拱北隧道水平控制性凍結止水帷幕施工方案

劉應亮

(中鐵十八局集團有限公司，天津　300222)

?

拱北隧道水平控制性凍結止水帷幕施工方案

劉應亮

(中鐵十八局集團有限公司，天津300222)

摘要:港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程口岸暗挖段預支護體系采用“超前曲線大管幕+水平控制性凍結止水”相結合的全新管幕凍結法施工。水平控制性凍結止水帷幕施工總體方案是全長整環積極凍結，分段分區維護凍結。在介紹水平凍結止水帷幕施工方案的凍結設計、凍結管布置和凍結施工步序之后，重點分析了該方案難點和施工注意事項，為工程順利實施奠定了基礎。

關鍵詞:港珠澳大橋拱北隧道管幕凍結法凍結方案施工分析

淺埋暗挖大斷面隧道超前預支護體系備受各方關注，它能有效地維持掌子面穩定、控制地層變形、預防坍塌等事故，它直接關系到隧道安全和經濟效益［1-3］。港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程口岸暗挖段預支護體系采用“超前曲線大管幕+水平控制性凍結止水”相結合的全新管幕凍結法，該體系為國內首創。長距離超大斷面環形管幕凍結控制技術的研發和應用為國內首次［4-5］，目前管幕施工技術日漸成熟，實現突破。本文就水平控制性凍結止水帷幕施工方案進行介紹，結合工程的特點分析施工難點及注意事項，為下一步人工凍結施工提供方向和指導。

1　工程概況

港珠澳大橋是中國首個涉及“一國兩制”的三地世界級跨海工程，港珠澳大橋珠海連接線工程是其八個重要組成部分之一。拱北隧道是港珠澳大橋珠海連接線的控制性工程，全長2 740 m，分三段，中間口岸暗挖段長255 m，采用雙層暗挖方案，兩端采用明挖施工［6-7］。

拱北隧道暗挖段下穿拱北口岸限定區域，條件復雜，位于曲率半徑885. 852～906. 298 m的緩和曲線和圓曲線上，如圖1所示。該段地層軟弱松散，水位埋藏淺(約地下1 m)，水量豐富。隧道埋深4～5 m，開挖面積為336. 8 m2。

管幕由36根φ1 620 mm鋼管組成，其中壁厚24 mm的管幕19根(下半斷面)，壁厚20 mm的管幕17根(上半斷面)，平均長度257. 927 m/根，管間距35. 5～35. 8 cm，如圖2所示。隧道縱向軸線有較大曲率，難以保證兩頂管間的止水鎖扣成功連接，進而難以保證管幕的封水效果，故采用管幕法與人工地層凍結法相結合的工法。

圖1拱北口岸暗挖段的位置

圖2管幕剖面(單位: cm)

2水平凍結止水帷幕施工方案

2. 1凍結設計

凍結施工就是使用冷凍加固的方法將頂管間的土體變為凍土，和頂管一起形成密閉的帷幕，凍土帷幕的最主要作用是管間止水。因環境保護要求高，必須嚴格控制凍土體積以限定凍脹融沉量。為此，提出了控制性凍結設計。奇數管填充微膨脹混凝土為積極凍結主力凍結管，偶數管為維護凍結加強凍結管。主力凍結管全長整環積極凍結，加強凍結管分段分區維護凍結。凍土帷幕最小厚度不得小于2 m，以滿足頂管間封水要求。A，B1區凍土帷幕厚度不得大于2. 3 m，B2，C區凍土帷幕厚度不得大于2. 6 m，以滿足控制地表變形對土體凍脹的要求，如圖3所示。暗挖段主體施工完成后采用偶數管進行回填融沉注漿，已達到控制地表沉降目的。

圖3凍結分區示意

2. 2凍結管布置

根據凍結設計，確立“凍起來、抗弱化、控凍脹”的理念，提出“圓形主力凍結管+異形加強凍結管+加熱限位管”的凍結管布置方式:為“凍起來”在奇數管內布置安裝圓形主力凍結管并填充混泥土;為“抗弱化”在偶數管內布置安裝異形加強凍結管，以達到加強凍結抵御開挖階段凍土弱化目的;為“控凍脹”在奇數管內布置安裝加熱限位管，以達到控制凍土厚度目的。如圖4所示。

圖4管幕冷凍管布置示意

2. 3凍結施工步序

凍結施工主要有以下六個步序:

1)凍結準備工作完成后，開啟圓形主力凍結管進行全長整環積極凍結。

2)當凍土帷幕發展厚度超出設計值時，開啟加熱限位管，控制凍土厚度。

3)凍結區域準備開挖45 d前開啟異形加強凍結管，對開挖區域加強凍結。

4)隧道進行開挖支護時，圓形主力凍結管和異形加強凍結管共同維持凍土厚度，加熱限位管控制凍土厚度過大。

5)隧道二襯、三襯完成，達到保證一定的封水搭接長度要求后，開始停凍凍結管。

6)通過凍結管采用熱鹽水循環進行強制解凍，利用偶數空管對土體進行跟蹤式融沉注漿，注漿完成后對空管充填混凝土。

3　施工難點

1)施工地點臨近海邊，地下水受海水潮汐影響產生流動而影響凍結效果，頂部凍結區受地下水流動影響，不容易凍結，凍結體發展緩慢。

2)隧道埋深淺，位于珠海，長年氣溫較高，對制冷效能有直接的影響。

3)施工過程不能影響拱北口岸正常通關功能，施工地表建筑物眾多，對施工控制變形條件要求高。由于地層含水量大，凍結時外圍水補給充分，凍脹量將會很大，會很直接、快速地向地表釋放，從而產生較大的地層位移，影響地面、建筑物使用安全。

4)適應縱向分段、橫向分區的積極凍結和維護凍結階段的凍結狀態綜合控制方法，通過動態監測控制凍土厚度。

5)暗挖斷面尺寸大，凍結施工時間長，凍結各工序轉換頻繁，與開挖工序配合度較高，確立隧道施工期凍結止水帷幕抗弱化和安全控制方法。

6)凍土融沉量與凍脹量成正比，為了避免地面沉降過大，后期對融沉處理要求同樣很高，確立凍脹融沉綜合控制方法。

4　施工注意事項

長距離超大斷面環形管幕控制性凍結是一項極其新穎的施工模式，其施工難度不言而喻，為保證施工安全及進度，應注意以下幾個問題:

1)管幕長，內部空間狹小，布置的管路眾多，材料運輸和管路焊接數量大，應設計利于人工作業的平行滑動的運輸工具，并加強管幕內通風。

2)凍結施工時間長，做好施工組織設計和工期預判，加強冷凍站安裝質量，提高自動化程度。

3)隧道頂部受潮汐影響和地層含水量大的凍結敏感區域，要先注水泥水玻璃雙液漿改良土體，提高地層力學性能、降低滲透性，有效控制凍脹和融沉。注漿固結和凍結互補，以降低凍結帷幕施工的安全風險。

4)全方位凍土帷幕溫度監測。在凍土范圍內布置有效的測溫孔，采用全自動溫度監測系統實現可視化，能及時反映凍土范圍。監測系統試運行合格后再填充奇數號管幕，施工中注意監測系統管線的保護，若有損壞及時在偶數空管補設監測點。

5)偶數空管兩端應設置臨時封堵隔熱門，要達到既能隔熱較少空氣流通又能讓施工人員進入調整凍結回路。隧道開挖過程中要減少開挖區域的空氣對流，以減少對凍土帷幕的熱擾動。

6)隧道開挖、周邊構筑物、凍土帷幕溫度要全過程實時監測，動態調控凍結方案和控制參數。

7)要達到跟蹤式融沉注漿要求，融沉注漿管路要設總管和支管，總管為鍍鋅鋼管，支管為抗凍裂橡膠管，融沉注漿孔和管路要在冷凍施工前完成安裝。

5　結語

目前大規模管幕凍結法施工的工程在國內外極為罕見，可供借鑒的工程經驗少，但經過業主、設計、施工等單位幾年的努力，充分調查、研究及精心組織，管幕工程已經順利完成，各項監測指標均在可控范圍內。水平控制性凍結止水帷幕施工即將開始，要面對的困難還很多。以上分析對人工凍結有一定的指導作用，相信施工中會不斷優化調整凍結參數，確保隧道安全，降低施工成本，控制性凍結技術必將會取得豐碩成果。

參考文獻

［1］郭衛社．淺埋暗挖法新趨勢［J］．隧道建設，2012，32( 6) : 757-762．

［2］祝和意，馬曉華．水平凍結法在蘇州地鐵盾構進出洞中的應用［J］．鐵道建筑，2011( 8) : 58-60．

［3］張明聚，李忠凱，孟繁義，等．淺埋暗挖隧道中管棚超前預支護的優化［J］．鐵道建筑技術，2012( 8) : 113-115．

［4］曹紅林．地鐵隧道凍結法施工融沉控制方案及實施［J］．地下空間與工程學報，2010，6( 2) : 387-390，395．

［5］楊太華．越江隧道工程聯絡通道凍結法施工風險分析［J］．地下空間與工程學報，2010，6( 6) : 1201-1206．

［6］中交第二公路勘察設計研究院有限公司．港珠澳大橋珠海連接線控制線工程拱北隧道施工圖設計［Z］．武漢:中交第二公路勘察設計研究院有限公司，2012．

［7］余晶，程勇，賈瑞華．港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道方案論證［J］．公路，2012( 9) : 244-248．

(責任審編趙其文)

Construction scheme on horizontal controllable freezing waterstop curtain used in Gongbei tunnel

LIU Yingliang

( China Railway 18th Bureau Group Co．，Ltd．，Tianjin 300222，China)

Abstract:T he Gongbei Port T unnel excavation section of Hong Kong-Zhuhai-M acao Bridge and Zhuhai Link applied the advanced large curved pipe curtain and horizontal controllable freezing waterproof method，which was a new pipe curtain freezing method．T he key of this method is a positive freeze of the full-length ring together with segmented partition maintenance freeze．T his paper introduced the freeze design of the horizontal freezing waterproof curtain construction，the layout of freeze pipes and the freeze construction steps．T he potential difficulties and attentions of the construction scheme were given，facilitating the completion of the project．

Key words:Hong Kong-Zhuhai-M acao Bridge; Gongbei tunnel; Pipe curtain freezing method; Freezing scheme; Construction analysis

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0056-03

作者簡介:劉應亮( 1980—)，男，高級工程師。

收稿日期:2015-08-25;修回日期: 2015-11-06

中圖分類號:U455．49

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．13