Tulips Chen

——解密港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道科学创新密码

2012年6月18日，“神州九号”飞船与“天宫一号”目标飞行器成功实现对接，为中国航空航天史再树里程碑。

2012年7月31日，在珠海拱北口岸的地下，有一条媲美神九“太空穿针”技艺的世界最大断面公路隧道开工，开始了一场史无前例的“地下穿针”。这条隧道便是世界最长的跨海大桥——港珠澳大桥珠海连接线的控制性工程拱北隧道，其暗挖段“曲线管幕+水平冻结”的施工工法为世界首创，难度、规模和技术含量刷新了数项世界纪录，被誉为“地下神九”。

2017年4月10日，历经5年建设，拱北隧道全隧贯通，也宣告我国在这一领域的技术水平走在了世界前列，向中国共产党成立96周年和香港回归20周年献上一份特别的礼物。

 

“针尖上跳舞”式施工：挑战世界难题

港珠澳大桥珠海连接线的控制性工程——拱北隧道全长2741米，由海域人工岛明挖段、口岸暗挖段以及陆域明挖段三种不同结构的隧道连接而成。

在这段世界级难度的隧道建设过程中，最难的是暗挖段，虽然长度仅为255米，两三分钟就可以走完全程，但却创造了多项新的纪录。19米宽、21米高，开挖轮廓面积达336.8平方米的体量，接近一个篮球场的大小——这让其成为当今世界上首座采用管幕冻结法施工的世界最大断面公路隧道。

据有关人员介绍，暗挖段处于类似泥潭一样的高富水地质结构区。同时，下穿日均人流量超30万人次的我国最大出入境口岸拱北口岸，拱北隧道施工面临的难题，几乎集中了迄今人类建设隧道的全部难度，其管幕长度、管幕面积和冻结规模，均刷新了世界纪录。

“什么叫在针尖上跳舞，拱北隧道就是最为形象的诠释！”该工程建设者如是说。

为了攻克这一世界性难题，工程建设者决定采用“曲线管幕+冻结法”施工，即沿着隧道的开挖轮廓线，在336平方米的断面上，布置36根直径1.62米、长255米的钢管，组成环形“管幕”支护体系，防止周围土层坍塌、地表沉降，然后再用冻结法把管幕周围的土层温度降至0℃以下，形成一个防水壳再进行隧道的开挖作业。

 

“泥鳅穿豆腐”式顶进：曲线对接零误差

拱北隧道土层软弱，富含地下水，承载力低，被称为“汉堡包”地层，就像“汉堡包”中的夹心肉一样。

也就是说，隧道穿越的部分包含淤泥质粉质黏土、淤泥质砂、中砂含细砂、粉砂等地层。而其上就是拱北口岸，稍有不慎，就会造成灾难性的后果和极为严重的影响。

在隧道开挖之前，第一个拦路虎就是超大曲线管幕施工。与普通直线管幕顶进技术不同，该工程需沿着“88米缓和曲线+167米圆曲线”的轨迹顶进，以往曲线顶管顶进误差能控制在15厘米就“相当了不起”，而拱北隧道顶进的误差必须控制在5厘米以内，几乎要做到“零误差”。

“顶管过程中最难把握的是对接精度的控制。”港珠澳大桥珠海连接线项目经理介绍说。“这就像泥鳅穿豆腐，顶管机要在软如豆腐般的地层中穿梭36次，但这种穿梭不是泥鳅在豆腐里面乱穿，而是要让冷冰冰的顶管依据精确计算，按一定轨迹，精准地穿进，精准地穿出。”

255米的顶管被分割成60多节，每节4米，由顶管机一节节向内顶进。过程中，仅仅依靠顶管机的定位功能并不能确保顶进精度，他们要进行人工复核。每顶进20米，就需要测量员爬进内径1.58米的钢管内进行复核，验证顶进轨迹。

2013年6月8日，第一根试验管顺利始发。9月2日，第二根试验管顺利接收。“第一根试验管对接精度的上下误差只有0.2厘米，左右误差约0.5厘米。”这个误差值，是施工标准（5厘米）的1/10，远远超过预计。2015年5月，最后一根顶管顺利接收，创造了“零误差”的曲线管幕施工纪录，确保了拱北口岸“安然无恙”。

 

“冰桶挑战”式支撑：“管幕冻结”保安全

管幕工程的完成，好比人的身体，只是搭起了“骨架”，而紧接着的冻结工程，利用冷却盐道这一“血脉”，沿着“骨架”循环，最终才会构成完整的“人体”。

“如果对这个336平方米的管幕群直接开挖，极易导致隧道整体垮塌。为此，我们创造性地采用超大断面水平环向一次冻结技术。”项目副总工程师解释说，就是把暗挖段高23米、宽20米、厚2.6米、纵向长度255米的地段，变成一个巨型的“冰柜”，并利用人工制冷技术，把松软含水的土层变成冻土，将管幕的顶管包裹，再将隧道完全封闭，形成冻土完成对隧道结构的支撑增加其强度和稳定性，以便在冻结壁的保护下，安全进行隧道的开挖作业。

“冰冻三尺，非一日之寒”。工程建设者们围绕“冻起来、抗弱化、控冻胀”三大原则展开了联合攻关，在国内外前所未有地采取了管幕钢管内部布置“圆形主力冻结管”、“异形加强冻结管”和“升温盐水限位管”三种特殊管路构成的冻结方案，解决施工中遇到的种种难题。

单根管幕直径1.62米，平均长度225米，36根顶管将隧道主体结构固定，进入管幕内，狭小的空间只准许一个人爬行前进。珠海连接线项目部党工委书记索雨舟介绍说，在管幕的每根顶管里面都布置了这样的冷却管，冷却管循环输送-28℃的低温盐水，把土体的热量带走，这样就在隧道外侧一周形成坚硬的冻土。无论外部多高温，顶管内部必须保持“冰天雪地”，最低接近-20℃。

为解决冻土开挖难题，建设者们经过不断的设备选型，最终决定实施“阶十四部开挖作业法”，就是将巨型“冰砖”分割成“九宫格”，五层十四个导洞同步开挖，立体交叉作业，在每个导洞分做三个微小台阶，每个小台阶配置一台小型挖掘机开挖冻土，人工配合修边，大大提高了工效。

一桥飞架粤港澳，湾区迎来新动脉。堪称“地下神九”的拱北隧道的安全贯通，为港珠澳大桥按期建成通车打下了坚实基础。珠海连接线将打通珠江西岸通往香港、澳门的通道，为粤港澳大湾区交通互联互通增添新动脉……