長距離曲線管幕凍結淺埋暗挖隧道工程
——港珠澳大橋拱北隧道

張 軍， 吳樹元， 程 勇， 劉繼國

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司， 湖北 武漢 430056)

1 工程意義

珠海連接線項目是港珠澳大橋的重要組成部分，拱北隧道是其控制性節點工程。珠海連接線項目建成后，可滿足香港、內地(特別是珠江西岸地區)及澳門之間的陸路運輸要求，將珠海、澳門同香港間的車程由3 h縮短為30 min，推動粵港澳大灣區互聯互通，并完善國家高速公路網“珠江三角洲地區環線”和廣東省高速公路網“珠江三角洲外環高速公路”。

拱北隧道暗挖段建設條件極其復雜，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，需確保工程建設不影響每天約40萬人流和1萬多輛通關車流的正常通關。拱北隧道的建設提升了我國臨海軟土地區超大斷面隧道暗挖工法的科技含量和施工技術水平，可為同類工程的建設提供理論支撐和技術保障，具有重大推廣應用價值。

2 工程概況

拱北隧道全長2.74 km，隧址位于珠海與澳門分界線。起點位于拱北灣海域填筑區，接拱北灣大橋，終點位于邊防五支隊茂盛圍軍事管理區。其中暗挖段正上方為出入境風雨廊，從澳門關閘聯檢大樓和免稅商場之間的狹長地塊穿過。 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、淤泥質土、砂(含淤泥質)、粉質黏土、粉細砂、中砂、粗礫砂、卵礫石、全—強風化黑云母斑狀花崗巖等土層，如圖2所示。地勘報告顯示海相、海陸交互沉積層厚度為28～35 m，中層砂(礫)質黏土層厚度為0.5～8.2 m，下伏超過20 m厚的全—強風化黑云母斑狀花崗巖。

工程建設范圍內地表水主要為海水，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殘積層等土層和基巖裂隙中。其中粉砂層為強透水層，局部存在地下暗河，其他砂類土為透水層，而淤泥或淤泥質土、一般性黏性土、殘積土為相對弱透水層。

拱北隧道為雙向6車道高速公路，設計速度為80 km/h。隧道建筑限界凈寬1 425 cm，凈高510 cm，檢修道高50 cm，設計荷載為公路—Ⅰ級。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

拱北隧道技術難度大、風險控制要求高、政治敏感性高，主要體現在以下4方面。

1)地理位置獨特，政治因素敏感。拱北隧道沿線途經人工填海區域、邊防五支隊軍事管理區域、珠海拱北口岸、澳門關閘口岸等，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風雨廊樁基，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，其距離澳門側樁基最小距離1.5 m，距珠海側樁基最小距離僅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)地質條件復雜，變形控制不易。隧道大部分位于水位線以下，穿越填筑土、淤泥質粉質黏土、粉土、中細砂、淤泥質粉土、粉質黏土、礫砂等地層。地層具有交互相沉積層特點： 軟弱、飽和含水、高壓縮性、高滲透性、承載力低。頂管軌跡復雜(255 m復合曲線，88 m緩和曲線+167 m圓曲線)、頂管數量多(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，凍結圈形成及消融、暗挖段開挖對地表及周邊建筑物影響大。

4)地下管線眾多，協調難度巨大。珠澳兩地口岸建筑密集、地下管線混亂，交錯密布。在邊防五支隊軍事管理區、口岸管理區、鴨涌河、茂盛圍區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

針對拱北隧道暗挖段，初步設計共研究了近20種不同的工程方案，如圖6所示。通過綜合比選(見表1)，為避免截樁對口岸內建筑產生影響，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，并結合安全可行性最終確定以管幕-支護結構組合超前體系下穿拱北口岸。暗挖段最終設計長度由初步設計的220 m調整為255 m，隧道開挖擾動面積達413.1 m2。隧道周圍采用36根φ1 620 mm鋼管幕作為超前支護，管幕間距約35 cm，采用管幕間分段分區控制性凍結法進行管間止水。暗挖段開挖斷面高約19 m、寬約20 m，開挖斷面面積達336.8 m2，埋深僅5～6 m，采用5臺階14分區臺階法施工。

論證方案

表1 設計方案優缺點分析

5 工程關鍵技術與創新

5.1 長距離大直徑曲線頂管管幕建造技術

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，穿越多種具有強度低、易觸變、滲透性強的軟土及砂層，口岸內建筑物密集且安全級別高。暗挖段采用36根頂管，形成管幕超前支護，如圖7和圖8所示。管幕外邊緣最近處距離澳門聯檢大樓樁基僅1.5 m，距離拱北口岸出入境長廊基樁僅為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構設計(單位： cm)

圖8 上下層疊合卵形大斷面暗挖結構效果圖

針對以上難點問題，拱北采用德國海瑞克生產的泥水平衡頂管機(見圖9)，采用曲線直頂、人工校核+UNS導向(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； 系統地開展了高水壓條件下頂管施工密封性研究、復雜地質條件下曲線頂管頂進力及參數分析、曲線頂管節應力與管土壓力試驗及理論研究以及曲線頂管施工和群管頂進土體擾動研究，優化了管幕頂進的順序和管節接頭鷹嘴密封橡膠圈的結構，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接頭密封效果； 創新性地提出鋼套管接收技術(見圖11)，通過室內密封試驗(見圖12)驗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難題，降低了施工風險。研究出的復合地層頂管泥漿配方采用國產泥漿代替進口產品，保證了含鹽地下水條件下潤滑泥漿長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

圖10 人工校核+UNS導向

圖11 高水壓鋼套管接收裝置及工藝

圖12 室內頂管密封試驗

5.2 管幕間分段分區水平動態控制性凍結止水技術

通過方案比選，曲線管幕間封水方案采用動態控制性凍結止水，既保證絕對的封水性，又能有效控制地表變形，保證了口岸內正常通關和周邊建(構)筑物的安全。首次建立了由常規凍結管、異形凍結管和限位凍結管構成的獨創性的“管幕凍結法”凍結體系(見圖13)，是國內外首次采用管幕內限位管限制凍土發展的方法，發明了“長距離曲線大管幕凍結止水與開挖協同的分段凍結新技術”。其中針對水平凍結縱向不均勻性及混凝土頂管內溫度監測點易失效的問題，預留空頂管為后續補救應急措施提供施工空間。空頂管由于空氣對流的影響，設置常規凍結管無法進行有效凍結，因此開發設計了異形凍結管(見圖14)，從而保證空頂管內的凍結效果。根據實頂管與空頂管的凍結效果有差異的特點，在實頂管內設置限位管，既限制實頂管外側局部凍土帷幕的發展，又不影響頂管間的凍土帷幕封水效果。

圖13 頂管內凍結管路布置示意圖

圖14 空頂管內異形凍結管路

通過室內試驗(見圖15和圖16)、數值模擬、現場試驗，驗證了凍結方案可靠性和可控性，揭示了新凍結方式地層凍結溫度場的發展規律、結構形態和特征，形成了“凍起來、抗弱化、防凍脹”的理念。

圖15 管幕凍結法大型物理模型試驗管路布設

圖16 管幕凍結法大型物理模型試驗凍結站

通過實驗室相似模型試驗(見圖17)和考慮鋼管-凍土接觸面強度的數值模擬(見圖18)，掌握了凍土相對鋼管的變形跟隨性規律，論證了管幕-凍土復合結構在工程實際條件下的安全性。

圖17 管幕-凍土復合結構的力學性能試驗模型

圖18 管幕-凍土復合結構的力學性能數值分析(單位: m)

5.3 多層時步開挖方法和三維交叉成洞技術

拱北隧道暗挖段開挖輪廓面積達336.8 m2，首次采用離心機非停機分塊排液開挖方式(見圖19和圖20)，模擬了不同開挖工況，并結合數值模擬的結果和現場的可操作性，進行方案比選(見圖21)，通過對地表變形、結構安全要求和現場機械化施工的便利性等影響因素綜合考慮，最后確定采用5臺階14分區法施工(見圖22和圖23)，解決了管幕凍結支護下臨海、淺埋、軟弱地層的暗挖難題。其中臨時支撐采用工廠預制、現場拼裝的方法，施工效率高。2017年4月10日拱北隧道暗挖段采用5臺階14部臺階開挖法順利完成全隧貫通。

圖19離心機支撐及內部模型圖20離心機分塊排液模型試驗

(a) 5臺階10部(b) 5臺階15部(c) 5臺階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

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

提名國際隧道及地下工程協會(ITA)2018年度杰出工程(預算在5 000萬～5億歐元)。

7 工程參建單位

建設單位： 廣東省南粵交通建設投資有限公司。

設計單位： 中交第二公路勘察設計研究院有限公司。

施工單位： 中鐵十八局集團有限公司。

監理單位： 招商交科重慶中宇工程咨詢監理有限責任公司。