——解密港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道科學(xué)創(chuàng)新密碼

2012年6月18日，“神州九號(hào)”飛船與“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器成功實(shí)現(xiàn)對接，為中國航空航天史再樹里程碑。

2012年7月31日，在珠海拱北口岸的地下，有一條媲美神九“太空穿針”技藝的世界最大斷面公路隧道開工，開始了一場史無前例的“地下穿針”。這條隧道便是世界最長的跨海大橋——港珠澳大橋珠海連接線的控制性工程拱北隧道，其暗挖段“曲線管幕+水平凍結(jié)”的施工工法為世界首創(chuàng)，難度、規(guī)模和技術(shù)含量刷新了數(shù)項(xiàng)世界紀(jì)錄，被譽(yù)為“地下神九”。

2017年4月10日，歷經(jīng)5年建設(shè)，拱北隧道全隧貫通，也宣告我國在這一領(lǐng)域的技術(shù)水平走在了世界前列，向中國共產(chǎn)黨成立96周年和香港回歸20周年獻(xiàn)上一份特別的禮物。

 

“針尖上跳舞”式施工：挑戰(zhàn)世界難題

港珠澳大橋珠海連接線的控制性工程——拱北隧道全長2741米，由海域人工島明挖段、口岸暗挖段以及陸域明挖段三種不同結(jié)構(gòu)的隧道連接而成。

在這段世界級(jí)難度的隧道建設(shè)過程中，最難的是暗挖段，雖然長度僅為255米，兩三分鐘就可以走完全程，但卻創(chuàng)造了多項(xiàng)新的紀(jì)錄。19米寬、21米高，開挖輪廓面積達(dá)336.8平方米的體量，接近一個(gè)籃球場的大小——這讓其成為當(dāng)今世界上首座采用管幕凍結(jié)法施工的世界最大斷面公路隧道。

據(jù)有關(guān)人員介紹，暗挖段處于類似泥潭一樣的高富水地質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)。同時(shí)，下穿日均人流量超30萬人次的我國最大出入境口岸拱北口岸，拱北隧道施工面臨的難題，幾乎集中了迄今人類建設(shè)隧道的全部難度，其管幕長度、管幕面積和凍結(jié)規(guī)模，均刷新了世界紀(jì)錄。

“什么叫在針尖上跳舞，拱北隧道就是最為形象的詮釋！”該工程建設(shè)者如是說。

為了攻克這一世界性難題，工程建設(shè)者決定采用“曲線管幕+凍結(jié)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(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0℃以下，形成一個(gè)防水殼再進(jìn)行隧道的開挖作業(yè)。

 

“泥鰍穿豆腐”式頂進(jìn)：曲線對接零誤差

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(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。

在隧道開挖之前，第一個(gè)攔路虎就是超大曲線管幕施工。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厘米以內(nèi)，幾乎要做到“零誤差”。

“頂管過程中最難把握的是對接精度的控制。”港珠澳大橋珠海連接線項(xiàng)目經(jīng)理介紹說。“這就像泥鰍穿豆腐，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依據(jù)精確計(jì)算，按一定軌跡，精準(zhǔn)地穿進(jìn)，精準(zhǔn)地穿出。”

255米的頂管被分割成60多節(jié)，每節(jié)4米，由頂管機(jī)一節(jié)節(jié)向內(nèi)頂進(jìn)。過程中，僅僅依靠頂管機(jī)的定位功能并不能確保頂進(jìn)精度，他們要進(jìn)行人工復(fù)核。每頂進(jìn)20米，就需要測量員爬進(jìn)內(nèi)徑1.58米的鋼管內(nèi)進(jìn)行復(fù)核，驗(yàn)證頂進(jìn)軌跡。

2013年6月8日，第一根試驗(yàn)管順利始發(fā)。9月2日，第二根試驗(yàn)管順利接收。“第一根試驗(yàn)管對接精度的上下誤差只有0.2厘米，左右誤差約0.5厘米。”這個(gè)誤差值，是施工標(biāo)準(zhǔn)（5厘米）的1/10，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)計(jì)。2015年5月，最后一根頂管順利接收，創(chuàng)造了“零誤差”的曲線管幕施工紀(jì)錄，確保了拱北口岸“安然無恙”。

 

“冰桶挑戰(zhàn)”式支撐：“管幕凍結(jié)”保安全

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”。

“如果對這個(gè)336平方米的管幕群直接開挖，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)。”項(xiàng)目副總工程師解釋說，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(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，形成凍土完成對隧道結(jié)構(gòu)的支撐增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下，安全進(jìn)行隧道的開挖作業(yè)。

“冰凍三尺，非一日之寒”。工程建設(shè)者們圍繞“凍起來、抗弱化、控凍脹”三大原則展開了聯(lián)合攻關(guān)，在國內(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。

單根管幕直徑1.62米，平均長度225米，36根頂管將隧道主體結(jié)構(gòu)固定，進(jìn)入管幕內(nèi)，狹小的空間只準(zhǔn)許一個(gè)人爬行前進(jìn)。珠海連接線項(xiàng)目部黨工委書記索雨舟介紹說，在管幕的每根頂管里面都布置了這樣的冷卻管，冷卻管循環(huán)輸送-28℃的低溫鹽水，把土體的熱量帶走，這樣就在隧道外側(cè)一周形成堅(jiān)硬的凍土。無論外部多高溫，頂管內(nèi)部必須保持“冰天雪地”，最低接近-20℃。

為解決凍土開挖難題，建設(shè)者們經(jīng)過不斷的設(shè)備選型，最終決定實(shí)施“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(gè)導(dǎo)洞同步開挖，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)開挖凍土，人工配合修邊，大大提高了工效。

一橋飛架粵港澳，灣區(qū)迎來新動(dòng)脈。堪稱“地下神九”的拱北隧道的安全貫通，為港珠澳大橋按期建成通車打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。珠海連接線將打通珠江西岸通往香港、澳門的通道，為粵港澳大灣區(qū)交通互聯(lián)互通增添新動(dòng)脈……