香港屯门-赤鱲角连接工程平面图
连接路工程概况
屯门至赤鱲角连接路将提供一条新的策略性道路连接新界西北、港珠澳大桥香港口岸、北大屿山和香港国际机场。新道路全长约9km,分为南面连接路和北面连接路两段。南面连接路连接在大蚝的北大屿山公路和香港国际机场东北面对开水域的港珠澳大桥香港口岸。北面连接路则连接港珠澳大桥香港口岸和内河码头旁的屯门第40区,再经屯门第46区的收费广场后,连接在蝴蝶湾附近的龙门路及龙富路。
屯门至赤鱲角连接路将会大大缩短往来新界西北与大屿山的行车时间。从屯门南往返香港国际机场,行车路程预计可缩短约22km,现时约30min的行车时间亦将会缩短至约10min。新道路除提供交通分流作用,减轻北大屿山公路、青屿干线及屯门公路的交通负荷,亦提供另一条连接香港国际机场及市区的替代通道,以巩固香港国际机场作为国际及区域航空枢纽的地位。
连接工程隧道断面图
(1)工程设计
香港政府于2013年9计划了建造一条长达4.2km新公路隧道,连接大陆新界的屯门与香港的赤鱲角,设计建造合同价值约11.5亿欧元(合约15亿美元)。该连接线为长4.2km的双线隧道,工程中也包括了两段分别为530m与670m的明挖法隧道。香港屯门—赤鱲角海底连接工程于2013年8月发标,2015年挖掘工作全面开始,2018年底完工。
(2)TBM设备
香港屯门—赤鱲角海底连接隧道工程采用海瑞克公司直径17.6m混合盾构。该盾构具有以下几个特点:
1)在盾构机刀盘中纳入“莫比迪克“传感器系统长期监视刀头的磨损情况,同时可进行实时岩壁地质测绘;
2)“蛇”型臂,是一个配有高压水枪的遥控勘测臂,可以帮助清洗盾构刀头,清除堵塞,有助于维护作业;
3)施工中,由于该隧道将于海平面下挖掘至50m深度,届时工人将要在压力大于5bar的高压环境下进行施工作业。施工现场共设4个高压营(Hyperbaricbase camp),作为隔震设施置放于海底面上。
在盾构机刀盘中纳入“莫比迪克”传感器系统长期监视刀头的磨损情况,同时可进行实时岩壁地质测绘;通过定位损坏或卡住的滚刀,海瑞克DCRM系统优化了刀盘维护的时间间隔。这样,使得整个隧道掘进过程更为高效,并防止对邻近的滚刀或刀盘钢结构造成二次损伤。
(3)工程施工计划
施工中,由于该隧道将于海平面下挖掘至50m深度,届时工人将要在压力大于5bar的高压环境下进行施工作业。因此,将由一支潜水队伍进行盾构机的切削刀头与工具的维护,为了应对各种可能出现的施工问题,这支队伍届时将在一个高压营中连续生活4周。
工程地质环境
隧道工程为一条4.2km的双向4车道海底公路隧道,北起屯门西南第40区望后石接连屯门西绕道,经跨海高架桥及沉管海底隧道后到达港珠澳大桥香港口岸,再连接赤鱲角或大屿山。
隧底水压达0.5MPa,海面船舶航行较多。工程范围内地层为较软的冲积层和全风化带,这条隧道将穿越香港所有地质层,从较硬的花岗岩到较软的次固结海相沉积岩,从透水性强的沉积砂砾层到透水性弱的黏土变质沉积岩。施工中将会遇到许多特殊情况,盾构机直径超过了世界上所有的盾构,且掘进埋深达50m,水压达500kPa。为了应对如此大规模的工程,该项目共计雇佣员工800位。
连接工程隧道经由地质
盾构选型与装备创新
香港屯门—赤鱲角海底连接隧道工程采用海瑞克盾构直径17.6m盾构,该机超过了西雅图SR99工程Bertha号直径17.45m盾构,成为当时世界直径最大的盾构机。
直径17.6m盾构机下线
为了应对海底隧道50m的深度以及5bar的水压,盾构配备了多项创新技术:
(1)掘进机设计效果
定位卡住的滚刀;探测卡住的滚刀, 避免损伤刀盘;有目的地对滚刀进行维护, 以此缩短所需的设备停机时间;灵活的、自主式的监控系统(可改造和重复使用);更能够适应环境状况对采集的各种地质数据进行评估。
在每个滚刀的固定装置上安装DCRM装置,实时测量每个滚刀的转动情况和温度,通过重复监控转动情况, 以提高可靠性,通过刀盘上的DCRM装置,将无线信号传送给接收器再通过接受器将无线信号传送到主控室,在主控室内进行评估和显示整个DCRM系统易于安装和维护DCRM装置配备独立的电源(电池/蓄电池/微型发电机)。
DCRM系统在隧道掘进过程中,能够连续不断地监控滚刀的转动情况和温度。它是一个独立的监控系统,适用于新的和已在硬岩区作业的TBM,而无需在刀盘上进行任何额外的安装。它小巧紧凑,易于安装和维护。其具有实用的特征, 可以让TBM操作人员将评估的测量数据应用到各种地质情况。
(2)Mobydic系统
Mobydic系统安装于盾构机刀盘上,使用高灵敏传感器来记录盾构刀盘各项参数:如盾构机每个刀具所承受的力,刀盘旋转速度以及刀盘温度等;通过无线设备进行实时数据传输,最终连接至计算机分析系统,不仅可以记录掘进数据,分析刀盘磨损情况,并且可通过数据计算反映出掘进中遭遇的阻碍(如木桩,孤石),并且能分析出混合地层的实际环境,绘制出前方地层情况模拟图,制定相应的施工计划,最终反馈给盾构机。
记录刀盘与地层情况
对刀具磨损进行监测
(3)机械蛇型臂
这台盾构机将使用诸多为此工程专门开发的新技术与新系统。“莫比迪克”系统是一个内置于刀盘内的传感系统,可以实时监测刀头的磨损情况与开挖时岩壁的情况。机械蛇型臂的结构与人类手臂类似,驱动它们强健“肌肉”的其实是安装在其背部和连接“肌肉”及“关节”的“肌腱”上,钢索作为“肌腱”,用来控制机械臂的驱动器均位于机械臂的基部。机械臂末端可以选装各种设备,如摄像机、照明设备、切割设备或高压水枪等,可以清理刀盘,消除堵塞。除此之外,开挖舱配备了视频系统,在工人进入时可以提供实时监控画面,并且对部分系统进行操作。
机械蛇型臂模型运作
(4)Telemach机器人
Telemach是一个全新设备,是一台专门用于更换刀具的机器人,可以在盾构开挖舱内部将已经磨损的刀头拆卸,施工人员更换新的刀头后,再由其安装到盾构机上。
工程施工情况
(1)盾构始发推进
2015年9月,香港屯门-赤蜡角工程直径达17.6m盾构机准备工作就绪,挖掘工作随即全面开始。包括隧道两端分别长530m与670m的暗埋引导段,预计于2018年底完工,总造价为448亿港元。
跨海隧道海瑞克直径17.6m盾构始发
盾构始发井鸟瞰
盾构机车架进入场景
隧道管片堆放
隧道内景
工程完工后,将缓解南面北兰屿公路和屯门公路的交通拥堵,并进一步减少新界西北和涌中/香港国际机场之间的行程22km。
(2)困难地层影响掘进速度,接线工程延期
香港屯门至赤鱲角的连接线隧道工程在从较硬的花岗岩到较软的次固结海相沉积岩中紧张施工中,2016年12月,香港路政署官方发布了最新进展:其中的北连接工程由于遭遇技术难题,原定于2018年底完工的屯门-赤鱲角连线北线工程的工期将延长。
香港首次使用超大直径为17.6m的混合盾构进行海底隧道掘进施工,对地层困难预计不够充分,盾构机在施工中遭遇了比预期中硬度更高的岩石,导致掘进速度降低,刀具磨损加剧。隧道工程中,北部出入口处人工填海段采用直径17.6m盾构机挖掘约0.8km,之后则更换为两台直径14m盾构机,挖掘约4.2km。
直径17.6m盾构机刀盘更换为直径14m的刀盘
同时海底隧道深度达50m,水压达5bar,盾构机将穿越从透水性强的沉积砂砾层到透水性弱的粘土变质沉积岩,超高水压也带来了较大的隧道掘进与盾构维护难度,只有经过特殊培训的工人才有能力参与到盾构的维护换到作业中,因此,也造成了施工进度的落后。
屯门隧道工程中进行了共计32次饱和进舱作业,最长持续时间达到28天,作业现场最多有超过50名(高压作业人员+辅助人员)作业人员;生活舱直径2.2m,长9m,设有用餐与淋浴区域;外部使用绝缘材料包裹以防止舱内热量流失,并使用冷凝系统在不改变室温的情况下收集并排除水分。
加压维护人员运输舱
屯门隧道中使用的生活舱
路政署同时也称,这次的工期延长并不会影响原定于2017年底开通的港澳珠大桥主体工程的完工,届时南连接线工程也将按照计划与港珠澳大桥同时完成。
联络通道设计施工
(1)联络通道数量多
整个海底隧道段工程长约5km,为双管隧道,中间设联络通道,共42条。每隔100m左右设一条联络通道,共设42条。每条长约13m。原方案设计是冻结法开挖,但通过方案比选及冻土试验,最终决定采用机械化方法施工。
人行道标准尺寸为2.1m高,2.0m宽,考虑到施工容许误差,通道内径设为3.0m。
(2)施工步骤
1)先构筑一个多功能混凝土外框,兼有临时和永久功能;
2)一侧安装反力架和顶管机;
3)另一侧安装接收用钢结构;
4)衬砌为预制混凝土管。
多功能混凝土外框的作用是确保联络通道与主隧道连接的水密性、承受顶管机荷载、充当长期永久结构。
多功能混凝土外框
主隧道在洞门处设置使用钢筋和GFRP筋的复合管片,并涂成彩色,避免拼装出错。
联络通道的首尾两端管节外侧有可膨胀密封件,从而保证水密性。
(3)联络通道的顶管施工
在顶管施工前,先进行外框施工,分上下两部分浇筑。在浇筑下半部分前,将顶管所用的金属法兰安装就位。
联络通道采用直径3m的顶管机施工。将洞门密封连接到始发法兰上。使用后张法将4个推进锚具固定在外框上。
在掘进始发前,测试始发密封和接收结构的密封性。随着顶管机的掘进,插入管节和中继顶进站,进行顶推。当将新管节放入顶进拖车时,使用管节制动器来维持压力。
顶管机到达接收装置后,启动联络通道首尾两端中继顶进站内的千斤顶,以揭开可膨胀密封件。对这些密封件内注浆,作为临时密封。
然后对外圈空隙进行注浆,并检测接收装置和始发密封的压力,以验证是否可以减压并拆卸设备。
确认压力后,通过最后一个中继推进站将顶管机推入接收装置,打开接收装置盖子,将顶管机拖走,拆卸剩余的部分。然后将所有设备移动到下一个联络通道处。
(4)联络通道与主隧道的连接结构施工
待顶管机拆除后,进行连接结构的施工。首先浇筑仰拱板,为作业工人提供通道,随后用预埋联接件安装钢筋。
最后浇筑门框。混凝土达到要求强度后,通过注浆堵塞排水管。
在高水压多变软土地质内,在不到13.5个月的时间内,施工了39条联络通道,即每个月施工3条。虽然施工中也遭遇了联络通道隧道壁破裂等情况。但总体来说,整个机械化施工效果较好,也因其施工的创新性而获得了伦敦2017年度的2项新土木工程师隧道奖。
联络通道隧道壁破裂事故
2017年10月,屯门赤蜡角接线工程,一条在建隧道发生事故:联络通道的隧道管壁出现了破裂,大量泥水涌入隧道。
工程北部出入口处的人工填海段将采用直径17.6m的盾构机挖掘0.8km,之后更换两台直径14m的盾构机,挖掘约4.2km。双管隧道之间设置46条联络通道,每条长10~15m,采用顶管法施工。
联络通道施工
(1)事故地点
据悉,本次事故发生的地点位于港珠澳工程中的香港段——屯门-赤鱲角连接路段项目中,靠近屯门一侧的北部出入口的一条联络通道内。
事发时,由于联络通道附近的位置出现了管壁破裂现象,大量的泥水开始涌入隧道内。
事故现场喷涌的泥水
据港媒报道,这样的泥水喷涌过程持续了几十秒,闻讯而来的工人便赶到现场,堵截了泥水,并对破裂的管道进行紧急修补。随后,施工人员将液氮灌入破裂隧道附近的土层内并进行冻结,以免再有地下水再次涌入隧道。
(2)官方说明
香港路政署随后证实“海底隧道漏水”事件,表示根据该署下聘的顾问公司驻工地报告显示,上述工程中的联络通道尚未完成永久性防水措施。承建商已经按照既定程序,立即作出防漏处理以及清除积水,并且强调,事故中无人受伤,也未对工程质量或设备构成影响。
隧道北部出入口
当被问及此类事故的发生是否存在工程质量检验不合格、施工操作不当等问题时,驻工代表“坚称”,海底隧道建造期间,在永久防水工程未完成之前,地下水渗入隧道内的情况时有发生。除此之外,香港路政署对此次隧道内事故发生的具体部位、事故起因、现场涌水快速封堵的方法等细节都没有透露。
此次发生事故的联络通道
连接工程大事件
2009.6.12,赤鱲角分区计划大纲公布。
2009.8.21,屯门至赤鱲角连接路道路工程提案公布。
2011.11,工程展开详细设计,对比了沉管法与盾构法,考虑到对海下公用设施、海上交通与海洋生态的影响,最终采用盾构法隧道方案。
2013.6.22,屯门至赤鱲角连接路–南面连接路高架道路段开工。
2013.8.5,屯门至赤鱲角连接路–北面连接路海底隧道段开工。
2014.7.21,屯门至赤鱲角连接路–北面连接路收费广场及相关工程开工。
2014.12,北段出入口填海工程基本完成。
2015.6,直径17.6m盾构机始发。
2015.11,北部出入口段隧道挖掘完成,盾构机进入填海段南端风井,更换为14m的盾构机继续掘进余下部分。
2016.12,屯门至赤鱲角连接路–北面连接路海底隧道段施工宣布延期。
2017.12,屯门至赤鱲角连接路南段完成建设,与港珠澳大桥同时开通。
2018.12,屯门至赤鱲角连接路北段完成建设。