埃及穿苏伊士运河输水隧洞工程

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为开发西奈北部，埃及实施了西奈北部开发工程。它是埃及最大的一项土地开发工程，将尼罗河水及苏伊士运河西岸其他一些地区的退水汇入萨拉姆（EL SALAM）干渠，经萨拉姆（EL SALAM）输水隧洞穿过苏伊士运河，接嘎勃（EL AHEIK GABER）干渠至西奈半岛北部，年引水量为44.5亿m3，其中从尼罗河引21.1亿m3。主要目标是灌溉苏伊士运河以西的8.4万hm2和运河以东的16.8万hm2农田。该工程由埃及公共工程与水资源部所属的西奈北部开发委员会组织实施和管理。
    萨拉姆输水隧洞工程是埃及西奈北部开发工程的重要组成部分。它与我国的南水北调中线穿黄隧洞工程有很多相似之处。本文将以前考察该工程时的有关情况进行了整理。
    1、工程概况
    拉萨姆输水隧洞工程由四条内径为5.1 m的隧洞组成，每条隧洞包括进、出口建筑物长约770 m该项工程由英国豪克（HALCROW）咨询公司负责设计、咨询及施工指导，C·B（CMC·BESTX）联合体（两家意大利公司组成）承包施工。工程总承包费用为2亿埃镑（约合6 000万美元）。
    工程前期工作阶段，在苏伊士运河两岸沿隧洞轴线进行了地质勘探，但在运河河床中未进行勘探。隧洞穿越地层的顶部为灰色壤土质黏土，向下为黄灰色砂、硬质黏土层、砂层。其地下水位接近地表。实际施工中，运河河床内的地层与设计阶段估计有些出入，主要反映在河床的黏性土层基本不存在，这给施工带来了一定的困难。
    2、隧洞布置与结构设计
    2.1 水力设计 
    水力设计是倒虹吸设计的重要组成部分。该工程最大设计流量为160 m3/s，相应流速为2 m/s；最小设计流量为40 m3/s，相应流速为1 m/s。工程进口水位为＋1.5 m，出口水位为＋0.6 m，倒虹吸的设计水头损失为0.9 m。连接隧洞的萨拉姆输水干渠的最大流速为0.7 m/s。
    2.2 隧洞数量的选定
    在设计阶段曾对采用2、3或4条隧洞进行了技术和经济比较，主要考虑工程造价、施工、进行管理等因素。
    盾构机直径的大小，关系到价格的高低和工程成本。大直径的盾构机，技术复杂，价格昂贵，制造周期长。小直径的盾构机，技术简单，价格便宜，制造周期短。对萨拉姆输水隧洞工程，经比较后认为盾构机直径为5.96 m为最优。
    由于年内引水流量变化较大，一般10月—次年1月流量为40～65 m3/s，春秋季流量90～160 m3/s，6—7月为70～80 m3/s，从工程运行、管理及维护的角度考虑，洞数不宜少。
    经造价、施工、运行管理等方面综合分析，认为采用四条隧洞方案，与大多数采用盾构法施工的交通洞洞径接近，施工相对容易，综合造价低，便于运行管理。因此，最后选定四条隧洞方案。
    2.3 隧洞定线
    为方便渠道与隧洞的连接，进、出口段隧洞中心间距为12 m，在主洞段中心间距扩大为15 m。隧洞两端为1∶5的斜坡洞段，中间为1∶200的平洞段，平洞段最低点高程为－45 m。两段斜洞与平洞通过曲线连接，曲线的平面和立面曲率半径均为500 m。将来运河拓宽和航道加深后，隧洞上覆盖土层厚不小于10 m。
    据英国毫克咨询公司的工程师介绍，采用1∶5的斜坡洞段作为隧洞的进出口段，主要是为了改善水流条件，减少进出口斜井的工作量。
    2.4 隧洞衬砌
    由于工程处环境条件复杂，如地下水含咸量高，在设计中特别注意了隧洞衬砌的耐久性和使用寿命。详细比较了预制混凝土管片衬砌、加不透水层衬砌和双层衬砌三种方案。从水力条件和耐久性好及运行管理费用少等方面考虑，决定增加部分工程造价，选择双层衬砌方案。
    隧洞外衬砌为预制钢筋混凝土管片，每环由7片标准块和1片楔型块组成，环管内径为574 cm，外径为634 cm，厚30 cm，环宽1.2 m，环为锥型环，左、右有20 mm的斜度。管片间由弯曲螺栓（M24×520 mm）连接，接缝处采用亲水性的EPDM的密封垫片（可承受70 m水头）充填，所有管片表面均涂满沥青油环氧树脂。管片为450＃/200＃混凝土，钢筋保护层最小厚度为4.5 cm。考虑到隧洞的工作环境为五级侵蚀性地区，依据英国标准BRE规范363（1991年7月）进行了水泥品种选择，水泥为30％波特兰水泥并掺以70％磨细鼓风炉渣。管片由承包商在工地现场预制，曲线段的管片形状有所变化，以适应曲线段管片拼装的精确度要求。
    隧洞的内衬为钢模台车泵浇素混凝土。内径为510 cm，外径为574 cm，厚32 cm，分段长度10 m，混凝土标号为400＃/200＃。内层衬砌按100％的土压力和100％的水压力设计，并考虑地震加速度0.15 g进行校核。在运行期所有荷载由内衬承担，考虑到外衬的作用，内衬的安全系数选用1.1（常规为1.4）。
    2.5 混凝土的防腐设计
    进出口建筑物的混凝土专门进行了防腐设计。进出口建筑物采用由德国进口的特殊抗腐蚀水泥拌制外包混凝土，其水灰比为0.4，每方混凝土含水泥400 kg。砂和碎石均经过专门冲洗。建筑物表面涂抹10 cm厚沙浆，刷二道防腐油漆，再外包一层PVC材料。
    2.6 运行期检修
    检修隧洞时，需要关闭进、出口的闸门和迭梁门，将隧洞内的水抽出。抽水设备包括两台可移动的潜水泵、相应的管路、起重机和电器设备。
    3、隧洞工程施工
    3.1 施工方法
    隧洞最大覆盖层厚约为40 m，洞顶水压力为4 kg/cm2,考虑到开挖面上为含水非黏性土层和黏性土层，并且可能存在砾石，施工中要很好地控制斜洞和平洞段坡度等条件，最终选择混合式盾构机，以更好地适应含水地层、高水压对掌子面进行有效支护的掘进要求。
    3.2 施工机械—盾构机
    盾构机由德国海伦克奈特（HERRENKNECHT GMBH）公司设计并制造。盾构机外径为5.69 m，总推力为3 000 t，由22个千斤顶（压力为300 kg/cm2）支持，盾尾设三道钢丝刷密封，刀片可破碎孤石。为适应曲线段的推进要求，盾构机为中折型。
    3.3 施工过程
    3.3.1 初始推进
    盾构机在露天进行安装，采用200 t吊车作业。盾构机初始推进段为1∶5的下坡段，推进长度大约220～235 m。为防止工作面漏水、坍塌及加压泥水从地表喷出，初始掘进前先开挖进口建筑物基础及隧洞的开始一段（开挖范围为沿轴线方向不小于19 m，盾构机机体全部入土后保持其机头部位四周的覆盖厚度不小于盾构机外径）,然后由人工分层回填并碾压密实。对正面土体进行保护，挡土墙高出隧洞顶约1 m，并留有供盾构机进洞的洞门。
    据介绍，在施工过程中，盾构推进时曾发生冒浆、喷浆事故，后又增加了约5 m厚的回填土体。
    3.3.2 隧洞开挖及泥浆管理
    通过对膨润土泥浆加压形成挖掘面支护，然后盾构掘进。切削轮腔充满了泥浆，然后舱中的压缩空气对泥浆进行加压，并由空气缓冲器校正循环期间压力的变化，使挖掘面压力保持常数。尾部400 KVA泥浆泵把切削轮腔中开挖的沙土料通过30 cm直径的管道运送到洞口。隧洞口建有泥浆处理场，每小时处理泥浆1 000 m3。在处理场分离出砂土料，过滤泥浆，并不断地拌合新鲜泥浆，然后用泵将准备好的泥浆送回掌子面。
    3.3.3 管片制运及安装
    管片由承包商地预制，预制件厂每天可生产64块混凝土管片，相当于完成8个混凝土环。因隧洞进出口坡度达20％，用特制轮胎式双向卡车运送管片，每趟可运送一环管片。在施工过程中，由在盾构机尾部的管片安装工安装外层预制混凝土衬砌。
    3.3.4 掘进方向控制
    为保证隧洞的平面、立面定线，要求盾构机具有实用、准确的导航能力。该工程配用音波导航装置，它能不间断的监测盾构机的位置，也能预先计算衬砌环施工结果。在偏离航线的情况下，能自动计算误差校正曲线，重新确定方向和衬砌环的安装模式。它还能用电线把导航数据传送到地面办公室的探测系统，几乎同时能在屏幕上监视到盾构机的运行情况，数据可记录或打印出来。探测系统有一台工业计算机，用于数据处理、数据管理和探测数据的储存。
    3.3.5 内衬施工程序
    内衬浇注前，在外衬内表面覆上一层PVC防水薄膜。内衬采用钢模台车泵浇素混凝土，分段长度10 m，用压力泵和150 mm的压力管将混凝土运送到隧洞浇注。内衬需在相邻隧洞掘进领先50～60环后才能进行，以防止由于相邻隧洞推进时引起的地层松弛产生变形。
    3.4 施工进度
    3.4.1 盾构机推进速度
    盾构机计划每推进1.2 m需要25 min，安装管片约需30 min，因此共需约1h可完成一环的推进和管片安装。实际施工中，一般为每天8环，最快每天可达19环。内衬施工速度平均每天为10 m。
    3.4.2 施工工期
    施工计划总工期为3年。现场施工于1994年2月开始，第一条隧洞在24周内完成，它由下游侧向上游侧推进。第一条洞是作为勘探洞进行施工的，掘进速度较慢，以便收集资料指导其余3条洞的施工。施工中发现了未曾预料的孤石，对在硬度相间及多分层的地层中掘进取得了经验。第二条隧洞于1996年12月完成。第四条隧洞在1997年5月份完成掘进。
    3.5 工程管理
    业主聘请了英国毫克公司在设计和施工中进行咨询，以帮助业主更好地进行管理并培训自己的工程师。咨询公司在施工期间主要负责工程质量管理与合同管理。据介绍，监理工程师力量较强，为控制工程投资、保证工程质量和工程进度起到了很大作用。
    4、几点启示
    盾构法修建隧洞工程，在国内外得到了广泛的应用，但多用于交通工程和市政工程，它们的技术要求同水工隧洞差别很大。埃及萨拉姆输水隧洞，其功能和所承受的内外荷载，对结构要求和技术特点均与南水北调中线穿黄隧洞工程类似，因此，埃及萨拉姆输水隧洞的规划设计和施工中的经验以及科学的管理方式均可为穿黄隧洞工程借鉴。
    萨拉姆输水隧洞解决了盾构爬坡和下坡的施工技术问题。通过在盾构机向下开挖斜坡隧洞时加设防滑装置，是可行的，从已建的三条隧洞看是成功的。采用20％的斜坡作为隧洞的进出口，可使水流条件顺畅，并减少斜井的工程量。
    盾构机直径的大小，关系到价格的高低和工程的成本。大直径的盾构机，不仅技术复杂，而且价格昂贵，制造周期长。小直径的盾构机，相应的技术简单，价格便宜，制造周期短。隧洞的直径应经过各种方案组合计算，综合比较后确定。
    盾构机的设计、制造和使用能否成功，最主要的制约因素是搞清地质条件。只有摸清了地质条件后，制造厂家才能有针对性地设计和制造出适应这种地质条件的盾构机，保证隧洞的顺利施工，对特殊地质问题采取相应的措施，增设不同的装置，满足施工需要。
    要加强工程的建设管理，尤其是加强工程监理，对工程的质量、进度、投资进行了严格控制。只有坚持科学化、规范化管理，才能够保证质量，控制投资。