本文出品 網易新聞
作者| 須臾千秋， 清華大學土木工程博士
本文轉自“了不起的中國製造”
引言：
一說起中國的南水北調、三峽大壩等巨大的水利工程， 網上就有人跳起來大罵， 說破壞自然， 浪費納稅人的錢。 鄭國渠、都江堰、京杭大運河都是我國歷史上有名的人工水利大工程， 這些工程當時也有比現代噴子厲害得多的反對人士強烈反對， 但是， 歷史證明這些都是功在當代、利在千秋的偉大工程。 現在， 國家從民族長遠發展的視野， 規劃並實施了一些以往局限於技術想都不敢想的大工程， 又怎麼是夏蟲和鼠目們思維所能及的呢？
中國缺水嗎？
缺， 也不缺。 所謂缺水， 是指中國北方氣候乾旱， 人均水資源佔有量低， 人民的生產生活， 尤其是農業生產常常受到水資源不足的制約。 而所謂不缺水， 是指中國南方氣候潮濕， 雨量充足， 許多地方不僅不缺水， 還時常發生洪澇災害。
分佈不均的水資源嚴重制約了中國的經濟建設， 因此早在60年前， 毛澤東視察黃河時就提出了“南水北調”的構想。
事實上， 南水北調不僅僅是將長江流域的水引入缺水的北京地區， 而是一個涉及全國的系統性工程。 其中， “引漢濟渭”就是陝西省的南水北調工程。
陝西省是中國水資源分佈不均的一個縮影， 人口占全省77%的關中、陝北地區， 水資源只占全省的29%。 特別是處在渭河流域的關中地區， 歷史上一直是以富饒著稱的八百里秦川， 目前年均缺水17.3億立方米， 缺水程度達34%。
由於水資源嚴重短缺， 關中地區長期以超采地下水、犧牲生態水為代價來維持經濟社會的發展， 渭河已經保證生態流量甚至斷流，
從長江引水去北京還算容易：讓水沿著運河一路向北流到北京就好了。
（一）史上最長的穿山隧道將水引過秦嶺
想要引水進關中， 就只能把秦嶺鑿穿。
依照規劃， 漢江的水從三河口水利樞紐中出來， 就需要穿過81.6公里的秦嶺主脊， 這是人類首次嘗試從底部橫穿世界十大主要山脈之一的秦嶺。 其中， 隧道的設計出口延伸段全長3493米， 地質條件極為複雜、施工難度極大、不可預見因素極多。
這麼長而複雜的穿山引水隧道， 可以說是空前絕後。
（秦嶺主脊）
由於秦嶺主脊海拔高而且非常陡峭， 隧道的埋深很大， 因此無法從中間打支洞進去施工， 只能從兩側僅有的兩個工作面硬生生地各挖四十公里。 這麼長的距離相當於已經與外界相隔一座北京城了， 通風、排水、測量、物資運輸都很成問題。 尤其是遠距離的隧道通風， 是隧道施工領域的世界性難題。
由於空氣無法對流，有毒有害氣體、煙霧和粉塵很容易在隧道內堆積，嚴重危害人員健康。在施工過程中，工程隊創造性地建設了多級風站，在隧洞內3000米處建立了壓風站並配套建設了專門服務隧道通風的變電站，滿足了施工通風需要。
由於隧道開挖實在太長，施工人員每次進場施工都要先乘中巴車前行一段，再換乘隧道小火車，接近一個小時才能進入施工區。
（長距離隧道的人員運輸與物資調配是施工的一大難點）
（二）挖隧道，多虧了國產首台大直徑全斷面硬岩隧道掘進機
按照規劃，秦嶺引水隧道的年引水量應達到15億立方米，相當於每秒75立方米，才能補足關中地區的用水缺口。為了達到這一設計，隧道的斷面尺寸需為直徑7.5米的馬蹄形，與公路隧道尺寸相當。隧道處的沿途結構以堅硬岩石為主，因此施工方選用了TBM盾構法進行施工。
國產首台全斷面隧道掘進機（TBM）“長春號”
TBM盾構法與普通盾構法不同，它採用全斷面掘進法，用於岩石地層的挖掘。相比起普通盾構機，TBM因其對設備的可靠性和長壽命要求極高，被稱為工程機械的“掘進機之王”。
秦嶺隧道使用的盾構機掘進力可達1.7萬千牛，相當於四列滿載的復興號高鐵的重量。
在岩石地層中，如果採用傳統打眼爆破的鑽爆法，每月開挖距離在100米左右，要到2050年才能挖完整座秦嶺引水隧道。而採用TBM盾構法，每月最快可以掘進1000米，四年即可將隧道全部打通。
大直徑全斷面岩石隧道掘進機是國之重器。從1996年中國引入第一台TBM以來，這一設備一直被國外壟斷。2011年，鐵建重工與浙江大學等高校以及施工方中鐵十八局攜手研發國產TBM，突破了大功率、變載荷、高精度電液控制系統設計與集成、關鍵部件狀態監測等核心技術，最終於2014年底生產出了擁有自主智慧財產權的國產首台大直徑全斷面硬岩隧道掘進機“長春號”。
它可以克服隧道建設中長距離、大埋深、高應力、高地溫、大湧水、易岩爆這些經典難題，尤其適用於引水隧道的開挖工程。
（TBM盾構機工作示意圖）
TBM盾構機可不僅有切削岩體這一個功能。
它在切削岩石時會發出特定的地震波，被前方岩體反射回來後，施工隊使用一種特殊的感測器接受並進行處理，就可以對工作面前方的地質條件，包括岩石種類、地下水、裂隙等情況形成預測，進而提早展開應對。
（三）引水隧道的最大難題居然是水
然而，僅有盾構機是遠遠不夠的。TBM不怕堅硬的岩石，但卻很難對付鬆軟的流沙。
秦嶺引水隧道的挖掘區域內雖然主要是堅硬的岩石，但其中也不乏斷裂帶和破碎岩體。秦嶺山體中的地下水就沿著這些裂隙進入施工中的隧道中來。雖然引水隧道本身不像公路隧道那樣怕水，但這些湧水還是會給施工帶來非常大的麻煩，甚至造成危險。
在秦嶺隧道的北側工程掘進到一半的時候，就出現了大量地下水裹挾著流動的砂石，將盾構機死死卡住，不僅不能繼續掘進，連後退也不行，並在盾構機的前方形成了無法判斷的巨大空腔。一旦空腔發展過大，很容易造成隧道的嚴重塌方，嚴重威脅施工安全。
（施工隧道穿過流沙體）
工程部決定，採用人工開挖縱向小導洞的方式，開挖一點支護一點，在縱向穿過破碎帶以後再進行環向開挖，進而覆蓋整個破碎帶。最終，在人工開挖出1500立方米的砂石並成功澆築混凝土支撐了全部鬆散體後，才將TBM盾構機解救出來，恢復掘進。
（人工開挖的縱向及環向小導洞）
地下水帶來的問題，嶺南一側也不能倖免。
嶺南側的掘進過程中遭遇了一次特大湧水，湧水量達到了每天4.6萬立方米，而隧道內的設計排水量只有每天1.2萬立方米。在水位最高時一度距離水泵電氣櫃高度只有2釐米。電氣櫃一旦被淹，整台價值2.5億元的TBM盾構機將徹底毀壞。
因此，工程部緊急搶裝了多台水泵，修了無數個小水壩來排水、堵水。
（隧道湧水）
然而，如此大量的湧水，意味著附近的山體內事實上存滿了水，單靠抽是不可能抽得完的。隧道內的情況非常危險，工作人員只能坐著橡皮艇前去搶險。經過一千多人兩個多月的奮戰，採用注漿堵水的辦法，終於攻克了湧水難題，水位最終得以回落。
除了水帶來的問題，南北兩側的施工隊還在不斷地遭受岩爆的侵襲。這是一種岩體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下的突然猛烈釋放，導致岩石爆裂並彈射出來的現象。
隨著掘進深度的逐漸增加，隧道頂向上的山體也越來越厚。厚重的山體及其中的地下水會將山體內部的空氣壓縮成高壓氣團。一旦開挖到了氣團的附近，薄弱的岩石就會被高壓氣團爆開。
（岩爆很容易引發塌方並飛石傷人，十分危險）
掘進越深，工程隊遭遇的岩爆就越多，強度也越大。最嚴重的岩爆飛出的碎石速度堪比子彈，極其危險。在岩爆威脅下，普通安全帽的防護是無效的。為了避免被飛石砸傷，隧道中的施工人員都是頭戴鋼盔，身穿防彈衣進行作業的。
到目前為止，洞內先後出現較大湧水4次、塌方7次。但即使在這樣艱苦的環境下，施工隊仍然在連續安全生產2175天，保持零傷亡的基礎上，將主洞工作量完成了總目標的85%，超額完成了預期目標，並屢次打破TBM的世界掘進記錄。
結語
按工程計畫，秦嶺輸水隧洞將於2019年全線貫通，西安市民將於次年喝上漢江水。
到2030年，“引漢濟渭”工程完工後調水總量可達到15億立方米，可讓關中1400萬人喝上乾淨衛生的優質漢江水，讓失灌的500萬畝良田有水可灌，並為陝北國家能源化工基地建設提供水資源保障。
漢江水還能有效地保護關中已經嚴重報警的地下水，幫助恢復生態環境。
由於空氣無法對流，有毒有害氣體、煙霧和粉塵很容易在隧道內堆積，嚴重危害人員健康。在施工過程中，工程隊創造性地建設了多級風站，在隧洞內3000米處建立了壓風站並配套建設了專門服務隧道通風的變電站，滿足了施工通風需要。
由於隧道開挖實在太長，施工人員每次進場施工都要先乘中巴車前行一段，再換乘隧道小火車，接近一個小時才能進入施工區。
（長距離隧道的人員運輸與物資調配是施工的一大難點）
（二）挖隧道，多虧了國產首台大直徑全斷面硬岩隧道掘進機
按照規劃，秦嶺引水隧道的年引水量應達到15億立方米，相當於每秒75立方米，才能補足關中地區的用水缺口。為了達到這一設計，隧道的斷面尺寸需為直徑7.5米的馬蹄形，與公路隧道尺寸相當。隧道處的沿途結構以堅硬岩石為主，因此施工方選用了TBM盾構法進行施工。
國產首台全斷面隧道掘進機（TBM）“長春號”
TBM盾構法與普通盾構法不同，它採用全斷面掘進法，用於岩石地層的挖掘。相比起普通盾構機，TBM因其對設備的可靠性和長壽命要求極高，被稱為工程機械的“掘進機之王”。
秦嶺隧道使用的盾構機掘進力可達1.7萬千牛，相當於四列滿載的復興號高鐵的重量。
在岩石地層中，如果採用傳統打眼爆破的鑽爆法，每月開挖距離在100米左右，要到2050年才能挖完整座秦嶺引水隧道。而採用TBM盾構法，每月最快可以掘進1000米，四年即可將隧道全部打通。
大直徑全斷面岩石隧道掘進機是國之重器。從1996年中國引入第一台TBM以來，這一設備一直被國外壟斷。2011年，鐵建重工與浙江大學等高校以及施工方中鐵十八局攜手研發國產TBM，突破了大功率、變載荷、高精度電液控制系統設計與集成、關鍵部件狀態監測等核心技術，最終於2014年底生產出了擁有自主智慧財產權的國產首台大直徑全斷面硬岩隧道掘進機“長春號”。
它可以克服隧道建設中長距離、大埋深、高應力、高地溫、大湧水、易岩爆這些經典難題，尤其適用於引水隧道的開挖工程。
（TBM盾構機工作示意圖）
TBM盾構機可不僅有切削岩體這一個功能。
它在切削岩石時會發出特定的地震波，被前方岩體反射回來後，施工隊使用一種特殊的感測器接受並進行處理，就可以對工作面前方的地質條件，包括岩石種類、地下水、裂隙等情況形成預測，進而提早展開應對。
（三）引水隧道的最大難題居然是水
然而，僅有盾構機是遠遠不夠的。TBM不怕堅硬的岩石，但卻很難對付鬆軟的流沙。
秦嶺引水隧道的挖掘區域內雖然主要是堅硬的岩石，但其中也不乏斷裂帶和破碎岩體。秦嶺山體中的地下水就沿著這些裂隙進入施工中的隧道中來。雖然引水隧道本身不像公路隧道那樣怕水，但這些湧水還是會給施工帶來非常大的麻煩，甚至造成危險。
在秦嶺隧道的北側工程掘進到一半的時候，就出現了大量地下水裹挾著流動的砂石，將盾構機死死卡住，不僅不能繼續掘進，連後退也不行，並在盾構機的前方形成了無法判斷的巨大空腔。一旦空腔發展過大，很容易造成隧道的嚴重塌方，嚴重威脅施工安全。
（施工隧道穿過流沙體）
工程部決定，採用人工開挖縱向小導洞的方式，開挖一點支護一點，在縱向穿過破碎帶以後再進行環向開挖，進而覆蓋整個破碎帶。最終，在人工開挖出1500立方米的砂石並成功澆築混凝土支撐了全部鬆散體後，才將TBM盾構機解救出來，恢復掘進。
（人工開挖的縱向及環向小導洞）
地下水帶來的問題，嶺南一側也不能倖免。
嶺南側的掘進過程中遭遇了一次特大湧水，湧水量達到了每天4.6萬立方米，而隧道內的設計排水量只有每天1.2萬立方米。在水位最高時一度距離水泵電氣櫃高度只有2釐米。電氣櫃一旦被淹，整台價值2.5億元的TBM盾構機將徹底毀壞。
因此，工程部緊急搶裝了多台水泵，修了無數個小水壩來排水、堵水。
（隧道湧水）
然而，如此大量的湧水，意味著附近的山體內事實上存滿了水，單靠抽是不可能抽得完的。隧道內的情況非常危險，工作人員只能坐著橡皮艇前去搶險。經過一千多人兩個多月的奮戰，採用注漿堵水的辦法，終於攻克了湧水難題，水位最終得以回落。
除了水帶來的問題，南北兩側的施工隊還在不斷地遭受岩爆的侵襲。這是一種岩體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下的突然猛烈釋放，導致岩石爆裂並彈射出來的現象。
隨著掘進深度的逐漸增加，隧道頂向上的山體也越來越厚。厚重的山體及其中的地下水會將山體內部的空氣壓縮成高壓氣團。一旦開挖到了氣團的附近，薄弱的岩石就會被高壓氣團爆開。
（岩爆很容易引發塌方並飛石傷人，十分危險）
掘進越深，工程隊遭遇的岩爆就越多，強度也越大。最嚴重的岩爆飛出的碎石速度堪比子彈，極其危險。在岩爆威脅下，普通安全帽的防護是無效的。為了避免被飛石砸傷，隧道中的施工人員都是頭戴鋼盔，身穿防彈衣進行作業的。
到目前為止，洞內先後出現較大湧水4次、塌方7次。但即使在這樣艱苦的環境下，施工隊仍然在連續安全生產2175天，保持零傷亡的基礎上，將主洞工作量完成了總目標的85%，超額完成了預期目標，並屢次打破TBM的世界掘進記錄。
結語
按工程計畫，秦嶺輸水隧洞將於2019年全線貫通，西安市民將於次年喝上漢江水。
到2030年，“引漢濟渭”工程完工後調水總量可達到15億立方米，可讓關中1400萬人喝上乾淨衛生的優質漢江水，讓失灌的500萬畝良田有水可灌，並為陝北國家能源化工基地建設提供水資源保障。
漢江水還能有效地保護關中已經嚴重報警的地下水，幫助恢復生態環境。