导语
2016年12月28日，历经4年建设，港珠澳大桥•珠海连接线拱北隧道首层导洞顺利贯通，为计划于2017年底建成的港珠澳大桥打下了坚实的基础。
超大断面、超浅埋深、曲线管幕、大规模冻结……这座集中了人类迄今为止隧道建设全部难题，技术难度堪比“神九”的隧道真够拼。其中大断面有多大？直径相当于一个篮球场；浅埋深，有多浅？隧道顶部土层厚度不足5米。暗挖段短短255米，建设者奋战了5年，折合成每米造价160万元。面对海水倒灌、上面建筑变形坍塌、地质复杂等世界性难题……
他们如何出奇制胜？央视十套《走近科学》带你看一场由中国铁建执导的“泥鳅穿豆腐”“针尖上跳舞”的工程“大戏”。
十八局集团承建的港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程，下穿国内第一大陆路口岸——拱北口岸，全长2741米，极富挑战性，技术难度堪比“神九”，是港珠澳大桥珠海连接线的关键控制性工程。隧道采用左、右双线布置，并按照“先分离并行，再上下重叠，最后又分离并行”的形式设置，涉及海域人工岛明挖段、口岸暗挖段、陆域明挖段等不同结构形式和施工方法。特别是施工风险极大、科技含量极高，长度仅为255米的隧道暗挖段，采用长距离“曲线管幕+冻结法”暗挖施工，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，是国内第一座采用曲线管幕法施工的隧道，也是世界上最长的超大断面曲线管幕隧道。
拱北隧道为港珠澳大桥珠海连接线的关键控制性工程，设计时速80km/h，短短255m的暗挖段却创造多项新的纪录。究竟这座隧道有何特别之处？在建造上遇到了什么样的难题，又是如何一一克服的？让我们一起走进这项超级工程，并通过采访同济大学副教授胡向东及其团队，了解其中的关键技术——管幕冻结法。简言之，就是用36根255米长、1.62米直径的钢管穿透地下土层，在地下围成一个椭圆的环，这个圆环便称之为曲线管幕。隧道暗挖工程就在这个钢管围成的环内进行。同时，为了保证止水，工程采用—28℃的低温盐水冻结管，将管幕之间35厘米的土体冻结，形成止水帷幕，与曲线管幕共同支护隧道内的暗挖工程。
难度前所未有
拱北隧道为珠海连接线关键控制性工程，隧址所在地隶属珠海市香洲区，毗邻澳门。隧道全长2740m，由海域明挖段、口岸暗挖段和陆域明挖段三部分组成。
拱北隧道堪称“地质博物馆”和“隧道施工技术博物馆”。地质条件差，外部干扰大，施工风险高，地下不同种类的岩土达16种之多，地质复杂多变。工程运用的“曲线管幕+冻结法”施工技术、长距离大直径曲线管幕顶进技术、临海盐水环境下长距离分段分区精准控制冻结技术在国内尚无先例，世界罕见。其中管幕工程是在拱北口岸下一条30多米的狭长地带穿过，两侧都是桩基管线，施工像穿越“迷宫”。顶管精确度要求控制在±50毫米范围内，不亚于给绣花针穿线，接近“零误差”，345平方米的断面上共36根、直径1.62米、长度255米的钢管组成的管幕群，是地质情况复杂、管幕根数多、超大断面的曲线管幕群。
隧道下穿我国日通关量最大的陆路口岸——拱北口岸，按照“双向并行与上下重叠相互变换”的双向6车道方案进行设计。特别是穿越拱北口岸255m的隧道暗挖地段，建设方需要面对超大断面、超浅埋深、富含地下水等一系列技术难题。
另辟蹊径
面临如此难题，对于大断面、小长度的公路隧道而言，采用盾构法施工显然是不经济的。项目建设、设计、施工单位经过三年的调查研究和方案比选，采用了国内首创、世界罕见的“曲线管幕＋冻结法”的施工方法，即管幕冻结法，其管幕长度、管幕面积和冻结规模均刷新了世界纪录。
施工单位采用东、西工作井为“曲线管幕+冻结法”支点，同时为了实现技术最优、工艺最精，采用德国海瑞克UNS导向系统等国际先进仪器，建立自动跟踪测量网络控制系统。采取始发、顶进、接收三阶段工作法进行施工作业的同时，适时调配泥水分离器、膨润土分配器等机具辅助施工，采用直径1.62米的AVN1200TC泥水平衡顶管机顶进。
地层深处的穿越
管幕冻结法是指先在隧道周围顶进φ1620mm的钢管幕作为超前支护，再采用冻结法对管间土体进行冻结，起到封水作用。
管幕施工是拱北隧道暗挖段成功的关键。管幕平均长度257.927m/根，目前为国内最长，位于曲率半径R=890～902.25m的缓和曲线和圆曲线上。φ1620mm管幕共36根，其中壁厚24mm的管幕19根，壁厚20mm的管幕17根；每根管幕由60余根管节组成，每根管节长4m，采用F型承插口连接。
管幕形成后利用人工制冷技术，把松软含水的土层变成冻土，包裹管幕顶管，增加其强度和稳定性，以便在冻结壁的保护下，安全进行隧道开挖。
“冰冻三尺非一日之寒”。围绕“冻起来、抗弱化、控冻胀”三大原则，在管幕钢管内部布置“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。
开挖采用多层多部、立体交叉作业的施工方法，共分五层开挖，顶层两个导洞，其余每层三个导洞，上台阶超前开挖。暗挖段采用两头对向施工。
如此复杂的工程，是如何保证安全性与精确性的呢？5大关键技术让你马上了解！
难点：常规的锁扣止水方法无法用于此类长距离曲线顶管的封水问题，如何解决？
关键技术：由于常规的锁扣止水难以确保曲线顶管的管间止水效果，因此采用冻结工艺使得管间土体形成冻土，既能起到封水作用，又能增加土体强度，且止水效果可通过温度可视化得以实现并予以调节控制。
难点：如何确保管间土体冻结效果？（1形成一定冻结厚度；2防止开挖等其它因素干扰造成的冻土弱化；3控制冻土厚度，防止过大冻胀）
关键技术：通过大型物理模型试验、室内试验、现场原位试验、精细化数值模拟等手段，得到各种施工条件下相应最优的冻结控制方案和动态控制方法（合理地协调安排圆形主力冻结管、限位管、异形加强冻结管的开启关闭时机）。
难点：如何控制冻胀和融沉？
关键技术：首先在冻结阶段就通过变换冻结模式来有效地控制冻土帷幕的体积，其次在解冻阶段通过注浆等方式进行融沉控制。
难点：如何确保顶管顶进精度？
关键技术：为了实现技术最优、工艺最精，项目部采用德国海瑞克UNS导向系统等国际先进仪器，建立自动跟踪测量网络控制系统，为施工安全护航。采取始发、顶进、接收三阶段工作法进行施工作业的同时，适时调配泥水分离器、膨润土分配器等机具辅助施工，采用直径1.62m的AVN1200TC泥水平衡顶管机顶进，接收偏差控制在50mm以内。
难点：如何确保隧道开挖面稳定性？
关键技术：为了确保隧道开挖面土体稳定性，采用5台阶14分区法施工，多层多部开挖、立体交叉作业。开挖后通过初衬和临时支护确保土体稳定，紧接着施做二、三次衬砌。由于冻结不仅起到了隔绝地下水作用，还大大增加了土体强度，因此对开挖面的稳定性也有一定贡献。
信息来源： 隧道网，中国铁建
责编：李瑞琦
国际工程部党群办公室