南水北调工程需要大量的水利设备，如水泵（特别是大型泵）、阀门、铸管、动力机械、抽水机等，还需要大量的施工机械，如挖掘机、推土机、装载机、凿岩机及石料加工机械等。下面是工程对几种大型关键设备的技术要求情况。
1.水泵 南水北调东线工程需提水13个梯级，建设27个大型泵站。泵站特点为：70%的泵站扬程在5m以下，泵单机流量为20~40m3/s，年平均运行超过5000h；一部分泵站兼有发电和排涝双向运行要求。因此东线泵站对机泵的要求比一般工业或农业排灌用泵要高。有许多技术难点有待进一步深入研究和完善。目前可供选用的低扬程水泵大多为立式轴流泵，其水力性能和结构形成较落后，为了提高泵站的运行安全和可靠性、经济合理性，需研制效益高、抗气蚀性能好、结构先进、运行平稳的多种形式的大型低扬程水泵。对低扬程大流量双向泵、15°斜式轴流泵、灯泡贯流泵等需做进一步研究，使其有更高效率的水力模型和更优的流道结构，在实际运行中能够节电，以降低运行成本。
2.掘进机（TBM） 西线工程中有大量的隧洞，考虑到西线的复杂地质情况，而且有些隧洞埋深大洞线长，将采用岩石掘进机（TBM）施工。岩石掘进机与盾构机一样都用于隧洞开挖及衬砌施工，盾构机用于软土，而TBM用于硬岩。硬岩与软土相比，一般不存在开挖面支撑稳固的问题，在岩石含水量不大的情况下，TBM可设计成开式的。 西线工程隧洞施工最大，地质复杂，对TBM提出了一些特殊要求：能通过较大的断层和破碎带；能够处理大量涌水；具有超前钻孔灌浆功能；具有超前地质探测装置，超前长度能达到几百米。由于TBM需求台数较多，所以需要开展TBM的关键技术研究工作，包括刀盘刀具系统、刀具的设计及材质研究，支撑刀盘旋转的大齿圈及轴承，开挖面前方地质探测系统（建议采用比仪器探测更可靠的钻探方法），某些特殊要求的液压元件，自动控制系统，激光定位导向系统等，以保证将来西线工程的顺利施工。TBM的开发研究成果同样可应用于我国铁道、公路以及其他引水隧洞工程施工。
3.渠道衬砌机（滑模摊铺机） 南水北调中线工程干渠总长的90%左右为明渠，衬砌工作量巨大。由于总干渠为新开渠道，过水断面为梯形，适于采用大断面衬砌机机械化作业。同时总干渠混弹簧土衬砌薄，采用人工衬砌难以保证工程质量，而且工程规模大、强度高、工期紧、战线长、施工场地有所限制，如不采用机械化作业，难以保证工程质量，工程使用寿命更难以保证。 渠道衬砌机是为进行长距离、大断面的渠道衬砌施工而开发的一种机械设备。它既可完成平面，又可完成斜面的衬砌施工，是一种多功能的机械化、智能化、自动化连续作业施工机械，并具有施工速度快、施工质量高、工程成本低等特点。它先用修平机平整渠道断面，然后用混凝土摊铺机摊铺混凝土、平整、振捣，继而处理接缝、抹面和养护等完成混凝土衬砌。大断面衬砌机的关键技术为混凝土的摊铺、振捣，抹面成型和自动控制技术。
4.盾构机 南水北调中线穿黄隧洞工程为输水工程的一部分，隧洞要穿越黄河饱和砂层。经专家论证，宜采用泥水加压式大型盾构机进行盾构法施工。穿黄隧洞为中线的关键工程，因此盾构机便成为该线施工的关键设备。 用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面深降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点。在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。盾构机的关键技术有：挖掘刀盘及刀具设计，刀具的材料；支撑刀盘旋转大齿圈及轴承；盾壳、轴承和尾盾的密封；开挖面稳固及地下水压平衡技术；处于地下水压力下的刀具磨损检测及换刀技术；开挖面超前地质勘测技术等。配套设备有高效耐磨的泥浆泵、洞外泥水分离系统、管片生产系统等。 用大型盾构机在软弱地质特别是高水压软弱土层中进行隧洞施工，在我国水利工程中尚无先例。工程施工之前，针对穿黄隧洞工程的实际情况，在已有的大量前期准备工作基础上，还应对一些实际问题进一步研究，以确保盾构技术在穿黄隧洞工程中应用的成功。需要研究的主要问题有：开挖面的稳定、泥水的配比及分离装置、竖井施工、刀具的磨损与更换。
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