隧道施工管幕凍結法在同濟大學成功研發

隧道施工管幕凍結法在同濟大學成功研發

從同濟大學土木學院獲悉，管幕凍結法已經完成研發測試工作，近期將用于港珠澳大橋珠海連接線的施工。

世界在建的頭號大洋工程港珠澳大橋以工程量巨大、施工難度巨大、難題繁多而聞名于世，其中就包括珠海連接線工程。港珠澳大橋珠海連接線工程主線長約12.67 km，設計方案設大橋、隧道多座。其中結構最復雜、施工難度最大、施工方法最特殊的是拱北隧道暗挖段。拱北隧道暗挖段是一座雙層整體式隧道，上下層各3車道，穿越繁華、繁忙的拱北口岸，地下水位較高，并與海水緊密相連。

拱北口岸有多忙？2011年首次超越羅湖口岸成為全國第一大陸路口岸。2014年8月17日，拱北口岸的出入境旅客超過35.5萬人次／d。如此繁忙的口岸，要開展隧道施工，當然不能“開膛破肚”，于是穿越拱北口岸段隧道采取暗挖法，暗挖的總長度為255 m。

因為地面人流密集，加上地下水水位高，隧道斷面超大、覆土超淺，地質條件復雜，暗挖施工難度可想而知。在熙來攘往的拱北口岸，隧道施工絕不能發生漏水和地面塌陷，無論采用何種方法施工首先必須要保證地面變形在可控范圍內。

胡向東與各方專家一起探索研究，最終敲定管幕凍結法。管幕凍結法是“管幕＋凍結預支護、礦山法暗挖”的施工方法。其中，管幕是圍繞隧道四周、沿隧道全長布置的大型鋼管，以強筋健骨保護隧道施工安全；凍結則是把鋼管之間及周圍土體凍結成凍土，形成止水帷幕。通俗地講，這種方法是預先沿隧道開挖的輪廓打入一圈鋼構保護筒，開挖就在保護筒里面進行，保護圈層則是由一系列順次排列的大型鋼管和人工凍土構成。這段暗挖工程最終確定的管幕由36根直徑為1.62 m的鋼管組成，圍成一個寬18 m、高22 m的橢圓形隧道開挖斷面，其高度相當于7層樓的高度。

一般的凍結法都是直接將凍結管打進土里，然后在管里循環冷凍液（一種降溫到－30℃以下的鹽水，冷而不凍），從而在凍結管周圍形成凍土。可是，在這里用不了，因為隧道線路為曲線，無法在土層中布設凍結管。唯一可行的途徑是把凍結管布置在管幕的大鋼管里面。

這一國內外未曾使用的方法面臨三大問題。首先，不與土體接觸的凍結管是否能把土體凍住；其次，超大斷面隧道開挖后，在亞熱帶炎熱氣候條件下凍土會逐漸融化，凍土如何抗弱化；最后，由于土體凍結體積膨脹的客觀規律，凍結在超淺覆土的地下進行，凍脹可能導致地面嚴重隆起而影響拱北口岸的正常運行，甚至可能影響到地上地下相鄰建、構筑物的安全，如何控制得住地面隆起，即如何限制凍脹。

如何解決這三大難題？經過反復比較、測算、試驗，團隊設計出“凍起來、抗弱化、限凍脹”的方法，提出了一套解決上述三大技術難題的方案。管幕凍結法具備了在積極凍結期形成有效的凍土止水帷幕、在隧道開挖期抵御開挖熱擾動引起的凍土弱化、在凍結全過程中限制凍脹的三大能力。此方案摒棄傳統的單種凍結管思路，用圓形凍結管、異形凍結管和凍土限位管3種管路構建了一套特殊的凍結系統。圓形凍結管和異形凍結管作為凍結的主要冷源，以凍結形成凍土并抵御凍土弱化；限位管在需要時開啟熱鹽水，用來限定凍土帷幕的范圍從而實現凍脹的控制。

方案要付諸實施，尚有一系列理論和工程問題需要解決。為了確保工程萬無一失，相繼開展了大型物理模型試驗研究、大量精細化數值模擬研究、實驗室管幕－凍土復合結構力學性能研究和工程原位試驗研究。

（摘自重慶土木建筑網http：／／www.cqtmjz.cn／news／show－56328.html 2015－04－23）