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港珠澳大桥背后的“徽匠”智慧——中煤矿建特凿公司港珠澳大桥拱北隧道顶管冻结工程施工纪实

信息来源:中煤矿建集团    发布日期:2018-11-09    被阅览数:714

  2018年10月23日上午,习总书记宣布:港珠澳大桥正式开通!港珠澳大桥是一项举世瞩目的“世纪工程”,被誉为“新世界七大奇迹”之一,而拱北隧道是港珠澳大桥珠海连接线的核心控制性工程,也是世界最大断面的公路隧道。该隧道施工的核心难题是中煤矿建特凿公司首次采用“曲线管幕+水平冻结”工法攻克的。
                         什么是“曲线管幕+水平冻结”工法?
  冻结法施工原理与冰箱相似,即利用人工制冷技术使地层水结冰增加其强度,并阻断地下水间的联系增强其稳定性,然后在冰层冻结壁的保护下进行掘砌作业。该工法多用于矿井建设,即竖井冻结。水平冻结多用于隧道联络通道施工,而拱北隧道冻结是历史上规模最大的一次。
  所谓“曲线管幕+水平冻结”工法就是用36根255米长、1.62米直径的钢管穿透地下土层,在地下围成一个椭圆的环,这个椭圆环便是曲线管幕,而隧道暗挖工程就在这个椭圆环内进行。冻结则是为了防止海水渗透,因此工程采用-28℃的低温盐水,把冻结管插入顶管中,将管幕之间35厘米的土体进行冻结,“如同制造了一个长255米的巨大椭圆柱体冰箱”,将2-2.6米的土层冻结起来,形成止水屏障,与曲线管幕共同支护隧道内的暗挖工程。这个巨大的椭圆柱体“冰箱”每天耗电约10万度,仅每年的电费就达到了约4000万元。
                         这项冻结工程到底有多“牛”?
  这条媲美神九“太空穿针”技艺的“地下穿针”隧道,其暗挖段“曲线管幕+水平冻结”的施工工法为业内首创,难度、规模和技术含量刷新了数项世界纪录,被誉为“地下神九”;其设计时速80km/h,高21米、宽19米的开挖断面创国内高速公路隧道之最,双层六车道的隧道总高度相当于8层楼高,为国内第一座采用顶管暗挖法实施的公路隧道。
  拱北口岸是珠澳往来的重要关口,也是全国第一大陆路口岸,日均客流超40万人次,车流超1万车次,拱北隧道的施工不能影响拱北口岸的通关,“容不得半点马虎”。
  更棘手的是,拱北口岸的地下就像“豆腐脑”。珠海本来就是一个几乎贴着海平面建起来的城市,拱北口岸就在海边。拱北隧道地面下1米多就是地下水,且与拱北湾的海水连通,无论如何抽取地下水,海水都源源不断地快速补充。所以,口岸暗挖段采用255米“曲线管幕+水平冻结”工法,这是世界首座采用该工法施工的双层公路隧道,其管幕长度、管幕面积和冻结规模均刷新了世界同类隧道的施工纪录。
                        如此“牛”的工程是如何进行的?
  2015年9月,中煤矿建特凿公司通过1年多的试验段测试和多次的专家会验证后承接了港珠澳大桥拱北隧道顶管冻结工程,并在同年进行了工程的正式安装。2016年1月,工程正式开机进入冻结运转阶段,同年6月拱北隧道冻结强度达到开挖要求。2017年9月20日,工程开始转入强制解冻及融沉注浆阶段,一个月后,解冻及融沉注浆施工结束,口岸地表及建筑物安全平稳,标志着拱北隧道顶管冻结工程胜利完成。
  在冻结前期,中煤矿建港珠澳大桥拱北隧道项目部施工人员每天在每根顶管内要进行近10个小时的电焊作业,当时正是珠海气候炎热的夏天,现场顶管空间狭小,通风不顺畅,气温均在38℃以上,施工人员基本是半蹲着进行电焊作业。经过4个月的紧张施工,项目部成功安全的在每个顶管内安装了3根冻结管,确保了冻结管幕的形成。
   在冻结运转阶段,对冻土我们必须精准控制,冻得不够,水压增大,可能会击穿冻土层,发生涌水,导致地面下沉,必须加冻;冻得过度也不行,那会造成地面隆起,严重影响地面建筑的安全,所以要用盐水把冷量带出,限制冻土发展。因此在冻结期间,除了上万个传感器监测外,巡查技术人员定期要爬进温度在-28℃左右的狭窄钢管内进行人工检测,确保管内温度在设计允许范围内。经过6个月的积极冻结,隧道周围2—2.6米厚的土体被冻成石头的硬度,拱北隧道在地下形成了一个“大冰桶”。
  在拱北隧道开挖阶段,现场开挖时冻土温度的回升和支护加固强度的提高对我们开挖阶段的冻结要求又增加了难度。项目部要求冻结施工人员同步跟班测温,保证每天两次进入-28℃的顶管内进行巡查,并24小时值班,确保开挖阶段的安全冻结。2016年12月隧道初步贯通,2017年4月隧道全线贯通,在此期间冻结工程高质量安全平稳推进,获得了业主、监理等各方及中外专家的高度评价和赞扬。
  在解冻及融沉注浆阶段,如果采取自然解冻,可能需要延续几年的时间。所以,为了监测解冻对地表的影响,采取了人工强制解冻的方式,然后根据实时监测数据,对它进行实时融沉注浆,减少解冻对口岸及地表的影响。每班监测人员根据实时监测地表沉降数据,对土层进行动态修复,保证沉降安全可控。控制解冻始终保持一个原则:地表每天沉降的速率不超过隆起的速率,地表累计沉降量不超过累计隆起量,并且点与点差异沉降量区域差异越小越好。所以,对于每个控制点我们的施工技术人员都亲力亲为,每天对数据进行详细分析,做好沉降控制,确保冻结工程安全顺利收尾。
  2018年10月24日上午9时,港珠澳大桥正式通车运营,它的背后凝聚的是无数桥梁设计师及施工人员的智慧和汗水,展现了中国最高的工程水平。作为参建者,在港珠澳大桥这项“世纪工程”上,“矿建人”用上下求索的精神开拓了新的创举,用激情跨越的斗志开辟了新的明天,用“徽匠”智慧的画笔描绘了中煤矿建特凿公司新征程的发展蓝图。

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