世界最長(zhǎng)超大斷面曲線管幕隧道貫通

  隨著最后一坯堅(jiān)硬如鋼的凍土被挖掘機(jī)一點(diǎn)點(diǎn)啃下送出，歷經(jīng)四年鏖戰(zhàn)，世界上最長(zhǎng)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(biāo)志著我國(guó)在這一領(lǐng)域的技術(shù)水平走在了世界前列，同時(shí)也宣告我國(guó)乃至世界上首座采用“超大曲線管幕+超長(zhǎng)凍結(jié)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(zhǎng)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(shè)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(jié)構(gòu)形式和施工方法。施工風(fēng)險(xiǎn)極大、科技含量極高、長(zhǎng)度僅為255米的隧道暗挖段，集中了迄今人類建設(shè)隧道的全部難度，其管幕長(zhǎng)度、管幕面積和凍結(jié)規(guī)模，均刷新了世界紀(jì)錄，所采用的新技術(shù)、新工藝顛覆了人們對(duì)隧道傳統(tǒng)施工的印象。

  “泥鰍”穿“豆腐”

  曲線頂進(jìn)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(shuō)，隧道穿越的部分包含淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)砂、中砂含細(xì)砂、粉砂等地層。而其上就是我國(guó)高峰期日均客流超30萬(wàn)人次、車流達(dá)1萬(wàn)車次的拱北口岸，稍有不慎，就會(huì)造成災(zāi)難性的后果和極為嚴(yán)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！”中鐵十八局集團(tuán)副總工程師兼港珠澳大橋珠海連接線指揮長(zhǎng)潘建立說(shuō)。

  為了攻克這一世界性難題，項(xiàng)目建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、科研院校和施工單位，經(jīng)過(guò)反復(fù)磋商研究，僅調(diào)查研究和方案比選，前后就花了3年時(shí)間，最終決定采用“曲線管幕+凍結(jié)法”施工，即沿著隧道的開(kāi)挖輪廓線，在336平方米的斷面上，布置36根直徑1.62米、長(zhǎng)255米的鋼管，組成環(huán)形“管幕”支護(hù)體系，防止周圍土層坍塌、地表沉降，然后再用凍結(jié)法把管幕周圍的土層溫度降至零攝氏度以下，進(jìn)行隧道的開(kāi)挖作業(yè)。

  在隧道開(kāi)挖之前，第一個(gè)攔路虎就是超大曲線管幕施工。潘建立介紹說(shuō)，與普通直線管幕頂進(jìn)技術(shù)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(jìn)，以往曲線頂管頂進(jìn)誤差能控制在15厘米就“相當(dāng)了不起”，而拱北隧道頂進(jìn)的誤差必須控制在5毫米以內(nèi)，相當(dāng)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(duì)接成功，整項(xiàng)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(chǎng)回廊樁基約0.46米，一個(gè)個(gè)數(shù)字背后，都隱藏著巨大的施工風(fēng)險(xiǎn)。再加上多臺(tái)次的泥水平衡頂管機(jī)要在“漢堡包”地層中多次始發(fā)、接收，對(duì)地層反復(fù)擾動(dòng)，相互影響的“群管效應(yīng)”非常明顯。

  “這就像著名的菜品——泥鰍穿豆腐，也就是說(shuō)，頂管機(jī)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(zhǔn)地穿進(jìn)，精準(zhǔn)地穿出?！迸私⒄f(shuō)。

  自2013年6月第一根試驗(yàn)的頂管始發(fā)，至2015年5月最后一根頂管順利接收，歷時(shí)2年的時(shí)間里，中鐵十八局集團(tuán)通過(guò)引進(jìn)精確制導(dǎo)技術(shù)，建立自動(dòng)跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，專門定制了4套上億元的國(guó)際頂尖的泥水平衡式頂管機(jī)，并采取一系列科學(xué)管理措施，攻克了超長(zhǎng)、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(jí)難題，創(chuàng)造了“零誤差”的曲線管幕施工紀(jì)錄，確保了拱北口岸“安然無(wú)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(jié)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(huì)構(gòu)成完整的“人體”。

  “如果對(duì)這個(gè)336平方米的管幕群直接開(kāi)挖，極易導(dǎo)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(jié)技術(shù)?！迸私⒔忉屨f(shuō)，就是把暗挖段高23米、寬20米、厚2.6米、縱向長(zhǎng)度255米的地段，變成一個(gè)巨型的“冰柜”，并利用人工制冷技術(shù)，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(qiáng)度和穩(wěn)定性，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下，安全進(jìn)行隧道的開(kāi)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(lái)、抗弱化、控凍脹”三大原則展開(kāi)了聯(lián)合攻關(guān)，在國(guó)內(nèi)外前所未有地采取了管幕鋼管內(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)成的凍結(jié)方案，解決施工中遇到的種種難題。

  為了形成凍結(jié)圈所需要的冷量，他們經(jīng)過(guò)精心測(cè)算，在暗挖段兩邊各設(shè)了由17臺(tái)和8臺(tái)冷凍機(jī)組組成的凍結(jié)站，以確保冷量持續(xù)供給。

  配備足夠的冷凍機(jī)組后，如何確定每一個(gè)點(diǎn)都能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的凍土厚度？局部未達(dá)到凍結(jié)厚度怎么處理？局部?jī)鐾梁穸劝l(fā)展過(guò)快造成地表變形怎么辦？建設(shè)者在凍結(jié)圈范圍內(nèi)，布設(shè)了1萬(wàn)多個(gè)監(jiān)測(cè)元器件，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)適時(shí)調(diào)整，從而保證了凍結(jié)效果。

  拱北隧道暗挖段凍結(jié)工程自2016年1月12日正式凍結(jié)，至12月底，凍結(jié)圈厚度完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，期間沒(méi)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(dāng)“眼睛”

  土層凍結(jié)不消融

  一切準(zhǔn)備就緒，新的難題又出現(xiàn)了。

  “由于長(zhǎng)時(shí)間對(duì)土層凍結(jié)，隧道內(nèi)部堅(jiān)硬如鋼的凍土厚度與強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的預(yù)料。”潘建立回憶說(shuō)。

  由于地理環(huán)境特殊，常規(guī)的巖土爆破、靜態(tài)爆破等開(kāi)挖方式，在拱北隧道根本就不允許。若采用大型機(jī)械破除設(shè)備，由于導(dǎo)洞凈空太小，無(wú)法作業(yè)。若采用小型挖掘機(jī)，再配備旋挖鉆頭，由于機(jī)體太輕，開(kāi)挖凍土的效率太低。為此，工程一度陷入凍土開(kāi)挖非常被動(dòng)的局面。

  為了解決凍土開(kāi)挖難題，中鐵十八局建設(shè)者經(jīng)過(guò)不斷的設(shè)備選型，最終決定實(shí)施“五臺(tái)階十四部開(kāi)挖作業(yè)法”，就是將巨型“冰磚”分割成“九宮格”，五層十四個(gè)導(dǎo)洞同步開(kāi)挖，立體交叉作業(yè)，在每個(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)開(kāi)挖凍土，人工配合修邊，大大提高了工效。

  然而，隨著時(shí)間的推移，新的問(wèn)題又接踵而至：由于管幕及凍土長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣之中，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)生的熱量，都會(huì)對(duì)凍土帷幕產(chǎn)生不利影響，造成凍土消融。建設(shè)者再次利用凍結(jié)圈內(nèi)的監(jiān)測(cè)元器件充當(dāng)“眼睛”，及時(shí)調(diào)整凍結(jié)參數(shù)，確保凍土帷幕始終處于止水狀態(tài)，為隧道順利開(kāi)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(rèn)為，拱北隧道“長(zhǎng)距離曲線管幕和大規(guī)模水平凍結(jié)止水技術(shù)”的成功運(yùn)用，填補(bǔ)了我國(guó)在復(fù)雜地質(zhì)條件下超大斷面隧道施工技術(shù)的空白。同時(shí)，拱北隧道的安全貫通，也標(biāo)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?；浉郯摹耙恍r(shí)生活圈”呼之欲出，讓我們共同期待。