超大“管幕冰箱”拱出一条地下隧道

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道全线贯通,是世界首座采用新型施工方式的双层公路隧道。

   C FP供图

   整个拱北隧道全长2741米,由海域人工岛明挖段、口岸暗挖段以及陆域明挖段三种不同结构的隧道连接而成。 拱北隧道暗挖段开挖支护结构图。拱北隧道暗挖段空间结构图。

历时5年,港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道,昨日全线贯通。据南粤交通投资建设公司消息,在先后完成超大断面曲线管幕顶管施工、超长距离水平环向冻结后,又经过近1年的施工,拱北隧道工程于昨日完成全部5台阶14导洞开挖作业,顺利实现隧道全线贯通。作为大桥重要组成部分,其不仅是世界首座采用新型施工方式的双层公路隧道,同时其多项建设刷新了建筑行业的新纪录。

拱北隧道按照“先分离并行,再上下重叠,最后又分离并行”的形式设置,包括海域人工岛明挖段、口岸暗挖段及陆域明挖段等不同结构形式和施工工法。尤其口岸暗挖段工程施工技术难度大、安全风险高,是业内极具挑战性的公路工程建设项目之一。南都记者获悉,该隧道全线贯通后,将进入主体结构和附属工程施工阶段,预计今年12月该大桥珠海连接线可具备通车条件。

拱北隧道暗挖段

综合造价达到4亿元

据了解,珠海连接线是港珠澳大桥的重要组成部分,同时拱北隧道也是项目的关键控制性工程。南都记者获悉,作为世界最大的断面公路隧道的珠海连接线拱北隧道工程历时近5年,在先后完成超大断面曲线管幕顶管施工、超长距离水平环向冻结后,昨日在完成全部5台阶14导洞开挖作业后,顺利实现隧道全线贯通。

据承建方中铁十八局集团有限公司介绍,整个拱北隧道全长2741米,由海域人工岛明挖段、口岸暗挖段以及陆域明挖段三种不同结构的隧道连接而成。其中,255米长且下穿拱北口岸的拱北隧道暗挖段,其综合造价达到了4亿元,相当于每米接近160万元。南都记者了解到,该255米长的拱北隧道暗挖段分为上下5层14个洞口,并与两端的暗埋隧道相连,未来正式投入使用后,上层为香港到珠海方向,下层则为珠海往香港方向。

珠海连接线

年底具通车条件

伴随着昨日拱北隧道的全面贯通,这也标志着全长13 .4公里的港珠澳大桥珠海连接线主体工程也终于实现了全线贯通。据介绍,港珠澳大桥珠海连接线路线未来将采用双向六车道高速公路标准,设计速度80公里/小时,整体式路基宽度32米,分离式路基宽度16米。隧道6204米/2座,桥梁长5973米/3座,设人工岛1处,同时还将建设南湾互通、横琴北互通、洪湾互通3处互通立交以及口岸人工岛连接匝道1处。

“珠海连接线东起珠澳口岸人工岛,向西设拱北湾大桥连接珠海连接线人工岛;采用海底隧道方式穿越拱北湾海域,城区隧道形式下穿拱北口岸;经茂盛围军事管理区后,经前山河特大桥跨越前山河;经中富工业园上跨南湾大道后,经加林山隧道穿越将军山;后以高架桥形式继续西行至本项目终点洪湾,通过西部沿海高速公路接入国家高速公路网。”相关部门负责人称。南都记者了解到,截至目前,港珠澳大桥珠海连接线一期工程洪湾互通至横琴北互通至南湾互通,已先后于去年1月和9月提前建成通车。而按照目前计划,港珠澳大桥珠海连接线将在今年10月完成全部土建施工,12月可完成交工验收并具备通车条件。

揭秘

地下“大冰箱”是如何炼成的

拱北隧道全线顺利贯通,标志着港珠澳大桥珠海连接线关键核心技术取得重大突破。其中,曲线管幕顶管成套施工技术、长距离大断面水平环向一次冻结技术,均填补了我国建筑领域的空白;浅埋超大断面暗挖施工采用的“多层多部开挖、立体交叉作业”施工组织模式及安全风险管控措施可为类似工程提供借鉴参考。

36根顶管安装用了两年

拱北隧道口岸暗挖段共长255米,采用曲线管幕+冻结法施工,是世界首座采用该工法施作的双层公路隧道,其管幕长度和冻结规模均创造了业内新纪录。拱北隧道暗挖段建设条件复杂,地层软弱,富含地下水,顶部覆土厚度不足5米。管幕冻结工程是拱北隧道暗挖段的核心,也是基础。管幕由36根直径为1.62米的钢管组成,平均长255米。拱北口岸下方桩基与管线星罗棋布,给顶管的顶进带来了难题。管幕离澳门关闸大楼桩基最近距离为1.6米,离珠海免税商场回廊桩基仅有46厘米。

为了躲避隧道两侧密布的桩基,顶管被设计成了曲线,在建筑物地下桩基间穿梭就像在刀尖旁行走,加大了管幕施工的难度。顶管从隧道一端的工作井顶入,另一端穿出。出口事先预留好,顶管施工时必须将顶进误差控制在5厘米以内,否则就会出现顶得进去穿不出来的情况。

此外,由36根顶管组成的环形管幕圈与单根顶管顶进相比,其技术难度不是简单的倍数关系,由于存在群管效应,单根顶管的顶进精度须严格控制才能确保管幕的形成。“管幕工程的完成好比人身体的骨骼顺利塑造完成,而下一步冻结工程就是利用冷却盐水管道,通过循环低温盐水在骨骼上塑造血肉,最终形成完整的‘人体’。”港珠澳大桥珠海连接线管理中心主任王啟铜介绍,自2013年6月第一根试验管始发,至2015年5月最后一根顶管顺利接收,历时两年。

暗挖段冻结成超大“冰箱”

拱北隧道暗挖段采用的超大断面水平环向一次冻结技术,是工程建设的另一个重难点,相当于以管幕为“骨架”,完成一个高23米,宽21米,厚2 .6米,纵向长度255米的大“冰箱”。如此大的一个冻结体系如何形成?如何实现精准冻土厚度控制,确保不因冻胀影响口岸通行安全?工程完成后又如何解冻及降低冻土融化引起的地表下沉风险?区别于传统冻结工法,拱北隧道暗挖段将冻结管路布置在管幕顶管内,冷量通过顶管传递给土体,最终使顶管间土体降至负温,土体中的水结冰形成冻土,并将顶管包裹,利用管幕+冻土将隧道完全封闭,从而在开挖期间阻止顶管外侧地下水进入隧道,保证隧道施工安全。

针对长距离管幕冻结止水问题,将管幕设置为“实顶管”和“空顶管”交替布置状态。首先,需要验证能否形成冻土帷幕的问题;其次,需要考虑隧道开挖引起的热扰动作用下冻土帷幕是否能够保持良好的止水状态;另外,须严格控制冻土体积以限定冻胀量,确保口岸地表及建筑物变形不影响正常通关。为此,项目工程师提出了在管幕钢管内部布置“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国内外前所未有的冻结方案。

首先,为了实现冻结圈成环,工程师经过精细验算,确定在暗挖段两边各设一个冻结站,以确保冷量持续供给,对管幕圈不间断实施控制冻结,日均耗电量近10万度。如何确保没出冻土的厚度?工程师们在暗挖段冻结圈周围共布设了10000多个温度监测元器件,并实时对监测数据进行反复的排查、处理。通过调整盐水流量、温度及限位管等措施对冻结参数不断进行调整。拱北隧道暗挖段冻结工程自2016年1月中旬正式开机启动,至5月底,冻结圈厚度即达到设计要求。管幕冻结止水帷幕的形成,在隧道周围形成了强大的超前预支护体系,为隧道开挖提供了安全保障。

上千万个监测元器件充当“眼睛”

拱北隧道暗挖作业其次要解决冻土开挖困难、施工工效低的问题。随着冻结时间的持续,隧道内部冻土发展厚度与冻土强度远远超出预料,常规的岩土爆破、静态爆破等开挖方式在这种工况下均不可行。采用大型破除设备,导洞净空太小,设备无法进行作业;采用小型挖机配备旋挖钻头,机体太轻,开挖冻土效率太低,工程一度陷入冻土开挖困难的被动局面。

经过不断的设备选型和组织调整,最后形成微台阶开挖工法,即利用小型挖掘机破碎锤开挖冻土,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破碎锤,人工配合修边,很大程度上提高了开挖工效。

另外,拱北隧道暗挖作业要确保隧道始终在封闭止水的条件下进行。随着隧道开挖的进行,管幕及冻土暴露在空气之中,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水化热等,都会对冻土帷幕产生不利影响,造成冻土消融。怎样保证在隧道开挖引起的热扰动作用下冻土帷幕能够保持良好的止水状态,同时又要避免冻土发展过快引起隧道上方拱北口岸地表变形?布设在冻结圈内成千上万个监测元器件充当了工程师的“眼睛”,适时告诉工程师及时调整冻结参数,保证冻结效果。

出品:南方都市报科学新闻工作室 主持:陈养凯

采写:南都记者 陈燕 李京 通讯员 南粤交宣(相关报道详见南都A II珠海读本)