿道路为城市桥梁，宜适当考虑桥梁的景观性。
（3） 设计需考虑高速公路扩宽改造的可实施性。
（4） 桥跨布置须保证现有道路路基的稳定性。
（5）为确保施工期间路基的稳定性，桥墩台形式选取宜施工少开挖为原则。
（6）合理确定施工方案，保护好管线，以施工安全好、施工工期短为目标。
（7）道路桥梁防护设施的衔接良好，其他附属设施考虑精细。
（8）工程概预算考虑工程实施一定范围内的路面维修养护费用。
3工程设计
（1）上部结构设计
针对小跨径桥梁来说，上部结构可选择的形式[5][6]有：空心板、小箱梁、T梁、现浇大箱梁。其中空心板铰缝部位易出现病害，易造成桥面反射裂缝产生；小箱梁刚度柔，美观性差；T梁刚度大，但梁高较高、美观性差；现浇大箱梁整体刚度大、耐久性好、行车舒适，桥下景观性好。故在考虑桥型选择时，建议优先选择连续大箱梁结构形式。
（2）桥梁墩台形式选择
墩台形式的选择[5][6]宜少开挖为原则，桥墩设计宜采用桩柱式，见图1。桥墩形式可选用独柱或双柱形式，若采用双柱形式，应取消桩顶系梁，适当加大柱径。
桩顶系梁不设，主要为了施工期间，不需大开挖路基施工系梁。桥台形式常见的有肋板台、重力式台，薄壁桥台和桩柱式桥台。肋板式桥台优点是抵抗台后土压力性能好，但承台和肋板的实施需要大面积开挖路基，影响施工期路基的稳定性和安全性，台后土的恢复回填压实度难以达到老路基的标准，台后易出现沉降，影响行车的舒适性。重力式桥台、薄壁桥台均与肋板台有同样的问题。桩柱式桥台施工简单，路基开挖量小，但由于桩柱式桥台抵抗台后土压力的性能一般，所以需要设计适当增大跨径，以使台前保留一定长度的路基，使得台前台后土压力差尽可能的小[7]。
（3）桥跨布置[7][8]
在确定好上部结构和下部结构形式，
需确定桥梁的桥跨布置，桥跨布置以保证改造后高速公路路基稳定为前提，桥梁总
长宜长不宜短，从桥下可通视性来说，也建议适当加大桥长。图2和图3为两种桥梁布置方案，图2为依据下穿道路路幅和沟渠跨度布置的跨径，桥跨布置无富裕度，属紧凑型桥跨布置。图3为宽松型桥跨布置，在满足原有下穿道路路幅和沟渠的条件下，适当的增大了跨径。从图2和图3中可以看出，紧凑型桥跨布置，台后填土比较高，桥台形式若选用图2中0号台桩柱式，就需在台前另做挡土墙，台后的土压力较大，易出现不均匀沉降、桥头跳车等现象。若采用图2中3号台薄壁式桥台，
则需设置承台，承台和台身的施工会带来大面积的开挖，这对另半幅正在运营的高
速公路带来巨大隐患。相对于紧凑型桥跨布置，增加2个边跨，桥台采用桩柱式，台前保留一段老路基平台，以平衡台后土压力，有效保障了台后路基的稳定性，同时也方便了施工。增加跨径对城市道路，也增加桥下可通视范围，行车更加舒适[9]。
（4）施工工序与工艺[10]
下穿高速公路桥梁工程为一改建工程，高速公路为正在运营的高速公路，这就要求施工必须是半幅施工、半幅运营，施工工期越短越好，施工工艺选取越安全越好。结合以上原则，建议施工步骤如下：
步骤1：做施工前的准备工作，进行半幅封闭，半幅施工的组织工作；在桥梁范围内，将封闭的半幅芜宣高速路基向下开挖2.0m左右,即上部结构施工高度，为保证运营侧半幅路基的稳定，开挖断面按1：1放坡。如图4所示。
图4 步骤1
步骤2：桥墩墩柱上部可采用人工挖孔，桩基采用钻孔灌注桩形式；也可以先采用机械钻孔，并完成桩基浇注后，再扩
孔桥墩部分，采用支模浇注桥墩墩柱。桥
台盖梁采用在路基上开挖相应大小的路基坑槽，以满足施工支模为标准，然后现浇。
步骤3：以开挖的路基作为支撑，架
图5步骤3
立模板，实施上部结构箱梁部分。
步骤 4：重复以上步骤实施另半幅桥梁。
步骤 5：实施附属设施，开挖桥下路基，恢复通常运营。
4结束语
上述介绍的下穿高速公路桥梁工程设计方法与施工工序工艺方法，具有结构安全性好、耐久性好、施工快捷、对原有路基的影响小及桥梁的整体外观质量好。设计人员应足够重视上述8项设计原则，做到精心设计，尤其对设计细节的考虑。只要做到以上8点设计原则，该类型的涉路工程质量才能得到保障。
参考文献
何剑辉，徐贤昭．宜巴高速公路桥梁设计考虑因素及应对措施【J】．2010,36（30）:351-352
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关键词: 渠道衬砌 混凝土 机械化 施工
1、工程概况
南水北调中线一期穿黄工程Ⅲ标北岸连接明渠主要由北岸河滩明渠、北岸连接明渠组成，全长约9.97km。北岸河滩明渠位于黄河北岸河滩上，分部长度6127.5m（桩号K9+336.47~K15+463.97），连接明渠位于黄河以北阶地上，分部长度3840.53m（桩号K15+463.97~K19+304.5）。渠底底宽8m，渠底纵坡1/10000，两侧边坡坡比为1：2.25，渠底高程为EL102.86m~EL101.00m，堤顶高程为EL111.98m~110.25m。按照设计图纸所示，本标段衬砌断面为9.03m、9.19m两种高度，内侧衬砌边坡长度为22.23m、22.63m两种。本标段渠道衬砌施工主要由保温板、土工膜、纤维混凝土组成。
2、施工设备
设备的动力源可分为内燃机、电动机两种方式，考虑到内燃机设备系统复杂、造价高，操作维护不便等因素，优先采用电动机。南水北调沿线设有工程施工专用的供电路线，可解决设备供电需求，且电动机造价成本低，结构简单，操作和维护等方面都方便，因此穿黄工程段渠道衬砌机选用了定型框架结构、变角度框架配合电动机的衬砌设备作为大面积施工的衬砌设备。
3、施工参数
3.1、渠道衬砌混凝土技术要求
南水北调中线一期穿黄工程渠道衬砌混凝土同沿线其他区段混凝土衬砌略有不同，主要区别在于使用了纤维混凝土，而非常规混凝土，主要在于渠道混凝土厚度较薄，在取消钢筋的同时，又要保证混凝土有一定的抗裂能力，通过设计方对国内外同类具有代表性的工程比较，最终选用了聚丙烯合成纤维替代钢筋。纤维混凝土技术要求具体见表1。
表1渠道衬砌合成纤维混凝土技术要求
部位 强度等级 抗渗等级 抗冻等级 保证率（%） 聚丙烯合成纤维参量（kg/m3） 总碱含量（kg/m3）
渠道衬砌 C20 W6 F150 95 0.9 ≤2.5
3.2、施工用料配比
受水电四局二分局穿黄项目部委托，水电四局试验中心进行了穿黄工地现场施工配合比设计，其目的是确定经济的、满足穿黄工程设计及施工要求的混凝土配合比。
水泥选用河南焦作坚固水泥有限公司生产的Po42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰选用河南焦作华能沁北电厂生产的一级粉煤灰，聚丙烯合成纤维选用美国希尔兄弟有限公司生产的纤维，骨料则为业主提供的合格料。其他如聚苯乙烯保温板及聚硫密封胶为河南焦作鹏升化工有限公司生产的，复合土工膜为山东金禹王防水材料有限公司生产的。混凝土拌和用水采用施工区域能够满足引用要求的地下水。具体施工配合比见表2.
表2纤维混凝土配合比
设计要求 级配 坍落度
（cm） 单位材料 （kg/m³） 密度
（kg/m³）
理论用水 水
泥 粉
煤
灰 理论用砂 小石 纤维 JM-Ⅱ JM-2000C
出机 入仓 含量 重量 溶质 溶质
% Kg Kg Kg Kg
C20F150W6 一 10～12 4～6 152 243 61 789 100 1135 0.9 1.824 0.02432 2380
3.3、施工技术参数
为保证选用的混凝土衬砌机能够更好的完成渠道坡面衬砌施工，保证设计要求的混凝土板面厚度，项目部进行了大量的现场试验，主要从混凝土坍落度、衬砌机工作速度、振捣时间、抹面及切缝时间进行了试验，最终取得了施工参数见表3。
表3衬砌机施工参数
序号 项 目 参 数
1 坍落度（cm） 5
2 衬砌机工作速度 5m/h
3 振捣时间 5s
4 机械抹面 时间（初凝后） 2.8h~3.5h
遍数 2遍
5 人工抹面、压光 时间（初凝后） 3.5h~4.0h
遍数 2遍
6 切缝时间（终凝后） 18h~28h
4、机械设备组成
4.1、行走系统
行走系统采用了四个电机同步控制，同时配置了变频器，可将车速控制在0~5m/min之间，使设备行走过程中平稳，以避免因车辆晃动引起的钢架结构挠度变形。
4.2、升降系统
升降系统采用四个独立的液压升降机，进行升降控制，精确调整各结构尺寸，以适应各种作业的边坡坡比变化，同时在设备上下各增加了一个螺杆升降机，用来固定尺寸。
4.3、布料系统
布料系统由三部分组成，一条650mm的主输送带，一台布料小车和一条用给主输送带供料的500mm的副输送带。衬砌机主机部位的混凝土受料仓按照φ30型插入式振捣棒有效振动距离布置（施工用的衬砌机受料仓间距为50cm）。布料小车布料时从渠底最下端的受料仓依次向渠顶方向受料仓布料，也可根据施工的需要单层或多层摊铺混凝土。
4.4、振捣、摊铺系统
振捣系统由两套振捣器组成，一套为φ30型插入式振捣棒（斜式），按照60cm间距固定在衬砌机上，另一套为φ30型手持式振捣棒，用来对渠顶土工膜封顶混凝土、渠底齿槽混凝土及四周模板部位进行加强振捣。
摊铺整平系统主要为固定在衬砌机底板下部的找平钢板控制，找平施工时利用设备向前行走的动力，在振捣棒振动下缓慢推动混凝土料找平。
4.5、安全系统
全车共装置了四套安全装置，误操作紧急制动按钮；布料小车行程控制安全系统；振动碾压辊轴行程控制安全系统；失控防撞安全系统。
5、施工程序
5.1、现场施工
5.1.1施工顺序
根据选用的衬砌机形式、渠道断面结构尺寸，只能先进行渠道两侧边坡衬砌，最后进行渠道底板衬砌，这样有利于保证渠底衬砌混凝土不遭受施工破坏，且辩护混凝土衬砌后，可为底板施工提供操作平台。开挖完成后的渠道断面，经机械修整后，在渠道底部和顶部平行于渠道中心线各铺设一条轨道，要求平直，并用铆丁固定牢靠。
5.1.2、基础面处理
基础面处理选用削坡机为主要施工工具，但对于局部削坡机无法到达的部位，可选用反铲加人工相配合的办法进行基础面处理施工。施工前根据设计断面放线，并每隔5m设置一道控制桩（坡肩、坡肩各一个，坡面2~3个），随后开启削坡机进行大面削平施工，施工过程中应边削边测量；最后由人工进行精细整平处理，对局部坑洞或低洼部位，按照设计技术指标要求，进行重新开挖回填夯实。
5.1.3、保温板铺设
按照南水北调相关标段在进行保温板固定时所用的竹签固定，易于在浇筑混凝土时造成土工膜刺破等现象，经我部多次试验和各方讨论后，确定了采用8#铁丝制作的“U”卡扣（为5cm×5cm×5cm）固定。在固定过程中相邻两块板固定各数不少于10个。两板连接处的高差不大大于2mm，板面应平整，对于局部有漏洞或缝隙的部位，采用裁剪的保温板边角料进行补充，确保大面无明显的缝隙。现场验收保温板时以板面完整，无架空等现象时为合格。
5.1.4、复合土工膜焊接过程控制
⑴在进行焊接前进行试焊，通过试焊确定合适的焊接温度和行走速度，以便达到焊接效果。试焊时如果焊痕平整透明，表明焊接温度与行走速度合适；若果焊痕出现严重破损，则表明焊接温度过高或行走速度偏慢；如果焊痕出现不透明或呈白色，表明焊接温度偏低或行走速度偏快。
⑵复合土工膜时，复合土工膜应自然松弛，且与保温板贴紧，不应出现褶皱、悬空等现象。土工膜与土工膜搭接宽度不小于10cm。土工膜焊接前将土工膜焊接面上的尘土、泥土、油污等杂物清理干净，水汽用吹风机吹干，保持焊接面清洁干燥。
⑶每道焊缝焊接完成后，需对焊缝进行外观检查，焊缝应平整美观，呈透明玻璃状，无虚焊、烧肉、气泡等现象。
5.1.5、复合土工膜焊缝充气检验
⑴土工膜充气检验前，将土工膜焊接区域起始端、终止端各不小于5cm范围内，用热熔风枪烤至软化后粘贴密室，使焊接区土工膜空腔成为一个封闭的充气区，以便充气检验。
⑵复合土工膜焊缝充气检测选择合适的检验工具。打压设备出气管除连接气压表、逆止阀、针头外，不应有其他接头。逆止阀能够防止土工膜空腔内气体不外泻，提高充气检验效果。
⑶在土工膜上扎针时，使针头平行于土工膜缓慢插入，不得晃动针头，以免扩大针眼。
⑷当土工膜空腔内气压达到0.2MPa后，开始记录时间，保持5min，压力无明显下降即为合格。
5.2、纤维混凝土浇筑
开始混凝土浇筑工作前，首先按照设计图纸所示的结构缝位置，确定浇筑仓号长度，在仓号四周架立模板并固定牢靠，检查和校对原材料规格和混凝土配料单各项指标。混凝土运输采用10m3罐车，混凝土坍落度控制在4~6cm之间。
布料小车移动速度控制在5m/min，每次将衬砌机上的受料仓布料厚度约50cm，待衬砌机各受料仓均布有料后开启振动，开始混凝土衬砌工作，衬砌机每次移动宽度控制在不大于50cm即可（根据受料仓剩余混凝土料多少可适当调整）。在混凝土衬砌过程中，时刻关注混凝土的拌和质量。根据春、夏、秋季不同气温，以及我部进行的施工经验来看，可将春、秋季节的混凝土抹面压光时间合并考虑，夏季高温施工单独控制。具体为：春、秋季节抹面压光在浇筑完成2.8h~3.5h后进行第一遍提浆抹面，当第一遍提浆进行后3.5h~4h进行第二遍提浆抹面；夏季高温季节抹面压光在浇筑完成1.5h~2h后进行第一遍提浆抹面，当第一遍提浆进行后2h~2.5h进行第二遍提浆抹面。若环境温度较高，则应提前启动提浆机作业，反之亦然。
人工精细抹面压光时，可在第二遍提浆抹面机完成后30min进行。人工整平压光面时均配置2m水平靠尺一把，以便在收面过程中随时掌握大面平整度，在使用抹灰刀抹面过程中抹灰刀每遍搭接不能小于1/3抹灰刀长度，以便层层压实，减少灰线。混凝土在抹面压光成型后，及时用保温毡布覆盖并洒水养护，养护至28d。混凝土的大面平整度要控制在≤8mm/2m，合格技术指标要求。
根据设计图纸伸缩缝分块布置形式，对浇筑完成的整块混凝土切缝分块。切缝在浇筑18h（夏季可提前至15h）后混凝土强度达到1.5MPa时开始。先按照设计图纸要求的纵向、横向分缝位置，使用墨斗弹线，然后用电动切缝机切割已达到一定强度的混凝土，混凝土切缝深度以不损伤底部防渗土工膜为准，同时按照设计要求，通缝切割深度控制在9cm，半缝控制在5~7.5cm，切割速度约0.4m/min。
5.3、伸缩缝处理
伸缩缝表面的清洁程度对聚硫密封胶的黏合性有很大的影响，处理不好会造成黏结失败，将直接影响防渗效果。因此，在填充聚硫密封胶前需对伸缩缝面进行处理，除去伸缩缝面的灰尘、油污，表面保持干燥。对不规则缝面使用手持式切割机进行处理，使用高压风枪将伸缩缝内的尘土、混凝土余渣、沙土等杂物清理干净。
5.4、聚硫密封胶施工
伸缩缝处理完毕后，进行聚硫密封胶施工。将聚硫密封胶的A、B组胶体按照组合比例同时放置于搅拌容器内搅拌均匀。随后用注浆器开始进行注胶填充，最后再用腻子刀进行表面刮平。
关键字：泥水盾构机；地质层；操作
中图分类号： F407 文献标识码： A 文章编号：
工程简介
1、工程概况：南水北调中线穿黄隧洞包括3450m过黄河隧洞和800m邙山隧洞，采用一台泥水平衡式盾构机自北向南推进，埋深45m隧道施工。隧道直径9m，采用预制混凝土管片拼装支护方式。
2、工程地质：根据勘探资料，隧道大约由以下地质层构成：1）全土层：由黄土状粉质壤土、古土壤、淤泥、粉质粘土、淤泥质粘土、粉质壤土、淤泥质粉质粘土、砂壤土中的一种或几种组成，所占隧洞总长度的13.2% ；2）全砂层：由粉砂、细砂、中砂、粗砂、含砾砂中的一种或几种组成，所占隧洞总长度的25.6%；3）复合层：由全土层和全砂层中的任何两种或以上组成，所占隧洞总长度的15.0%；4）砂砾石层：只要含有砂砾石层就作为单独的一层，所占隧洞总长度的34.5%；5）钙质结核土层：层中只要含有钙质结构就作为单独的一层，所占隧洞总长度的11.7%；地质结构复杂多变。
盾构机的选择
1、盾构机的分类与区别
隧道掘进机（Tunnel Boring Machine简称TBM）大体分为硬岩掘进机、土压平横盾构机、泥水平衡盾构机和顶管机四类。硬岩掘进机用于地质稳定性较好的隧道工程，比如岩石层，一般用于山体隧道；顶管机一般用于距离短、直径小，地质疏松的小型直线隧道；土压平衡盾构（EPB）一般用于沙、水含量较少的地质，它是通过螺旋输送机出渣同时控制出渣量来保持压力平衡；泥水平衡盾构（slurry）用于地质变化大、条件比较恶劣的环境下，通过进、排泥浆管道出渣同时保持泥浆在气垫仓的液位保持盾构平衡，并且地面配备泥水分离设备。他们的区别主要在于出渣方式不同。本工程可使用加泥式土压平衡盾构和泥水平衡盾构。但土压平衡盾构一般只适应0.3MPa以下的水压，本工程水压高达0.45MPa，因此选用泥水平衡盾构。
2、加压式泥水平衡盾构工作原理
泥水平衡盾构是通过对泥浆压力进行调节和控制建立平衡、保证掘进的，采用膨润土悬浮液（俗称泥浆）作为支护材料。泥浆有两个作用：1）、在隧道开挖仓形成泥膜，支撑掌子面，防止隧道上方坍塌；2）、将掘进开挖出的渣土通过进、排泥浆将渣土悬浮于膨润土浆液中，通过管道泵出至配套的泥水处理设备进行分离。泥浆再通过沉淀调制，重复使用。泥水盾构适用的地质范围较大，从软弱砂质土层到砂砾层都可以使用。
泥水盾构的掘进模式采用气压模式，其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾
构的泥水仓内插装一道半隔板（如图[8]），在半隔板前(即开挖舱，如图[4])充以压力泥浆，顶部掌子面压力等于埋深的压力。在半隔板后面（即气垫仓，如图[3])盾构轴心线以上部分充以压缩空气（如图[7]），形成空气缓冲层，气压作用在隔板后面与泥浆接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力，就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。当盾构掘进时，有时由于泥浆的流失，或推进速度的变化，进、排泥浆量将会失去平衡（如图[3、6、9、10]均为进浆管，[11]为排浆管），气液接触面就会出现上下波动现象。通过液位传感器，根据液位的高低变化来操纵供泥浆泵转速，使液位恢复到设定位置，以保持开挖面支护液压的稳定。也就是说，供泥浆泵输出量随液位下降而增加，随液位上升而减小，另外在液位最高和最低处设有限位器，当液位达到最高位时，停止供泥浆泵，当液位降低到最低位时，则停止排泥浆泵。由于空气缓冲层的弹性作用，当液位波动时，对支护泥浆压力变化无明显影响。
3、基本配置要求
泥水加压平衡盾构由掘进系统、同步注浆系统、泥水输送系统、综合管理系统、泥水分离系统等五大系统组成；具有泥水压力平衡功能、泥水输送及管路延伸功能、自动控制及故障显示功能、方向控制功能、数据采集处理和分析功能、管片安装功能、同步注浆功能、泥水分离等基本功能。
三、不同地质层掘进的风险问题与操作控制
1、盾构机在砂层掘进的风险和操作控制
由于砂子颗粒的流动性和不稳定性，在砂层掘进时特点为推力小、刀盘扭矩小、掘进速度快，泥水仓液位和压力较容易控制，盾构姿态容易“掉头”；砂层掌子面不稳定，容易造成超挖，操作不当泥水仓液位会迅速的升降，导致掌子面塌方，地面沦陷。同时由于砂子的不连续性且易沉淀，出渣时砂子在管道中沉淀，废渣不易悬浮在泥浆中排出；泥水分离系统分离效果差，使得泥浆质量下降；在掘进时由于与刀具、刀盘的摩擦很容易造成刀具、刀盘磨损；泥浆管路、进、排浆泵等部件亦磨损严重。
根据穿黄盾构经验，在操作掘进时必须控制掘进速度到40-50mm/min，减小刀盘转速（一般控制在1-1.2rps)以增大扭矩，减小刀盘、刀具磨损；适当开启颚式破碎机；盾构机仰俯角保持在1.2―2.0mm/m，保证盾构不“掉头”；增大进、排浆流量，减小对泥浆管道和进、排浆泵的磨损；同时，精细控制气垫仓内泥浆液位，进而使得掌子面压力波动小，防止气垫仓和开挖舱窜通，导致地面隆起或者河面冒泡；精确控制出渣量，避免超挖多排，防止掌子面塌方，地面沦陷。另根据计算，要求膨润土泥浆进浆黏度在22s―25s之间，调高泥浆比重，保证泥浆质量。这样也有利于保护砂子与刀盘刀具、泥浆管道之间的摩擦。若刀盘、刀具磨损严重，在砂层带压换刀比较危险。一般采用冷冻掌子面等办法。
2、在土层掘进的问题和操作控制
在土层中掘进尤其有壤土、古土壤时刀盘刀具最容易形成泥饼包裹刀具，无法达到切削效果；掘进速度较慢，贯入度较小，扭矩较小，掌子面较为稳定；泥土溶解于泥浆中，地面泥浆分离设备分离效果最差。
在土层掘进时，由于刀具形成泥饼，贯入度小，掘进速度一般为20-30mm/min，刀盘转速设定为1.3-1.5rps，破碎机适当破碎与摆动结合；仰俯角保持在0.5―1.0mm/m即可；增大进、排浆流量，增大开挖舱泥浆冲刷流量和压力，进行“大循环、大冲洗”，减小刀盘刀具上附着的泥饼；精细控制气垫仓内泥浆液位，使掌子面压力波动小，防止气垫仓和开挖舱窜通，精确控制出渣量，避免超挖多排。由于泥土易溶解于泥浆难以分离，故要求膨润土泥浆进浆黏度在18s―20s之间，降低泥浆比重，弃浆加水，保证泥浆质量。
3、在砂砾石层掘进中的问题与操作控制
在砂砾石层中掘进尤其有大石时，刮刀切削效果差，仅先行刀与滚刀切割石块，刀具磨损较为严重，石块较大时排浆泵涡轮等位置偶尔堵塞；掘进速度适中，扭矩较大，掌子面一般较为稳定，有时会有空洞；地面泥浆分离设备分离效果良好。
在砂砾石层掘进时，由于刀具配置问题，穿黄盾构机仅有6把滚刀，切削效果不好，掘进速度一般控制在20-40mm/min，刀盘转速设定为1.4-1.6rps，破碎机一直处于颚式破碎状态，偶尔摆动；仰俯角保持在0.5―1.0mm/m即可；增大进、排浆流量，增大开挖舱泥浆冲刷流量和压力，进行“大循环、大冲洗”；精细控制气垫仓内泥浆液位，使掌子面压力波动小，防止气垫仓和开挖舱窜通，使气垫仓空气压力直接进入掌子面空洞造成地面隆起，精确控制出渣量，避免超挖多排。泥水分离效果良好，泥浆黏度控制在20s-22s。若排浆泵被堵塞，提高排浆泵功率一般可以通过，或者拆开排浆泵挡板清除。
4、在钙质结核层掘进中的问题与操作控制
钙质结核层中大多数为姜结石状或者扁于椭圆状，有很强的胶性且不易破碎，容易形成泥饼包裹刀具影响切削；盾构出渣时很容易胶结成团，堵塞出浆口、管道弯管、排浆泵、泥浆分离设备。使得进、出浆不平衡，气垫仓液位易控制，进浆管压力过高等诸多问题。掘进速度慢，贯入度较小，扭矩大小，掌子面较为稳定；地面泥浆分离设备分离效果良好。
在钙质结核层掘进时，切削、出渣、泥水循环效果不好，掘进速度一般为10-15mm/min，刀盘转速设定为1.4-1.6rps，破碎机一直处于摆动状态，偶尔使用颚式破碎模式，以防颚式使得钙质结核胶结更为严重；仰俯角保持在0.5―1.0mm/m即可；掘进时增大进、排浆流量，增大开挖舱泥浆冲刷流量和压力，进行“大循环、大冲洗”；精细控制气垫仓内泥浆液位，使之低于气垫仓中线，避免出浆堵塞瞬间气垫仓泥浆液位迅速上升，从排气孔喷出。泥水分离效果良好，但分离设备分配阀容易堵塞。泥浆黏度控制在18s-20s。若排浆泵被堵塞，停止掘进，提高排浆泵功率，如果气垫仓液位迅速上升，泥浆循环系统马上切换到旁通模式，紧急情况时在旁通模式下关闭气垫仓排气阀；同时调整气垫仓液位和压力，等胶结的堵塞物完全循环出排浆管再行掘进。若出渣口堵塞，可以采用高压反冲洗法慢慢疏通。
5、盾构机在复合层掘进中的问题与操作控制
在复合层中有上砂下土段，有上土下砂段，也有上砂中土下砂砾，期间混杂钙质结核段，综合上述四类掘进中的问题和操作控制要领，根据实际情况应变解决。期间注意盾构姿态控制，下软上硬时盾构会上浮，仰俯角应保持较小甚至为负；下硬上软时盾构会上浮，应保持较打的仰俯角。
6、其他注意问题
在掘进还应注意每环同步注浆量一定满足计算设计，壁后注浆饱满，稳定隧道不易变形；同时盾尾油脂密封应充足，管片质量合格，拼装精细，避免涌水涌砂，如果涌水涌砂严重隧道将会被淹，出现重大事故。
中线、东线的单项工程将全部动工，“南水北调工程将进入一个新阶段。”中国工程院院士、水利部长江水利委员会(以下简称“长江委”)总工程师郑守仁告诉《望望东方周刊》。
长江委是南水北调中线工程技术总负责单位，郑守仁同时任南水北调专家委员会工程技术及质量检查专家组组长。
工程的全面启动，源于2008年10月21日中央批准东、中线一期工程可行性研究总报告(以下简称“可研总报告”)“投资、工期正式纳入国家计划，这才可以全面开工。”郑守仁解释说。
此前，南水北调中线工程，已于21303年12月30日开始单个项目建设，而整体项目建议书和可研总报告则同步进行。
根据2002年国务院批复的《南水北调工程总体规划》，中线一期工程调长江水入京的时间预定在2010年。2008年10月31日，国务院南水北调建设委员会第三次全体会议则根据可研总报告，将工期明确为“2013年主体工程完工，2014年汛后通水”。
率先于2002年12月开工的东线一期工程，原定2007年通水的计划，也后调至2013年。
国务院南水北调工程建设委员会办公室(以下简称“国调办”)在这次会议后便了工期延后的消息，但直到2009年4月，北京市水务局负责人的相关讲话才引起了公众的关注。
《望东方周刊》记者了解到，中线工程开工5年后完成的这份可研报告，在工期、总投资、环保、移民等方面都有较大调整。“国调办”负责人在接受新华社记者采访时解释了其原因：对方案“深入论证优化比选，以保证工程质量、控制工程成本”。
前期论证终告完成后，这个史诗般的大工程，会在2009年真正走上轨道。而随着工程的全面实施，调整与变数仍然可能存在。
创新性建设办法
按照总体规划，南水北调中线工程从长江支流汉江的丹江口水库引水，通过12130多公里长的总干渠，跨越江、淮、黄、海四大流域，通人北京、天津。
一般来讲，大型水利工程的规划阶段和实施阶段在时间上有比较明确的分界，如三峡工程、小浪底工程等，在实施阶段前全部或基本完成规划阶段的各项设计任务：完成项目建议书、可行性研究、初步设计、技术实施设计等，才会开工。
而在2002年国家批复《南水北调总体规划》时，北方地区尤其是京津冀地区水资源短缺形势日益严峻，当时有声音希望2008年北京奥运会前能完成调长江水入京。
南水北调为此采取了创新性的建设办法：先制订“总体设计方案”，然后在此基础上做单项工程的规划设计，使建设周期较长、作用关键的控制性工程陆续开工。与此同时，完成整个工程的项目建议书、可行性研究。
一本水利专业刊物刊文显示，行政上负责工程设计规划的水利部南水北调规划设计管理局负责人，在布置2004年工作时说，虽然南水北调的前期工作已经进行了50多年，有一定基础，但是由于规划思路的变化、规划方案的调整和设计阶段的不同，过去的规划设计成果已不能完全适应需要，许多工作需要从头开始。
他认为，要在短时间内提交各单项工程的可行性研究和初步设计成果，设计周期严重不足，审查周期被迫压缩，设计质量和进度都受到一定程度的影响。“经过工程技术人员反复分析论证，提出了编制总体设计方案的工作思路。”
不过，水利部的一位副部长在2004年的南水北调工程前期工作会议上曾表示，从总体上讲，前期工作还不能完全满足单项工程开工建设的要求。
最终，本来列入2003年开工计划的7个单项工程，当年仅有京石段应急供水工程在这一年的倒数第二天开工。中线实现了开工零突破。
总投资预算的较大调整
在单个项目陆续开工后，2005年国家发改委“发改农经[2005]922号”文件正式批复了中线一期工程的总体项目建议书，前期工作推进到可研总报告阶段。
郑守仁告诉《望东方周刊》，可研总报告原本预计在2006年完成所有审批，但由于一直未得到最后批复，中线全面开工时间延后了两年。
据本刊记者了解，中线一期可研总报告由长江委下属的长江勘测规划设计研究院负责编制，于2005年2月5日完成，随后在水利系统内部进行审查和修编。
2006年2月起，受国家发改委委托，中国国际工程咨询公司组织专家，对中线一期工程可研总报告进行预评估。不久，咨询评估报告上报国家发改委，以供决策取舍。
2005年初的可研总报告中，通水目标仍为2010年；而2006年的咨询评估报告，已提出2010年不太可行；到2008年3月“国调办”负责人向中央汇报工程进展时，基本确定工期将进行比较大的调整。
可研总报告中，中线一期工程静态总投资从2002年预计的920亿元，上调至1367亿元。据悉，后来国家发改委综合物价等因素测算的动态总投资，已超过2000亿元。这个数字得到了几位院士的证实。
工程设计变动、环保投资以及移民投资，构成了投资增长的主体。随着工程延期，移民投资很可能将进一步增加。
按照工程总体规划，中央预算内拨款或中央国债安排占工程总投资的20％，提高受水6省市城市水价建立的南水北调工程建设基金占35％，银行贷款占45％。
根据“国调办”公布的消息，到2009年4月，中、东线一期工程累计下达投资538.7亿元，其中中央投资270.7亿元，基金79.9亿元，贷款198.1亿元。国家投资已超过50％。
2008年第四季度，正是在扩大投资、拉动内需的大背景下，中央批复了中、东线一期工程的可研总报告。
不应把南水北调看做单纯的调水，卖水工程
中国国际工程咨询公司农林水部水利一处处长李志超告诉《望东方周刊》，他们曾对单项工程进行过评估，并分别提出过评估意见，“但评估项目建议书和可研总报告是从整个中线的大视角来审视，所以提出的评估结论比单项工程有所进步。”在他看来，评估可研总报告，事实上将工程中比较大的问题进行了一次梳理。
以是否合并一二期工程为例。根据2002年的总体规划，中线工程将分二期实现，一期工程年均调水量95亿立方米，二期提高到130亿立方米。
“但总体规划只提了这个目标，它和可研总报告中都没有提及如何实现第二期工程，即是不是要在一期工程中有所准备。“李志超说，如果一期工程按照95亿立方米的规模建设，二期工程启动时，要么将一期总干渠加深加宽，要么重开一条水渠，“无论哪种，实现起来都很艰难，投资都非常大。”
在具体施工中，这个问题涉及穿黄
河隧道这样的控制性工程，是否要按130亿立方米规模一次建完。“我们测算发现，穿黄一期工程投资和一次建成的投资仅相差10％。”李志超说。
设计造价超过39亿元的穿黄隧道，已于2005年中旬开工建设，而此时可研总报告刚刚编制完成。
此外还包括丹江口大坝高度是分两期加高，还是一次性按130亿立方米总规模加高。2006年可研总报告在接受评估时，提出的是两种大坝高度方案，建议采用更高的176.6米方案。而在2005年9月，大坝已根据单项可行性研究按17.6米方案动工。
而总干渠是否通过河南焦作的煤矿采空区，一直存在争议，2005年中旬终于确定绕行，此时距中线开工已过去了一年多。
李志超等参与评估工作的人员认为，不应把南水北调看做单纯的调水、卖水工程，应强调其公益性，加大国家投资的主导地位和各地方政府的话语权。而此时按照准市场化原则设置的各个项目法人均已组建完毕，并以经营者的身份来运作工程。
事实上，2008年最终获准的中线一期可研总报告，在工程设计方面并无原则性改变，而一些咨询评估建议也被纳入，如水利部门目前正在研究调整黄河上的西霞院水库到总干渠的规模，使其作为工程的应急备用水源。
环保投资获明确
在湖北，重要的汉江中下游治理工程兴隆水利枢纽，终于在2009年2月开工。
南水北调中线工程从汉江中游引水至北京，将使汉江下游来水减少两成以上。为降低环境影响，湖jE省环境科学院总工程师沈晓鲤主持的“环评报告”，提出了引江济汉、兴隆工程等四大工程。兴隆水利枢纽主要通过蓄水调节汉江下游水势，引江济汉则以长江水补偿汉江。
“90年代南水北调规划时，并不认为会对汉江中下游造成严重影响，只给了湖北两三千万元搞环境。”沈晓鲤说，在2002年国务院批复总体规划时，将四大工程纳入，但只提及东线治污总投资240亿元，并未明确汉江中下游治理工程的投资规模。
但在21303年底中线开工，特别是丹江口大坝加高工程启动后，湖北各地方政府对于环境治理及补偿的呼声高了起来，并且比照三峡工程。
2006年中旬，湖北省上报了上述“环评报告”，同年年底，中线一期工程通过国家层面的环境评估。此时开工已过3年，多项控制性工程已启动，“我们提出的规划，只能是如何治理和补偿，尽量减少影响。”沈晓鲤说。
2005年，兴隆水利枢纽的前期准备工作都已完成，并上报待批，地方官员甚至希望当年开工、当年实现截流。该工程计划工期4.5年。但随后中央要求中线有关工程在可研总报告全部审批后再开工，兴隆工程因此暂停。
据湖北地方媒体报道，该省有关部门为争取工程尽快开工，多次赴京汇报。
2008年底可研总报告获批，兴隆水利枢纽如愿列入2009年开工名单，并增加发电功能，因此增加的投资全部由国家承担。这使项目总投资迈过了30亿元门槛。沈晓鲤说，可研总报告中，四大工程投资逾84亿元，2002年的计划是70亿元。
他还说，湖北省正在对引江济汉中加入航运功能进行论证和评估，目前计划投资已超过50亿元。
在项目开工报道中，湖北媒体还提到，“国调办…‘按照‘特事特办、急事急办’的原则，从起草批准兴隆工程初步设计的文件，审批速度之快，史无前例!”
正式挑战移民难题
对于外界关注的移民征地问题，主持中线工程移民规划的长江勘测规划设计研究院副总工程师尹忠武告诉《望东方周刊》，今年将全面展开。目前确定中线一期工程移民超过40万，其中30多万人为丹江口水库移民，其他为总干渠移民。
其中，总干渠征地范围呈带状分布，不像库区那样整村、整组迁移，移民相对分散，一般可在本村组内就近安置。这部分移民已启动。
而难度最大的，是以丹江口库区移民为主的约30万外迁移民，他们将被迁往50多个外地区县和农场。
2007年，丹江口库区曾启动了2万人的移民试点，尹忠武估计这部分人将在今年9月之前住进新家。目前移民实施规划正在制订中，“这将是规划程序的最后―步，完成后就可以进行实际移民了。”
尹忠武介绍说，2005年可研总报告完成时，估算移民投资约450亿元。
在2006年9月1日，国家正式施行新修订的《大中型水利水电工程建设征地补偿和移民安置条例》，据此，耕地土地补偿费和安置补助费之和为该耕地被征收前三年平均年产值的16倍，并可进一步提高标准。南水北调是第一个采用16倍标准的大型水利工程。
该条例还将水库周边淹没线以上属于移民个人所有的零星树木、房屋等也纳入补偿范围，而此前这些都是不予补偿的。
关键词: 一井定向; 超短定向边
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
1、引言
南水北调工程穿黄隧洞过黄河段总长3450m，隧洞直径7m，竖井直径16.4m井深50.5m，由于其倒虹吸结构型式设计，使得平面坐标和方位，只能通过北岸竖井进行一井定向传递到隧洞内控制掘进施工，由于竖井直径的限制，一井定向联系测量能够利用的极限定向边长只有12.7m，而后视定向误差1秒将导致贯通面偏差达到1.7cm，这在国内盾构同类工程中极其罕见。
2、一井定向的概念
一井定向指的是一个竖井进行的竖井定向测量。是在一个竖井井筒内同时悬挂两根重锤线（或同时铅垂地发射两条可见光束），通过地面和井下联测，将两重锤线中心（或光束轴心）的平面坐标及其连线的坐标方位角，传递给井下的控制点和导线边。
（1）联系测量布设情况如图1所示。垂线1、垂线2是通过竖井绞车及导向滑轮悬挂并吊有垂锤的高强钢丝。Z、A为已知的地面导线点,B、G为待求的井下导线点,井下、井上三角形布设时应满足下列要求:
① 垂线边距a、a′应尽量布置长些;
② e、f、e′、f′角度应尽量小,最大不应大于0.5°;
③b/a、b′/a′'之比值应尽量小,最大值不应大于1 .5。
（2）三角形测量
①测e、f、e′、f′角度;
②量a、b、c、a′、b′、c′边长。
（3）三角形平差计算
根据a、b、c、f求j:sinj=bsinf/a
c的计算值:c算=bcosf+asinj
c的不符值:h=c算-c
a边改正值:Δa=-h/4
b边改正值:Δb=-h/4
c边改正值:Δc=h/2
以改正后的边长a、b、c为平差值,按正弦定理计算出i、j,即为平差后的角值。f改正很小,仍采用原测角值。采用上述方法可计算出井下三角形平差后的边角a′、b′、c′、i′、j′。f′改正很小,仍采用原测角值。
（4）坐标和方位传递计算
已知A点坐标为XA、YA,AZ方位角为Z0。根据平差后的三角形边角进行计算。
① BG方位角Z0′
AF方位角Z1=Z0+e
FE方位角Z2=Z1+180+j
E′B方位角Z3=Z2+180-j′
求算边BG方位角Z0′=Z3+180+e′
②B点坐标
XB=XA+ccosZ1+acosZ2+c′cosZ3
YB=YA+csinZ1+asinZ2+c′sinZ3
3、测量辅助设施布置与要求
定向用的竖井井深50.5m，属于超深竖井，为了保证观测精度，我们对测量设施进行了改进。
（1）钢丝
悬吊钢丝采用直径0.5mm高强单股钢丝，以消除多股钢丝悬挂旋转的不利影响，同时根据现场实测经验0.5mm单股钢丝更便于精确照准。
（2）悬挂重锤
悬挂重锤选用35kg重锤，经直径0.5mm高强单股钢丝实际破坏性拉断试验，直径0.5mm高强单股钢丝极限承重42kg。重锤形状采用悬浮状态阻尼性能优于圆锤的正三角棱柱形。
（3）阻尼油桶
油桶采用小型清洁油脂桶，油料选用粘度适中的清洁机油充满油桶，悬吊重锤基本浸没入油，以保证观测过程中钢丝的稳定。重锤顶端露出油面1厘米，同时底部和四周不碰触；每次提前一天悬挂，根据钢丝拉伸情况调整长度。
（4）钢丝吊架及夹具
利用竖井内衬预埋件牢固焊装钢丝吊架，人行架与钢丝吊架分体，在移动钢丝时，尽可能减小人为扰动，更快稳定。钢丝固定形式采用螺栓紧固压片式夹具固定，丝杆定位，方便收放，使钢丝长度最佳，从而是重锤在油液中的自由度与阻尼效果获得最佳。
（5）钢丝与井上井下临时观测标墩点布置
井上、井下临时观测标墩点与两钢丝构成的夹角，按照小于0.5度的布设要求控制。实际操作中采用现场实测的方法，逐步调整直至满足要求，示意图见图2。
（6）主要测量仪器
4、地面控制网布设
4.1基本点
黄河北岸平面（高程）基本点采用业主观测墩HS05和HS06，黄河南岸采用HS02和HS03观测墩，见图3.
4.2 加密点
北岸竖井附面（高程）加密点永久观测墩G1、D5和G3；南岸竖井附面（高程）加密点永久观测墩SA，TP07和TP05。北岸联系测量加密点到临时点距离，后视方向NA-D5在600米左右，检查方向NA-G3、 NA-G1 300米左右。
4.3 地表控制测量
（1）控制方式
地表控制测量利用全球定位系统GPS测量定位技术，采用静态方式进行。
（2）测量布网
整体平面网复测和加密控制点测量时，利用四台GPS接收机，南、北岸各两台进行同步观测，以边连接方式组网。
（3）GPS测量技术要求
主网和加密网观测时段均为二时段，每时段2小时，两时段间仪器重新架设。观测前作卫星可见性预报，作业时选择有利的观测时间段，观测期间接收机能观测到6颗以上有效卫星，数据采样率为15秒，GDOP限值6，GPS接收机观测数据接收及处理时起始高度角设置为15度。GPS控制网成果计算采用基线解算软件和网平差软件徕卡LGO6.0。观测值进行基线解算通过，先在WGS-84基准系统下进行无约束平差，验算网内部观测数据质量合格，再以隧道进出口发包人提供的最新HS02、HS03、HS05、HS06作为约束点进行约束平差，坐标转换时采用地方坐标系统，利用一步法进行转换。采用的坐标系统同发包人提交成果一致，即北京54坐标系，中央子午线114°，投影面大地高100米。
4.4观测技术要求和注意事项
（1）井上井下必须同步观测，贯通前的每次联系测量相互独立观测四组数据，每组之间对钢丝的位置适当调整；每组观测12测回。最后计算出的井下方位较差限制在2秒以内，取平均值采用。成果资料必须两人独立进行计算。观测组数应适当增加，以提高成果的可靠性。
（2）观测过程中尽可能关停距离钢丝较近、可能扰动钢丝稳定的震源设备。
（3）南岸竖井联系测量在钢环清理后，及时复测，实测成果作为盾构掘进实际采用执行成果。
（4）联系测量井上井下测距采用莱卡系列全站仪配合反射片进测距，避免使用钢尺量距。
（5）通风干湿温度计应悬挂在测站附近，离开地面和人体1.5米以外的阴凉处，读书前必须通风至少15分钟，气压表要置平，指针不应阻滞；气象、加常数、乘常数必须进行改正；井上井下实测的钢丝间距在新一组钢丝位置移动前进行比对，发现异常及时处理，同时对记录项目进行检查；投入的测量仪器设备必须经过检定，且在使用前作常规检查。
（6）地面控制网采用GPS测量，每次联系测量完成后，即时进行；尽可能在时间上连续进行复测，以削弱控制点位移对联系测量造成的不利影响。
（7）地面控制GPS测量保证时段要求，尽量延长时间，因为点位和测量GPS设备一定，测量的精度主要取决于时段长度，我们采用徕卡(5mm+2ppm）双频接收机，按两个时段控制，每时段保证大于两小时。
（8）将历次导线成果整理成对照表，见表2，统计出每次在盾构掘进轴线上的较差，这样控制点的稳定性就比较明了，随后后每次的常规导线检查测量成果也与其进行比较，把握控制点的位移规律，消除使用中的不利影响。
5、结语
“咱们永远不分开”
1950年，王力金从河北唐山工学院土木工程专业毕业，然后分配到湖南湘乡一中教书，由于能力突出，很快被提拔为学校教导主任，由于前几年忙于学习，王力金一晃27岁了还是单身。
1951年10月的一天，王力金办公室的门被轻轻叩响，他说了声“请进！”一个皮肤白皙，相貌俊秀的女学生走了进来，她走到王力金面前，喊了声“王主任”，还来了个标准的革命式敬礼。
这个大方得体的女学生就是黄绍珍，当时她为弟弟转学的事情来找王力金。弄清黄绍珍弟弟的情况后，王力金按规定帮她办理了转学手续。
为了迎接随后到来的元旦文艺汇演，学校组建了话剧社，王力金担任话剧导演，选拔话剧演员时，黄绍珍也在报名者之列，她的表演清纯自然，活泼大方，还担任了主要角色。
随着王力金和黄绍珍接触越来越多，两人互生爱慕，渐渐走到了一起。
没想到，1952年中旬，王力金接到了调他赴辽宁教书的调令，他不知道绍珍愿不愿意跟着他赴东北工作，不免心中忐忑。
让王力金没想到的是，当他把调令展示给黄绍珍，并说出自己的期待时，黄绍珍毫不犹豫地说：“你去哪儿，我就去哪儿，咱们永远不分开！”接下来，黄绍珍先是做通了父母的工作，然后直接去找学校领导面谈，直述了她和王力金的恋人关系，表达了她愿意以王力金家属的身份赴东北报到的想法，学校对她和王力金的感情很是认可，并给他们开具了二人系夫妻关系的证明。
没有办理结婚证，没有举行婚礼，绍珍便决定跟王力金北上，女友在这件事情上表现出来的勇气让王力金十分感动，他暗暗发誓，今后会好好照顾绍珍，不让她受委屈。
1952年5月16日，黄绍珍跟着王力金踏上了北上的列车。
“我给你做一辈子衣服”
王力金携妻子赴新单位报到后，开启了他们的婚姻生活。当时，黄绍珍继续完成学业，一个人的工资两个人花，小日子一时有些窘迫。
为了节省每一分钱，黄绍珍课余买来裁剪方面的书，学起了做衣服，她把王力金的旧衣服拆掉，试着给他做了件上衣，王力金穿上后，大小合适，就是一只袖子长，一只袖子短。
黄绍珍想拆掉衣服重做，王力金笑着说，拆掉它会多做许多无用功，把那只短的袖子接上就行了，于是黄绍珍找来同样颜色的布，把那只袖子拼接得和另一条袖子一样长，由于初次做衣服，袖子接口处那圈明显多出来的线无法掩盖，成了整件衣服的硬伤。即便这样，王力金照样穿得很开心，他鼓励妻子说：“绍珍，你手艺真不错，有当大裁缝的潜质！”黄绍珍高兴地说：“那好，你如果不嫌弃，我给你做一辈子衣服！”
短暂夏天过后，东北很快变冷了，为了应对寒冬，黄绍珍买来粗布和弹好的棉花，拜学校里的大姐为师，学起了做棉袄、棉裤。冬天转眼就到了，王力金穿着妻子做的衣服去上课，欣赏着丈夫走出门的背影，黄绍珍很是满足。
进入70年代，的确良风靡全国，的确良是一种布料，由合成纤维做成，因为其挺刮、耐穿，且可以免烫而深受老百姓青睐。虽然的确良价格要比棉布高很多，但只要商店里一到货，就会被抢购一空。
在黄绍珍眼里，丈夫就是一家之主，是这个家的脸面，好衣服先紧着他穿。的确良上市后，她就扯来布料，给丈夫做了件的确良衬衫，王力金穿上后，觉得衬衫轻薄、凉快，特别舒服，对这件衬衫非常喜爱。不过，当时家里经济并不宽裕，妻子和两个儿子穿的衣服都不如他，让他心里非常不安。妻子笑着对他说：“你是家里的顶梁柱，你不穿谁穿！”
随着改革开放的深入，中国人穿衣服的色彩渐渐丰富起来，很多人告别了做衣服的习惯。黄绍珍却依然起劲地给丈夫做衣服，冬天一来，什么毛背心、毛坎肩、毛裤都织好了，连手套也是她亲手织出来的。而且每件衣服黄绍珍都根据自己的构想，弄出个新款式来，比买的还好看。
“下次一定注意”
黄绍珍给老伴做了一辈子的衣服，做的衣服数不过来，王力金则给老伴做了一辈子的饭。王力金喜欢下厨，厨艺高超，烹炒煎炸，都由他一手包办，而黄绍珍总是不满意，比如，丈夫有时做饭辣椒放得少了，习惯了湘菜的黄绍珍总会抱怨几句，王力金却很少争辩，而是笑着说，下次一定注意。
2016年5月21日，是王力金和老伴结婚64周年纪念日，为了庆祝他们的钻石婚，儿孙们瞒着奶奶，为她策划了一场“服装秀”。
5月21日那天上午，在毫不知情的情况下，黄绍珍被孙女带往“服装秀”现场，当灯光骤亮、音乐声起，响起的正是她年轻时最爱唱的《莫斯科郊外的晚上》。黄绍珍坐定后，“服b秀”演出开始，她最疼爱的小孙女穿着50年代的职业装出场了――原来，这场“服装秀”是老伴和儿孙们专门为她筹备的，演员都是她的孩子们，服装也都是她从上个世纪50年代以来所亲手裁制的各种蕴含着时代特色的衣服。看着看着，黄绍珍的眼睛湿润了。
“服装秀”结束后，黄绍珍和老伴在孩子们的簇拥下来到一家影楼，儿孙们要为两位老人再送上一份“最潮”的钻石婚礼物――时尚写真秀。
借鉴国外经验，按照对可达性和机动性要求的程度不同，可将中国路网划分为干线公路、集散公路和地方道路三种功能类型。干线公路主要强调的是机动性，对可达性的要求相对较低；地方公路正相反，强调的是可达性，对机动性的要求相对较低；集散公路介于两者之间。各功能公路特征如下。干线公路：提供主移动段的运输服务，一般直接满足重交通量的需求，服务于城市和大的城镇之间长距离交通。干线公路以通行为主要目的，交通流量大，外地车辆比例及大型货车和客车比例高，驾驶员对路段期望运行速度高于集散公路。集散公路：集散公路服务于省内县级市、县城等节点的便捷连接，提供集散运输服务，满足于短途交通需求；与干线公路相连，为干线公路汇集地方交通，并向地方疏散干线公路交通。集散公路中，本地车辆比例相对较高，交通组成中摩托车、农用车占有较高的比例，驾驶员对路段期望运行速度介于干线公路和地方连接公路之间。地方连接道路：地方连接公路包括所有没有划分到干线公路和集散公路中的道路，主要提供出入运输服务，满足通达交通需求，服务于乡（镇）、行政村等节点的便捷连接。地方连接公路交通组成应以小型客货车、摩托车、农用车为主，车辆行驶速度普遍不高。
公路网不同功能公路交通事故分析
为了获取不同功能公路交通事故特点和成因，研究人员以中国某省公路网为依托，采集了该省死亡3人以上的特大交通事故卷宗资料，并进行了信息提取、整理和分析。
1分析范围
因特大交通事故不仅死亡人数多、而且影响大，从预防公路特大交通事故的角度出发，交通事故分析对象限定为：全省死亡3人以上、发生在公路上的交通事故。在事故处理过程中剔除了发生在城市道路、专用公路上的交通事故数据和不能确定公路功能属性的事故数据。经整理获得有效数据267条，干线、集散和地方连接公路有效事故数据分别为119、102和46条。
2分析方法
采用案例分析的方式，分析事故现场勘察记录、现场勘察图、询问笔录、车辆鉴定报告、事故认定书等资料，归纳不同功能公路交通事故的主要特征与成因。
3工作过程
公路网不同功能公路特大交通事故分析工作过程如下：第一步：采用复印和相机拍照的方式采集死亡3人以上的特大交通事故卷宗资料，每起事故所拍事故资料照片存入一个文件夹，对文件夹进行编号，在文件夹名中标明事故的编号、道路编号、地点等信息。第二步：从整理的照片文件资料中，逐一分析事故资料，提取事故相关信息，并填入特大交通事故信息表中，每起事故形成一个数据记录，最终形成特大交通事故信息表，事故记录文件名称与存放事故资料照片的文件名一一对应。第三步：根据道路属性确定交通事故所处路段的公路功能。第四步：根据事故信息表归纳不同功能公路交通事故的主要成因。
4分析结果
根据特大交通事故的案例分析，各功能公路特大交通事故主要特征和成因如下。干线公路。1）相比较于其他功能的公路，特大交通事故中干线公路无证比例、酒后驾驶比例、未按规定停车、让行和占道行驶的比例较低，但超速和超载比例较高，超载比例接近集散公路的2倍；2）会车、超车和掉头行为引起的交通事故比例较高；3）长纵坡路段和陡坡急弯路段超载货车事故较为集中；4）在道路平纵线形或弯道内侧障碍物（山体、房屋、树木）导致的视距不良路段，若前方道路线形与驾驶员预期线形不一致，车辆容易冲出路外发生交通事故；5）路侧临水、临崖或深边沟路段车辆坠落后死亡率较高；6）穿村镇路段交叉口和其他视距不良交叉口事故率较高。集散公路。集散公路和干线公路特大交通事故的特征区别并不十分明显，这与中国以往路网规划与建设中没有明确区分公路功能有关，总体来说集散公路特大交通事故具有以下特征：1）弯陡坡和连续下坡路段，由于弯道超高不足，车辆超速、超载或机械故障容易导致车辆冲出路外；2）在道路平纵线形或弯道内侧障碍物（山体、房屋、树木）导致的视距不良路段，若前方道路线形与驾驶员预期线形不一致，车辆容易冲出路外发生交通事故；3）路侧临水、临崖或深边沟路段车辆坠落后死亡率较高；4）死亡人数较多的交通事故车型主要是大、中型客车事故或大型货车连续碰撞事故；5）在人的因素方面，集散公路中酒后驾驶的比例相比较于其他功能公路高。酒后驾驶涉及车型主要是小客车和摩托车，同时小客车和摩托车存在超载现象；6）平面交叉口路段也是次干线公路特大交通事故发生的主要路段。地方连接公路。1）摩托车、农用车超载及非法拉客驶入河中或深边沟；2）超载摩托车或农用车在进入视距不良的干线公路交叉口发生事故；3）客车翻入路侧河中或深边沟；4）穿村镇路段车辆碰撞路侧或横穿行人道；5）道路平纵线形或弯道内侧障碍物（山体、房屋、树木）导致的视距不良路段对撞事故；6）道路平纵线形或弯道内侧障碍物（山体、房屋、树木）导致的视距不良路段对向冲突导致车辆冲出路外。
公路网不同功能公路交通安全改善建议
基于特大交通事故案例分析结果，针对不同功能公路特点、安全现状与需求，提出交通安全改善建议。
1干线公路
（1）双向四车道干线公路应设置对向隔离防撞护栏，在穿村镇路段应设置防止行人随意横穿的对向隔离栏杆。（2）在村镇附近的干线公路路段应加宽硬路肩为行人和非机动车提供通行空间。（3）在穿村镇路段应设置机非隔离设施和中央分隔带隔离设施，避免沿线居民随意横穿和在路侧危险区域内活动。（4）应在双车道干线公路路段根据路侧地形条件间隔设置港湾式紧急停车带，在大桥两端和隧道出入口安全距离范围内也应设置港湾式紧急停车带。（5）应在干线公路长大纵坡路段前方设置检修区和加水区，并设置完善的提示标志。（6）宜在干线公路上根据路侧地形条件间隔一定距离设置路侧停车区，为长距离出行的驾驶员提供停车休息或车辆检修的安全区域。（7）全线应完善道路指示标志、危险路段（点）的警告标志和限速标志。（8）全线路基高度大于3m的路段应设置路侧护栏，在视距不良路段、急弯陡坡组合路段、桥梁路段、沿河路段、深边沟路段应提高护栏的防护等级，防止大、中型客车冲出路外发生特大交通事故。（9）与集散公路或其他干线公路相交形成的平面交叉口应设置交叉口预告标志，交叉口应根据设计速度和交通流特征进行渠化设计。（10）应采取工程或行政措施封闭干线公路弯道路段的小型出入口，尽量封闭其他路段的出入口，减少出入口对干线公路的影响。应在视距不良或不容易被驾驶员注意的出入口设置警告标志和黄闪灯。
2集散公路
（1）在村镇附近的集散线公路路段宜加宽硬路肩为行人和非机动车提供通行空间。（2）危险路段（点）应设置警告标志和限速标志。（3）应通过改善线形、移除障碍物以提高视距不良路段通视性，否则应设置线形诱导标、警告标志、限速标志，并根据路侧情况设置护栏。（4）应在视距不良路段、急弯陡坡组合路段、桥梁路段、沿河路段、深边沟路段设置足够防护等级的护栏，当路段设有客运线路时，还应提高路侧护栏的防护等级。（5）应对弯道路段超高进行严格核查，对超高不满足要求的路段应采取工程措施予以改善，暂时不具备改善条件的路段应设置警告标志、限速标志和振动减速设施，并在弯道外侧设置足够防护能力的护栏。（6）与集散公路连接的交叉口应设置指路标志，视距不良的交叉口应提前设置警告标志。与干线公路连接的交叉口应设置指路标志、减速让行标志和标线（或信号控制），交叉口应该渠化，视距不良时应设置交叉口预告标志。（7）应对设置于小半径弯道路段的居民区或村庄出入口采取移位措施，否则应通过警告、提示设施提前告知驾驶员出口的存在和出入的位置，同时避免主路驾驶员将支路口当作线路方向。（8）居民或村庄出入口应设置道口桩等出入口提示设施。（9）应在不能正常识别的穿村镇交叉口设置黄闪灯。（10）穿村镇路段应考虑设置机非隔离设施，如机非隔离带、混凝土护栏等。
3地方连接公路
（1）视距不良路段应尽量通过改善线形、移除障碍物提高通视性，否则应设置警告标志、减速丘等减速设施和路侧防护设施。（2）有客运线路运营的路段，应在视距不良、急弯陡坡组合路段设置护栏，护栏的防护等级应能够满足客车运行速度条件下的防护要求。（3）桥梁路段、沿河路段、深边沟路段应根据主要服务车型和车辆运行速度设置具有防护能力的护栏。（4）应通过工程措施调整急弯路段的视距和超高，否则应在急弯路段前方设置警告标志，并在急弯路段设置路侧防护。（5）与干线公路和集散公路相交的交叉口应设置指路标志或警告标志，并配置减速丘及其配套警告标志标线。（6）应尽量避免在弯道路段设置村庄出入口，否则应通过警告、提示设施提前告知驾驶员出口的存在和出入的位置，同时避免主路驾驶员将支路口当作线路方向。（7）宜在不能正常识别的穿村镇交叉口设置黄闪灯。（8）穿村镇路段宜考虑设置机非隔离设施，如机非隔离带、混凝土护栏等。
关键词：顶管、沉井。
中图分类号：U443.13+1文献标识码： A
1工程概况
宿迁市七堡引水枢纽工程从骆马湖水库引水到西民便河和古黄河，设计引水流量为10m3/s；工程位于江苏省宿迁市宿豫区皂河镇七堡村；其主要功能是调水引流，改善水环境。枢纽由进水口渠道、倒虹吸枢纽、出口箱涵及明渠组成；本文主要介绍倒虹吸枢纽的顶管和沉井。骆马湖至古黄河采用顶管方式穿越中运河和古黄河（以下简称穿河顶管），古黄河至西民便河的陆地也采用顶管（以下简称陆地顶管），为了顶管的施工需要，倒虹吸枢纽沿线设置4座沉井。倒虹吸枢纽由1号沉井、穿河顶管、2号沉井、古黄河引水泵闸、陆地顶管、3号沉井、4号沉井组成。
2.2设计基本资料
2.2.1水文
（1）特征水位
骆马湖水库、西民便河、中运河、古黄河特征水位。特征水位值见表2.2-1。
表2.2-1特征水位表
2.2.2工程地质
2.2.2.1地形地貌
工程区位于徐淮黄泛平原区，地形开阔平坦，水系较为发育，工程场地地势起伏较大，顶管沿线地形呈中间高两头低的特征，地形大致可分为三段。顶管进口段（靠近古黄河）长度约280m，地面高程为24.80～26.50m；顶管中间段长度约2241m，地面高程在26.50～29.00m之间，绝大部分高程在28.00m左右；顶管出口段（靠近西民便河）长度约260m，地面高程在23.00～25.50m，两岸民房比较集中。沿线多为农田，南端有民宅。
2.2.2.2地层岩性
工程区第四系地层广泛分布，厚度较大，根据区域地质资料，本区第四系覆盖层厚度大于80m，就勘探深度范围内所揭示的土层按其成因类型及土的性状自上而下可分为九层，现分层描述如下：
①层：填土。岸上钻孔中该层为以壤土或砂壤土为主的素填土，表层含植物根须；水中钻孔该层为淤泥。
②层：重粉质砂壤土或粉砂（局部粘性大或夹流塑或软塑状壤土），暗黄色或灰色，中密状（局部稍密状），湿，无光泽，干强度低、韧性低，摇振反应迅速。
②-1层：重粉质壤土。黄色、暗黄色或灰色，软塑-可塑状，含铁质粉末，稍有光泽，干强度及韧性中－低，无摇振反应。
③层：重粉质壤土。暗黄色或灰色，软塑－可塑状，稍有光泽，干强度及韧性中－低，无摇振反应。含腐植物。
④层：重粉质砂壤土夹粉砂：暗黄色或灰色，中密－密实状，湿，无光泽，干强度低、韧性低，摇振反应迅速。
⑤层：粉质粘土或壤土（局部夹砂粒）。灰色或暗黄色，可塑状，有光泽，干强度及韧性中－高，无摇振反应，夹铁锰结核，偶含腐植物及螺壳。
⑥层：粉砂或细砂（局部夹砂壤土）：黄色或灰色，中密状，湿，主要成份以石英、长石为主，有水平向层理。
⑦层：粉质粘土。褐黄色（局部为灰色），硬塑状，有光泽，干强度及韧性高，无摇振反应，夹铁锰结核，混较多礓结石。
⑧层：细砂或粉砂（局部夹中粗砂）。黄色，密实状，湿，以石英、长石为主，无明显层理，混礓结石。
⑧-1层：粘土。褐黄色，硬塑状，有光泽，干强度及韧性高，无摇振反应，夹铁锰结核。
⑨层：粘土。褐黄色，硬塑状，有光泽，干强度及韧性高，无摇振反应，夹铁锰结核，混较多礓结石。钻孔未揭穿此层。
工程场地各建筑物段土层分布情况参见工程地质剖面图。
2.2.2.3地震及评价
本区历史上曾发生过8级以上的特大地震，是我国强烈地震带之一，地震活动的强度和频度较高。根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2001，场地区地震动峰值加速度为0.30g，相应地震基本烈度为Ⅷ度。
据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录P中的有关规定，判别勘察深度内②层、④层重粉质砂壤土为可液化土层，⑥层粉砂、⑧层细砂均为不液化土层。
2.3工程布置及建筑物
2.3.1工程级别和设计标准
宿迁市七堡引水枢纽由进水口渠道、倒虹吸枢纽、出口明渠组成。倒虹吸枢纽由1号沉井及进水闸、穿河顶管、2号沉井、古黄河引水泵闸、陆地顶管、3号沉井、4号沉井组成。根据《防洪标准》、《水利水电工程等级划分及洪水标准》、《堤防工程设计规范》，确定本工程穿堤建筑物（包括1号沉井、穿河顶管、2号沉井、古黄河引水泵闸及箱涵）级别为2级，其他建筑物（进水口渠道、陆地顶管、3号沉井、4号沉井、出口明渠）为3级。
拟建场地区的地震动峰值加速度值为0.30g，相应的地震基本烈度为Ⅷ度。根据《水工建筑物抗震设计规范》，本工程倒虹吸建筑物按抗震设计烈度为8度进行抗震设计计算；根据《堤防工程设计规范》的规定，本工程进水口渠道、出口明渠堤防可不进行抗震设计。
2.3.2 工程布置及建筑物
2.3.2.1工程布置
进水口渠道底宽18.50m，底高程20.33m，两侧边坡1：3。
倒虹吸枢纽包括穿河顶管、古黄河引水泵闸和陆地顶管及4个沉井。倒虹吸枢纽各建筑物中心线沿引水线路中心线呈直线布置，自北向南依次布置1号沉井及进水闸、穿河顶管、2号沉井、陆地顶管、3号沉井、陆地顶管、4号沉井，总长为3240.80m。1号沉井及进水闸布置在骆马湖水库堤防以北的骆马湖水库之中，穿河顶管穿越中运河和古黄河，2号沉井布置在古黄河以南的农田内，3号沉井布置在古黄河至西民便河中部，4号沉井布置在牛角塘附近。
2.3.2.2 主要建筑物设计
（1）1号沉井布置
依据顶管施工需要，1号沉井底部净长7.00m、净宽7.5m，采用钢筋混凝土矩形沉井结构，布置在骆马湖水库堤防以北35m处。1号沉井既作为倒虹吸的引水进口竖井，又作为钢筋混凝土顶管的接收井。沉井外形轮廓尺寸长9.80m，宽10.30，沉井顶高程27.70m，沉井底面高程1.30m，刃脚底高程-2.30m。沉井高度达30.00m，壁厚尺寸需要分段设计，沉井分上、中、下三部分，上部沉井高程15.00~27.70m段井壁厚度为1.00m；中部沉井高程7.50~15.00m段井壁厚度为1.20m；下部沉井高程-1.10~7.50m段井壁厚度为1.40m；刃脚在高程-2.30~-1.10m，厚度为0.40~1.40m。沉井下沉采用不排水下沉方式施工，底板钢筋混凝土厚度1.40m，其下封底混凝土厚度为1.20m。靠近骆马湖水库堤防侧在中心高程4.05m处设置顶管圆形接收孔，孔直径为4.56m。
（2）穿河顶管
穿河顶管布置在骆马湖至古黄河段，以顶管方式穿越中运河和古黄河。采用钢筋混凝土圆形管，根据布置，顶管中心线高程为4.05m，长度615m，内径3.50m，考虑到顶管在施工期和检修期会承受约20m深地下水压力及最高25.5m的土压力，顶管壁厚0.33m，则外径为4.16m。
为穿河顶管进、出洞口的防渗需要，在顶进洞口及接收洞口设置联排φ700mm的高压旋喷桩，处理范围为长10m、宽4.2m、高12m。
（3）2号沉井
依据穿河顶管施工需要，2号沉井底部净长9.20m、净宽7.50m，采用钢筋混凝土矩形沉井结构，布置在古黄河堤防以南的农田内。沉井既作为倒虹吸枢纽穿河顶管的引水出口竖井，又作为穿河顶管的顶进工作井，同时也是陆地顶管的接收井。沉井外形轮廓尺寸长12.40m、宽10.70，沉井顶高程26.50m，沉井底面高程1.30m，沉井刃脚底高程-2.70m。沉井高度达29.20m，井壁厚度需要分段设计，沉井分上部、中部、下部三部分，上部沉井高程17.20~26.50m段井壁厚度为1.00m；中部沉井高程7.50~17.20m段井壁厚度为1.40m；下部沉井高程-1.27~7.50m段井壁厚度为1.60m；刃脚在高程-1.27~-2.70m，厚度为0.40~1.60m。沉井下沉采用不排水下沉方式施工，底板钢筋混凝土厚度1.40m，其下封底混凝土厚度为2.60m。北侧中心高程4.05m，设置顶管圆形顶进孔，孔直径为4.36m。南侧中心高程13.80m，设置顶管圆形接收孔，孔直径为4.62m。
（4）陆地顶管
从古黄河至西民便河的陆地顶管长度为2580m，在陆地顶管中部设置一个工作井，即3号沉井。2号沉井至3号沉井之间的陆地顶管长度为1280m，3号沉井至4号沉井之间的陆地顶管长度为1300m，顶管中心线高程为13.80m，内径3.50m，考虑到顶管在施工期和检修期会承受约13m深地下水压力及最高约15m的土压力，顶管壁厚0.33m，则外径为4.16m。
（6）3号沉井
依据顶管施工需要，3号沉井底部净长9.20m，净宽7.5m，采用钢筋混凝土矩形沉井结构，布置在古黄河至西民便河中部。3号沉井既是陆地顶管的顶进工作井，又作为陆地顶管的接收井。沉井外形轮廓尺寸长12.00m、宽10.30，沉井顶高程28.50m，沉井底面高程11.10m，刃脚底高程7.80m。沉井高度达20.7m，壁厚尺寸需要分段设计，沉井分上、下两部分，上部沉井高程20.50m~28.50m段井壁厚度为1.00m；下部沉井高程8.99m~20.5m段井壁厚度为1.40m；刃脚在高程7.80m~8.99m，厚度为0.40~1.40m。沉井下沉采用不排水下沉方式施工，底板钢筋混凝土厚度1.20m，封底混凝土厚度2.30m。北侧中心高程13.80m设置顶管圆形顶进孔，孔直径为4.36m; 南侧中心高程13.80m设置顶管圆形接收孔，孔直径为4.62m。
（7） 4号沉井
依据陆地顶管施工需要，4号沉井底部净长9.20m，净宽7.5m，采用钢筋混凝土矩形沉井结构，布置在牛角塘附近。4号沉井是陆地顶管的顶进工作井。沉井外形轮廓尺寸长11.60m，宽9.90m，沉井顶高程25.50m，沉井底面高程11.10m，刃脚底高程8.40m。沉井高度为17.10m，井壁厚度需要分段确定，高程17.00~25.50井壁厚度为1.00m；高程9.35~17.00井壁厚度为1.20m，刃脚在高程,8.40m~9.35m，厚度为0.40~1.20m。考虑到4号沉井高度不大，为了增加顶进工作井的顶力，在沉井后背土体采用高压旋喷桩加固土体；本工程采用直径为0.70m的单头高压旋喷桩，桩长12.00m，置换率约30%，水泥参入量暂定为15%。高压旋喷桩范围为整个沉井9.90m宽、长度为10m。
沉井底部为⑥层粉砂，如采用排水下沉，容易发现流沙，并引起该沉井附近民房因地基排水下沉而开裂，选择不排水下沉施工，水下封底混凝土厚度2.00m、底板钢筋混凝土厚度1.00m。北侧中心高程13.80m处设置顶管圆形顶进孔，孔直径为4.36m；南侧底高程17.83m处设置矩形出水孔两孔，孔高2.00m、孔宽2.50m。
为了陆地顶管的检修需要，在4号沉井内设置检修门槽，检修门净宽2.50m，闸底板顶高程17.83m，闸顶高程23.50m，闸底板采用长度为2.00m的悬臂式底板、厚度为1.00m~1.50m，闸墩厚1.05m。
3顶管与沉井设计计算
3.1顶管设计计算
穿河顶管要求顶管上部覆土厚度应不小于顶管外径的两倍，并对施工期的顶管进行抗浮安全性计算，抗浮稳定安全系数应大于1.10。顶管上作用的土压力按《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246-2008）有关公式进行计算；水压力按当地地下水位进行考虑。计算工况包括施工期（空管）、运行期（满管）的受力计算对管道进行结构内力计算；按偏心受压构件进行顶管的配筋分析。考虑到顶管受到比较大的顶力，要求顶管混凝土标号不低于C50，按顶管规程计算顶管本身的最大允许顶力。
3.2沉井设计计算
根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137-2002）的有关规定，沉井的稳定计算主要包括：下沉、下沉稳定性及抗浮验算，必要时尚应进行沉井结构的抗滑、抗倾稳定计算。沉井的结构计算，沿水平方向不同高程截取相应的断面，按闭合框架进行钢筋混凝土沉井的内力分析得出轴力、弯矩、剪力，再按偏心受压构件进行沉井的配筋计算，对沉井的刃角也要进行结构计算；对于工作井的底板按三边简支和顶力作用边为固端进行计算，对于接受井的底板按四边简支进行计算。沉井的顶力作用边为了承受较大的顶力，要求沉井上设置插筋与底板钢筋焊接，使底板与沉井顶力边形成固端。通过沉井的稳定计算、沉井壁的抗剪计算结果，取小值作为顶管施工中沉井允许最大顶力。
关键词：测量机器人；中间法三角高程测量；沉降观测；精度分析
中图分类号：P258 文献标识码：A 文章编号：
前言
北京市南水北调东干渠工程为重力流输水隧道工程，第三方监测第一标段起始于五环路上清桥，沿北五环向东，至广顺桥向南折向东五环平房桥总长22.7km。全线采用盾构法施工，隧道外径为φ6.0m，双层衬砌结构。
本工程需在穿越的16处桥梁安装静力水准仪对墩柱沉降进行高精度实时监测。但在实际安装过程中，部分桥梁并不适合安装静力水准仪，主要有以下两方面原因：
1.桥墩之间落差太大（约1m~8m），安装静力水准仪会因为转点过多而降低监测精度，且距地表3m以内静力水准仪容易被人为破坏。
2.静力水准仪之间的水管及数据线横跨高速公路容易被超高货车拉断，导致系统故障，且妨碍交通。
本文介绍了三角高程自动监测系统的功能、技术原理，并对系统进行了精度分析，为实际工程中采用该系统提供了技术依据。
一、三角高程自动监测系统简介
三角高程自动监测系统是利用 CDMA网络实现远程控制TCA2003全站仪，使其对监测点进行自动实时监测。
TCA2003 全站仪是瑞士Leica 公司生产的，具有自动目标识别（ATR）功能，该仪器是智能型全站仪的开拓者，被誉为测量机器人，也是当今世界上测量精度最高的全站仪之一，测角精度±0．5″，测距精度±(1mm+1ppm)。
三角高程自动监测系统软件是基于 Vsiual Basic 6.0开发的，用于控制Leica TCA2003全站仪进行自动变形监测以及对监测过程中所采集的数据进行管理与处理。
该系统将自动测量、实时显示测量成果、实时显示变形趋势等智能化的功能合为一体，是进行各类建筑物自动变形监测、滑坡监测及大坝监测等的理想系统。其主要特点如下：
1)建立高精度的基准点，采用差分改正或气象改正加投影改正、仪器加乘常数改正的数据后处理方案，最大限度地消除或减弱多种误差因素，从而大幅度提高测量结果的精度；
2)在无人值守的情况下，可以实现全天 24小时连续地自动监测，节约了大量的人力；
3)实时进行数据后处理、数据分析、报表输出及变形曲线图形的显示与输出等；
4)通过网络，实时远程控制测量机器人进行自动化变形监测；
5)系统维护方便。
二、三角高程自动监测系统数学模型
三角高程自动监测系统工作原理基于中间法三角高程测量技术，如图1所示，为测定A、B 点之间高差，可仿照水准测量方法，在A、B 两点上竖立棱镜（建筑物上直接采用粘贴的方式），在两点间大致中间的位置P处架设全站仪(中间法由此得名)，后视A点棱镜测得高差h1，前视B点棱镜测得高差h2，则A点至B点的高差为：
HAB=h2-h1 (1)
图1三角高程自动监测系统工作原理图
其中
（2）
（3）
上式中，S1、S2分别为P点到A点和B点的斜距；a1、a2为P点到A点和B点的竖角；i1、i2为P点到A点和B点的仪器高；t1、t2为P点到A点和B点的棱镜高；K1、K2为P点到A点和B点的大气折射系数；D1、D2为P点到A点和B点的平距；R为地球曲率半径（近似取6371000m）。于是有：
（4）
由于在监测作业过程中测量机器人采用强制对中，仪器高度不变，A、B也采用固定粘帖，故上式 为常数，由此得到：
（5）
三、三角高程自动监测精度分析
由图1看出，P点的观测精度主要是从A点到C点的测量误差。将式（5）进行全微分得：
（6）
式（6）中第一项为测距误差引起的高差误差；第二项为测角引起的高差误差；第三项为大气折射引起高差误差。由于D=Scosa，则根据误差传播规律，AB之间的高差中误差为：
（7）
在实际作业过程中，为了提高精度，前后平距尽量相等，即D1≈D2=D；前后视竖角尽量小且相等，即a1≈a2=a；采用同一台全站仪则测角误差、测距误差均相等，即ms1=ms2=ms；ma1=ma2=ma。于是式（7）可简化为：
（8）
参考相关文献，大气折光系数的取值范围为0.09~0.14之间，最大差值为0.05，考虑到最不利条件，取mk=±0.05。根据《建筑变形测量规范》，按二级精度要求控制桥墩沉降观测精度，其中规定三角高程测量的限差按二级精度要求为≤（mm）（L为路线长度，在词取2D，以千米为单位），同时规定视线垂直角不宜大于10°，距离不宜大于300m。从表1可以看到在垂直角小于7°，距离小于70m时，三角高程自动监测系统精度不仅满足规范要求，而且监测精度≤±0.3mm，可以达到静力水准仪自动监测相同效果。
四、工程实例
温榆河电力隧道下穿机场线工程位于北京市温榆河大道K1+400~K1+550段，采用暗挖法施工，新建电力隧道与轨道交通机场线相交，角度为87.05°。下穿北京机场线高架桥段90号桥墩与91号桥墩之间。90号桥墩与91号桥墩之间为25m简支梁。
下穿段电力隧道采用暗挖法施工。电力隧道采用拱顶断面，隧道净高2.3m，净宽2m，总高3.4m，总宽度3.1m，初衬250mm，二衬300mm，采用C30混凝土。隧道外缘至承台的最短距离为6.070m，距桥桩的最短距离为6.570m。图2为电力隧道与墩台位置关系示意图。
图2电力隧道与机场线高架桥桥桩剖面关系图
自动化监测工作开始于2012年5月30日，至2012年8月25日结束。其中桥梁体结构竖向变形时程曲线如下图所示。
图3桥梁体结构竖向变形时程曲线图
从图3看出，测量机器人自动化监测系统在温榆河电力隧道下穿机场线工程的实际应用效果较好，其监测精度也能达到静力水准仪自动化监测精度。
结语
地下工程穿越既有交通设施是一项十分复杂的风险工程，实时沉降监测是确保既有交通设施安全运营的必要手段。本文介绍了三角高程自动监测系统数学模型，并进行了精度分析，结合已采用三角高程自动监测系统的穿越工程的实例，得出三角高程自动监测系统可以代替静力水准仪自动监测系统的结论。
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