地上往来通关,地下“曲”径通幽

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全长2741米、开挖断面336.8平方米、宽19米、高21米,相当于8层楼房高。它既是世界最长的超大断面曲线管幕隧道,也是全球首座运用陀螺仪实施曲直精准对接的隧道。

这便是去年12月28日贯通的港珠澳大桥珠海连接线关键控制性工程,由中国铁建十八局集团承建的拱北隧道。

值得注意的是,因为施工地段的土质特性,整个工程中有一段长度仅为255米的隧道暗挖段。其走向不是水平的,而是曲线半径达900米弯曲的弧线。

一段不过255米的弯曲,背后有何意义?

答案,只能是令世界惊叹的中国铁路工程技术。其水平高低,中国工程院院士王梦恕作出了评价——“拱北隧道255米暗挖段,集中了迄今人类建设隧道的全部难度”。

前途光明,道路“曲折”

2016年间经拱北口岸往来珠海和澳门的朋友们,绝对不会想到,当自己和众多旅客排队办理过关手续的时候,一项难度极大的管道工程,正在脚下紧张的进行。

拱北隧道位于澳门联检大厅口岸地下4至5米处。上面便是我国第一大陆路口岸,即珠海拱北口岸,日进出关人数最高达30万次、车流达1万车次。

其地下的土层为粉沙质,富含地下水,承载力极低。

“在这种粉沙质地层,我们不但要打隧道,还不能对地面上的澳门联检大厅的运行有丝毫影响。”中国铁建十八局集团副总工程师兼港珠澳大桥珠海连接线指挥长潘建立说。

受地理地形所限,拱北隧道225米暗挖段被设计为双层叠加公路隧道,即双向平面,行驶至联检大厅下方时变成曲线半径为900米、上下叠加的弯曲形状。

选择什么样的施工方案,如何施工,成了摆在建设者面前一道难以逾越的世界性难题。

潘建立告诉记者,围绕施工法的选择,项目建设、设计、监理、科研院校和施工单位,经过反复磋商研究,仅调查研究和方案比选,前后就花了3年时间,最终决定采用“曲线管幕+冻结法”施工。

“土是粉沙富含水,就把土冻起来;隧道不是直的,就用弯曲的管往里顶。”潘建立这样解释“曲线管幕+冻结法”施工。

这就样,沿着隧道开挖轮廓线,336平方米的断面上,布置起36根直径1.62米、长255米的钢管;每根钢管内又含一根10厘米的盐水冷冻管。

管幕管道犹如一圈隧道,人可以进去,而其中的盐水冷冻管则只有人的胳膊细。

一圈环形“管幕”支护体系就这样形成了。

泥鳅穿豆腐,首用陀螺仪

既然隧道有一段不是直的,在隧道开挖之前,第一个拦路虎就是超大曲线管幕施工。

与普通直线管幕顶进技术不同,这项工程需沿着“88米缓和曲线+167米圆形曲线”的轨迹顶进。

“这是要从弯曲的一段顶出来,与直线一段的端口精准对接。”潘建立说, 若非如此,顶管难以对接成功,整项工程将毁于一旦。

以往曲线顶管顶进误差能控制在15厘米就相当了不起,而拱北隧道顶进的误差必须控制在5毫米以内,相当于一粒普通黄豆大小,接近零误差。

此外,管幕群距地面最近距离仅为4—5米,距澳门联检大楼桩基1.6米,再加上多台次的泥水平衡顶管机要在软土地层中,多次始发、接收,对地层反复扰动,相互影响的“群管效应”非常明显。

这就像一道名菜——泥鳅穿豆腐,也就是说,顶管机要在软如豆腐般的地层中,穿梭36次。

如何保证穿梭按一定轨迹,精准进出?

“我们引进了国际顶尖的泥水平衡式顶管机,尝试使用陀螺仪在地下定位,引进精确制导技术,建立自动跟踪测量系统。”潘建立说。

自2013年6月第一根试验顶管始发,至2015年5月最后一根顶管顺利接收,历时2年,终于攻克了超长、超大曲线管幕施工中面临的精确控制、地表沉降和管幕障碍物处理等一系列世界级难题,创造了“零误差”的曲线管幕施工纪录。

沙土易垮塌,冻起来再挖

管幕工程的完成,好比人的身体,只是搭起了“骨架”,而紧接着的冻结工程,利用冷却盐水管道这一“血脉”,沿着“骨架”循环,最终才会构成完整的“人体”。

“没有冷冻,若对这个336平方米的管幕群直接开挖,极易导致隧道整体垮塌。”潘建立说。

看看工程师采用了什么妙计?

“我们首创超大断面水平环向一次冻结技术。”潘建立告诉记者,就是把暗挖段高23米,宽20米,厚2.6米,纵向长度255米的地段,变成了一个巨型的“冰柜”,利用人工制冷技术,把松软含水的土层变成冻土,安全进行隧道开挖作业。

设计施工单位的工程师们,围绕“冻起来、抗弱化、控冻胀”三大原则展开了联合攻关,创新出一套系统的冻结方案,解决了施工中遇到的种种难题。

拱北隧道暗挖段冻结工程,自2016年1月12日正式冻结,至12月底,冻结圈厚度完全达到设计要求。

将沙土冻起来,解决了易垮塌的危险,但问题也来了。

长时间对土层冻结,隧道内部的冻土坚硬如钢,远超预料。因地理环境特殊,常规的岩土爆破、静态爆破等开挖方式,在拱北隧道根本不可行。

采用大型机械破除设备,由于导洞净空太小,无法作业;采用小型挖机,再配备旋挖钻头,由于机体太轻,开挖冻土的效率太低。

经过不断的设备选型和组织调整,项目部想出了一个“五台阶十四部开挖作业法”,就是将巨型“冰砖”分割成“九宫格”,五层十四个导洞同步开挖,立体交叉作业。


“将每个导洞再分成三个微小台阶,每个小台阶配置一台小型挖掘机破碎锤开挖冻土,人工配合修边,大大提高了开挖工效。”潘建立进一步解释说。

珠海连接线管理中心主任王啟铜博士认为,拱北隧道“长距离曲线管幕和大规模水平冻结止水技术”的成功运用,填补了我国在复杂地质条件下超大断面隧道施工技术的空白。

港珠澳大桥全长为49.968公里,预计将于2017年年底建成通车。(矫阳)

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责任编辑: 闫月

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