隧道施工管幕冻结法在同济大学成功研发

隧道施工管幕冻结法在同济大学成功研发

从同济大学土木学院获悉，管幕冻结法已经完成研发测试工作，近期将用于港珠澳大桥珠海连接线的施工。

世界在建的头号大洋工程港珠澳大桥以工程量巨大、施工难度巨大、难题繁多而闻名于世，其中就包括珠海连接线工程。港珠澳大桥珠海连接线工程主线长约12.67 km，设计方案设大桥、隧道多座。其中结构最复杂、施工难度最大、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双层整体式隧道，上下层各3车道，穿越繁华、繁忙的拱北口岸，地下水位较高，并与海水紧密相连。

拱北口岸有多忙？2011年首次超越罗湖口岸成为全国第一大陆路口岸。2014年8月17日，拱北口岸的出入境旅客超过35.5万人次／d。如此繁忙的口岸，要开展隧道施工，当然不能“开膛破肚”，于是穿越拱北口岸段隧道采取暗挖法，暗挖的总长度为255 m。

因为地面人流密集，加上地下水水位高，隧道断面超大、覆土超浅，地质条件复杂，暗挖施工难度可想而知。在熙来攘往的拱北口岸，隧道施工绝不能发生漏水和地面塌陷，无论采用何种方法施工首先必须要保证地面变形在可控范围内。

胡向东与各方专家一起探索研究，最终敲定管幕冻结法。管幕冻结法是“管幕＋冻结预支护、矿山法暗挖”的施工方法。其中，管幕是围绕隧道四周、沿隧道全长布置的大型钢管，以强筋健骨保护隧道施工安全；冻结则是把钢管之间及周围土体冻结成冻土，形成止水帷幕。通俗地讲，这种方法是预先沿隧道开挖的轮廓打入一圈钢构保护筒，开挖就在保护筒里面进行，保护圈层则是由一系列顺次排列的大型钢管和人工冻土构成。这段暗挖工程最终确定的管幕由36根直径为1.62 m的钢管组成，围成一个宽18 m、高22 m的椭圆形隧道开挖断面，其高度相当于7层楼的高度。

一般的冻结法都是直接将冻结管打进土里，然后在管里循环冷冻液（一种降温到－30℃以下的盐水，冷而不冻），从而在冻结管周围形成冻土。可是，在这里用不了，因为隧道线路为曲线，无法在土层中布设冻结管。唯一可行的途径是把冻结管布置在管幕的大钢管里面。

这一国内外未曾使用的方法面临三大问题。首先，不与土体接触的冻结管是否能把土体冻住；其次，超大断面隧道开挖后，在亚热带炎热气候条件下冻土会逐渐融化，冻土如何抗弱化；最后，由于土体冻结体积膨胀的客观规律，冻结在超浅覆土的地下进行，冻胀可能导致地面严重隆起而影响拱北口岸的正常运行，甚至可能影响到地上地下相邻建、构筑物的安全，如何控制得住地面隆起，即如何限制冻胀。

如何解决这三大难题？经过反复比较、测算、试验，团队设计出“冻起来、抗弱化、限冻胀”的方法，提出了一套解决上述三大技术难题的方案。管幕冻结法具备了在积极冻结期形成有效的冻土止水帷幕、在隧道开挖期抵御开挖热扰动引起的冻土弱化、在冻结全过程中限制冻胀的三大能力。此方案摒弃传统的单种冻结管思路，用圆形冻结管、异形冻结管和冻土限位管3种管路构建了一套特殊的冻结系统。圆形冻结管和异形冻结管作为冻结的主要冷源，以冻结形成冻土并抵御冻土弱化；限位管在需要时开启热盐水，用来限定冻土帷幕的范围从而实现冻胀的控制。

方案要付诸实施，尚有一系列理论和工程问题需要解决。为了确保工程万无一失，相继开展了大型物理模型试验研究、大量精细化数值模拟研究、实验室管幕－冻土复合结构力学性能研究和工程原位试验研究。

（摘自重庆土木建筑网http：／／www.cqtmjz.cn／news／show－56328.html 2015－04－23）