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同济团队突破世界级难题!冻结技术助力超级工程港珠澳大桥全线贯通  

2017-04-15 20:03:21|  分类: 科技前沿 |  标签: |举报 |字号 订阅

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港珠澳大桥桥塔顶端挽成“中国结”,图片来自人民网

4月10日,随着最后一项控制性工程——拱北隧道的全隧贯通,港珠澳大桥珠海连接线主体工程全线贯通。

港珠澳大桥向西经过珠澳口岸人工岛后,由拱北湾大桥及人工岛衔接,然后钻入地下,穿过拱北口岸,再接前山河特大桥,穿越将军山,沿南琴路两侧西行至洪湾,接入国家高速公路网。这一段被称为港珠澳大桥的珠海连接线,全长13.4公里,采用双向六车道高速公路标准。

珠海连接线是港珠澳大桥的重要组成部分,按照“先分离并行,再上下重叠,最后又分离并行”的形式设置,包括海域人工岛明挖段、口岸暗挖段及陆域明挖段等结构形式。口岸暗挖段的拱北隧道是项目的关键控制性工程。拱北隧道全长2741米,由海中隧道和城市地下隧道组成。其中,经过珠海海关的陆上口岸暗挖段才255米,但工程难度之高、要求之高十分罕见:这里的土壤是两层淤泥中间夹一层沙土,我们叫“汉堡包地层”,自稳能力基本上没有。这里的地层处于水下,土壤把水吸得饱饱的,地下水与海水相通,且隧道顶部覆土厚度不足5米,上面就是日通关量超过30万的人流;隧道开挖断面宽约19米、高约21米,开挖轮廓面积达336.8平方米,是同类型公路隧道的3倍多,上下两层的公路隧道。

 

这样的地方挖隧道,怎么办?只有把土先冻住。我校胡向东与相关专家一起经全面方案必选后提出管幕冻结法。即围绕隧道四周、沿隧道全长布置的大型钢管,形成管幕;然后把钢管之间及周围土体冻结成冻土,最终形成止水帷幕。通俗地讲,这种方法就是预先沿隧道开挖的轮廓打入一圈钢做的保护筒,然后冻起来,开挖就在钢筒+冻土围成的封闭圈里进行。胡向东介绍,这段暗挖工程最终确定的管幕是由36根直径1.62米的钢管组成,围成了一个宽18米、高22米的椭圆形隧道开挖断面,它的高度约为7层楼的高度。

 

还有问题,不同于一般的冻结法,这里的隧道线路为曲线,无法在土层中布设冻结管。可行的途径是把冻结管布置在管幕的大钢管里,但这种做法国内外并无成例,因为不与土体接触的冻结管是否能把土体冻住、常年暑热的南方冻土如何抗弱化、如何限制冻胀避免地面隆起等三大难题,谁也没有把握。胡向东团队迎难而上,经过反复比较、测算、试验,设计出“冻起来、抗弱化、限冻胀”的方法。提出的方案摈弃传统的单种冻结管思路,用圆形冻结管、异形冻结管和冻土限位管三种管路,成功构建起一套特殊的冻结系统。胡向东介绍,圆形冻结管和异形冻结管是冻结的主要冷源,以冻结形成冻土并抵御冻土弱化;限位管在需要时开启热盐水,用来限定冻土帷幕的范围从而实现冻胀的控制。有人通俗地解释这种方法,把管幕比作人的骨骼,然后利用冷却盐水管道,通过循环低温盐水在骨骼周围塑造血肉(冻土),最终形成完整的“人体”。于是,拱北隧道暗挖段在拱北口岸的地下最终变身成了一个长225米的椭圆形大“冰桶”。

 

“开挖期间,这些‘冰桶’就是施工的命根子,隧道开挖期间必须保证冻土帷幕的厚度和温度在规定的范围内,厚度不能过小也不能过大、温度不能过高也不能过低。为确保万无一失,我们团队承担了冻土帷幕状态的监控工作,布设一万三千多个温度测点,构建了超大规模的冻结监测系统,多届在读的研究生就成为了保证其安全运行的卫士。”胡向东说,几年里,我们的管理、监督、技术团队始终在现场。正是因为他们,实时呈现冻结系统和冻土帷幕状态,及时发现冻土薄弱环节甚至险情,并依此调整、管理管幕钢管中布置的冻结管路运行参数,在施工期间调节输送零下24~28度的低温盐水,制造了施工区域的人工冻土,并严格控制了冻土帷幕的安全状态,为拱北隧道暗挖段提供安全可靠的结构支撑和止水帷幕。

 

有了冻结法的支撑,开挖也是一个技术难点。如此超大断面超浅覆土的矿山法开挖隧道,势必采用“多层多部开挖、立体交叉作业”的开挖方法。把开挖对环境的影响降低到最小程度是开挖方案的目标,必须寻找最合理的分层分部开挖具体方案。有人打趣地将之比喻为“绣花”,其实“多层多部开挖、立体交叉作业”的工法比绣花还难。我校黄宏伟、张冬梅团队承担了开挖方案优化及对环境影响的研究工作。张冬梅说,责任重于泰山,施工断面5米以上的地面就是车水马龙,谁都不敢大意。根据研究结果,工程采用5台阶14部多导坑分部开挖作业。即把一个大洞分成了上下5层,每层划分2-3个小洞,总共14个小洞。14个导洞同步开挖,立体交叉作业频繁。每个导洞内还要分台阶、分工序组织流水作业,其组织的难度是以前没有遇到过的。为此,建设者们结合施工现场实际情况,通过试开挖不断优化施工机具设备组合,根据监控量测数据动态调整施工步距等参数,逐步磨合出一套流水作业的顺序,交叉向前挖掘推进,边开挖边用钢材、混凝土进行支护封闭,保证了工程顺利进行和隧道结构的稳定。

贯通仪式上,工程指挥部表示,拱北隧道暗挖段开挖完成,标志着“超大曲线管幕+水平冻结止水”超强支护体系以及5台阶14步开挖工法取得成功。施工单位表示,作为当今世界上最复杂的公路隧道工程之一,225米下穿拱北口岸的拱北隧道是港珠澳大桥珠海连接线的核心控制性工程,综合造价达4亿元,每米接近160万元;每天冻结用电10万度。我们在5年时间里采用的管幕、冷冻、多层多步开挖等关键技术都是非常成功的。

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