港珠澳大橋拱北隧道管幕周圍凍土開挖。經(jīng)濟日報記者齊慧攝
△港珠澳大橋施工人員在近零下30攝氏度的管幕內作業(yè)。經(jīng)濟日報記者齊慧攝
港珠澳大橋九洲航道橋。新華社記者梁旭攝
隨著最后一坯堅硬如鋼的凍土被挖掘機一點點啃下送出，歷經(jīng)四年鏖戰(zhàn)，世界上最長的超大斷面曲線管幕隧道——港珠澳大橋拱北隧道日前勝利貫通。這標志著我國在這一領域的技術水平走在了世界前列，同時也宣告我國乃至世界上首座采用“超大曲線管幕+超長凍結法”施作的雙層疊加公路隧道取得重大突破。
港珠澳大橋珠海連接線的控制性工程——拱北隧道全長2741米，采用左、右雙線布置，并按照“先分離并行，再上下重疊，最后又分離并行”的形式設置，涉及海域人工島明挖段、口岸暗挖段、陸域明挖段等不同結構形式和施工方法。施工風險極大、科技含量極高、長度僅為255米的隧道暗挖段，集中了迄今人類建設隧道的全部難度，其管幕長度、管幕面積和凍結規(guī)模，均刷新了世界紀錄，所采用的新技術、新工藝顛覆了人們對隧道傳統(tǒng)施工的印象。
“泥鰍”穿“豆腐”
曲線頂進零誤差
拱北隧道土層軟弱，富含地下水，承載力低，被稱為“漢堡包”地層，就像“漢堡包”中的夾心肉一樣。也就是說，隧道穿越的部分包含淤泥質粉質黏土、淤泥質砂、中砂含細砂、粉砂等地層。而其上就是我國高峰期日均客流超30萬人次、車流達1萬車次的拱北口岸，稍有不慎，就會造成災難性的后果和極為嚴重的影響。
“什么叫在針尖上跳舞，拱北隧道就是最為形象的詮釋１中鐵十八局集團副總工程師兼港珠澳大橋珠海連接線指揮長潘建立說。
為了攻克這一世界性難題，項目建設、設計、監(jiān)理、科研院校和施工單位，經(jīng)過反復磋商研究，僅調查研究和方案比選，前后就花了3年時間，最終決定采用“曲線管幕+凍結法”施工，即沿著隧道的開挖輪廓線，在336平方米的斷面上，布置36根直徑1.62米、長255米的鋼管，組成環(huán)形“管幕”支護體系，防止周圍土層坍塌、地表沉降，然后再用凍結法把管幕周圍的土層溫度降至零攝氏度以下，進行隧道的開挖作業(yè)。
在隧道開挖之前，第一個攔路虎就是超大曲線管幕施工。潘建立介紹說，與普通直線管幕頂進技術不同，該工程需沿著“88米緩和曲線+167米圓形曲線”的軌跡頂進，以往曲線頂管頂進誤差能控制在15厘米就“相當了不起”，而拱北隧道頂進的誤差必須控制在5毫米以內，相當于一粒普通黃豆的大小，幾乎要做到“零誤差”，若非如此，頂管難以對接成功，整項工程將毀于一旦。
此外，管幕群距地面最近距離僅僅4至5米，距澳門聯(lián)檢大樓樁基1.6米，距免稅商場回廊樁基約0.46米，一個個數(shù)字背后，都隱藏著巨大的施工風險。再加上多臺次的泥水平衡頂管機要在“漢堡包”地層中多次始發(fā)、接收，對地層反復擾動，相互影響的“群管效應”非常明顯。
“這就像著名的菜品——泥鰍穿豆腐，也就是說，頂管機要在軟如豆腐般的地層中，穿梭36次，但這種穿梭不是泥鰍在豆腐里面亂穿，而是要讓冷冰冰的頂管，按人的意志，按一定軌跡，精準地穿進，精準地穿出。”潘建立說。
自2013年6月第一根試驗的頂管始發(fā)，至2015年5月最后一根頂管順利接收，歷時2年的時間里，中鐵十八局集團通過引進精確制導技術，建立自動跟蹤測量系統(tǒng)，專門定制了4套上億元的國際頂尖的泥水平衡式頂管機，并采取一系列科學管理措施，攻克了超長、超大曲線管幕施工中面臨的精確控制、地表沉降和管幕障礙物處理等一系列世界級難題，創(chuàng)造了“零誤差”的曲線管幕施工紀錄，確保了拱北口岸“安然無恙”。
地段變“冰柜”
隧道安全有保障
管幕工程的完成，好比人的身體，只是搭起了“骨架”，而緊接著的凍結工程，利用冷卻鹽水管道這一“血脈”，沿著“骨架”循環(huán)，最終才會構成完整的“人體”。
“如果對這個336平方米的管幕群直接開挖，極易導致隧道整體垮塌。為此，我們創(chuàng)造性地采用超大斷面水平環(huán)向一次凍結技術。”潘建立解釋說，就是把暗挖段高23米、寬20米、厚2.6米、縱向長度255米的地段，變成一個巨型的“冰柜”，并利用人工制冷技術，把松軟含水的土層變成凍土，將管幕的頂管包裹，再將隧道完全封閉，增加其強度和穩(wěn)定性，以便在凍結壁的保護下，安全進行隧道的開挖作業(yè)。
“冰凍三尺，非一日之寒”。南粵交投、中鐵十八局和科研院所的工程師們，圍繞“凍起來、抗弱化、控凍脹”三大原則展開了聯(lián)合攻關，在國內外前所未有地采取了管幕鋼管內部布置“圓形主力凍結管”“異形加強凍結管”和“升溫鹽水限位管”三種特殊管路構成的凍結方案，解決施工中遇到的種種難題。
為了形成凍結圈所需要的冷量，他們經(jīng)過精心測算，在暗挖段兩邊各設了由17臺和8臺冷凍機組組成的凍結站，以確保冷量持續(xù)供給。
配備足夠的冷凍機組后，如何確定每一個點都能夠達到設計要求的凍土厚度局部未達到凍結厚度怎么處理局部凍土厚度發(fā)展過快造成地表變形怎么辦建設者在凍結圈范圍內，布設了1萬多個監(jiān)測元器件，通過調整鹽水流量、溫度及限位管等措施，對凍結參數(shù)適時調整，從而保證了凍結效果。
拱北隧道暗挖段凍結工程自2016年1月12日正式凍結，至12月底，凍結圈厚度完全達到了設計要求，期間沒有發(fā)生一起由于凍土膨脹造成口岸地表沉降或周圍建筑物變形。
元器件當“眼睛”
土層凍結不消融
一切準備就緒，新的難題又出現(xiàn)了。
“由于長時間對土層凍結，隧道內部堅硬如鋼的凍土厚度與強度遠遠超出我們的預料。”潘建立回憶說。
由于地理環(huán)境特殊，常規(guī)的巖土爆破、靜態(tài)爆破等開挖方式，在拱北隧道根本就不允許。若采用大型機械破除設備，由于導洞凈空太小，無法作業(yè)。若采用小型挖掘機，再配備旋挖鉆頭，由于機體太輕，開挖凍土的效率太低。為此，工程一度陷入凍土開挖非常被動的局面。
為了解決凍土開挖難題，中鐵十八局建設者經(jīng)過不斷的設備選型，最終決定實施“五臺階十四部開挖作業(yè)法”，就是將巨型“冰磚”分割成“九宮格”，五層十四個導洞同步開挖，立體交叉作業(yè)，在每個導洞分做三個微小臺階，每個小臺階配置一臺小型挖掘機開挖凍土，人工配合修邊，大大提高了工效。
然而，隨著時間的推移，新的問題又接踵而至：由于管幕及凍土長時間暴露在空氣之中，隧道機械開挖產(chǎn)生熱量、隧道通風產(chǎn)生的空氣對流，以及混凝土施工產(chǎn)生的熱量，都會對凍土帷幕產(chǎn)生不利影響，造成凍土消融。建設者再次利用凍結圈內的監(jiān)測元器件充當“眼睛”，及時調整凍結參數(shù)，確保凍土帷幕始終處于止水狀態(tài)，為隧道順利開挖創(chuàng)造了前提條件。
珠海連接線管理中心主任王啟銅博士認為，拱北隧道“長距離曲線管幕和大規(guī)模水平凍結止水技術”的成功運用，填補了我國在復雜地質條件下超大斷面隧道施工技術的空白。同時，拱北隧道的安全貫通，也標志著港珠澳大橋13.4公里珠海連接線全線貫通，為港珠澳大橋按期建成通車打下了堅實基?；浉郯?ldquo;一小時生活圈”呼之欲出，讓我們共同期待。（經(jīng)濟日報記者齊慧通訊員付澗梅）
(原標題：世界最長超大斷面曲線管幕隧道貫通：隧道新紀錄中國新名片)
本文來源：中國經(jīng)濟網(wǎng)
