我校教授团队成功研发隧道施工管幕冻结法
近日，记者从我校土木学院获悉，我校地下系博士生导师胡向东团队主持研发的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公里，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。胡向东介绍，拱北隧道暗挖段是一座双层整体式隧道，上下层各三车道，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。
“拱北口岸多忙？”胡向东说了几个数字：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，拱北口岸一天的出入境旅客超过35.5万人。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米。
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，无论何种方法施工首先要做的就是必须保证地面变形在可控范围内。”胡向东说。
用什么方法才能实现这一目标？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；而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，然后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。胡向介绍，这段暗挖工程最终确定的管幕由36根直径1.62米的钢管组成，围成一个宽18米、高22米的椭圆形隧道开挖断面，其高度相当于7层楼的高度。
问题随之出现。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，这里不行，因为隧道线路为曲线，无法在土层中布设冻结管。如何实施冻结？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，能不能控制住地面隆起，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，胡向东设计出“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冻土弱化，在冻结全过程中限制冻胀的三大能力。”胡向东介绍，此方案摈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三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。
但方案要付诸实施，尚有一系列理论和工程问题需要解决。为了确保工程的万无一失，胡向东团队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。
2011年，胡向东团队开始了大型物理模型试验研究。在南汇一家冻结法施工企业内，团队制作了一个8×2×3立方米的双管模型，对多种冻结方案进行反复测试，确定冻结管布管的形式和位置。试验研究2012年完成，确立了管幕冻结法理念。随后，沿着这一思路，团队成员分成2个小组，一组对冻结的温度场进行数值模拟，探索封水的有效性；另一组进行冻土实验研究，对冻土强度以及冻土和钢管之间的粘结强度进行缩尺试验，掌握了管幕—冻土复合结构的力学性能。
针对试验和数值模拟的简单化问题，团队利用拱北暗挖隧道已经完成的部分管幕钢管，开展了现场试验研究。胡向东说，试验从2014年下半年开始，预计今年4月可完成试验，试验成果将为实际工程实施提供重要依据。“同学们为了试验，今年春节都没回家，跟着一起干。”据悉，今年10月份，拱北隧道暗挖段正式开挖。胡向东说，管幕冻结法目前在世界上尚无先例，因此在正式开挖阶段，团队还将根据工况等进一步调整具体方案，以确保工程圆满完工。
据了解，胡向东一直从事人工地层冻结法的理论与应用研究，他于1999年莫斯科国立矿业大学获得博士学位后，来到同济大学继续进行该领域的研究，现任上海市建委冻结法专家组副组长。他先后主持了包括上海地铁四号线隧道修复、复兴东路隧道、崇明越江隧道、南京地铁隧道修复、常熟电厂长江取水隧道修复等重大工程中冻结工程的科研、咨询和监测，确保了工程的安全实施。