“巨龙”含清泉 润泽大湾区 设计团队牵头人解读珠三角水资源配置工程科技亮点
未来，将运用水下机器人对输水管道进行巡检。
已铺上管片的部分隧洞实景图。
粤海珠三角供水公司供图
一声开工令下，机器轰鸣，吊臂此起彼伏。近期，广州南沙，狮子洋畔，珠三角水资源配置工程（以下简称“珠三角工程”）全面开工。珠江口对岸，深圳公明水库旁，开工一年多的工程试验段塔吊耸立，盾构机不断掘进，贯通的部分隧洞如长龙般向前延伸，不见尽头。
这项粤港澳大湾区又一超级工程，将把清澈的西江水东送，为广州南沙及上百公里外的东莞、深圳“解渴”。这项工程的延伸线还将与供应香港的东深供水工程输水管道交汇，在应急情况时，可为香港提供备用水源。
作为国务院部署的全国172项重大水利工程之一与《粤港澳大湾区发展规划纲要》明确要求加快推进的标志性项目工程，珠三角工程是广东历史上投资规模最大、输水线路最长、受水区域最广的水利工程，也是世界上输水压力最大且盾构隧洞最长的调水工程。
“在如此长距离、复杂地质条件下建造如此大规模、超高压深层调水工程，这在我国水利史上绝无仅有，在世界水利史上也极为罕见。”广东省水利电力勘测设计研究院副总工程师严振瑞说。近日，作为设计团队牵头人，负责该工程全过程勘察设计的严振瑞接受南方日报记者专访，揭开珠三角工程蕴藏的高科技创新奥秘。
选址
地下深埋穿城过海节约近2万亩土地
从地图上看，珠三角工程总长度113.2公里的输水线路，宛如一条横贯粤港澳大湾区的巨龙——将承载西江水源源不断地送往珠江口东岸，从西向东相继穿过佛山顺德、广州南沙以及珠江口狮子洋后，直抵东莞、深圳。
记者了解到，珠三角工程旨在解决广州南沙、东莞、深圳生活生产缺水问题，提高供水保证程度，同时为香港及广东省番禺、顺德等地提供应急备用供水条件。工程建成后将覆盖粤港澳大湾区3000万人口。
在严振瑞看来，珠三角工程现阶段着力攻克的八大难点，凝聚着大量科技创新亮点。这些特点与难点并非一成不变，而是动态发展、动态管理、适时调整。
“首个难点，是工程要穿越珠三角核心城市群，还有众多江河湖海和铁路公路，线路选址难度大。”严振瑞回忆，从2014年到2018年，工程线路的选址规划进行了几十轮协调与优化调整。
最终确定的线路沿线，仍需穿越村居61处，铁路/地铁12处（5运营、7在建/规划），高速公路/城市快速路23处，100米以上河流16处。
如按照以往经验，考虑到成本，调水工程更多采用地上明渠的方式，但珠三角工程为最大程度减少对沿线土地及生态环境的影响，采用了深埋隧洞方案，全程“走”地下。相比明渠输水方式节约88%的土地资源（直接减少征地约19400亩），相当于近30个天安门广场的面积。这样可将地表和浅层地下空间资源留给市政、电力、电信、煤气等管网以及地铁建设。
然而，珠三角地区素有“地质博物馆”之称，这带来的第二个难题是：长距离深埋盾构隧洞施工难度大，风险高。难上加难的是，工程还需从水下穿越珠江出海口狮子洋，进行长距离跨海盾构施工，这也是整个珠三角工程的咽喉工程。
近日，记者来到珠三角工程跨海盾构施工的B3标段。在南沙大桥西南侧的珠江口畔，多台挖掘机正在平整土地。未来，盾构机将从这里掘进，途径海鸥岛穿越狮子洋，建起连通南沙和东莞之间的管道。
“连续穿越近7公里长的狮子洋底，要经过12条水下断裂破碎带等不良地层，克服强透水地层高水压渗水可能引发的隐患，其施工难度在国内乃至世界盾构施工中都极为罕见。”中铁隧道局珠江三角洲水资源配置工程项目部副总经理张磊表示。
严振瑞透露，工程设计方在前期对输水线路进行了详细勘察，对输水隧洞的埋深和纵向布置进行了多方案的反复论证，选择相对有利的地层，隧洞基本上在岩层中穿越。同时，对施工单位的经验和资质提出严格要求。例如，穿越狮子洋的B3标段，就是由这方面经验最丰富的中铁隧道局负责施工。此前，这家单位在广深港铁路狮子洋隧道、佛莞城际铁路中，已两次成功穿越狮子洋。
建设
输水压力最高盾构隧洞最长
线路选址和深埋隧洞方案的确定，仅是工程开建的第一步。
为给工程全面动工探路，早在2017年10月，珠三角水资源配置工程试验段就在深圳公明水库旁动工。近日，记者来到试验段现场，339米的结构性试验段隧洞在2018年10日23日已贯通，而工艺性试验段已掘进300多米，明年有望贯通。
实施工艺性试验段项目，是为主体工程积累双层衬砌盾构隧洞施工以及洞内钢管运输、焊接、自密实砼浇筑等方面的施工工艺经验。所谓衬砌，是指支持和维护隧道长期稳定和耐久性的永久结构物。珠三角工程深埋高压输水盾构隧洞衬砌结构设计，目前国内外均缺乏成熟的理论依据和成功案例，隧洞衬砌设计也正是该工程的第三个难点。
严振瑞介绍，地铁隧道在地下20米左右，平原和丘陵地区输水工程管道一般埋深不超过10米，珠三角工程隧洞深埋于地下40米—60米。“埋得越深，外部压力越大。此外，隧洞还要承受管内水流压力，内外水压力高，隧洞衬砌设计难度大。”
他举例说，盾构施工输水管道中，目前国内建成的南水北调穿黄工程、上海青草沙水源地原水工程和广州西江引水工程输水内压大多小于0.55兆帕，而珠三角工程最大为1.5兆帕，它也是世界上输水压力最高且盾构隧洞最长的调水工程。
在试验段建设过程中，建设单位将盾构隧洞结构设计为盾构管片和内衬结构两部分。记者看到，盾构机贯通的隧洞内已在掘进过程中同步安装上了一层管片，还有施工人员在上面安装各种传感器。
安装衬砌管片后的隧洞直径约为5.4米，输水钢管直径为4.8米，在漫长的输水隧洞中，钢管需要分段运入，调整方向并焊接。内衬钢管在隧洞内狭小空间的运输、安装技术难度高。
“对此，试验段施工单位广东水电二局研发了洞内运输、安装的专用工具车和焊接机器人等。”严振瑞说，如果用人工焊接，24小时只能焊一圈，且焊接质量因人而异，用机器人焊接质量更稳定，工期更有保障。之后，钢管与管片间还将填充自密实混凝土，既能提高钢管抗外压稳定性能，也能分担一部分内水压力。此外，衬砌工程实施前，建设单位还开展了钢管防腐方案的专题论证，并将针对预应力衬砌开展相应的结构和工艺试验。
目前，在试验段实施的这些技术经验证和进一步优化，将推广应用到珠三角工程主体工程建设中。
输水
研制高效水泵机组适应流量扬程变化
如果说上百公里的输水线路相当于血管，西江水就相当于血液，要将“血液”源源不断地向东输送，就需要泵站作为“大心脏”来加压提供动力，并按需调节流量。
根据工程设计，输水线路将新建鲤鱼洲、高新沙、罗田共3座泵站，分别配备8台、6台、4台机组。其中，鲤鱼洲泵站位于水源地旁，用于取水加压输送至位于南沙的高新沙水库；高新沙泵站则从高新沙水库取水加压接力向东输送至深圳市罗田水库，罗田泵站从罗田水库取水加压输往深圳市公明水库。
严振瑞介绍，受水源条件限制及工程各受水区不同时期的供水需求不同，工程输水流量变化幅度为20立方米/秒至80立方米/秒，加上管道长期运行的阻力变化因素，水泵系统需要适应16米—48米的扬程（即提水高度）变化范围，水泵机组选型异常困难。
为解决该问题，一方面通过系统的工程布置（如取水泵站根据地形条件设置高位水池）减少泵站的扬程变化幅度；另一方面结合变频技术，通过水泵模型开发，研制适应宽扬程变幅的高效水泵机组。
■数读
工期：5年
投资：354亿元
总长：113.2公里
覆盖：3000万人口
埋深：40—60米
■工程答疑
1.为何不用明渠输水，采用深埋隧洞方案？
2.为何工程深埋地下40米—60米？
3.工程渣土如何处理？
4.输水管道通水之后，工程如何检修维护？
1.为何不用明渠输水，采用深埋隧洞方案？
全程“走”地下，相比明渠输水方式可节约88%土地资源，相当于直接减少征地近2万亩，面积约等于30个天安门广场。
2.为何工程深埋地下40米—60米？
平原和丘陵地区输水工程管道一般埋深不超10米，地铁隧道约在地下20米。珠三角水资源配置工程深埋于地下40米到60米，这样可将地表和浅层地下空间资源留给市政、电力、电信、煤气等管网以及地铁建设。
3.工程渣土如何处理？
工程将产生约1400万立方米渣土。对此，工程方首先开展技术攻关，研究减少工程弃渣量，如将其改良用于工程本身，如高新沙水库筑坝等；其次，研究渣土资源化利用，如经筛分、压滤等处理成可利用的建筑回填用土或压制成免烧砖等，变废为宝。
4.输水管道通水之后，工程如何检修维护？
首先，拟通过先进的监测和检测设施，减少人工检修频次。其次，设置专门检修排水、通风和交通设施，必要时排干水（用时2—3天）检修。第三，拟研发专用水下机器人进行检查、清淤维护等工作。
■现场直击
信息化助力
超级工程
远程精准监控
地图上闪烁盾构机的行进位置，掘进进度数据不断刷新；部分贯通的隧洞、井口等关键部位均有视频监控，人员进出、物料供应情况随时可见；扬尘、噪声等环境数据变化也一目了然……
在距离施工现场70公里外的广东省水利电力规划勘测设计研究院的监控室内，记者看到“珠三角工程试验段智能感知系统”的屏幕上，显示着工程的各种安全监测数据、实时视频及三维动画信息。
这是珠三角工程以“GIS+BIM”为核心技术，建立全生命周期信息化管理内容之一的智慧水利工程的一个缩影。
严振瑞介绍，BIM字面意思是建筑信息模型，传统的建筑设计图是平面的，BIM是通过三维可视化技术，实现各专业协同设计。而GIS则是地理信息系统，整套工程模型都有地理坐标，可以精确定位。
据悉，全生命周期信息化管理是指这套信息系统贯穿于工程的设计、施工到竣工后的运营，实行动态监测，信息不断更新。同时，依托工程中成千上万个传感器，加上5G高速传输建立的物联网体系，全过程监控工程状况。在运营期，可实现可视化的电子巡查。
在5月6日工程全面开工当天，通过这套信息化管理系统，深圳、东莞、佛山顺德三个分会场与广州南沙主会场形成双向实时互动，使得该工程成为国内首个运用“BIM+GIS+5G”创新技术的大型水利工程。
未来，这些技术将从试验段推广到整个工程，实现工程建设全覆盖、全过程的网络化、智能化管理。待工程建成后，通过大数据分析，还可提高输水安全性和经济性，例如白天电价与晚上电价存在差异，通过智慧物联网精准控制不同时段的取水和输水流量，可实现运行成本降低。
南方日报记者谢庆裕通讯员粤水轩单小亮策划/统筹：郎国华张志超
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