張 軍， 吳樹元， 程 勇， 劉繼國

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 武漢 430056)

1 工程意義

珠海連接線項(xiàng)目是港珠澳大橋的重要組成部分，拱北隧道是其控制性節(jié)點(diǎn)工程。珠海連接線項(xiàng)目建成后，可滿足香港、內(nèi)地(特別是珠江西岸地區(qū))及澳門之間的陸路運(yùn)輸要求，將珠海、澳門同香港間的車程由3 h縮短為30 min，推動(dòng)粵港澳大灣區(qū)互聯(lián)互通，并完善國家高速公路網(wǎng)“珠江三角洲地區(qū)環(huán)線”和廣東省高速公路網(wǎng)“珠江三角洲外環(huán)高速公路”。

拱北隧道暗挖段建設(shè)條件極其復(fù)雜，地層軟弱，富含地下水，頂部為全國第1大陸路口岸——拱北口岸，需確保工程建設(shè)不影響每天約40萬人流和1萬多輛通關(guān)車流的正常通關(guān)。拱北隧道的建設(shè)提升了我國臨海軟土地區(qū)超大斷面隧道暗挖工法的科技含量和施工技術(shù)水平，可為同類工程的建設(shè)提供理論支撐和技術(shù)保障，具有重大推廣應(yīng)用價(jià)值。

2 工程概況

拱北隧道全長(zhǎng)2.74 km，隧址位于珠海與澳門分界線。起點(diǎn)位于拱北灣海域填筑區(qū)，接拱北灣大橋，終點(diǎn)位于邊防五支隊(duì)茂盛圍軍事管理區(qū)。其中暗挖段正上方為出入境風(fēng)雨廊，從澳門關(guān)閘聯(lián)檢大樓和免稅商場(chǎng)之間的狹長(zhǎng)地塊穿過。 拱北隧道平面布置圖如圖1所示。

圖1 拱北隧道平面布置圖

暗挖段處于交互相沉積層，自上至下分布有填土、淤泥、淤泥質(zhì)土、砂(含淤泥質(zhì))、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中砂、粗礫砂、卵礫石、全—強(qiáng)風(fēng)化黑云母斑狀花崗巖等土層，如圖2所示。地勘報(bào)告顯示海相、海陸交互沉積層厚度為28～35 m，中層砂(礫)質(zhì)黏土層厚度為0.5～8.2 m，下伏超過20 m厚的全—強(qiáng)風(fēng)化黑云母斑狀花崗巖。

工程建設(shè)范圍內(nèi)地表水主要為海水，地下水主要位于③-1軟土層、③-3砂層，其次為④-1粗礫砂，再次為③-2、④-3黏性土或黏性土夾砂及更新統(tǒng)殘積層等土層和基巖裂隙中。其中粉砂層為強(qiáng)透水層，局部存在地下暗河，其他砂類土為透水層，而淤泥或淤泥質(zhì)土、一般性黏性土、殘積土為相對(duì)弱透水層。

拱北隧道為雙向6車道高速公路，設(shè)計(jì)速度為80 km/h。隧道建筑限界凈寬1 425 cm，凈高510 cm，檢修道高50 cm，設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)。拱北隧道建筑限界如圖3所示。

圖2 拱北隧道暗挖段縱斷面

圖3 拱北隧道建筑限界(單位： cm)

3 工程難點(diǎn)

拱北隧道技術(shù)難度大、風(fēng)險(xiǎn)控制要求高、政治敏感性高，主要體現(xiàn)在以下4方面。

1)地理位置獨(dú)特，政治因素敏感。拱北隧道沿線途經(jīng)人工填海區(qū)域、邊防五支隊(duì)軍事管理區(qū)域、珠海拱北口岸、澳門關(guān)閘口岸等，涉及口岸管理、邊檢、邊防等眾多不同職能管理部門。拱北隧道平面布置及周邊建筑物如圖4所示。

圖4 拱北隧道平面布置及周邊建筑物

2)走廊范圍狹窄，隧道布置困難。受限于澳門年檢大樓樁基和珠海側(cè)風(fēng)雨廊樁基，隧道走廊帶寬度僅為25 m，隧道如采用左右線車道并行的方案需大規(guī)模截樁，不具備可操作性，只能左右線車道以上下重疊的形式從兩口岸之間穿越，其距離澳門側(cè)樁基最小距離1.5 m，距珠海側(cè)樁基最小距離僅0.5 m，如圖5所示。

圖5 隧道口岸段周邊建筑地下樁基示意圖

3)地質(zhì)條件復(fù)雜，變形控制不易。隧道大部分位于水位線以下，穿越填筑土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、中細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、礫砂等地層。地層具有交互相沉積層特點(diǎn)： 軟弱、飽和含水、高壓縮性、高滲透性、承載力低。頂管軌跡復(fù)雜(255 m復(fù)合曲線，88 m緩和曲線+167 m圓曲線)、頂管數(shù)量多(36根鋼頂管，外徑1 620 mm，壁厚20 mm和24 mm)、頂管間距小(355 ～358 mm)、隧道斷面大(寬約22.2 m 、高約23.8 m，面積336.8 m2)、頂部埋深淺，頂部埋深只有4～5 m，群頂管施工，凍結(jié)圈形成及消融、暗挖段開挖對(duì)地表及周邊建筑物影響大。

4)地下管線眾多，協(xié)調(diào)難度巨大。珠澳兩地口岸建筑密集、地下管線混亂，交錯(cuò)密布。在邊防五支隊(duì)軍事管理區(qū)、口岸管理區(qū)、鴨涌河、茂盛圍區(qū)片的管線主要有路燈管線、電信管線、給水管、雨水管、電力管、污水管、雨水管等。

4 方案比選研究

針對(duì)拱北隧道暗挖段，初步設(shè)計(jì)共研究了近20種不同的工程方案，如圖6所示。通過綜合比選(見表1)，為避免截樁對(duì)口岸內(nèi)建筑產(chǎn)生影響，選擇雙層隧道方案，采用暗挖法施工保證拱北口岸正常通關(guān)，并結(jié)合安全可行性最終確定以管幕-支護(hù)結(jié)構(gòu)組合超前體系下穿拱北口岸。暗挖段最終設(shè)計(jì)長(zhǎng)度由初步設(shè)計(jì)的220 m調(diào)整為255 m，隧道開挖擾動(dòng)面積達(dá)413.1 m2。隧道周圍采用36根φ1 620 mm鋼管幕作為超前支護(hù)，管幕間距約35 cm，采用管幕間分段分區(qū)控制性凍結(jié)法進(jìn)行管間止水。暗挖段開挖斷面高約19 m、寬約20 m，開挖斷面面積達(dá)336.8 m2，埋深僅5～6 m，采用5臺(tái)階14分區(qū)臺(tái)階法施工。

論證方案

表1 設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

5 工程關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

5.1 長(zhǎng)距離大直徑曲線頂管管幕建造技術(shù)

拱北隧道暗挖段大部分位于水位線以下，地下水與海水連通，穿越多種具有強(qiáng)度低、易觸變、滲透性強(qiáng)的軟土及砂層，口岸內(nèi)建筑物密集且安全級(jí)別高。暗挖段采用36根頂管，形成管幕超前支護(hù)，如圖7和圖8所示。管幕外邊緣最近處距離澳門聯(lián)檢大樓樁基僅1.5 m，距離拱北口岸出入境長(zhǎng)廊基樁僅為0.5 m，隧道拱頂埋深為4～5 m。

圖7 上下層疊合卵形大斷面暗挖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(單位： cm)

圖8 上下層疊合卵形大斷面暗挖結(jié)構(gòu)效果圖

針對(duì)以上難點(diǎn)問題，拱北采用德國海瑞克生產(chǎn)的泥水平衡頂管機(jī)(見圖9)，采用曲線直頂、人工校核+UNS導(dǎo)向(見圖10)和3階段接收的管幕施工精度控制方法，保證了曲線管幕群的順利施工； 系統(tǒng)地開展了高水壓條件下頂管施工密封性研究、復(fù)雜地質(zhì)條件下曲線頂管頂進(jìn)力及參數(shù)分析、曲線頂管節(jié)應(yīng)力與管土壓力試驗(yàn)及理論研究以及曲線頂管施工和群管頂進(jìn)土體擾動(dòng)研究，優(yōu)化了管幕頂進(jìn)的順序和管節(jié)接頭鷹嘴密封橡膠圈的結(jié)構(gòu)，有效控制了管幕施工引起的地層變形，保證了高水壓軟弱地層中管節(jié)接頭密封效果； 創(chuàng)新性地提出鋼套管接收技術(shù)(見圖11)，通過室內(nèi)密封試驗(yàn)(見圖12)驗(yàn)證接收裝置的可靠性，解決了高水壓條件下管幕施工面臨的超深工作井頂管多次接收技術(shù)難題，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。研究出的復(fù)合地層頂管泥漿配方采用國產(chǎn)泥漿代替進(jìn)口產(chǎn)品，保證了含鹽地下水條件下潤滑泥漿長(zhǎng)期保持高效的減阻性能。

圖9 德國海瑞克ANV1200TC泥水平衡頂管機(jī)

圖10 人工校核+UNS導(dǎo)向

圖11 高水壓鋼套管接收裝置及工藝

圖12 室內(nèi)頂管密封試驗(yàn)

5.2 管幕間分段分區(qū)水平動(dòng)態(tài)控制性凍結(jié)止水技術(shù)

通過方案比選，曲線管幕間封水方案采用動(dòng)態(tài)控制性凍結(jié)止水，既保證絕對(duì)的封水性，又能有效控制地表變形，保證了口岸內(nèi)正常通關(guān)和周邊建(構(gòu))筑物的安全。首次建立了由常規(guī)凍結(jié)管、異形凍結(jié)管和限位凍結(jié)管構(gòu)成的獨(dú)創(chuàng)性的“管幕凍結(jié)法”凍結(jié)體系(見圖13)，是國內(nèi)外首次采用管幕內(nèi)限位管限制凍土發(fā)展的方法，發(fā)明了“長(zhǎng)距離曲線大管幕凍結(jié)止水與開挖協(xié)同的分段凍結(jié)新技術(shù)”。其中針對(duì)水平凍結(jié)縱向不均勻性及混凝土頂管內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)易失效的問題，預(yù)留空頂管為后續(xù)補(bǔ)救應(yīng)急措施提供施工空間?？枕敼苡捎诳諝鈱?duì)流的影響，設(shè)置常規(guī)凍結(jié)管無法進(jìn)行有效凍結(jié)，因此開發(fā)設(shè)計(jì)了異形凍結(jié)管(見圖14)，從而保證空頂管內(nèi)的凍結(jié)效果。根據(jù)實(shí)頂管與空頂管的凍結(jié)效果有差異的特點(diǎn)，在實(shí)頂管內(nèi)設(shè)置限位管，既限制實(shí)頂管外側(cè)局部?jī)鐾玲∧坏陌l(fā)展，又不影響頂管間的凍土帷幕封水效果。

圖13 頂管內(nèi)凍結(jié)管路布置示意圖

圖14 空頂管內(nèi)異形凍結(jié)管路

通過室內(nèi)試驗(yàn)(見圖15和圖16)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了凍結(jié)方案可靠性和可控性，揭示了新凍結(jié)方式地層凍結(jié)溫度場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律、結(jié)構(gòu)形態(tài)和特征，形成了“凍起來、抗弱化、防凍脹”的理念。

圖15 管幕凍結(jié)法大型物理模型試驗(yàn)管路布設(shè)

圖16 管幕凍結(jié)法大型物理模型試驗(yàn)凍結(jié)站

通過實(shí)驗(yàn)室相似模型試驗(yàn)(見圖17)和考慮鋼管-凍土接觸面強(qiáng)度的數(shù)值模擬(見圖18)，掌握了凍土相對(duì)鋼管的變形跟隨性規(guī)律，論證了管幕-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)在工程實(shí)際條件下的安全性。

圖17 管幕-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖18 管幕-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能數(shù)值分析(單位: m)

5.3 多層時(shí)步開挖方法和三維交叉成洞技術(shù)

拱北隧道暗挖段開挖輪廓面積達(dá)336.8 m2，首次采用離心機(jī)非停機(jī)分塊排液開挖方式(見圖19和圖20)，模擬了不同開挖工況，并結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)的可操作性，進(jìn)行方案比選(見圖21)，通過對(duì)地表變形、結(jié)構(gòu)安全要求和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械化施工的便利性等影響因素綜合考慮，最后確定采用5臺(tái)階14分區(qū)法施工(見圖22和圖23)，解決了管幕凍結(jié)支護(hù)下臨海、淺埋、軟弱地層的暗挖難題。其中臨時(shí)支撐采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝的方法，施工效率高。2017年4月10日拱北隧道暗挖段采用5臺(tái)階14部臺(tái)階開挖法順利完成全隧貫通。

圖19離心機(jī)支撐及內(nèi)部模型圖20離心機(jī)分塊排液模型試驗(yàn)

(a) 5臺(tái)階10部(b) 5臺(tái)階15部(c) 5臺(tái)階14部

圖21暗挖方案比選示意圖(單位： m)

圖22暗挖段上半斷面圖23管幕間凍土開挖

6 工期及獲得榮譽(yù)

6.1 工期

工程于2012年8月開工，2018年2月24日全面建成。

6.2 獲得榮譽(yù)

提名國際隧道及地下工程協(xié)會(huì)(ITA)2018年度杰出工程(預(yù)算在5 000萬～5億歐元)。

7 工程參建單位

建設(shè)單位： 廣東省南粵交通建設(shè)投資有限公司。

設(shè)計(jì)單位： 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司。

施工單位： 中鐵十八局集團(tuán)有限公司。

監(jiān)理單位： 招商交科重慶中宇工程咨詢監(jiān)理有限責(zé)任公司。