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北京地底下的科技传奇

□本报记者 许安强
  2008年9月28日,期盼已久的冀水开始滋润干渴的北京。她一路奔腾,钻入房山区北拒马河地底后,睁大了双眼,只为尽情领略北京地底下80公里的优美画廊。
   一流的设计,一流的施工,北京市南水北调工程建设者解放思想、创新思路、团结协作、拼搏攻关,累计攻克技术难题116项,成就了一段科技创新的传奇。
  PCCP的记忆
   北京人口多,土地利用率高,建筑物密度大,高楼大厦鳞次栉比。如何穿越北京城区,解决输水与节地、安全、环保、文物保护之间的矛盾,北京市南水北调工程在设计中采用了与中线干线工程全段不同的管涵加压输水方式。
   管是PCCP管,涵是暗涵。
   PCCP是由预应力钢丝、钢筒、混凝土构成的复合管材,是预应力钢筒混凝土管的英文缩写。因为先进、安全,具有良好的抗渗性及耐久性,应用于一些大型输水工程。
   北京PCCP管道工程全长56.4公里,管内径4米,单节重量78吨,分两排布置,共安装管道21533节。这样的庞然大物别说安装,光生产运输就不是一个简单的活儿。北京市南水北调建管中心PCCP项目部部长冯启说:“从生产到运输,再到安装,大口径PCCP管道关键技术研究被列入国家‘十一·五’科技支撑项目,我们专门成立了专家顾问小组,负责科技攻关,集中解决遇到的技术难题。”
   “每节管对工压、抗外压等技术参数有着特殊要求,加工精度高,要经过几十道工序。”冯启说,在管道设计和生产的过程中,科技创新就延续不断。
   ——专家顾问小组通过一次次研究、实验,最终采用河北曲阳的非碱活性沙子,有效解决了PCCP管每立方米混凝土碱活性材料含量控制在2.5公斤内,达到了要求指标。
   ——研究采用PCCP阴极保护、钢丝锚固一体装置,有效解决了管道阴极保护连接点电导线保护问题。
   ——研究采用了管道外防腐湿喷工艺,减少了施工工序,减小了中间产品占用的空间,节约了成本。
   每节管长5米,安装公差不得超过2毫米。铺设安装成为技术攻关的重点。原来设计方案是采用履带吊车吊装,计划从德国引进,到施工现场后发现,周围有高压塔、高压线,履带吊车根本不能使用。经过技术人员反复研究,制订出最佳方案:运输管道的车辆直接开到槽底,用龙门吊吊装管道。
   PCCP土建一标项目负责人马建政说,龙门吊吊装是他们根据实际情况采取的施工方案,既能穿越高压线,又便于安装,并且保证了安装的精确度。如果采用德国引进的大吊车,仅拆卸吊车就需要半个月的时间。因为工期紧迫,管道安装的工作面最多时达20多个。这时,施工单位的龙门吊就派上了用场,不仅成本低,还可以多增加工作面。
   吊装工具解决了,刚刚开始安装就卡了壳:管道对接困难,许多PCCP管安装因插拔次数过多,有的单根管安装插拔次数多达13次,造成大量橡胶圈损坏。技术小组经过对百余节PCCP承插口钢圈局部圆度检测,对比分析安装顺利和无法安装的承插口钢圈局部椭圆度后发现,局部椭圆偏差大于9毫米的管道一般需要多次插拔安装。为了找到一个适合的数据,技术小组多次试验,反复研究,根据结果,最后决定将承插口钢圈局部椭圆度允许偏差从原设计的12.7毫米均提高到6毫米。
   经实践检验,提高标准后的管道对接安装异常顺利。
   PCCP管道安装沿途穿越房山、丰台两区,公路、铁路、河流众多,地上、地下管线数不胜数,施工环境复杂,施工难度可想而知。如何解决龙门吊穿越线缆时的拆装问题,是管道吊装的一大难题。
   科技创新给了建设者积极发挥的空间。受塔式起重机启发,管道安装六标的建设者在龙门吊支腿上采用分节液压顶进技术,由8个大型液压缸支撑,可在较短时间内完成龙门吊整体高度的升降。为满足施工现场转弯及爬坡的要求,他们将台车与门腿连接处改为可旋转形式,设计上采用液压防滑铁楔,有效防止了溜坡。在基坑两侧采用了双轨运行,降低了龙门吊运行时的轮压,减少了对边坡稳定的影响。
   随后,在安装过程中,技术顾问小组先后研究解决了管道缠丝、回填及超宽、超高、超重管道运输的难题。
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   PCCP管穿越北京西甘池隧洞,管壁与岩壁间距只有0.5米,施工作业面狭小,施工组织难度高。“简直就是穿针绣花。”有人这样形容安装施工的精细程度。
   如何把大口径PCCP这根粗线穿到洞内,北京市南水北调建管中心、监理、设计和施工单位一起想办法,他们与太原重机厂共同研发,设计生产出了PCCP管道安装的专用驮管车,该车采用3套液压驱动装置来实现装车;采用固定轨道配合管车利用电力驱动进行洞内运输;采用液压大梁顶进装置进行接口微调和就位。通过不断改进工艺,这种专用的穿管机成为PCCP管道二标的一大亮点,穿管速度大大加快,由最初对接一节4天缩短到对接一节只需要2个小时,效率提高了48倍。
   建设者们借助这些技术创新成果驾驭PCCP管道这个庞然大物时,就变得游刃有余了,大大提高了管道的安装精度和效率。“科技创新不仅为管道安装保驾护航,而且加快了施工步伐,管道铺设以每天400米的速度快速推进。”冯启说。
  西四环暗涵的诉说
   北京西四环暗涵工程南接卢沟桥暗涵,北至团城湖,工程全长12.64公里,为2孔、内径4米的钢筋混凝土暗涵。暗涵工程在西四环主路约17米下穿越,是国内首次大口径有压输水管线穿越城市交通主干线。
   穿越西四环最大的难点是如何在既定时间完成工程建设,保证不断路、不断交通、不扰民。北京市南水北调建管中心西四环暗涵项目部部长仇文顺说:“工程中采用的浅埋暗挖工法显示出科技的力量。我们结合以前的成功经验,按照 ‘管超前、严注浆,短开挖、强支护,快封闭、勤量测’十八字方针,采用多种加固措施,制定了暗涵穿越立交桥基础加固方案。”
   地底下开挖施工,一是地质复杂,城市快速路下为砂卵石地层,自稳能力差,一旦塌方,后果不堪设想。二是西四环主干道下,供排水、热力、电力、通讯等多条地下管线纵横交错,施工难度非常大。
   在地底下施工,不能实施爆破,建设者必须用铁锹一点点开挖出来,然后装车推走。日复一日,年复一年,在地底下20米的地层深处,静悄悄的施工中蕴含了建设者无数的智慧和心血。
   洞挖中,因为地质变化复杂,地下水是建设者最不愿碰到的。西四环暗涵工程七标段项目部在9号竖井开挖到44.45米时,遇到了地下水。眼看水渗透的速度越来越快,如果不及时止住渗水,会有塌方的危险。
   承担施工的武警水电一总队迅速成立科技攻关小组投入战斗。他们找资料,查数据,经过认真分析讨论,提出了“井底开挖排水,四周钻孔注浆封闭,井壁埋设排水管”堵排结合的方案,成功破解了施工中这一难题,保证了工程顺利前进。
   暗涵9号主洞施工到98米的时候,要穿越西四环主路四季青桥,桥跨度达147米。主洞离桥桩只有1.8米,开挖断面为砂卵石,具有不稳定性的特点,设计要求桥的沉降为15毫米。如何保护桥桩和控制桥的沉降,是个难题。谁知道会不会碰上像管道、电缆、古墓等意想不到的事情呢?如果开挖一不小心,超挖一点点,就等于是“把天给捅了个大窟窿”,就可能造成塌方、桥梁下沉的重大事故。
   面对难题,迎难而上。科技攻关小组在认真总结前段主洞内上半部分注浆的基础上,洞壁四周每隔30厘米打入小导管,然后超常规注浆,使洞内周围土层形成了一个坚固的整体,有效防止了顶部超挖和塌方事故的发生,确保了上拱部开挖的安全。
   项目部副总工刘其森介绍说:“那时,他吃住在工地,对桥区实行了24小时定期不定期观测,确保了桥区的绝对安全稳定,桥区的平均沉降只有3毫米!”
   穿五棵松地铁站暗涵工程横跨长安街,与地铁1号线相交,同时穿越西四环路五棵松立交桥桥梁基础。在确保地铁安全运营的前提下,暗涵要从下部穿越地铁站,使该段工程成为北京段最大难点,也是最重要的安全、技术节点。
   两条暗涵洞顶离地铁站底板只有3.67米,最有效的办法就是把地铁站像托婴孩一样给托起来,才能在车站下面开挖隧道。
   为了保证地铁的正常运营和西四环城市快速路畅通,专家给出了底线,要求沉降必须控制在5毫米!这是工程建设的硬性指标。如果施工控制不力,暗涵施工对地层的扰动将引起地铁结构的变形,对地铁结构安全和运营安全将造成极大影响。
   上边有地铁呼啸而过,仅3.67米之隔,做到“井水不犯河水”,不受干扰地开挖隧洞,常人根本无法想像。对这项“摸老虎屁股”的工程,负责施工的中铁隧道集团项目部非但没有退却,反而自己给自己加压,减去2毫米,并向业主郑重承诺:沉降控制不超过3毫米。
   胆识来自他们成熟的施工经验和技术攻关的超强能力。通过精心策划,精心组织,科技攻关,他们先后采用深孔长管超前注浆、回填和补偿注浆等多项技术措施对地铁车站和五棵松桥基实施加固。
   在过车站下方暗涵施工时采用单洞开挖,当一条暗涵穿越车站完成初期支护沉降变形基本稳定后,进行二次衬砌施工,单洞二次衬砌完成后,用同样工法开挖另一条暗涵。
   施工过程中,辅助以远程自动化监测,全天24小时观察五棵松车站结构、桥梁结构的细微变化,并在地表、洞内布设量测点,通过检测量测信息,动态指导工程施工。
   即使这样未雨绸缪,小心翼翼,施工还是出现了细微偏差。2007年7月14日,现场工程监理发现,测试数据显示沉降值即将超过3毫米。消息迅速传来,项目部负责人立即召开了一场特殊的会议,启动项目施工应急预案。中铁隧道集团总部两名专家连夜赶到施工现场,给出良方:加强补偿和回填注浆,控制沉降值!
   隧道内,一场攻坚冲锋战打响了。二十名勇士成立了应急突击队,分为两个班,一个班钻孔,一个班注浆。由于顶棚上是地铁车站的底板,复杂的卵石层加上以前注浆打进去的钢管和修建车站时留下的钢筋,钻头打进去要么铛铛作响,要么钢筋石块卡死钻头。平时十分钟就能打好的一个孔,现在要花一个小时。卡钻了,就用钢钎撬开窟窿伸手到里面抠掉卵石。一双双长年与钢筋水泥打交道磨出老茧的大手被落下的卵石砸青了,划出一道道伤口……打好一个孔后,注浆队迅速将注浆管头接上,成吨的特种浆液注入了地铁车站下方的地层中。
   2007年11月23日,国务院南水北调办公室副主任宁远、北京市副市长牛有成共同开挖隧道最后一铲,西四环暗涵下穿五棵松地铁车站工程胜利贯通,标志着北京段地下工程中最关键的安全和技术节点成功攻克。中铁隧道集团守住了控制工程沉降不超过3毫米这道防线,站在了国际地下空间施工领域的前沿。
   仇文顺说,运用浅埋暗挖技术,西四环暗涵成功穿越立交桥23座,人行天桥8座,河流4条,地铁车站一处,铁路2处,穿越西四环主路11.96公里,顺利实现全线贯通。
   中国工程院院士陆佑楣看过西四环暗涵工程后,对高超的开挖和加固工艺赞不绝口,称这是“伟大的成就,了不起!”
   北京市南水北调办公室主任孙国升说,技术创新为工程如期完工提供了有力支撑。通过不断技术革新,缩短了建设工期,仅用了三年多的时间就完成了工程建设任务,为尽早发挥南水北调工程效益创造了有利条件。
稿件来源:许安强
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