南水北调工程北京段：输水3年7亿方，缓解供水危机

项目名称：南水北调中线超大口径PCCP管道工程关键技术及应用

发明人：石维新

每年春夏之交，南方总是受洪灾的困扰，而北方则饱受干旱之苦。“南水北调”是几代人的梦想。我国地形复杂，有些地段需要将低处的水调运到高处，这是一项巨大的系统工程。在实施过程中，必须把工程分为多个子项目分别进行攻关。

从20世纪90年代开始，我国从美国引进了PCCP的制造技术，并用于水利、市政、电力等工程。截止到南水北调工程之前，大口径PCCP已在山西万家寨工程、哈尔滨磨盘山水库工程上应用，最大口径达DN3000。南水北调工程北京段经有关专家充分论证决定采用直径4米，工作压力0.8兆帕，覆土深度达10米的预应力钢筒混凝土管作为输水管材。在国内，超过DN3000的PCCP各项生产工艺参数没有可借鉴的经验，也没有可借鉴的标准，必须边研发、边确定、边定标，对设计和制造提出了严峻的挑战，也给有关企业提供了前所未有的发展和提高生产水平的契机。

“PCCP”其实并不神秘，它是预应力钢筒混凝土管的英文简称，是一种在带钢筒的混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝，并包裹水泥砂浆保护层而制成的管子。

南水北调北京段工程全长80.4公里。寸土寸金的北京，人口多，地表管网、通信、电力等各种市政设施交错密布。工程经过丘陵、农田、居民区，地形和环境复杂，找到一种适合北京的输水方式至关重要。经过比选最终选择了PCCP管道输水方式。PCCP工程上接惠南庄泵站，下接大宁调压池，全长约56.359公里，采用双排内径4米的PCCP管道输水。

南水北调北京段工程共使用PCCP管道21533节，如此大规模地使用内径4米的超大口径PCCP在国内尚属首次，管道设计、生产、运输、安装中的各种难题更是前所未有。

由于北京段工程穿越北京周边的山区，PCCP管道埋深最深可达20多米，巨大的压力对管道的原材料要求极高。而北京当地的砂石骨料含碱量大，导致混凝土耐久性差。课题组经过反复的考察和论证，最后采用在混凝土中添加粉煤灰，使每立方米碱含量控制在2.5千克以下，满足了设计要求。

由于PCCP管承受巨大内压，需要靠预应力钢丝支撑，而钢材极易与周围潮湿土壤中的碱发生反应，从而导致管道腐蚀。在管道上下方铺设与之平行的镁、锌金属条，采用阴极保护防腐技术，此项科技创新有效地提高了管道的防腐能力，利用金属的阳离子代替管道与泥土中的碱发生反应，就能有效避免地下水中的氯离子侵蚀钢丝。

为了监测管道的腐蚀情况，将问题防患于未然，课题组还研发了阴极保护测试探头，通过探头这个“听诊器”，降低了腐蚀风险。

使用隧洞管道安装车铺设管道的施工现场

PCCP单节管道内径4米，外径4.8米，重达78吨。将管道从生产厂运送至施工工地，需要穿过几十座桥和涵洞。因桥和涵洞高度的限制，使运输这个庞然大物成了一道难题。课题组创新发明了驮管车，降低了运输管道的高度，使管道顺利穿越桥和涵洞运至施工现场，并且使沿途几十座桥、洞毫发无损。

按初步设计要求，在穿越西甘池和崇青隧洞时，管道与洞壁只有30厘米的距离。在如此狭小的空间内安装管道，难度可想而知。课题组发明的集运输、安装、矫正于一体的隧洞管道安装车发挥了至关重要的作用，不但工时缩短了，而且精准度极高。

吊装工具解决了，安装又遇到了“拦路虎”：管道对接困难。工程使用了超大口径PCCP专用新型承插口，接头采用滑动O形胶圈密封，插口带有凹槽，密封橡胶圈填充在凹槽内，要求两节管道对接必须严丝合缝。技术人员经过对百余节PCCP承插口钢圈局部圆度检测、对比分析后发现，承插口钢圈局部椭圆偏差大于9毫米的管道，一般无法一次安装到位。为了找到一个适合的数据，技术小组反复研究，最后决定将承插口钢圈局部椭圆度允许偏差从12.7毫米减少到6毫米。改进工艺后的管道安装格外顺利。

此项技术的成功运用对南水北调二期工程和西线工程的研究有很好的借鉴意义。(www.xing528.com)

韩建河山“南水北调中线超大口径PCCP管道制造关键技术及应用”项目荣获第七届北京发明创新大赛特等奖。

到目前为止，此项工程已安全运行3年，通过PCCP管道成功向北京城区输水约7亿方，极大缓解了首都的供水危机，并将为北京市可持续发展发挥重要保障作用。该成果增强了国内制管企业在该领域的竞争能力，在水利、市政输水工程中具有广阔的推广应用前景。

跨越漕河的巨型渡槽长2300米，底宽20米，加大输水流量为每秒150立方米，最大跨度30米，是亚洲高度最高、跨度最大、输水流量最大的渡槽工程。

该工程存在如下技术难点：

1）漕河渡槽不仅是整个南水北调中线干线的最大渡槽，也是我国目前已建和在建的最大输水渡槽。工程采用三槽一联多侧墙结构形式，此类结构形式国内外均无成功的工程经验和理论方法可供借鉴。其结构的复杂程度与先进性，在世界上也是独一无二的。

2）渡槽槽身为薄壁结构，施工时温度控制难度较大，很容易造成槽身混凝土内部温度不均匀，在混凝土强度增强的过程中将会影响混凝土的质量。如何在冬季和夏季做好槽身混凝土温度控制，也是工程施工的难点。

验收结果表明，槽身结构设计较为合理，张拉控制应力施加基本正常，预应力施工控制等工艺质量较好，三向预应力作用明显，效果良好，槽身混凝土压应力满足设计要求。

漕河建管单位通过在76号跨槽进行的施工过程温度监测，得到如下结论：渡槽混凝土水化热释放较快，第一层混凝土在收仓1.5天后达到最高温度，收仓后30天左右混凝土内外温度趋于平衡；第二层混凝土在收仓0.5天后达到最高温度，收仓后12天左右混凝土内外温度即趋于平衡。槽身混凝土内外温差最大可达48.6摄氏度，尤其是体积略大的中纵梁部位，水化热散发较多，内外温差较大，要采取适当的温控措施降低早期槽身混凝土内外温差，削减槽身混凝土早期温度应力，同时要注意槽身混凝土在早期的保温和养护，避免内外温差过大产生早期温度裂缝。

选择合适的浇筑时段，避免白天高温时段浇筑，尽量在下午6时至第二天上午10时之前浇筑完毕。混凝土入仓后及时振捣，仓面及时覆盖保温片材。加强混凝土养护和表面保护，仓面收盘12～16小时，白天用保温材料覆盖，晚上揭开进行洒水或流水养护。保持混凝土面呈湿润状态，防止出现干燥、龟裂。

在有效降低混凝土浇筑温度的基础上，采取在混凝土内部预埋冷却管降温、外部粘贴塑料保温板保温的措施。若遇寒潮需再加盖一层草帘被，以防止混凝土表面产生过大的冷激冷缩。

2007年11月23日，西四环暗涵下穿五棵松地铁车站工程胜利贯通。此举标志着北京段地下工程中最关键的安全难题和技术节点被攻克。但胜利来之不易。

西四环暗涵工程与北京西四环路上下平行，并与五棵松地铁站垂直交叉。下穿五棵松地铁车站工程为双线暗涵引水隧洞，两洞总长400米，为国内首次大口径有压输水管线穿越城市交通主干线。因其在五棵松地铁车站、西四环五棵松桥下穿行，暗涵拱顶距地铁车站结构底板仅3.67米的距离，被列为危险施工区。针对工程地质结构的复杂性，对卵砾石地层采用超前注浆预加固技术，创新了同芯跟管潜孔锤钻机施作长管注浆技术、分段注浆加固技术、全断面注浆技术。施工单位在下穿五棵松地铁车站工程中使用“卵砾石地层钢管深孔注浆超前加固施工”等新技术，打破了400米危险区的封锁。首先在车站下的土体中打进数十根长15米、间距1米、直径110毫米的钢管，进行深孔长管超前注浆加固；然后用台阶加临时仰拱法开挖一条隧道，采用全断面超前径向注浆加固土层，预埋跟踪补偿注浆管及周边土体回填注浆管并注浆。开挖完成后，对下穿段整体进行一次补偿注浆，有目的、有控制地对地铁车站沉降损失进行抬升补偿。待沉降变形基本稳定后，拆除临时仰拱。接着用同样工法开挖另一隧洞。沉降稳定后，进行隧洞衬砌，然后再做另一条隧洞衬砌，最终完成施工。

北京西四环暗涵工程所需穿越的铁路桥及地铁站等建筑物均为国家或北京市的重要交通干线，堪称经济命脉，暗涵穿越不允许对其造成任何影响。采取浅埋暗挖法，地下多种注浆加固，破解西四环暗涵施工难题。浅埋暗挖法虽在地铁工程中多有应用，但缺乏在第四系砂卵石地层中实施如此长距离、大规模开挖工程的技术资料。根据西四环暗涵所处地层及周边环境的实际情况，经深入研究比较，选定适合在无水砂砾石地层中采用的浅埋暗挖法，作为西四环暗涵工程的施工方法，既可有效降低地表沉降，又能保证工程安全。长达11公里的西四环暗涵工程所处地层为第四系砂卵石，自稳能力差，如施工方法不当，极易造成塌方，危及暗涵施工及上部道路桥梁结构的安全，更影响上部西四环路的交通安全。最终采用了最适合暗涵所处地层、对原有建筑物及地层影响最小的以地下多种注浆加固为主的加固方法，采取“导管注浆法”，加强围岩的稳定性，对从地铁、铁路线路到建筑物所处地层进行全方位的加固，最终解决了加固难题。“地面下的战斗”取得了完全胜利。如今西四环暗涵已贯通，已成功穿越立交桥及人行天桥。监测结果表明，暗涵结构安全，地表沉降很小，结构设计及地层加固方案合理，桥梁基础不均匀沉降值均小于桥梁的允许沉降值，桥梁结构安全，确保了暗涵自身和上部西四环路的交通安全。

点评：“南水北调”工程中的诸多难关，都是在设计者与建设者的共同努力下逐一被攻克的。当管道研发成功后，运输难题又成为“拦路虎”。而工程建设者巧妙地创造了驮管车、管道安装车等新型运输和安装设备，用智慧攻克难题。可见任何高科技、大工程项目的成功，都离不开项目参与者的巧思妙想，可谓“一滴水也能折射出太阳的光辉”。这里只是列举了几个“小故事”，他们的劳动成果将造福后代，可谓“功在千秋”。当我们打开水龙头时，不用担心没有清洁的水流出来；走在马路上或乘车出行时，不用担心路面会突然下沉陷下去。所有这一切，正是由于有了这些默默无闻的设计者、建设者的辛勤劳动与付出，才保证了我们今天的正常生活和工作。朋友，当空闲时，饮水思源，请回味一下这一切吧！