“世界最大断面公路隧道”炼成记

“世界最大断面公路隧道”炼成记

——解密港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道科学创新密码

◎ 陈仕奇  伍  振    图/文                   

2012年6月18日，“神州九号”飞船与“天宫一号”目标飞行器成功实现对接，为中国航空航天史再树里程碑。

2012年7月31日，在珠海拱北口岸的地下，有一条媲美神九“太空穿针”技艺的世界最大断面公路隧道开工，开始一场史无前例的“地下穿针”。这条隧道便是世界最长的跨海大桥——港珠澳大桥珠海连接线的控制性工程拱北隧道，其暗挖段“曲线管幕+水平冻结”的施工工法为世界首创，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”。

为了打好这场攻坚战，中铁十八局集团一公司珠海连接线项目党工委加强纪律作风建设，以争创“工程优质、干部优秀”示范项目为载体，成立督导小组深入施工现场进对重点工程进行了督导检查，设立“党员先锋岗”和“党员突击队”，努力实现“建一流工程、塑一流队伍、树一流品牌”的目标。

2017年4月10日，历经5年建设，中铁十八局集团一公司参与建设的拱北隧道全隧贯通，也宣告我国在这一领域的技术水平走在了世界前列，向中国共产党成立96周年和香港回归20周年献上一份特别的礼物。

        “针尖上跳舞”式施工：挑战世界难题

“港珠澳大桥珠海连接线的控制性工程——拱北隧道全长2741米，由海域人工岛明挖段、口岸暗挖段以及陆域明挖段三种不同结构的隧道连接而成。”中铁十八局集团公司董事长、党委书记王兴周介绍。

在这段世界级难度的隧道建设过程中，最难的是暗挖段，虽然长度仅为255米，两三分钟就可以走完全程，但却创造了多项新的纪录。19米宽，21米高，开挖轮廓面积达336.8平方米的体量，接近一个篮球场的大小——这让其成为当今世界上首座采用管幕冻结法施工的世界最大断面公路隧道。

中铁十八局集团副总经理闫广天（主持经理层工作）介绍，暗挖段地处类似泥潭一样的高富水地质结构区，同时，下穿日均人流量超30万人次的我国最大出入境口岸拱北口岸，让其成为当今世界上最复杂的公路隧道工程之一。拱北隧道施工面临的难题，前所未有集中了迄今人类建设隧道的全部难度，其管幕长度、管幕面积和冻结规模，均刷新了世界纪录。

“什么叫在针尖上跳舞，拱北隧道就是最为形象的诠释！”中铁十八局集团公司副巡视员、一公司执行董事、总经理李兰勤说。

港珠澳大桥拱北隧道2012年施工建设，整个工程并非一帆风顺，在施工过程中曾发生过透水的险情。2013年4月，在工作井的开挖过程中，受海水潮汐的影响，隧道内压力过大，险情出现了。中铁十八局集团副总经理、总工程师韩利民说：“当时水压大，透水速度快，两个小时口岸里面就有反应，当时感觉天都要塌下来了。”当时情况是比较危急的，如果不在短时间内把这个水堵住的话，肯定会影响咱们口岸里边的建筑物的地面沉降和建筑的安全。　　

一天一夜的抢险，透水堵住了。中铁十八局集团副总工程师兼港珠澳大桥珠海连接线项目经理潘建立介绍，在拱北隧道暗挖段的施工初期，像这样的透水一共发生过三四次，但是最后渗水有惊无险的解决了，经过抢险，施工方都把漏水给堵住了，没有影响口拱北岸里边的建筑物的地面沉降和建筑的安全。

为了攻克这一世界性难题，中铁十八局集团一公司党委书记孙贵生说，项目建设、设计、监理、科研院校和施工单位成立党员突击队，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，即沿着隧道的开挖轮廓线，在336平方米的断面上，布置36根直径1.62米、长255米的钢管，组成环形“管幕”支护体系，防止周围土层坍塌、地表沉降，然后再用冻结法把管幕周围的土层温度降至零摄氏度以下，形成一个防水壳再进行隧道的开挖作业。

“泥鳅穿豆腐”式顶进：曲线对接零误差

拱北隧道土层软弱，富含地下水，承载力低，被称为“汉堡包”地层，就像“汉堡包”中的夹心肉一样。

也就是说，隧道穿越的部分包含淤泥质粉质黏土、淤泥质砂、中砂含细砂、粉砂等地层。而其上就是我国高峰期日均客流超30万人次、车流达1万车次的拱北口岸，稍有不慎，就会造成灾难性的后果和极为严重的影响。

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，该工程需沿着“88米缓和曲线+167米圆曲线”的轨迹顶进，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厘米以内，相当于一粒普通黄豆的大小，几乎要做到“零误差”。

“顶管过程中最难把握的是对接精度的控制。”中铁十八局集团港珠澳大桥珠海连接线项目副总工程师刘应亮介绍，隧道施工段南面距离澳门关闸联检大楼桩基只有1.6米，北面距离拱北口岸风雨连廊桩基才46厘米。地下桩基星罗棋布，36根顶管在其间穿行，犹如在刀尖旁行走，稍不注意就会导致地表建筑物开裂，甚至坍塌。“从东工作井始发，到西工作井接收，精度误差不能超过5厘米。”一个个数字背后，都隐藏着巨大的施工风险。再加上多台次的泥水平衡顶管机要在“汉堡包”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，但这种穿梭不是泥鳅在豆腐里面乱穿，而是要让冷冰冰的顶管，依据精确计算，按一定轨迹，精准地穿进，精准地穿出。”中铁十八局集团副总工程师兼港珠澳大桥珠海连接线项目经理潘建立说。

255米的顶管被分割成60多节，每节4米，由顶管机一节节向内顶进。过程中，仅仅依靠顶管机的定位功能并不能确保顶进精度，他们要进行人工复核。每顶进20米，就需要测量员爬进内径1.58米的钢管内进行复核，验证顶进轨迹。“为确保质量，定位一刻没准确，顶管就一刻不开工。”中铁十八局集团公司副巡视员、一公司执行董事、总经理李兰勤说。

2013年6月8日，第一根试验管顺利始发。9月2日，第二根试验管顺利接收。“第一根试验管对接精度的上下误差只有2mm，左右误差约5mm。”这个误差值，是施工标准（5cm）的1/10，远远超过预计。有业内专家说，管幕精度能控制在150mm以内就算控制水平高的了，而2-5mm的误差值堪称惊人。

2015年5月，最后一根顶管顺利接收，历时2年的时间里，项目党工委发挥党员先锋模范作用，通过引进精确制导技术，建立自动跟踪测量系统，专门定制了4套上亿元的国际顶尖的泥水平衡式顶管机，并采取一系列科学管理措施，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，确保了拱北口岸“安然无恙”。

     “冰桶挑战”式支撑：“管幕冻结”保安全

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”。

“如果对这个336平方米的管幕群直接开挖，极易导致隧道整体垮塌。为此，我们创造性地采用超大断面水平环向一次冻结技术。”中铁十八局集团港珠澳大桥珠海连接线项目副总工程师刘应亮解释说，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，变成一个巨型的“冰柜”，并利用人工制冷技术，把松软含水的土层变成冻土，将管幕的顶管包裹，再将隧道完全封闭，形成冻土完成对隧道结构的支撑增加其强度和稳定性，以便在冻结壁的保护下，安全进行隧道的开挖作业。

“冰冻三尺，非一日之寒”。南粤交投、中铁十八局集团和科研院所的党员们，围绕“冻起来、抗弱化、控冻胀”三大原则展开了联合攻关，在国内外前所未有地采取了管幕钢管内部布置“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冻结方案，解决施工中遇到的种种难题。

单根管幕直径1.62米，平均长度225米，36根顶管将隧道主体结构固定，进入管幕内，狭小的空间只准许一个人爬行前进。笔者发现，在管幕的每根顶管里面都布置了这样的冷却管，冷却管循环输送零下28度的低温盐水，把土体的热量带走，这样就在隧道外侧一周形成坚硬的冻土。无论外部是多高温，顶管内部必须保持“冰天雪地”，平均为零下十七八摄氏度，最低接近零下20摄氏度。

为确保冻结效果，珠海连接线项目部党工委书记索雨舟介绍，项目部在施工一线设立“党员先锋岗”，在冻结圈范围内，布设了1万多个监测元器件充当“千里眼”，通过调整盐水流量、温度及限位管等措施，对冻结参数适时调整，从而保证了冻结效果。值班的党员同志每晚值夜班时尽管穿着厚厚的棉衣棉裤，也只得来回行走取暖，如果静止不动，那种寒冷是锥心的。但是没有一名党员退缩。

拱北隧道暗挖段冻结工程自2016年1月12日正式冻结，至6月底，冻结圈厚度完全达到了设计要求，截至目前没有发生一起由于冻土膨胀对口岸通关造成影响。

一切准备就绪，新的难题又出现了。

“由于长时间对土层冻结，隧道内部坚硬如钢的冻土厚度与强度远远超出我们的预料。”中铁十八局集团副总工程师兼港珠澳大桥珠海连接线项目经理潘建立说。

由于地理环境特殊，常规的岩土爆破、静态爆破等开挖方式，在拱北隧道根本就不允许。若采用大型机械破除设备，由于导洞净空太小，无法作业。若采用小型挖掘机，再配备旋挖钻头，由于机体太轻，开挖冻土的效率太低。为此，工程一度陷入冻土开挖非常被动的局面。

为解决冻土开挖难题，中铁十八局集团一公司党委书记孙贵生介绍，“党员突击队”队员们经过不断的设备选型，最终决定实施“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，在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开挖冻土，人工配合修边，大大提高了工效。

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。

一桥飞架粤港澳，湾区迎来新动脉。“地下神九”的拱北隧道的安全贯通，为港珠澳大桥按期建成通车打下了坚实基础。珠海连接线将打通珠江西岸通往香港、澳门的通道，为粤港澳大湾区交通互联互通增添新动脉……（4000字）

图片说明:

1、中铁十八局集团副总经理、总工程师韩利民，一公司党委书记孙贵生、珠海连接线项目部党工委书记索雨舟等在现场办公（伍振 摄）

2、中铁十八局集团副巡视员、一公司执行董事、总经理李兰勤和集团副总工兼港珠澳大桥珠海连接线项目经理潘建立在研究施工方案

3、中铁十八局集团港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道曲线管幕工程顶管机施工现场(伍振 摄）

4、中铁十八局集团承建的港珠澳大桥拱北隧道

5、中铁十八局集团承建的港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道施工人员在拆卸顶管接收仓（伍振 摄）

6、中铁十八集团参建员工在拱北隧道狭小的零下近30度的管幕内施工作业（王强强 摄）

7、中铁十八局集团一公司参建的拱北隧道全断面贯通 (伍振 摄).

E-mail：sbjxcb@163.com      TEL：022-60282516   13820014478  qq:122553229

地址：天津市和平区西安道与岳阳道交口府上和平（合心园）3-2802或3-3004中铁十八局集团  伍振 收   300222

“世界最大断面公路隧道”炼成记

——解密港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道科学创新密码（2300字）

◎ 陈仕奇  伍  振  图/文

2012年6月18日，“神州九号”飞船与“天宫一号”目标飞行器成功实现对接，为中国航空航天史再树里程碑。

2012年7月31日，在珠海拱北口岸的地下，有一条媲美神九“太空穿针”技艺的世界最大断面公路隧道开工，开始一场史无前例的“地下穿针”。这条隧道便是世界最长的跨海大桥——港珠澳大桥珠海连接线的控制性工程拱北隧道，其暗挖段“曲线管幕+水平冻结”的施工工法为世界首创，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”。

2017年4月10日，历经5年建设，中铁十八局集团一公司参与建设的拱北隧道全隧贯通，也宣告我国在这一领域的技术水平走在了世界前列，向中国共产党成立96周年和香港回归20周年献上一份特别的礼物。

“针尖上跳舞”式施工：挑战世界难题

“港珠澳大桥珠海连接线的控制性工程——拱北隧道全长2741米，由海域人工岛明挖段、口岸暗挖段以及陆域明挖段三种不同结构的隧道连接而成。”中铁十八局集团公司董事长、党委书记王兴周介绍。

在这段世界级难度的隧道建设过程中，最难的是暗挖段，虽然长度仅为255米，两三分钟就可以走完全程，但却创造了多项新的纪录。19米宽，21米高，开挖轮廓面积达336.8平方米的体量，接近一个篮球场的大小——这让其成为当今世界上首座采用管幕冻结法施工的世界最大断面公路隧道。

中铁十八局集团副总经理闫广天（主持经理层工作）介绍，暗挖段地处类似泥潭一样的高富水地质结构区，同时，下穿日均人流量超30万人次的我国最大出入境口岸拱北口岸，拱北隧道施工面临的难题，几乎集中了迄今人类建设隧道的全部难度，其管幕长度、管幕面积和冻结规模，均刷新了世界纪录。

“什么叫在针尖上跳舞，拱北隧道就是最为形象的诠释！”中铁十八局集团公司副总经理、总工程师韩利民介绍说。

为了攻克这一世界性难题，中铁十八局集团一公司党委书记孙贵生介绍，他们成立党员突击队，决定采用“曲线管幕+冻结法”施工，即沿着隧道的开挖轮廓线，在336平方米的断面上，布置36根直径1.62米、长255米的钢管，组成环形“管幕”支护体系，防止周围土层坍塌、地表沉降，然后再用冻结法把管幕周围的土层温度降至零摄氏度以下，形成一个防水壳再进行隧道的开挖作业。

“泥鳅穿豆腐”式顶进：曲线对接零误差

拱北隧道土层软弱，富含地下水，承载力低，被称为“汉堡包”地层，就像“汉堡包”中的夹心肉一样。

也就是说，隧道穿越的部分包含淤泥质粉质黏土、淤泥质砂、中砂含细砂、粉砂等地层。而其上就是拱北口岸，稍有不慎，就会造成灾难性的后果和极为严重的影响。

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，该工程需沿着“88米缓和曲线+167米圆曲线”的轨迹顶进，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厘米以内，相当于一粒普通黄豆的大小，几乎要做到“零误差”。

“顶管过程中最难把握的是对接精度的控制。”中铁十八局集团副总工程师兼港珠澳大桥珠海连接线项目经理潘建立介绍。“这就像泥鳅穿豆腐，顶管机要在软如豆腐般的地层中，穿梭36次，但这种穿梭不是泥鳅在豆腐里面乱穿，而是要让冷冰冰的顶管，依据精确计算，按一定轨迹，精准地穿进，精准地穿出。”

255米的顶管被分割成60多节，每节4米，由顶管机一节节向内顶进。过程中，仅仅依靠顶管机的定位功能并不能确保顶进精度，他们要进行人工复核。每顶进20米，就需要测量员爬进内径1.58米的钢管内进行复核，验证顶进轨迹。

2013年6月8日，第一根试验管顺利始发。9月2日，第二根试验管顺利接收。“第一根试验管对接精度的上下误差只有2mm，左右误差约5mm。”这个误差值，是施工标准（5cm）的1/10，远远超过预计。2015年5月，最后一根顶管顺利接收，创造了“零误差”的曲线管幕施工纪录，确保了拱北口岸“安然无恙”。

     “冰桶挑战”式支撑：“管幕冻结”保安全

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”。

“如果对这个336平方米的管幕群直接开挖，极易导致隧道整体垮塌。为此，我们创造性地采用超大断面水平环向一次冻结技术。”项目副总工程师刘应亮解释说，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，变成一个巨型的“冰柜”，并利用人工制冷技术，把松软含水的土层变成冻土，将管幕的顶管包裹，再将隧道完全封闭，形成冻土完成对隧道结构的支撑增加其强度和稳定性，以便在冻结壁的保护下，安全进行隧道的开挖作业。

“冰冻三尺，非一日之寒”。南粤交投、中铁十八局集团和科研院所的党员骨干，围绕“冻起来、抗弱化、控冻胀”三大原则展开了联合攻关，在国内外前所未有地采取了管幕钢管内部布置“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冻结方案，解决施工中遇到的种种难题。

单根管幕直径1.62米，平均长度225米，36根顶管将隧道主体结构固定，进入管幕内，狭小的空间只准许一个人爬行前进。珠海连接线项目部党工委书记索雨舟介绍，在管幕的每根顶管里面都布置了这样的冷却管，冷却管循环输送零下28度的低温盐水，把土体的热量带走，这样就在隧道外侧一周形成坚硬的冻土。无论外部是多高温，顶管内部必须保持“冰天雪地”，最低接近零下20摄氏度。

为解决冻土开挖难题，中铁十八局集团副巡视员、一公司执行董事、总经理李兰勤介绍，他们经过不断的设备选型，最终决定实施“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，在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开挖冻土，人工配合修边，大大提高了工效。

一桥飞架粤港澳，湾区迎来新动脉。“地下神九”的拱北隧道的安全贯通，为港珠澳大桥按期建成通车打下了坚实基础。珠海连接线将打通珠江西岸通往香港、澳门的通道，为粤港澳大湾区交通互联互通增添新动脉……

责任编辑：赵安生

文章来源：http://www.tianzhishui.com/2017/0617/48806.shtml