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南水北调东线穿黄河工程方案的论证与确定

南水北调东线穿黄河工程方案的论证与确定

刘宁

(中华人民共和国水利部,北京100053)

作者简介:

刘宁(1962)男,辽宁丹东人,教授级高级工程师,工学博士。

水利部总工程、师.主要从事水利水电工程的规划、设计和技术管理工作。

摘要:

穿黄河工程是南水北调东线工程的关键性控制工程。

通过简述穿黄河工程的论证过程和穿黄探洞的有关情况,着重介绍了有关输水规模、穿黄河工程进出口设计水位、过河线路、过河方式、隧洞洞径及工程布置型式等主要关键技术问题的研究选定,并针对性地提出了一些看法和建议。

关键词:

南水北调;东线工程;穿黄河工程

中图分类号:

TV68文献标识码:

A文章编号:

1672—1683(2008)02—0001—07

SchemeDemonstrationandConfirmationofCross-YellowRiver

ProjectoftheEastRouteoftheSouth-to-NorthWaterTransferProject

LIUNing

(MinistryofWaterResources,Beijing100053.China)

Abstract:

TheCross-YellowRiverProjectisthecriticalcontrolworkoftheEastRouteoftheSouth-to-NorthWaterTransferProject.Thisthe-sis,byintroducingtheschemedemonstrationand

confirmationofcross-YellowRiverprojectandtherelativeinformationoftheprobinghole.focusesonthekeytechniquefactorsinfluencingtheschemeselectionofcrossingontheYellowRiverincludingthetransferscale,thedesignwaterleveloftheimportandexport,fiverregime,typeofstructure,tunneldiameterandprojectlayout.Meanwhile,theadvicesandsuggestionsrelatedarepertinentlybroughtforwardbythethesis.

Keywords:

South-to-NorthWaterTransferProject;EastRoute;cross-YellowRiver

1研究背景

南水北调工程是解决我国北方水资源严重短缺问题的重大战略举措,也是关系到我国经济社会可持续发展的特大型基础设施。

从20世纪50年代初提出“南水北调”的设想,经过近半个世纪的前期工作,对东线、中线、西线的调水水源、调水线路和供水范围等进行了广泛深入的研究论证,形成了南水北调东线、中线、西线与长江、黄河、淮河和海河四大江河相互联接的“四横三纵”的工程总体布局。

2002年10月国家发展计划委员会和水利部联合向国务院上报了《南水北调工程总体规划》,2002年12月23日国务院批复了《南水北调工程总体规划》,原则同意《南水北调工程总体规划》,要求根据前期工作的深度,先期实施东线和中线第一期工程。

2004年6月16—22日《南水北调东线第一期工程项目建议书》在北京顺利通过水利部水利水电规划设计总院(以下简称水规总院)审查,并于2004年10月17—23日通过中国国际工程咨询公司评估。

2005年11月15—20日,《南水北调东线第一期工

程可行性研究总报告》通过水规总院主持的审查。

2002年12月27日东线第一期工程江苏三阳河、潼河、宝应站工程及山东济平干渠工程开工建设,标志着南水北调工程已历史性地

由规划研究阶段转为实施阶段。

1998年以来,华北地区持续干旱,严重缺水,对经济社会

发展和生态环境都造成重大影响。

山东半岛和黄河以北的鲁北地区、河北省、天津市是我国北方严重缺水的地区,也是南水北调东线工程规划的主要供水区。

南水北调东线工程规划

从江苏省扬州附近的长江干流引水,利用京杭大运河以及与其平行的河道输水,连通洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖作为调蓄水库,经泵站逐级提水进入东平湖后,分水两路,一路向

北穿过黄河后自流到天津;另一路向东自流经胶东半岛输水干线向山东半岛供水。

东线工程规划分三期实施。

第一期工程利用江苏省江水北调工程,扩大规模,向北延伸,向山东省

鲁北和胶东地区供水,抽江500m3/s、过黄河50m3/s、送胶东50m3/s;第二期工程在第一期工程基础上扩大北调规模,供水范围扩展到河北省和天津市,抽江600m3/s、过黄河100

m3/s、到天津50m3/s、送胶东50m3/s;第三期工程在第二期工程基础上继续扩大规模,实现抽江800m3/s、过黄河200m3/s、到天津100m3/s、送胶东90m3/s的最终规模。

穿黄河工程工程位于山东省东平、东阿两县境内,黄河下游中段,地处鲁中南山区与华北平原接壤带中部的剥蚀堆积孤山和残丘区。

穿黄河工程是南水北调东线第一期工程的重要

组成部分,是南水北调东线的关键控制性项目,也是东线工程中技术难度高、施工条件复杂、施工工期较长的工程。

项目建设的主要任务是打通东线穿黄河隧洞,连接东平湖和鲁北输水

干线,调引长江水至鲁北地区,并达到向冀东、天津应急供水的条件。

随着东线工程进入实施阶段,穿黄河工程作为东线工程的控制性项目,真正成为了制约东线第一期工程能否实现调水过黄河目标的关键。

对此,有关单位进行了大量的方案比较、地形测量、地质勘探、规划设计以及科学试验等前期工作,在科学、严谨论证的基础上,不断调整完善东线穿黄河工程的设计方案。

尤其是穿黄探洞的开挖成功,为东线工程的方案论证与决策提供了科学依据,并为穿黄隧洞工程的建设提供了详实的地质勘察资料,打下了良好的基础。

2007年12月28日,南水北调东线穿黄河工程正式开工建设。

2东线穿黄河工程论证过程及穿黄探洞

从1973年研究东线调水工程肘就开始了对过黄河的方式、位置的研究。

1977年11月水电部规划设计管理局组织黄河中下游查勘并召开查勘讨论会,同意1976年《南水北调近期规划报告》中关于穿黄的方式和位置的意见,并提出应采用多种手段进行地质勘探,以查明穿黄枢纽处河床的工程地质及水文地质条件。

1978年3月,原水利电力部下发穿黄河工程的设计任务书,对穿黄方式和线路进行重点比较。

1978--1980年,原水电部第十三工程局设计院对比选线路进行了大量勘测和设计比较工作。

经比选后,重点研究在解山和位山之间黄河河底开挖隧洞的立交方案,但因当时对河底岩溶发育及水文地质情况了解还不够清楚,故提出在河床底部开挖一条穿黄探洞。

开挖穿黄探洞成了当时选定穿黄线路的关键。

1979年10月,水利部规划设计管理局正式给水利部天津水利水电勘测设计研究院(以下简称天津院)下达了穿黄探洞的设计任务。

1980年5月天津院完成了《南水北调(东线)穿黄隧洞工程勘探试验洞初步设计报告》。

后因国家经济处于调整时期,暂时无力进行南水北调工程建设,探洞施工也暂缓进行。

1984年6月天津院完成了《勘探试验洞初步设计补充修改报告》,并得到批复,同意勘探试验洞的任务,探洞建设由天津院负责,由水电五局承包施工,勘探试验洞自1985年6月开工,1988年1月底完工。

通过开挖探洞进一步查明了河底地质构造和岩溶发育等地质情况,落实了在岩溶地区采用超前灌浆堵水开挖水下隧洞的施工方法。

在探洞施工过程中同时还进行了多项科学试验工作,取得了大量第一手资料,为南水北调东线的关键工程——穿黄隧洞工程的设计与施工提供了可靠的科学依据。

穿黄探洞工程顺利完工后,原水电部于1988年3月给国家计委发了“关于请求批准建设南水北调东线二期工程穿黄试验洞的报告”,并指示天津院要在穿黄探洞工程已取得成功的基础上,结合南水北调二期工程,作为一个试验洞将穿黄探洞扩建成能过200m3/s流量的永久工程。

后根据原国家计委意见,为避免投资积压未进行兴建。

1989年6月天津院编制完成了《南水北调东线穿黄工程(过黄河50m3/s流量)设计报告》,并于当年9月通过水规总院的审查和批复,提出为使输水留有余地将正式洞径增大。

1990年10月水利部下达“关于南水北调东线穿黄勘探洞加固工程设计的批复”,同意穿黄隧洞南岸竖井、北岸斜井按永久断面一次建成,平洞段按临时断面扩挖。

由于种种原因,工

程中途停工,探洞从此转人维护时期。

1990年组建穿黄探洞管理局,负责探洞维护。

天津院于1994年8月和11月分别完成了《南水北调东线穿黄探洞防汛加固工程设计报告》和《南水北调东线穿黄探洞度汛应急工

程维护、管理设计专题报告》。

作为此后管理、维护的依据。

由于探洞施工时形成的灌浆阻水帷幕和喷锚支护均属临时措施,经多年的高压地下水的溶蚀作用,原阻水帷幕的阻水效果

逐渐变差,1999年8月30日探洞水仓水泵房发生了突然涌水。

对此,国家防总和水利部领导极为重视,并立即做出:

“穿黄探洞一直是黄河防洪的心腹之患,这次一定要拿出一劳永

逸的治理方案,……”的重要指示。

1999年9月底天津院提出了《南水北凋东线穿黄探洞加固工程方案设计报告》,并通过了水规总院的审查。

1999年12月完成了穿黄探洞加固工

程即按永久工程断面进行全面灌浆的设计,提出了《位山穿黄探洞应急加固工程初步设计报告》。

1999年12月8—9日,经水规总院组织审查通过。

后经水利部批准,该工程于2000

年1月开工,并于2000年6月底全部完工。

2000年7月通过了水利部组织的工程投入使用验收。

该工程对穿黄探洞按扩建为大洞断面的要求进行全面的灌浆补强,在确保黄河大堤安全的同时也为穿黄隧洞在无水状态下进行常规开挖与衬砌创造了有利条件。

2002年12月国务院批准《南水北调工程总体规划》。

2003年3月水利部办公厅分别下发了关于印发《水利部2003年南水北调工程前期工作会议纪要》的通知和《关于进一步加

强南水北调工程前期工作的通知》,明确指出在《南水北调东线第一期工程项目建议书》和《南水北调东线第一期工程可行性研究报告》未正式批复以前,东线穿黄河工程等若干项2003年拟开工的单项工程,必须完成项目建议书、可研、初步设计等前期工作,以满足工程立项与建设的需要。

2003年5月底天津院完成了《南水北调东线第一期穿黄河工程可行性研究报告》,2003年7月经过规划总院审查,在对报告中有关工程规模、进出口设计水位、东平湖泥沙分析、湖内清淤段过流能力以及工程占地范围与实物指标等进行了重点补充和完

善后,提出了《南水北调东线第一期穿黄河工程可行性研究报告(修订稿)》,2005年1月经过中国国际工程咨询公司(简称中咨公司)评估,2006年2月17日得到国家发展和改革委员

会批复。

2003年10月完成了《南水北调东线第一期穿黄河工程初步设计报告》,2006年6月通过了水规总院的审查,随后在审查意见的基础上,完成了《南水北调东线第一期穿黄河

工程初步设计报告》(修定)。

2007年4月6日,水利部批复了《南水北调东线一期工程穿黄河工程初步设计报告》。

3东线穿黄河工程关键问题的研究选定

3.1输水规模

南水北调东线规划拟分三期实施。

一期过黄河流量50m3/s,二期过黄河流量100m3/s,三期过黄河流量200m3/s。

一、二期工程设计水平年为2010年,三期工程设计水平年为2030年,考虑到穿黄河工程较复杂,施工期长,一、二期设计水平年相同,结合工程建设条件,对穿黄河工程的建设分期进行了重点研究。

穿黄河工程作为东线的一项枢纽工程,由于特定的工程建设条件,使得该工程必须与已建的东平湖玉斑堤、黄河南大堤(子路堤)、黄河北大堤、位山引黄渠、220国道等多次立体交叉,并穿越黄河主槽。

因此,如果工程建设分期不当,将造成工程总体布置与结构的不合理,以及增加施工的难度和投资的浪费,也不利于黄河的防洪安全。

出湖闸和滩地埋管进口段作为东平湖玉斑堤和黄河南大堤(子路堤)的穿堤建筑物,必须满足堤防防洪的要求,防洪主管部门强调不宜过多分期建设;穿黄隧洞将穿越黄河主槽及北大堤,更是黄河防洪的关键,尽量一次建成;位山东、西引黄渠担负着向沿渠地方灌溉和向河北省供水及向天津市应急供水的任务,对穿引黄渠埋涵工程的建设期施工、导流等提出了很高的要求与建设难度,有关地方主管单位希望工程建设不要影响引黄工程的运用。

在可行性研究报告中,经比较一、二期分期建设(穿黄隧洞不分期)在黄河滩地段需设两条5.2m的埋管和两套穿堤建筑物,建筑工程部分投资需增加12.390万元;即使穿堤(渠)建筑物不分期,建筑工程部分也需增加投资8132万元。

考虑工程本身的复杂性和工期的连续性以及东线第二期工程与第一期工程大体连续实施,确定穿黄河工程第一期按100m3/s流量规模进行建设。

这样,既能体现“先通后畅、分期实施”的特点,同时也考虑了穿黄河工程本身的复杂性和工期的连续性,从东线第二期工程与第一期工程大体连续实施的角度来说更是合理的。

3.2穿黄河工程进出口设计水位

3.2.1进口水位南水北调东线工程拟利用东平湖老湖区蓄水。

1984年1月水利部黄河水利委员会(以下简称黄委会)同意南水北调东线工程利用东平湖调蓄江水,但前提条件是不影响黄河的防洪运用。

蓄水位必须满足黄河度汛运用要求,非汛期蓄水位为40.3m,6月底湖水位必须严格控制在39.3m以下(当时汛限水位为39.3m)。

考虑到黄河河道的淤积抬高,陈山口和清河门泄洪闸泄流不畅等因素,黄委会提出,老湖区汛限水位7-9月为40.8m,10月份可以抬高至41.3m。

按照上述原则确定,东平湖蓄水水位7—9月份按40.8m控制,10月份至翌年6月份按41.3m控制,当湖水位低于39.3m日寸调江水补充水库蓄水,江水充库上限水位为39.3m。

大汶河来水只参与东平湖的水位调节,不参与水量调节。

在可研阶段基本确定了穿黄河工程进口设计水位为39.3m(东平湖深湖区水位)。

经过可研报告的审查、评估及东线第一期工程总体可研的审查,审查意见对穿黄河工程进口水位给以确认,同意穿黄河工程进口设计输水水位采用39.3m。

根据东平湖特征水位及穿黄河工程的设计水位等综合分析,穿黄河工程出湖闸设计应适应东平湖的防洪运用要求。

因此,确定穿黄河工程出湖闸设计水位按东平湖深湖区水位39.3m推算,输水期东平湖水位为39.3~41.3m。

计挡水位为41.3m,最高挡水位为44.8m。

由于深湖区至出湖闸段有9km的距离,经过清淤方案的比较,深湖区设计位39.3m时,至出湖闸闸前水位为39.15m。

3.2.2出口水位穿黄河工程穿过位山东、西引黄渠之后出口闸,出口闸后通过长度为140m的连接明渠与黄河北岸输水干渠相接。

穿黄河工程的出口水位不仅影响穿黄河工程的布置和投资,而且影响鲁北干渠工程的布置和投资。

在研阶段,将穿黄河工程、小运河段工程作为一个整体,以东平湖水位39.3m和临清邱屯闸上水位31.39m为基础,对穿黄出口设计水35.21m、35.61m和36.01m等3个方案进行了综合比较。

经3个方案的技术、经济综合分析,穿黄河工程的出口位从35.21m抬高到35.61m,即穿黄段的可利用水头从4.09m降到3.69m,减少可利用水头0.4m,穿黄河工程的投资(主体工程投资)仅仅是从39103万元增加到39368元,增加投资265万元,对穿黄河工程的投资影响不大。

穿黄河工程的出口水位从35.21m抬高到35.61m,即小运河段的可利用水头从3.82增加到4.22m,增加可利用水头0.4m,小运河工程的投资从24690万元降到22200万元,减少工程投资2490万元。

抬高穿黄出口水位从投资上分析是有利的。

但由于徒骇河~马颊河河段长31.5km范围内,输水水位高出地面1.5~2.3m,若穿黄出口水位抬高到36.01m,在减少工程投资的同时,会带来浸没、环境恶化等不利影响,工程运行的潜在安全风险也加大了。

经综合考虑穿黄河工程和小运河工程的整体工程布置、工程投资、运行条件、生态

境影响等综合因素,穿黄河工程与鲁北输水线路的衔接水位确定采用35.61m的方案。

在水规总院对穿黄河工程可研报告的审查意见和中咨公司的评估意见中,基本同意穿黄河工程出口水位为35.61m。

根据目前初步确定的鲁北段工程的设计方案,小运河的起始水位仍采用35.61m.就目前鲁北段方案的论证情况,并结合东线一期工程向天津市、河北省应急供水的要求,以及各单项工程及东线总体可研的审查意见确定穿黄河工程出口设计水位为35.61m。

3.2.3过河线路南水北调(东线)干线过黄河的位置曾提出过位山、柏木山、黄庄、鱼山、石洼等5条线路。

鱼山线线路长,河床基岩面低,施工难度大;石洼线黄河河面宽,又是

基,过黄河后尚需穿越金堤河滞洪区,处理困难,经研究首先被否定。

由于位山线黄河两岸已有基岩出露,以后则以位山线为主要方案,黄庄线、柏木山线为比较方案进行了进一步比

较,三条比较线路见图1。

(1)黄庄线。

穿黄河工程在黄庄和牛屯附近穿过黄河主槽,穿过主槽长度约为1.2km。

该方案穿黄枢纽处黄河河床宽,穿黄倒虹所经地层为黄河近代冲积细砂层及冲湖积砂壤土、粉细砂层,基岩埋藏深。

该线比较了明挖埋管和盾构方案,明挖埋管基坑开挖量大,施工导流困难,工期长;盾构方案由于防冲刷要求管埋得较深,用气压式盾构气压已超过2km,施工人员不能承受,采用泥水加压盾构在当时我国还没有经验,技术不过关,加上该线地质条件很差,因而也放弃了。

图1穿黄河工程输水线路方案示意图

(2)柏木山线柏木山线穿黄方案是将黄河局部改道至黄命山、柏木山之间原位山枢纽拦河闸处,穿黄工程在原位山拦河闸附近穿过黄河。

此线需拆除原位山拦河闸,并将山口

宽度由200m扩宽到400m,将黄河局部改道,恢复原位山枢纽,在河底以下基岩中挖一道跨河深槽,建造长900m的钢筋混凝土涵管。

本方案优点是各建筑物均座落在坚硬完整的灰

岩上,基础坚实,施工简单,不需要导流。

主要问题是黄河局部改道后,对下游河势变化及险工位置的改变难以预计,而其后果影响较大,因此也放弃了。

(3)位山线。

位山线穿黄工程在解山村与位山村之间穿过黄河主槽,主槽宽约280m。

根据探洞查明的黄河位山段河床基岩地质条件,认为位山线洞挖方案是可行的。

位山线采用隧洞方案河床窄、河底基岩面较高、围岩成洞条件好,且不改变黄河河势现状,不影响黄河行洪、排凌,运行管理方便,与黄河有关的总体规划布局矛盾少。

对于位山线穿黄河的位置比较了两条线路:

解山~位山线、解山~牛屯线。

①解山~位山线。

穿黄隧洞位于黄河位山险工段解山与位山之间,解山、位山呈孤丘出露,隧洞于两山之间隐伏山脊穿过。

位山、解山间黄河宽约280m,河底高程约34.00m,两山头相距约450m,位山有基岩出露,解山大部分为第四纪覆盖层掩盖,两山间为一近南北向鞍形基岩山梁横过黄河,鞍部顶面高程约14.00m,宽约百余米。

其上面为近代冲积粉砂层所覆盖。

解山~位山洞线黄河河床窄,基岩面较高。

该线从山梁中间穿过,上覆基岩厚,围岩成洞条件好。

1985年6月在此线上导洞的位置上开挖了一条过河勘探试验洞,探洞开

挖探明了该线的工程地质情况,并掌握了在岩溶地区开挖隧洞的技术,为隧洞开挖创造了条件,还可以充分利用已按隧洞永久断面加固的探洞进行扩挖;隧洞及埋涵总长1065.38m。

该方案存在引黄渠导流的问题。

②解山~牛屯线(引黄渠闸上线)。

该线黄河河底和黄河北大堤下缺少寒武系崮山组页岩相对隔水层分布,隧洞垂向涌水量大,涌水预见性差,黄河河床宽,增加了施工和灌浆难

度;位山引黄渠引渠渠底为Q3、Q4黄土状壤土,隧洞穿越引渠时,有较长的隧洞位于壤土或风化较严重的岩层中。

若采取洞挖,引渠地下水位很高,成洞难度大,如果采用明挖埋管,

开挖深度在50m左右,深开挖影响到黄河北大堤,对大堤造成威胁,施工难度大,引黄渠输水引渠不能停水,采用明挖埋管也存在导流问题;隧洞3次穿过黄河大堤,对大堤稳定产生影响,施工对大堤防护更困难;隧洞及埋管线路长,约为l059m,不宜分期建设,管线出地面都在覆盖层中,隧洞、埋管施工都很困难,开挖并要破黄河大堤。

经过论证比选,从对黄河大堤的影响、工程地质条件、施工条件以及充分利用已有工程等方面考虑,决定采用解山~位山线。

3.2.4过河方式穿黄河工程对过黄河的方式比较了平交和立交两种方式。

平交方式是指北调江水直接进入黄河,再由黄河北岸引水北送,每年要处理1亿多t泥沙,沉沙问题将成为鲁北的沉重负担,难以解决;立交方式有渡槽方案和在黄河底下埋管或开挖隧洞方案。

渡槽方案在黄河中要设桥墩,不利于黄河行洪,同时存在卡凌的危险;另外,在黄河南岸需再增设一级扬程20m的泵站,造价高,运行费用大。

埋管方案拟在河底鞍形基岩山梁顶部开槽埋设3条断面为9.0×9.0m的门洞型钢筋混凝土管道,管底高程约5.0m,施工导流期需将黄河临时改道,导流流量10000m3/s,导流期2年以上,导流工程艰巨,对黄河河势和上游水位均有影响;另外深基坑开挖和排水等均较困难。

且不利于分期实施,不宜采用。

隧洞方案拟在黄河位山险工段两岸解山与位山之间布置3条倒虹隧洞由河底基岩中穿过黄河,洞轴线间距31m。

北岸位山基岩山顶高程52m,南岸解山基岩顶高程43m,河底

与两岸之间基岩构成一近南北向马鞍形隐伏山脊,顺河方向宽约100余m,山脊鞍部最低处高程14m。

隧洞进口位于黄河南岸解山,出口位于黄河北岸位山,见图2。

隧洞方案主要优点:

施工期不需要导流;对黄河的河势及防洪运行等均无影响,运行管理方便,与黄河总体规划布局没有矛盾;围岩稳定、成洞条件好;有利于分期实施。

但由于穿黄隧洞处在黄河底

以下的灰岩中,需要查明该处围岩岩溶发育情况,解决在岩溶地区开挖水下隧洞的防渗堵漏难题。

通过开挖勘探试验洞,成功的解决了上述问题,使隧洞方案得以肯定。

3.2.5穿黄隧洞洞径依据1976年《南水北调近期工程规划报告》,从长江抽水1000m3/s,过黄河600m3/s,遇北方大早年份,短期集中加大送水。

穿黄工程设计流量为600m3/s,校核流量为800m3/s。

按此规划,穿黄工程布置了3条直径为9.5m的隧洞。

1989年的《南水北调东线穿黄工程(过黄河50m3/s流量)设计报告》,穿黄隧洞将南岸竖井和北岸斜井建成直径为8.8m的永久工程,河底平洞作成断面为4.3m*4.3rn的门洞型的临时工程,水规总院在审查时提出为使输水留有余地将洞径由8.8m改为9.3m。

1990年11月在《南水北调东线第一期工程修订设计任务书》中,穿黄隧洞考虑按远景规划,隧洞直径定为9.3m。

2003年《南水北调东线第一期穿黄河工程可行性研究报告》中,穿黄河工程进口水位为39.3m,出口水位为35.21m,由于穿黄隧洞施工复杂,设计考虑穿黄河工程采取一、二期结合方案,穿黄隧洞兼顾与三期工程结合,隧洞直径采用9.3m,与两条直径7.2m的滩地埋管连接,一、二期先建一条埋管,三期工程再建另一条直径7.2m的埋管。

2004年举行了两次穿黄隧洞规模论证会,对隧洞规模进行了专题论证。

在编制《南水北调东线第一期穿黄河工程可行性研究报告(修订稿)》时,考虑到三期工程目前尚难预测,故穿黄隧洞仅按一、二期结合安排,为使隧洞和埋管平顺连接、结构布置

简单,穿黄隧洞和滩地埋管的直径均改用7.5m,今后建设三期工程时再打一条隧洞,在工程布置上已留有另二条隧洞

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