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港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道全线贯通
 
编辑:港珠澳大桥网站管理员    日期:2017年04月11日    阅读次数:14986

  2017年4月10日,历时近5年的超大断面曲线管幕顶管施工、超长距离水平环向冻结完成后,经过近1年的艰苦努力,港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程完成全部5台阶14步开挖开挖作业,顺利实现隧道全线贯通。

  珠海连接线是港珠澳大桥的重要组成部分,而拱北隧道是项目的关键控制性工程,由广东省南粤交通投资建设有限公司下属港珠澳大桥珠海连接线管理中心负责建设管理,由中铁十八局集团有限公司具体承建。拱北隧道全长2741米,由海中隧道和城市地下隧道组成,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。其中,口岸暗挖段采用255米曲线管幕+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,开挖断面宽约19米,高约21米,开挖轮廓面积达336.8平方米,是同类型公路隧道的3倍多,需采用5台阶14步多导坑分部开挖作业,其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。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。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。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公分。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公分以内,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”。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,相当于要以管幕为“骨架”,完成一个高23米,宽21米,厚2.6米,纵向长度255米的一个大“冰箱”。俗话说“冰冻三尺非一日之寒”,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?这一系列的问题是工程师们必须面临和解决的难题。

  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,确立了“冻起来、抗弱化、控冻胀”的理念,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。由于水结冰形成冻土挤压周围土体,对周围环境影响较大,必须将冻土体积控制在一定范围内。既要达到封水的目的,又不能影响周边环境,这就需要精细化的控制,动态调整冻结参数。首先,为了实现冻结圈成环,工程师经过精心细致的验算,确定在暗挖段两边各设一个冻结站,其中一边设置冷冻机组17台,另一边设置冷冻机组8台,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。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?针对这些问题,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。通过参建各方的共同努力,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。但由于暗挖段工程地质条件极差,且开挖断面大,埋深浅,其上为繁忙的口岸,地理环境特殊,暗挖施工仍面临极大的安全风险。为此,工程师们进行了大量的力学验算和论证分析,最终确定采用5台阶14步的开挖工法。

  拱北隧道暗挖作业首先要解决施工工序多、施工组织复杂的问题。5层14个导洞同步开挖,立体交叉作业频繁。在狭小的空间内,14个导洞同时施工,每个导洞内还要分台阶、分工序组织流水作业,其组织的难度是可想而知。如何科学组织施工,合理调配资源,安全高效地完成工程目标是摆在工程师面前的一个难题。为此,建设者们结合施工现场实际情况,通过试开挖不断优化施工机具设备组合,根据监控测量数据动态调整施工步距等参数,逐步磨合,最终实现流水作业。拱北隧道暗挖作业其次要解决冻土开挖困难,施工工效低问题。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允许。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。怎样才能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,是工程师需时刻关注的问题。这其中,布设在冻结圈内成千上万个监测元器件就充当了工程师的“眼睛”,适时告诉工程师及时调整冻结参数,保证冻结效果。

  拱北隧道暗挖段2016年12月28日实现首层导洞贯通,虽意义重大,但仅是暗挖施工取得的阶段性成果,更大的风险和挑战才刚刚开始。拱北隧道暗挖段第5层导洞位于隧道的最底部,地面往下约30米深,隧道开挖掌子面水压力和土压力急剧增大。同时,由于隧道底部呈半圆形,空间狭小,不利于施工设备行走和材料运输,施工组织极为困难。既要保证隧道开挖有序推进,又要及时跟进支护结构施工,以保证临时支撑体系安全,这就类似在山岭区域实施机械化战争,各工序间必须高度协同,稍有不慎,将导致施工停滞或酿成安全事故。

  拱北隧道暗挖段完成各导洞开挖及支护结构施工,实现全隧、全断面贯通,意味着拱北隧道暗挖段开挖对隧道自身结构及拱北口岸的安全风险基本消除,标志着拱北隧道暗挖段“超大曲线管幕+水平冻结止水”超强支护体系以及5台阶14步开挖工法取得圆满成功。

  拱北隧道顺利实现全隧贯通,标志着拱北隧道工程建设全面转入主体结构和附属工程施工,为港珠澳大桥珠海连接线顺利建成通车迈出了最坚实的一步,也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未来类似的工程提供借鉴参考。

(供稿:南粤交宣)

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