揭秘拱北隧道

文|港珠澳大橋珠海連接線管理中心 許晴爽 周先平 任輝

／“刀尖”上的拱北隧道／

珠海連接線項目作為港珠澳跨海集群工程五大獨立建設主體之一，橋隧比93.8%，位于廣東省珠海市主城區，是港珠澳大橋接入國家高速公路網的唯一通道，是目前業內技術含量高、極具挑戰性的公路工程建設項目之一。拱北隧道是其關鍵控制性工程。

港珠澳珠海連接線中的拱北隧道是項目關鍵控制性工程，全長2741米，以海底隧道和城市地下隧道形式穿越珠海拱北灣和拱北口岸。按照“先分離并行，再上下重疊，最后又分離并行”的形式設置，包括海域人工島明挖段、口岸暗挖段及陸域明挖段等不同結構形式和施工工法，堪稱“隧道施工技術博物館”。其中，下穿拱北口岸255米暗挖段采用“長距離空間曲線頂管管幕+水平控制凍結止水”關鍵技術施工，是世界首座采用該工法施作的雙層公路隧道，其管幕長度和凍結規模均創造了業內新的紀錄。加之周邊建筑密集，地下管線星羅棋布，地質條件復雜多變，施工似穿越“迷宮”般“針尖上跳舞，麥芒上繡花”。

拱北隧道暗挖段的高難度

255米的暗挖隧道被喻為“刀尖”上行走的舞者。受線位布設影響，且為避開口岸聯檢大樓下星羅棋布的管線和樁基，從而降低對拱北口岸建筑及通關影響，拱北隧道平面線形必須采用曲線方案，外輪廓線幾乎貼著澳門邊檢大樓，相距僅1.46米，距珠海邊檢大樓的風雨廊樁基更是只有46厘米，上方就是每天通關人流約40萬人次，通關車流超1萬輛車次的拱北口岸。為滿足雙向六車道，途經30多米狹長口岸走廊帶的隧道只能“長高”，采用上下并行的雙層隧道方案，形成高21米、跨度19米、施工面積達413.2平方米的超大斷面，約為常規隧道開挖斷面的3倍。如籃球場一般大的斷面使周邊結構極易收斂變形，掌子面穩定性變差，容易引起變形、坍塌、失穩。斷面大了，可覆土厚度卻不足5米，不到19米跨度的四分之一，是真正意義上的超淺埋隧道。隧址區域地質條件差，屬典型臨海軟弱富水地層，瀕臨海域，坍塌和涌水風險極高。

拱北隧道總平效果圖

拱北隧道施工工藝圖

拱北隧道暗挖段解決方案

為解決上述難題，港珠澳大橋珠海連接線管理中心委托荷蘭隧道工程咨詢公司（TEC）專門針對設計方案開展了安全風險評估論證并提出了相應的應對措施。由廣東省交通運輸廳牽頭，邀請包括多位院士在內的國內知名專家，成立了港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道技術專家委員會，對各類重大方案反復比較研究、實地調研，前后花了近三年時間，最終確定采取“曲線頂管管幕+長距離水平控制凍結”組合創新工法及超大斷面雙層隧道暗挖技術，即以“大斷面曲線管幕頂管施工”形成支撐體系，以“長距離水平環向凍結”形成帷幕止水體系，以“分臺階多步開挖”方法進行開挖施工。

經中國公路學會組織評價，拱北隧道成套關鍵核心技術達到國際領先水平。項目完成技術指南/專著7項；發表學術論文106篇；獲得專利44項；發表工法6本；申請軟件著作權1項。

短短的255米，超大斷面、淺埋深、富含地下水，各種難題，歷時五年，被逐一攻克，成功解決了拱北隧道建設技術難題，開創了復雜地質條件下大斷面暗挖隧道建設先例。大幅提升了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，為環境要求苛刻的地下空間開發利用提出新的思路和解決方案，具有重大推廣應用價值。

拱北隧道技術創新成果

1.攻克了臨海軟弱地層長距離空間曲線管幕關鍵技術，形成了曲線頂管管幕群的設計理論與方法，研制了頂管管幕建造專用成套設備，提出了曲線管幕施工精度控制方法，發明了高水壓鋼套管接收裝置，確定復合地層頂管施工泥漿配方，優化管幕頂進順序和管節接頭鷹嘴密封橡膠圈結構。

目前，大多數管幕施工采用的是直線頂管的方式，施工精度較高，長距離曲線頂管大多為圓曲線，其單管施工精度基本可控，對于組合曲線管幕的精度控制難題尚無參考。拱北隧道工程管幕群長度目前為國內最長，管幕組合形式為國內首創，世界罕見。拱北隧道管幕相鄰頂管間距僅為355毫米至358毫米，且后頂管會對先頂管道空間位置產生影響，任意一根頂管軌跡偏離設計值過多，都會影響后續凍結施工凍結圈厚度和止水效果，甚至可能占據相鄰頂管位置，而使整個管幕無法形成。在充分利用AVN1200TC頂管機自身導向系統的基礎上，創新提出始發、頂進和接收的三階段小間距復合曲線頂管精度控制技術，并在現場管幕施工中得以應用，單管頂進軌跡偏差基本控制在±50毫米，保證了管幕精準形成。

研發的高水壓頂管始發裝置、鋼套管接收裝置及優化的管節接頭密封圈，并經室內全尺寸密封試驗驗證，確保了高水壓頂管安全始發和接收，避免施工過程發生涌水涌砂事故。

通過分析現場不同地層對頂管泥水平衡泥漿和潤滑泥漿的性能要求，利用室內泥漿試驗確定不同地層泥漿配方，并通過現場試驗頂管適用，總結出復合地層頂管泥漿配方體系。提出的復合地層頂管泥漿配方，采用國產泥漿代替進口產品，解決了不同地層掘進面渣土輸送難題，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，僅泥漿材料節省工程成本上千萬元。

頂管機就位

2015年5月頂管完成

通過數值模擬，建立不同頂進方案條件下管幕有限元模型，對比分析頂進順序對地表變形、管道應力和變形的影響規律，最終優化管幕頂進順序，減小了施工對周邊環境影響。

2.創立了由常規凍結管、異形加強管和限位凍結管構成的“管幕凍結法”凍結體系，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”，動態控制凍土帷幕和凍脹融沉，確保管幕-凍土帷幕的穩定和安全。

拱北隧道工程是國內甚至全球首個大規模實際應用管幕凍結法的工程，而且其工程量大，工程難度高，對于設計方案的選擇、施工步驟的確定等都是前所未有的挑戰。因此，項目研究課題首次系統地闡述管幕凍結法溫度場的相關內容，借鑒其他領域的研究理論，在現有階段內深化和完善，作為研究管幕凍結法溫度場的理論基礎。在數值模擬方面，通過多場耦合的數值模擬分析管幕凍結法的傳熱特性，模擬瞬態溫度場的變化情況，并結合實驗綜合分析有關施工參數對溫度場分布的影響，得出各個參數對管幕凍結法施工的影響。

為實現國內第一個曲線管幕暗挖工程，根據復雜的水文地質條件，成功研發了適用于富水軟土地層的、一種全新的管幕間封水方案——管幕間水平動態控制性凍結止水法，首創了由常規凍結管、加強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，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”，動態控制凍土帷幕和凍脹融沉，確保管幕-凍土帷幕的穩定和安全，具有巨大的發展空間，是拱北隧道實現暗挖法施工的關鍵必需技術，具有很高的社會效益和環境效益。

3.采用多層時步開挖方法和三維交叉成洞技術施工超大斷面隧道，首次采用離心機非停機分塊排液開挖方式，模擬管幕凍結條件下大斷面暗挖施工工序，揭示了不同開挖步驟、不同循環進尺條件下地層和建筑物變形的基本規律，優化了拱北隧道分部暗挖方案。

溫度監測云圖

解凍順序示意圖

頂管內凍結管路布置示意圖

開展了管幕條件下的大斷面隧道開挖離心機模型試驗和數值模擬分析，通過研究不同分步開挖、不同循環進尺下的地層和建筑物變形規律，為開挖方案的最終確定及開挖過程中方案的不斷優化，提供了大量的技術支撐。提出了大斷面隧道最優施工方案，開挖方案由五臺階十五部調整為五臺階十四部，不僅解決了上層導洞施工組織復雜、機械開挖困難等難題，而且地表變形和隧道結構變形控制較好，這也在實際施工過程中得到了很好的驗證，證明了方案的合理性，多臺階多部開挖方案為以后類似淺埋超大斷面隧道開挖提供了很好的借鑒。

4.揭示了臨海大斷面隧道多重支護結構體系水壓力分布規律，提出了臨海大斷面隧道防排水體系和變形縫的設置方法，研發了變形縫新型可排導止水帶。

基于隧道變形縫是臨海隧道防水的薄弱環節，運用理論分析和數值計算的方法對拱北隧道明挖段變形縫間距進行了優化，節省費用數百萬元。2017年9月中旬以后，拱北隧道開始解凍，防水板內側水壓有一定的下降趨勢，這主要是因為施工現場采用了一定的防排水措施，有效減小了隧道內水壓，同時也印證了“注漿堵水層+初期支護+二次襯砌+防水板+三襯混凝土”的防排水體系是可行的、有效的。與初支外水壓相比，防水板內側水壓均小于0.05兆帕，說明該隧道防水體系起到了一定的阻水作用。

5.首次構建縱向漸變雙層公路隧道立體應急疏散體系，建立了隧道逃生空腔、逃生樓梯等逃生區域經濟通風和人員疏散分析方法和模型。

開展不同防煙加壓、不同工況類型的四種典型火災場景下疏散策略的研究，調研國內水下隧道疏散通道的設置情況，對避難場所設置的可行性開展研究，確定拱北隧道包含逃生空腔、逃生樓梯、消防電梯在內的立體疏散體系。運用人員疏散軟件對不同人群分類，不同區段下人員疏散行為進行研究，確定不同場景下人員疏散所需時間。

通過比較人員可用疏散時間及人員疏散所需時間，對不同火災場景下人員疏散安全性進行評價。編制了可用疏散時間（ASET）和需要疏散時間（RSET）評估表，疏散門間距減小，可以減小RSET，門數量越多，保持逃生艙內的正壓送風回增加難度，最終建議疏散門間距取值80米至280米。回流區外人員均有足夠時間撤離，回流區內人員在不同風速、不同火源上游回流長度情況下，可用疏散時間不同，在每秒3米（3m/s）縱向通風風速下，得出除回流段的人員以外，均有足夠的時間撤離。火源上游70米，回流區內的人員，可用疏散時間為600秒。根據評價結果對通風排煙系統以及疏散通道設置進行修改和完善，實現對火災工況下的安全疏散的目標。

／歷史性的穿越／

港珠澳大橋珠海連接線管理中心以深化改革開放、加快建設交通強國為引領和指導，攻克世界級難度，實現了拱北隧道的歷史性穿越。

黨的十九大提出了建設交通強國的重大決策部署，深刻闡明交通運輸在國民經濟中先導性、基礎性、戰略性和服務性的功能屬性，賦予了交通運輸發展先行官的歷史新地位。站在新的歷史起點，港珠澳大橋珠海連接線項目始終堅持改革開放的基本思想，深入落實習近平總書記對交通運輸重要指示精神，瞄準建設“交通強國”奮斗目標，助力從交通大國向“交通強國”邁進。

抓住機遇，勇立潮頭

改革如潮，弄潮兒勇立潮頭。作為港珠澳集群工程在內地的唯一“登陸點”，珠海連接線項目是連接港珠澳大橋海中橋隧主體的關鍵工程。2009年5月26日，項目成立建設管理機構，標志著項目建設正式步入快車道；2009年11月4日，項目工程可行性研究獲國務院批準；2012年6月15日，項目初步設計獲交通運輸部批準；2012年7月31日，項目控制性工程拱北隧道正式開工建設。由項目成立到項目正式動工，短短的三年，是項目建設者勇當弄潮兒，競逐浪，打磨項目設計的開創年。

港珠澳大橋如何接入內地，曾有多個方案。如跨過或鉆過澳氹之間的水域，進入珠海橫琴接國家高速公路網。這個方案對澳門有較大影響，被否了。直接插進拱北？拱北是珠海最繁華和密集的商業圈，僅征拆所要耗費的財力、物力和時間就讓人望而卻步。針對珠海連接線初步設計過程中存在的問題，珠海連接線項目建設者敢于突入“無人區”，堅持摸著石頭過河，逢山開路，遇水架橋，積極向上級主管單位密集匯報。在實踐中求真知，在探索中找規律，不斷形成新經驗、深化新認識。3年的調研總結，港珠澳大橋登陸珠海方案得到各方認同，最終被敲定。

港珠澳大橋珠海連接線起自珠澳口岸人工島，向西設起點連接匝道、拱北灣大橋連接珠海連接線人工島；采用隧道方式穿越拱北灣海域并下穿拱北口岸；經茂盛圍軍事管理區后，設前山河特大橋跨越前山河；經中富工業園上跨南灣大道后，設加林山隧道穿越將軍山；后以高架橋形式繼續西行至該項目終點洪灣，通過廣東西部沿海高速公路接入國家高速公路網。路線全長13.4公里，采用雙向六車道高速公路標準，設計時速80公里。主線隧道長6204米（2座），橋梁長5973米（3座），設人工島1處，南灣互通、橫琴北互通、洪灣互通3處互通立交和口岸人工島連接匝道1處。全線于2018年10月24日與港珠澳跨海主體工程同步通車，其中南灣互通至洪灣互通段（7.7公里）于2016年提前建成通車。

暗挖段、工作井。

珠海連接線項目的建成，極大方便了港澳居民進出內地，也為內地居民往返港澳新增一條便捷高速通道；對珠三角東西區域走向平衡、融合發展發揮著重大作用，為廣東形成全面開放新格局上走在前列提供強有力的支撐；對全面加強粵港澳合作，加快推進三地融合和開發步伐，建設粵港澳大灣區，打造珠三角世界級城市群具有十分積極而重要的意義。

港珠澳大橋珠海連接線總平效果圖

創新引領，向“強”邁進

創新是引領發展的第一動力。改革開放以來，我國交通運輸供給不足的狀況已發生根本性轉變，逐步從“有沒有”轉為“好不好”，但創新能力還不強。面對極其復雜的建設條件，受制于落后的施工技術和裝備制造水平，往往難以實現突破。實現交通建設技術裝備水平從“跟跑”到“領跑”轉變，是港珠澳大橋珠海連接線全體建設者的初心和動力。

技術創新是珠海連接線建設的源動力。珠海連接線項目受特殊地理位置所限，加之關鍵工程設計、施工技術在國內外沒有成熟、成套的經驗可借鑒，為破解難題，項目建設單位以“技術創新”作為突破口，積極申報了交通運輸部、廣東省交通運輸廳科技項目，組織開展了隧道、橋梁、管理等3個方向共13個子課題的研究。完成技術指南/專著8項，發表學術論文167篇（其中145篇被核心期刊收錄），獲得專利46項，發表工法6本，申請軟件著作權1項，組織5次相關的學術會議。同時積極轉化科研成果，對設計和施工進行動態跟蹤，提供有效指導，建立工程建設與科研聯動機制，切實做到讓科研真正為工程建設服務，依托項目開展科研各項工作，解決項目技術難題，為技術突破提供支撐，為珠海連接線后期安全運營提供了有效保障。

經科研成果評價委員會評定：拱北隧道科研成果達到“國際領先”水平，橋梁科研成果總體達到“國際先進”水平。僅2018年，拱北隧道斬獲國際隧協杰出工程提名獎；“拱北隧道成套關鍵技術與應用創新研究”獲中國公路學會科學技術獎一等獎；“大跨、寬幅波形鋼腹板預應力混凝土連續梁橋設計與施工關鍵技術研究”獲廣東省公路學會科學技術獎二等獎。

征拆模式創新是珠海連接線建設的前提保障。常規征地拆遷模式難以實施。珠海連接線途經珠海主城區，沿線產權單位既包括村民住宅、村集體、工業區，更有軍事區域和陸路口岸，紅線范圍內僅企業就有59家，密集的建筑，復雜的權屬，常規項目“單價包干、實報實銷”的征地拆遷模式在此行不通。項目管理中心創新性地提出采用“征地拆遷總包干”模式。與傳統征拆模式相比，該模式一方面可以大大減少協調工作量，使建設單位得以集中精力攻克技術難題；另一方面可以充分調動地方政府的工作積極性，提高征拆工作效率；同時通過地方政府各部門聯動，可有效避免征地拆遷矛盾的激化，進而維護地方和諧穩定，實現共贏。

實踐證明，這一新的征拆模式，責任明確，流程簡化，順利完成了城市核心區域快速、和諧征拆，為項目建設工作提供了堅實的保障。

安全風險管控是珠海連接線建設者的使命。習近平總書記強調，“發展決不能以犧牲人的生命為代價。這必須作為一條不可逾越的紅線”。珠海連接線項目全體建設者始終心存敬畏，安全管理沒有絲毫馬虎。項目籌建之初，便注重從技術措施上入手，及時解決施工中的安全問題，實現工程本質安全。通過在初步設計之前開展風險評估工作，從源頭上規避和控制了工程施工風險；同時增加了技術設計，通過組建國內知名專家組，對重大方案深入研究，降低安全風險。項目建設階段，以體系建設和責任落實為重點，以“平安工地”創建為抓手，積極探索“零事故班組”建設，把安全責任落實到班組和個人。同時，借鑒地鐵建設經驗，引入第三方施工安全風險管理機構，構建項目施工安全風險管控信息系統。

東區凍結站內部機組分布圖

在近零下30度的管幕內施工作業

拱北隧道入口近景

拱北隧道順利貫通

在全體建設者的共同努力下，珠海連接線項目實現了“零”安全責任事故目標，建設期被列為交通運輸部第四批“平安工地”示范項目。

至臻建設是珠海連接線人對品質的追求。珠海連接線建設者承載的歷史使命尤為光榮，在項目建設全過程始終注重打造“品質”工程，樹立“精品”意識，高起點謀劃，高標準建設，高效率運行，強化精細化管理，形成“管理精細化到實施精細化再到工程精細化”環環相扣的管理鏈。

“四新技術”在項目建設過程中得到大力推廣應用，“五化管理”在項目建設過程中得到落實，達到“以設備保工藝、以工藝保質量、以質量促品質提升”的目的。以拱北隧道和前山河特大橋為代表的關鍵控制性工程，在頂管、凍結、波形鋼腹板方面大量采用了當前國際和國內領先的先進新技術和工藝；多臂鑿巖臺車在加林山隧道的應用為促進常規山嶺隧道機械化施工作出了貢獻；項目在廣東省率先推廣使用了工地試驗室力學數據實時監控系統。

十年磨一劍。從2009年開始初步設計，到2018年建成通車，港珠澳大橋珠海連接線項目建設歷經十個年頭。建設過程中，項目管理團隊始終以“篳路藍縷，以啟山林”的開拓精神，帶領廣大建設者以“胼手胝足”的務實作風，以“如履薄冰”的心態，認真做好每一件事。回顧項目走過的歷程，史無前例的投資規模調整、首創征地拆遷總包干模式、完備的基建程序管理、創新的長距離曲線管幕凍結工法……每一步都來之不易，無一不凝聚了全體建設者的智慧和辛勞。

站在新的歷史起點，港珠澳大橋珠海連接線管理中心將全面貫徹落實“交通強國”戰略部署，積極總結提煉拱北隧道“曲線管幕+水平控制凍結”科技創新成果，加快實現科技成果推廣轉化。一方面，抓緊完成拱北隧道建設關鍵技術叢書編寫，為今后類似工程提供借鑒和參考；另一方面，聯合科研單位進一步提煉總結科技成果，形成行業技術及裝備制造標準；同時，深度參與國際隧道施工技術規則與標準制定，大力推動人才交流輸出，為“交通強國”戰略提供技術人才支撐，提升我國交通建設國際話語權。