袁木林-吉林省中部城市引松供水工程关键技术研究与应用

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一、工程概况

二、项目建设情况

三、工程关键技术研究与应用

四、工程施工难点及对策

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吉林省中部城市引松供水工程（以下简称“中部引水工程”）是吉林水利有史以来投资规模最大、输水线路最长、受水区域最广、施工难度最复杂的大型跨区域引调水工程，项目建设已被明确列入国家和吉林省“十三五”规划纲要，也是国务院确定的172项重大水利工程之一，2018年被吉林省政府列入中央环保督察整改重大措施之一（东辽河水污染治理)。是改善生态环境、保障粮食安全，促进区域协调发展的重大民生工程，具有很强的公益性、基础性和战略性。工程设计分两期实施，一期工程投资101.77亿元（目前在建）；二期工程投资36.97亿元（可研已批）。 工程由1条输水总干线、3条输水干线、10座调节水库和12条输水支线组成。

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中部引水工程从第二松花江丰满水库全程封闭调水至吉林省中部地区，向长春、四平、辽源及所属的九台、德惠、农安、双阳、公主岭、梨树、伊通、东辽等3个地级市和8个县（市、区），

以及沿线26个乡（镇）的生产、生活、生态供水，受益人口1060万。

一期工程由总干线、冯家岭分水枢纽、长春干线、四平干线、辽源干线组成。线路总长263.5公里（其中隧洞长134km，管线长129.5km），冯家岭分水枢纽由四平、辽源2座泵站合建而成，装机容量1.92万kw。取水口设计引水流量38立方米每秒，设计多年平均引水量8.98亿立方米。

一期工程于2013年12月正式开工建设，计划于2020年末建成具备通水条件。二期计划今年开工建设。2019I B T C

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（一）项目建设进展情况

中部引水工程一期工程自2013年底开工建设以来，全线18个土建施工标段全部开工建设，截止目前工程累计完成投资79.7亿元；完成隧洞开挖支护147.62公里；砼衬砌62公里；PCCP和SP管道安装118公里；完成综合工程量2786万立方米。

二期工程于2018年5月可研批复，目前已采用EPC总承包方式发包，初步设计正在审查，预计三季度批复，年内实现开工建设，届时与一期工程实现同步完工具备通水条件。

（二）参建单位情况2

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中部引水工程由吉林省水务投资集团有限公司组织实施，组织成立了吉林省中部城市供水股份有限公司作为项目法人。并通过招投标优选了相关参建单位。

设计单位：吉林省水利水电勘测设计院、中水东北公司、中国市政东北公司等；

监理单位：中水东北公司、山西黄河、辽宁宏禹等11家甲级资质监理单位。 施工及生产单位：中铁十八局、隧道局、二十三局、大桥局、十七局，中水三局、六局、十一局、十五局及基础局，北京振冲、黄河建工、吉林省水工局、韩建河山、山东龙泉、山东电力等近40家一级资质以上的施工及生产企业参加到中部引水工程建设过程中。

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（一）超长有压隧洞设计

工程自项目建议便提出，充分利用丰满水库正常蓄水位和死水位之间存在的水头差、取水与受水区高差和调压井等因素，在国内首例提出超长有压隧洞技术进行研究。

现本工程设计为：输水总干线及下游的长春干线，采用全程自流有压输水方式，有压隧洞总长为99.2km，最大自然洞长72.2km，最大洞径8.27m。

当丰满水库在高水位运行时，或者饮马河分水口或长春干线引水流量较小时，总干线末端的冯家岭分水枢纽调压井水位较高，总干线及四平干线全长为

206.56km，便可有压自流输水至末端下三台水库。

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中部引水工程总干线近100公里的超长有压隧洞，随着丰满水库水位的变化，有较大的富余调水量， 总干线丰满水库取水口饮马河段隧洞长72.2km，其调水能力为15.77亿m3；在90%保证率下年可调水量为13.03亿m3。

另正利用中部引水工程超长有压隧洞及丰满水库水位变化的有利特点，开展从 YLJ 全程有压隧洞自流调水至白山水库(入丰满水库)的吉林省东水-中引-西调工程规划设计，向西到吉林省西部干旱地区。构建以松花江为输水大动脉，丰满、哈达山为核心，白山、丰满、哈达山、八里哨、海龙、星星哨、石头口门、新立城、杨木、二龙山十库联动调控的“一轴两核十库联调”水源调配格局。

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东水-中引-西调工程，主要从吉林

东部水资源相对丰沛的YLJ、浑江

、牡丹江调水入松花江，以缓解吉

林省中西部地区水资源短缺问题。

工程包括九道沟调水（ 94km隧洞

）、浑江调水（82.95km隧洞）、

牡丹江调水（75km隧洞）等3项调

水工程，调水总量20亿立方米。2

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（二）TBM设备选型及运用

本工程总干线1#隧洞长72.2km ，开挖洞径7.9m ，线路途经温德河、岔路河、饮马河，从地形地貌上，这3条河谷将隧洞分割成长度均为20余公里的3段山地，在3条河谷地带，隧洞埋深较浅，易布置施工支洞。这样3段山地采用3台TBM 施工较理想，河谷段采用钻爆法施工。 1#隧洞Ⅱ、Ⅲ类围岩占84.3%。其中Ⅱ类围岩砂岩、花岗岩、安山岩、闪长岩、凝灰岩、砂岩、砂砾岩及灰岩单轴饱和抗压强度Rb为60 ～ 130MPa ；Ⅲ类围岩的花岗岩、凝灰岩、闪长岩、灰岩、砂岩、砂砾岩单轴饱和抗压强度Rb为40 ～ 80MPa 。1.TBM设备选型

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隧洞花岗岩石英含量为25%～37%、砂岩石英含量为38%左右，凝灰岩石英含量为10%～20%。砂岩虽石英含量相对较高，但弹性抗力系数低，对刀盘的损耗较小。 通过前期测试，隧洞最大埋深536m处水平主应力值约为20MPa，工程沿线属于中低地应力水平。

隧洞沿线存在软岩变形的过河段及埋深较浅的小河沿沟和碱草甸子沟土层侵入段，设计均采用钻爆法开挖。围岩没有软岩大变形问题。

据此，本工程1#隧洞选型开敞式TBM设备掘进，部分段辅以钻爆施工。

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3条河将隧洞分割成长度相近的3段山地2

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2.TBM设备制造研究、创新及取得的成绩

本工程总干线1#隧洞采用的3台敞开式TBM 设备，其中铁建重工1台、罗宾斯1台、中铁装备

1台，每台设备在本工程均取得不错的成绩。

（1）铁建重工依托十二五国家“863计划”，自主研制的国产首台岩石隧道掘进机应用于本工程总干线二标段取得成功。

该台设备研究内容包括：①地质适应性设计技术研究，如建立TBM 与围岩相互作用模型、主要功能系统部件性能匹配技术、TBM 标准化模块化系列化设计与制造技术；② TBM 集成关键技术研究，如研究TBM 多系统协调技术、TBM 电液控制系统设计与集成技术、TBM（8m 级）制造关键技术、TBM 关键部件状态监测与诊断技术、TBM 振动分析及减振技术等；③TBM 工程应用技术研究，研究掘进参数匹配与优化技术、连续皮带机配套技术、典型不良地质地段施工技术等。2019I B T C

该台设备技术先进性及创新点：①提出敞开式TBM刀盘长距离高效破岩技术及其地质匹配性设计方法，提出基于相位差的滚刀布局，设计分体式刀座和大C形块连接以提高刀座疲劳强度，开

发了刀具磨损实时监测系统，实现了硬岩地层下复杂工况的高效破岩。② 配套了TBM快速支护系统，通过钢筋排快速支护、双钢拱架安装器、锚杆钻机、应急喷混、自适应撑靴等结构的优化组合配置，应对不同地质工况，有效降低设备应对突发的风险；③ 配套了TBM姿态测控和导向方法，采用了基于计算机视觉理论、多传感器融合和多倾角仪的数据融合技术，具备精度高、稳定性好的特点，通过陀螺仪和倾角仪相互补偿修正方法，有效解决了TBM破岩过程中的剧烈振动对设备位姿测量影响的难题，为TBM在施工过程中保证隧道精度和安全以及设备纠偏提供了依据，避免了由于隧道精度测量不准和纠偏过度造成掘进装备蛇行、卡机问题。2019I B T C

该台设备取得的成绩：该台掘进机于2014年12月27日下线，设备开挖直径7.9m ，长205m，重1500t，总装机功率5000kW，应用 “中部引水工程”。始发后创造了第一个月试掘进400m的成绩；2015年12 月20日创造了最高日进尺86.5m；2016 年12月份创造了最高月掘进尺1209.8m，当时的国内同级别敞开式TBM掘进记录；硫化皮带3小时20分钟；安装钢拱架最快5分钟，平均15分钟；换刀最快15分钟，平均30分钟；设备掘进时间利用率月平均52.8%，最高达到65.29%的水平。比合同节点工期提前１4个月实现顺利贯通。

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（2）由美国罗宾斯制造的TBM 应用于本工程总干线三标段。 三标段TBM组装完成开始掘进后，先后遭遇地质突变塌方卡机、围岩大幅度收敛变形等不良地质难题和地

质灾害。第一阶段取得单日最高掘进75m ，连续2个月进尺超过1000米的良好成绩，2016年经过努力赶回2015年因TBM卡机滞后6个月的4个月工期任务。第二阶段掘进过程中，用时198天完成了7022米的掘进，取得了月平均进尺1063.9米中国纪录；同时在2017年12月份单月完成掘进1423.5米，一举刷新了本项目的TBM 月掘进1318.7米最高进尺，并创国内同级别敞开式TBM最高月进尺记录；最终三标段比合同节点工期提前147天贯通。2019I B T C

（3）中铁装备集团依托国家“863、973”计划,自主研制的首台具有自主知识产权的全断面岩石掘进机（TBM）在中部引水工程成功应用。

该台TBM 技术先进性及创新点：突破了TBM整机多系统协调控制集成技术，硬岩环境下高效破岩的刀盘高强度、非线性布置、小刀间距设计技术,不良地质条件下的高效、安全、快速支护系统设计技术,复杂多变地质条件的TBM 三维激发极化超前地质探测预报技术等多项技术难题 该台设备取得的成绩：自2015年5月始发以来，以较强的地质适应性和稳定性，穿越了7.9公里浅埋灰岩岩溶区、断层破碎带及浅埋富水沟谷带，攻克了特大涌泥涌水， 2016年6 月在灰岩段掘进过程中创造了1209.8m 的成绩；2016 年12月份创造了最高月掘进尺1226m ， 2017年11月创造了适时月掘进1318.7米的同级别敞开式岩石掘进机掘进全国纪录，提前９个月顺利贯通。2019I B T C

中部引水工程实施之前，我国岩石掘进机（TBM）完全依赖进口、核心技术受制于国外制造商。为打破这一局面，国家科技部将敞开式TBM列入“十二五”国家863计划和973计划进行研究。自2014年12月27日和2015年1月26日铁建重工和中铁装备各自研制生产的第一台TBM掘进机下线，通过中部引水工程“这块试验田” 实践检验，国产设备从选型、设计、制造、使用、售后等应该是非常成功的，在设备研究、制造和使用过程中，中部引水工程为TBM“中国制造向中国创造转变” 、” “中国产品向中国品牌转变” 做出了一定贡献。目前TBM掘进机自主制造的发展势头良好，已成为中国制造的一颗璀璨明珠，让我们共同努力，将中国这个TBM大国建设为TBM强国！

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