世界最长超大断面曲线管幕隧道贯通

  随着最后一坯坚硬如钢的冻土被挖掘机一点点啃下送出，历经四年鏖战，世界上最长的超大断面曲线管幕隧道——港珠澳大桥拱北隧道日前胜利贯通。这标志着我国在这一领域的技术水平走在了世界前列，同时也宣告我国乃至世界上首座采用“超大曲线管幕+超长冻结法”施作的双层叠加公路隧道取得重大突破。

  港珠澳大桥珠海连接线的控制性工程——拱北隧道全长2741米，采用左、右双线布置，并按照“先分离并行，再上下重叠，最后又分离并行”的形式设置，涉及海域人工岛明挖段、口岸暗挖段、陆域明挖段等不同结构形式和施工方法。施工风险极大、科技含量极高、长度仅为255米的隧道暗挖段，集中了迄今人类建设隧道的全部难度，其管幕长度、管幕面积和冻结规模，均刷新了世界纪录，所采用的新技术、新工艺颠覆了人们对隧道传统施工的印象。

  “泥鳅”穿“豆腐”

  曲线顶进零误差

  拱北隧道土层软弱，富含地下水，承载力低，被称为“汉堡包”地层，就像“汉堡包”中的夹心肉一样。也就是说，隧道穿越的部分包含淤泥质粉质黏土、淤泥质砂、中砂含细砂、粉砂等地层。而其上就是我国高峰期日均客流超30万人次、车流达1万车次的拱北口岸，稍有不慎，就会造成灾难性的后果和极为严重的影响。

  “什么叫在针尖上跳舞，拱北隧道就是最为形象的诠释！”中铁十八局集团副总工程师兼港珠澳大桥珠海连接线指挥长潘建立说。

  为了攻克这一世界性难题，项目建设、设计、监理、科研院校和施工单位，经过反复磋商研究，仅调查研究和方案比选，前后就花了3年时间，最终决定采用“曲线管幕+冻结法”施工，即沿着隧道的开挖轮廓线，在336平方米的断面上，布置36根直径1.62米、长255米的钢管，组成环形“管幕”支护体系，防止周围土层坍塌、地表沉降，然后再用冻结法把管幕周围的土层温度降至零摄氏度以下，进行隧道的开挖作业。

  在隧道开挖之前，第一个拦路虎就是超大曲线管幕施工。潘建立介绍说，与普通直线管幕顶进技术不同，该工程需沿着“88米缓和曲线+167米圆形曲线”的轨迹顶进，以往曲线顶管顶进误差能控制在15厘米就“相当了不起”，而拱北隧道顶进的误差必须控制在5毫米以内，相当于一粒普通黄豆的大小，几乎要做到“零误差”，若非如此，顶管难以对接成功，整项工程将毁于一旦。

  此外，管幕群距地面最近距离仅仅4至5米，距澳门联检大楼桩基1.6米，距免税商场回廊桩基约0.46米，一个个数字背后，都隐藏着巨大的施工风险。再加上多台次的泥水平衡顶管机要在“汉堡包”地层中多次始发、接收，对地层反复扰动，相互影响的“群管效应”非常明显。

  “这就像著名的菜品——泥鳅穿豆腐，也就是说，顶管机要在软如豆腐般的地层中，穿梭36次，但这种穿梭不是泥鳅在豆腐里面乱穿，而是要让冷冰冰的顶管，按人的意志，按一定轨迹，精准地穿进，精准地穿出。”潘建立说。

  自2013年6月第一根试验的顶管始发，至2015年5月最后一根顶管顺利接收，历时2年的时间里，中铁十八局集团通过引进精确制导技术，建立自动跟踪测量系统，专门定制了4套上亿元的国际顶尖的泥水平衡式顶管机，并采取一系列科学管理措施，攻克了超长、超大曲线管幕施工中面临的精确控制、地表沉降和管幕障碍物处理等一系列世界级难题，创造了“零误差”的曲线管幕施工纪录，确保了拱北口岸“安然无恙”。

  地段变“冰柜”

  隧道安全有保障

  管幕工程的完成，好比人的身体，只是搭起了“骨架”，而紧接着的冻结工程，利用冷却盐水管道这一“血脉”，沿着“骨架”循环，最终才会构成完整的“人体”。

  “如果对这个336平方米的管幕群直接开挖，极易导致隧道整体垮塌。为此，我们创造性地采用超大断面水平环向一次冻结技术。”潘建立解释说，就是把暗挖段高23米、宽20米、厚2.6米、纵向长度255米的地段，变成一个巨型的“冰柜”，并利用人工制冷技术，把松软含水的土层变成冻土，将管幕的顶管包裹，再将隧道完全封闭，增加其强度和稳定性，以便在冻结壁的保护下，安全进行隧道的开挖作业。

  “冰冻三尺，非一日之寒”。南粤交投、中铁十八局和科研院所的工程师们，围绕“冻起来、抗弱化、控冻胀”三大原则展开了联合攻关，在国内外前所未有地采取了管幕钢管内部布置“圆形主力冻结管”“异形加强冻结管”和“升温盐水限位管”三种特殊管路构成的冻结方案，解决施工中遇到的种种难题。

  为了形成冻结圈所需要的冷量，他们经过精心测算，在暗挖段两边各设了由17台和8台冷冻机组组成的冻结站，以确保冷量持续供给。

  配备足够的冷冻机组后，如何确定每一个点都能够达到设计要求的冻土厚度？局部未达到冻结厚度怎么处理？局部冻土厚度发展过快造成地表变形怎么办？建设者在冻结圈范围内，布设了1万多个监测元器件，通过调整盐水流量、温度及限位管等措施，对冻结参数适时调整，从而保证了冻结效果。

  拱北隧道暗挖段冻结工程自2016年1月12日正式冻结，至12月底，冻结圈厚度完全达到了设计要求，期间没有发生一起由于冻土膨胀造成口岸地表沉降或周围建筑物变形。

  元器件当“眼睛”

  土层冻结不消融

  一切准备就绪，新的难题又出现了。

  “由于长时间对土层冻结，隧道内部坚硬如钢的冻土厚度与强度远远超出我们的预料。”潘建立回忆说。

  由于地理环境特殊，常规的岩土爆破、静态爆破等开挖方式，在拱北隧道根本就不允许。若采用大型机械破除设备，由于导洞净空太小，无法作业。若采用小型挖掘机，再配备旋挖钻头，由于机体太轻，开挖冻土的效率太低。为此，工程一度陷入冻土开挖非常被动的局面。

  为了解决冻土开挖难题，中铁十八局建设者经过不断的设备选型，最终决定实施“五台阶十四部开挖作业法”，就是将巨型“冰砖”分割成“九宫格”，五层十四个导洞同步开挖，立体交叉作业，在每个导洞分做三个微小台阶，每个小台阶配置一台小型挖掘机开挖冻土，人工配合修边，大大提高了工效。

  然而，随着时间的推移，新的问题又接踵而至：由于管幕及冻土长时间暴露在空气之中，隧道机械开挖产生热量、隧道通风产生的空气对流，以及混凝土施工产生的热量，都会对冻土帷幕产生不利影响，造成冻土消融。建设者再次利用冻结圈内的监测元器件充当“眼睛”，及时调整冻结参数，确保冻土帷幕始终处于止水状态，为隧道顺利开挖创造了前提条件。

  珠海连接线管理中心主任王啟铜博士认为，拱北隧道“长距离曲线管幕和大规模水平冻结止水技术”的成功运用，填补了我国在复杂地质条件下超大断面隧道施工技术的空白。同时，拱北隧道的安全贯通，也标志着港珠澳大桥13.4公里珠海连接线全线贯通，为港珠澳大桥按期建成通车打下了坚实基础。粤港澳“一小时生活圈”呼之欲出，让我们共同期待。