超大“冰箱”拱出的拱北隧道：造價(jià)4億元，年底或通車(chē)

C FP供圖

整個(gè)拱北隧道全長(zhǎng)2741米，由海域人工島明挖段、口岸暗挖段以及陸域明挖段三種不同結(jié)構(gòu)的隧道連接而成。 拱北隧道暗挖段開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)圖。拱北隧道暗挖段空間結(jié)構(gòu)圖。

原標(biāo)題：超大“管幕冰箱”拱出一條地下隧道

歷時(shí)5年，港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道，昨日全線貫通。據(jù)南粵交通投資建設(shè)公司消息，在先后完成超大斷面曲線管幕頂管施工、超長(zhǎng)距離水平環(huán)向凍結(jié)后，又經(jīng)過(guò)近1年的施工，拱北隧道工程于昨日完成全部5臺(tái)階14導(dǎo)洞開(kāi)挖作業(yè)，順利實(shí)現(xiàn)隧道全線貫通。作為大橋重要組成部分，其不僅是世界首座采用新型施工方式的雙層公路隧道，同時(shí)其多項(xiàng)建設(shè)刷新了建筑行業(yè)的新紀(jì)錄。

拱北隧道按照“先分離并行，再上下重疊，最后又分離并行”的形式設(shè)置，包括海域人工島明挖段、口岸暗挖段及陸域明挖段等不同結(jié)構(gòu)形式和施工工法。尤其口岸暗挖段工程施工技術(shù)難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高，是業(yè)內(nèi)極具挑戰(zhàn)性的公路工程建設(shè)項(xiàng)目之一。南都記者獲悉，該隧道全線貫通后，將進(jìn)入主體結(jié)構(gòu)和附屬工程施工階段，預(yù)計(jì)今年12月該大橋珠海連接線可具備通車(chē)條件。

拱北隧道暗挖段

綜合造價(jià)達(dá)到4億元

據(jù)了解，珠海連接線是港珠澳大橋的重要組成部分，同時(shí)拱北隧道也是項(xiàng)目的關(guān)鍵控制性工程。南都記者獲悉，作為世界最大的斷面公路隧道的珠海連接線拱北隧道工程歷時(shí)近5年，在先后完成超大斷面曲線管幕頂管施工、超長(zhǎng)距離水平環(huán)向凍結(jié)后，昨日在完成全部5臺(tái)階14導(dǎo)洞開(kāi)挖作業(yè)后，順利實(shí)現(xiàn)隧道全線貫通。

據(jù)承建方中鐵十八局集團(tuán)有限公司介紹，整個(gè)拱北隧道全長(zhǎng)2741米，由海域人工島明挖段、口岸暗挖段以及陸域明挖段三種不同結(jié)構(gòu)的隧道連接而成。其中，255米長(zhǎng)且下穿拱北口岸的拱北隧道暗挖段，其綜合造價(jià)達(dá)到了4億元，相當(dāng)于每米接近160萬(wàn)元。南都記者了解到，該255米長(zhǎng)的拱北隧道暗挖段分為上下5層14個(gè)洞口，并與兩端的暗埋隧道相連，未來(lái)正式投入使用后，上層為香港到珠海方向，下層則為珠海往香港方向。

珠海連接線

年底具通車(chē)條件

伴隨著昨日拱北隧道的全面貫通，這也標(biāo)志著全長(zhǎng)13 .4公里的港珠澳大橋珠海連接線主體工程也終于實(shí)現(xiàn)了全線貫通。據(jù)介紹，港珠澳大橋珠海連接線路線未來(lái)將采用雙向六車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度80公里/小時(shí)，整體式路基寬度32米，分離式路基寬度16米。隧道6204米/2座，橋梁長(zhǎng)5973米/3座，設(shè)人工島1處，同時(shí)還將建設(shè)南灣互通、橫琴北互通、洪灣互通3處互通立交以及口岸人工島連接匝道1處。

“珠海連接線東起珠澳口岸人工島，向西設(shè)拱北灣大橋連接珠海連接線人工島；采用海底隧道方式穿越拱北灣海域，城區(qū)隧道形式下穿拱北口岸；經(jīng)茂盛圍軍事管理區(qū)后，經(jīng)前山河特大橋跨越前山河；經(jīng)中富工業(yè)園上跨南灣大道后，經(jīng)加林山隧道穿越將軍山；后以高架橋形式繼續(xù)西行至本項(xiàng)目終點(diǎn)洪灣，通過(guò)西部沿海高速公路接入國(guó)家高速公路網(wǎng)?！毕嚓P(guān)部門(mén)負(fù)責(zé)人稱。南都記者了解到，截至目前，港珠澳大橋珠海連接線一期工程洪灣互通至橫琴北互通至南灣互通，已先后于去年1月和9月提前建成通車(chē)。而按照目前計(jì)劃，港珠澳大橋珠海連接線將在今年10月完成全部土建施工，12月可完成交工驗(yàn)收并具備通車(chē)條件。

揭秘

地下“大冰箱”是如何煉成的

拱北隧道全線順利貫通，標(biāo)志著港珠澳大橋珠海連接線關(guān)鍵核心技術(shù)取得重大突破。其中，曲線管幕頂管成套施工技術(shù)、長(zhǎng)距離大斷面水平環(huán)向一次凍結(jié)技術(shù)，均填補(bǔ)了我國(guó)建筑領(lǐng)域的空白；淺埋超大斷面暗挖施工采用的“多層多部開(kāi)挖、立體交叉作業(yè)”施工組織模式及安全風(fēng)險(xiǎn)管控措施可為類(lèi)似工程提供借鑒參考。

36根頂管安裝用了兩年

拱北隧道口岸暗挖段共長(zhǎng)255米，采用曲線管幕+凍結(jié)法施工，是世界首座采用該工法施作的雙層公路隧道，其管幕長(zhǎng)度和凍結(jié)規(guī)模均創(chuàng)造了業(yè)內(nèi)新紀(jì)錄。拱北隧道暗挖段建設(shè)條件復(fù)雜，地層軟弱，富含地下水，頂部覆土厚度不足5米。管幕凍結(jié)工程是拱北隧道暗挖段的核心，也是基礎(chǔ)。管幕由36根直徑為1.62米的鋼管組成，平均長(zhǎng)255米。拱北口岸下方樁基與管線星羅棋布，給頂管的頂進(jìn)帶來(lái)了難題。管幕離澳門(mén)關(guān)閘大樓樁基最近距離為1.6米，離珠海免稅商場(chǎng)回廊樁基僅有46厘米。

為了躲避隧道兩側(cè)密布的樁基，頂管被設(shè)計(jì)成了曲線，在建筑物地下樁基間穿梭就像在刀尖旁行走，加大了管幕施工的難度。頂管從隧道一端的工作井頂入，另一端穿出。出口事先預(yù)留好，頂管施工時(shí)必須將頂進(jìn)誤差控制在5厘米以內(nèi)，否則就會(huì)出現(xiàn)頂?shù)眠M(jìn)去穿不出來(lái)的情況。

此外，由36根頂管組成的環(huán)形管幕圈與單根頂管頂進(jìn)相比，其技術(shù)難度不是簡(jiǎn)單的倍數(shù)關(guān)系，由于存在群管效應(yīng)，單根頂管的頂進(jìn)精度須嚴(yán)格控制才能確保管幕的形成。“管幕工程的完成好比人身體的骨骼順利塑造完成，而下一步凍結(jié)工程就是利用冷卻鹽水管道，通過(guò)循環(huán)低溫鹽水在骨骼上塑造血肉，最終形成完整的‘人體’?！备壑榘拇髽蛑楹＿B接線管理中心主任王啟銅介紹，自2013年6月第一根試驗(yàn)管始發(fā)，至2015年5月最后一根頂管順利接收，歷時(shí)兩年。

暗挖段凍結(jié)成超大“冰箱”

拱北隧道暗挖段采用的超大斷面水平環(huán)向一次凍結(jié)技術(shù)，是工程建設(shè)的另一個(gè)重難點(diǎn)，相當(dāng)于以管幕為“骨架”，完成一個(gè)高23米，寬21米，厚2 .6米，縱向長(zhǎng)度255米的大“冰箱”。如此大的一個(gè)凍結(jié)體系如何形成？如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)凍土厚度控制，確保不因凍脹影響口岸通行安全？工程完成后又如何解凍及降低凍土融化引起的地表下沉風(fēng)險(xiǎn)？區(qū)別于傳統(tǒng)凍結(jié)工法，拱北隧道暗挖段將凍結(jié)管路布置在管幕頂管內(nèi)，冷量通過(guò)頂管傳遞給土體，最終使頂管間土體降至負(fù)溫，土體中的水結(jié)冰形成凍土，并將頂管包裹，利用管幕+凍土將隧道完全封閉，從而在開(kāi)挖期間阻止頂管外側(cè)地下水進(jìn)入隧道，保證隧道施工安全。

針對(duì)長(zhǎng)距離管幕凍結(jié)止水問(wèn)題，將管幕設(shè)置為“實(shí)頂管”和“空頂管”交替布置狀態(tài)。首先，需要驗(yàn)證能否形成凍土帷幕的問(wèn)題；其次，需要考慮隧道開(kāi)挖引起的熱擾動(dòng)作用下凍土帷幕是否能夠保持良好的止水狀態(tài)；另外，須嚴(yán)格控制凍土體積以限定凍脹量，確?？诎兜乇砑敖ㄖ镒冃尾挥绊懻ＭP(guān)。為此，項(xiàng)目工程師提出了在管幕鋼管內(nèi)部布置“圓形主力凍結(jié)管”、“異形加強(qiáng)凍結(jié)管”和“升溫鹽水限位管”三種特殊管路構(gòu)成的國(guó)內(nèi)外前所未有的凍結(jié)方案。

首先，為了實(shí)現(xiàn)凍結(jié)圈成環(huán)，工程師經(jīng)過(guò)精細(xì)驗(yàn)算，確定在暗挖段兩邊各設(shè)一個(gè)凍結(jié)站，以確保冷量持續(xù)供給，對(duì)管幕圈不間斷實(shí)施控制凍結(jié)，日均耗電量近10萬(wàn)度。如何確保沒(méi)出凍土的厚度？工程師們?cè)诎低诙蝺鼋Y(jié)圈周?chē)膊荚O(shè)了10000多個(gè)溫度監(jiān)測(cè)元器件，并實(shí)時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)的排查、處理。通過(guò)調(diào)整鹽水流量、溫度及限位管等措施對(duì)凍結(jié)參數(shù)不斷進(jìn)行調(diào)整。拱北隧道暗挖段凍結(jié)工程自2016年1月中旬正式開(kāi)機(jī)啟動(dòng)，至5月底，凍結(jié)圈厚度即達(dá)到設(shè)計(jì)要求。管幕凍結(jié)止水帷幕的形成，在隧道周?chē)纬闪藦?qiáng)大的超前預(yù)支護(hù)體系，為隧道開(kāi)挖提供了安全保障。

上千萬(wàn)個(gè)監(jiān)測(cè)元器件充當(dāng)“眼睛”

拱北隧道暗挖作業(yè)其次要解決凍土開(kāi)挖困難、施工工效低的問(wèn)題。隨著凍結(jié)時(shí)間的持續(xù)，隧道內(nèi)部?jī)鐾涟l(fā)展厚度與凍土強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)料，常規(guī)的巖土爆破、靜態(tài)爆破等開(kāi)挖方式在這種工況下均不可行。采用大型破除設(shè)備，導(dǎo)洞凈空太小，設(shè)備無(wú)法進(jìn)行作業(yè)；采用小型挖機(jī)配備旋挖鉆頭，機(jī)體太輕，開(kāi)挖凍土效率太低，工程一度陷入凍土開(kāi)挖困難的被動(dòng)局面。

經(jīng)過(guò)不斷的設(shè)備選型和組織調(diào)整，最后形成微臺(tái)階開(kāi)挖工法，即利用小型挖掘機(jī)破碎錘開(kāi)挖凍土，每個(gè)導(dǎo)洞分做三個(gè)微小臺(tái)階，每個(gè)小臺(tái)階配置一臺(tái)小型挖掘機(jī)破碎錘，人工配合修邊，很大程度上提高了開(kāi)挖工效。

另外，拱北隧道暗挖作業(yè)要確保隧道始終在封閉止水的條件下進(jìn)行。隨著隧道開(kāi)挖的進(jìn)行，管幕及凍土暴露在空氣之中，隧道機(jī)械開(kāi)挖產(chǎn)生熱量、隧道通風(fēng)產(chǎn)生的空氣對(duì)流以及混凝土施工產(chǎn)生的水化熱等，都會(huì)對(duì)凍土帷幕產(chǎn)生不利影響，造成凍土消融。怎樣保證在隧道開(kāi)挖引起的熱擾動(dòng)作用下凍土帷幕能夠保持良好的止水狀態(tài)，同時(shí)又要避免凍土發(fā)展過(guò)快引起隧道上方拱北口岸地表變形？布設(shè)在凍結(jié)圈內(nèi)成千上萬(wàn)個(gè)監(jiān)測(cè)元器件充當(dāng)了工程師的“眼睛”，適時(shí)告訴工程師及時(shí)調(diào)整凍結(jié)參數(shù)，保證凍結(jié)效果。

出品：南方都市報(bào)科學(xué)新聞工作室 主持：陳養(yǎng)凱

采寫(xiě)：南都記者 陳燕 李京 通訊員 南粵交宣