长距离曲线管幕冻结浅埋暗挖隧道工程——港珠澳大桥拱北隧道

张 军， 吴树元， 程 勇， 刘继国

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司， 湖北 武汉 430056)

1 工程意义

珠海连接线项目是港珠澳大桥的重要组成部分，拱北隧道是其控制性节点工程。珠海连接线项目建成后，可满足香港、内地(特别是珠江西岸地区)及澳门之间的陆路运输要求，将珠海、澳门同香港间的车程由3 h缩短为30 min，推动粤港澳大湾区互联互通，并完善国家高速公路网“珠江三角洲地区环线”和广东省高速公路网“珠江三角洲外环高速公路”。

拱北隧道暗挖段建设条件极其复杂，地层软弱，富含地下水，顶部为全国第1大陆路口岸——拱北口岸，需确保工程建设不影响每天约40万人流和1万多辆通关车流的正常通关。拱北隧道的建设提升了我国临海软土地区超大断面隧道暗挖工法的科技含量和施工技术水平，可为同类工程的建设提供理论支撑和技术保障，具有重大推广应用价值。

2 工程概况

拱北隧道全长2.74 km，隧址位于珠海与澳门分界线。起点位于拱北湾海域填筑区，接拱北湾大桥，终点位于边防五支队茂盛围军事管理区。其中暗挖段正上方为出入境风雨廊，从澳门关闸联检大楼和免税商场之间的狭长地块穿过。 拱北隧道平面布置图如图1所示。

图1 拱北隧道平面布置图

暗挖段处于交互相沉积层，自上至下分布有填土、淤泥、淤泥质土、砂(含淤泥质)、粉质黏土、粉细砂、中砂、粗砾砂、卵砾石、全—强风化黑云母斑状花岗岩等土层，如图2所示。地勘报告显示海相、海陆交互沉积层厚度为28～35 m，中层砂(砾)质黏土层厚度为0.5～8.2 m，下伏超过20 m厚的全—强风化黑云母斑状花岗岩。

工程建设范围内地表水主要为海水，地下水主要位于③-1软土层、③-3砂层，其次为④-1粗砾砂，再次为③-2、④-3黏性土或黏性土夹砂及更新统残积层等土层和基岩裂隙中。其中粉砂层为强透水层，局部存在地下暗河，其他砂类土为透水层，而淤泥或淤泥质土、一般性黏性土、残积土为相对弱透水层。

拱北隧道为双向6车道高速公路，设计速度为80 km/h。隧道建筑限界净宽1 425 cm，净高510 cm，检修道高50 cm，设计荷载为公路—Ⅰ级。拱北隧道建筑限界如图3所示。

图2 拱北隧道暗挖段纵断面

图3 拱北隧道建筑限界(单位： cm)

3 工程难点

拱北隧道技术难度大、风险控制要求高、政治敏感性高，主要体现在以下4方面。

1)地理位置独特，政治因素敏感。拱北隧道沿线途经人工填海区域、边防五支队军事管理区域、珠海拱北口岸、澳门关闸口岸等，涉及口岸管理、边检、边防等众多不同职能管理部门。拱北隧道平面布置及周边建筑物如图4所示。

图4 拱北隧道平面布置及周边建筑物

2)走廊范围狭窄，隧道布置困难。受限于澳门年检大楼桩基和珠海侧风雨廊桩基，隧道走廊带宽度仅为25 m，隧道如采用左右线车道并行的方案需大规模截桩，不具备可操作性，只能左右线车道以上下重叠的形式从两口岸之间穿越，其距离澳门侧桩基最小距离1.5 m，距珠海侧桩基最小距离仅0.5 m，如图5所示。

图5 隧道口岸段周边建筑地下桩基示意图

3)地质条件复杂，变形控制不易。隧道大部分位于水位线以下，穿越填筑土、淤泥质粉质黏土、粉土、中细砂、淤泥质粉土、粉质黏土、砾砂等地层。地层具有交互相沉积层特点： 软弱、饱和含水、高压缩性、高渗透性、承载力低。顶管轨迹复杂(255 m复合曲线，88 m缓和曲线+167 m圆曲线)、顶管数量多(36根钢顶管，外径1 620 mm，壁厚20 mm和24 mm)、顶管间距小(355 ～358 mm)、隧道断面大(宽约22.2 m 、高约23.8 m，面积336.8 m2)、顶部埋深浅，顶部埋深只有4～5 m，群顶管施工，冻结圈形成及消融、暗挖段开挖对地表及周边建筑物影响大。

4)地下管线众多，协调难度巨大。珠澳两地口岸建筑密集、地下管线混乱，交错密布。在边防五支队军事管理区、口岸管理区、鸭涌河、茂盛围区片的管线主要有路灯管线、电信管线、给水管、雨水管、电力管、污水管、雨水管等。

4 方案比选研究

针对拱北隧道暗挖段，初步设计共研究了近20种不同的工程方案，如图6所示。通过综合比选(见表1)，为避免截桩对口岸内建筑产生影响，选择双层隧道方案，采用暗挖法施工保证拱北口岸正常通关，并结合安全可行性最终确定以管幕-支护结构组合超前体系下穿拱北口岸。暗挖段最终设计长度由初步设计的220 m调整为255 m，隧道开挖扰动面积达413.1 m2。隧道周围采用36根φ1 620 mm钢管幕作为超前支护，管幕间距约35 cm，采用管幕间分段分区控制性冻结法进行管间止水。暗挖段开挖断面高约19 m、宽约20 m，开挖断面面积达336.8 m2，埋深仅5～6 m，采用5台阶14分区台阶法施工。

论证方案

表1 设计方案优缺点分析

5 工程关键技术与创新

5.1 长距离大直径曲线顶管管幕建造技术

拱北隧道暗挖段大部分位于水位线以下，地下水与海水连通，穿越多种具有强度低、易触变、渗透性强的软土及砂层，口岸内建筑物密集且安全级别高。暗挖段采用36根顶管，形成管幕超前支护，如图7和图8所示。管幕外边缘最近处距离澳门联检大楼桩基仅1.5 m，距离拱北口岸出入境长廊基桩仅为0.5 m，隧道拱顶埋深为4～5 m。

图7 上下层叠合卵形大断面暗挖结构设计(单位： cm)

图8 上下层叠合卵形大断面暗挖结构效果图

针对以上难点问题，拱北采用德国海瑞克生产的泥水平衡顶管机(见图9)，采用曲线直顶、人工校核+UNS导向(见图10)和3阶段接收的管幕施工精度控制方法，保证了曲线管幕群的顺利施工； 系统地开展了高水压条件下顶管施工密封性研究、复杂地质条件下曲线顶管顶进力及参数分析、曲线顶管节应力与管土压力试验及理论研究以及曲线顶管施工和群管顶进土体扰动研究，优化了管幕顶进的顺序和管节接头鹰嘴密封橡胶圈的结构，有效控制了管幕施工引起的地层变形，保证了高水压软弱地层中管节接头密封效果； 创新性地提出钢套管接收技术(见图11)，通过室内密封试验(见图12)验证接收装置的可靠性，解决了高水压条件下管幕施工面临的超深工作井顶管多次接收技术难题，降低了施工风险。研究出的复合地层顶管泥浆配方采用国产泥浆代替进口产品，保证了含盐地下水条件下润滑泥浆长期保持高效的减阻性能。

图9 德国海瑞克ANV1200TC泥水平衡顶管机

图10 人工校核+UNS导向

图11 高水压钢套管接收装置及工艺

图12 室内顶管密封试验

5.2 管幕间分段分区水平动态控制性冻结止水技术

通过方案比选，曲线管幕间封水方案采用动态控制性冻结止水，既保证绝对的封水性，又能有效控制地表变形，保证了口岸内正常通关和周边建(构)筑物的安全。首次建立了由常规冻结管、异形冻结管和限位冻结管构成的独创性的“管幕冻结法”冻结体系(见图13)，是国内外首次采用管幕内限位管限制冻土发展的方法，发明了“长距离曲线大管幕冻结止水与开挖协同的分段冻结新技术”。其中针对水平冻结纵向不均匀性及混凝土顶管内温度监测点易失效的问题，预留空顶管为后续补救应急措施提供施工空间。空顶管由于空气对流的影响，设置常规冻结管无法进行有效冻结，因此开发设计了异形冻结管(见图14)，从而保证空顶管内的冻结效果。根据实顶管与空顶管的冻结效果有差异的特点，在实顶管内设置限位管，既限制实顶管外侧局部冻土帷幕的发展，又不影响顶管间的冻土帷幕封水效果。

图13 顶管内冻结管路布置示意图

图14 空顶管内异形冻结管路

通过室内试验(见图15和图16)、数值模拟、现场试验，验证了冻结方案可靠性和可控性，揭示了新冻结方式地层冻结温度场的发展规律、结构形态和特征，形成了“冻起来、抗弱化、防冻胀”的理念。

图15 管幕冻结法大型物理模型试验管路布设

图16 管幕冻结法大型物理模型试验冻结站

通过实验室相似模型试验(见图17)和考虑钢管-冻土接触面强度的数值模拟(见图18)，掌握了冻土相对钢管的变形跟随性规律，论证了管幕-冻土复合结构在工程实际条件下的安全性。

图17 管幕-冻土复合结构的力学性能试验模型

图18 管幕-冻土复合结构的力学性能数值分析(单位: m)

5.3 多层时步开挖方法和三维交叉成洞技术

拱北隧道暗挖段开挖轮廓面积达336.8 m2，首次采用离心机非停机分块排液开挖方式(见图19和图20)，模拟了不同开挖工况，并结合数值模拟的结果和现场的可操作性，进行方案比选(见图21)，通过对地表变形、结构安全要求和现场机械化施工的便利性等影响因素综合考虑，最后确定采用5台阶14分区法施工(见图22和图23)，解决了管幕冻结支护下临海、浅埋、软弱地层的暗挖难题。其中临时支撑采用工厂预制、现场拼装的方法，施工效率高。2017年4月10日拱北隧道暗挖段采用5台阶14部台阶开挖法顺利完成全隧贯通。

图19离心机支撑及内部模型图20离心机分块排液模型试验

(a) 5台阶10部(b) 5台阶15部(c) 5台阶14部

图21暗挖方案比选示意图(单位： m)

图22暗挖段上半断面图23管幕间冻土开挖

6 工期及获得荣誉

6.1 工期

工程于2012年8月开工，2018年2月24日全面建成。

6.2 获得荣誉

提名国际隧道及地下工程协会(ITA)2018年度杰出工程(预算在5 000万～5亿欧元)。

7 工程参建单位

建设单位： 广东省南粤交通建设投资有限公司。

设计单位： 中交第二公路勘察设计研究院有限公司。

施工单位： 中铁十八局集团有限公司。

监理单位： 招商交科重庆中宇工程咨询监理有限责任公司。