隧道施工管幕凍結(jié)法在同濟(jì)大學(xué)成功研發(fā)

從同濟(jì)大學(xué)土木學(xué)院獲悉，管幕凍結(jié)法已經(jīng)完成研發(fā)測(cè)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(hào)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(zhǎng)約12.67 km，設(shè)計(jì)方案設(shè)大橋、隧道多座。其中結(jié)構(gòu)最復(fù)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(guó)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(guò)35.5萬(wàn)人次／d。如此繁忙的口岸，要開(kāi)展隧道施工，當(dāng)然不能“開(kāi)膛破肚”，于是穿越拱北口岸段隧道采取暗挖法，暗挖的總長(zhǎng)度為255 m。

因?yàn)榈孛嫒肆髅芗?，加上地下水水位高，隧道斷面超大、覆土超淺，地質(zhì)條件復(fù)雜，暗挖施工難度可想而知。在熙來(lái)攘往的拱北口岸，隧道施工絕不能發(fā)生漏水和地面塌陷，無(wú)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(nèi)。

胡向東與各方專家一起探索研究，最終敲定管幕凍結(jié)法。管幕凍結(jié)法是“管幕＋凍結(jié)預(yù)支護(hù)、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(zhǎng)布置的大型鋼管，以強(qiáng)筋健骨保護(hù)隧道施工安全；凍結(jié)則是把鋼管之間及周圍土體凍結(jié)成凍土，形成止水帷幕。通俗地講，這種方法是預(yù)先沿隧道開(kāi)挖的輪廓打入一圈鋼構(gòu)保護(hù)筒，開(kāi)挖就在保護(hù)筒里面進(jìn)行，保護(hù)圈層則是由一系列順次排列的大型鋼管和人工凍土構(gòu)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(gè)寬18 m、高22 m的橢圓形隧道開(kāi)挖斷面，其高度相當(dāng)于7層樓的高度。

一般的凍結(jié)法都是直接將凍結(jié)管打進(jìn)土里，然后在管里循環(huán)冷凍液（一種降溫到－30℃以下的鹽水，冷而不凍），從而在凍結(jié)管周圍形成凍土。可是，在這里用不了，因?yàn)樗淼谰€路為曲線，無(wú)法在土層中布設(shè)凍結(jié)管。唯一可行的途徑是把凍結(jié)管布置在管幕的大鋼管里面。

這一國(guó)內(nèi)外未曾使用的方法面臨三大問(wèn)題。首先，不與土體接觸的凍結(jié)管是否能把土體凍??；其次，超大斷面隧道開(kāi)挖后，在亞熱帶炎熱氣候條件下凍土?xí)饾u融化，凍土如何抗弱化；最后，由于土體凍結(jié)體積膨脹的客觀規(guī)律，凍結(jié)在超淺覆土的地下進(jìn)行，凍脹可能導(dǎo)致地面嚴(yán)重隆起而影響拱北口岸的正常運(yùn)行，甚至可能影響到地上地下相鄰建、構(gòu)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(jīng)過(guò)反復(fù)比較、測(cè)算、試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出“凍起來(lái)、抗弱化、限凍脹”的方法，提出了一套解決上述三大技術(shù)難題的方案。管幕凍結(jié)法具備了在積極凍結(jié)期形成有效的凍土止水帷幕、在隧道開(kāi)挖期抵御開(kāi)挖熱擾動(dòng)引起的凍土弱化、在凍結(jié)全過(guò)程中限制凍脹的三大能力。此方案摒棄傳統(tǒng)的單種凍結(jié)管思路，用圓形凍結(jié)管、異形凍結(jié)管和凍土限位管3種管路構(gòu)建了一套特殊的凍結(jié)系統(tǒng)。圓形凍結(jié)管和異形凍結(jié)管作為凍結(jié)的主要冷源，以凍結(jié)形成凍土并抵御凍土弱化；限位管在需要時(shí)開(kāi)啟熱鹽水，用來(lái)限定凍土帷幕的范圍從而實(shí)現(xiàn)凍脹的控制。

方案要付諸實(shí)施，尚有一系列理論和工程問(wèn)題需要解決。為了確保工程萬(wàn)無(wú)一失，相繼開(kāi)展了大型物理模型試驗(yàn)研究、大量精細(xì)化數(shù)值模擬研究、實(shí)驗(yàn)室管幕－凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究和工程原位試驗(yàn)研究。

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