数字化技术助力攻克55米深海底隧道建造难关
建造海底隧道，推动香港交通提速
为改善香港的道路交通状况，当地政府决定修建屯门至赤鱲角连接隧道。这条公路连接新界西北部、香港边界过境设施、港珠澳大桥、香港国际机场和北大屿山。屯门至赤鱲角连接隧道的设计必须围绕现有的公路、海岸线和长达55千米的港珠澳大桥进行，包括斜拉桥、四座人造岛屿和一条海底隧道。如此，屯门至赤鱲角连接隧道就必须包括一条双向两车道海底隧道，其深度打破了记录，为地表以下55米，长度为4.1千米，总开发成本为61亿美元。
Golder Associates Hong Kong Ltd. 负责在南部边界过境设施填海造地土体上建造双向隧道所需的岩土工程设计和分析工作，这项工作需要使用一台全球最大的隧道掘进机，钻头直径 17.6米，还需要两台小一些的隧道掘进机，钻头直径14米。此外，还需要一台小得多的隧道掘进机，钻头直径3.6米，共计钻出57个交叉通道。为完成南部填海造地土体的隧道定线，Golder Associates 需要进入由石柱支撑的海堤以下，位于通风建筑物的下方，再进入连接通风竖井的管道，周围地质条件相当复杂。此外，从地面到隧道顶部的距离从28米到42 米不等，水压很高。这些情况带来了许多岩土工程挑战，项目团队必须克服这些挑战。
(资料图片仅供参考)
在南部填海造地土体的复杂地质状况下进行隧道挖掘
南部填海造地土体的地面状况包括软质海洋沉积物、冲积层、完全分解的花岗岩和岩石。隧道地平线位于冲积黏土层和砂层中。由于南部填海造地土体是在2013年至2015年完成的，竣工不久，Golder Associates公司在对贯穿于南部填海造地土体下方的分段式隧道衬砌进行岩土工程和结构设计时，不得不考虑黏土层中任何残余的固结和蠕变沉降。工程设计标准之一是在120年的设计寿命内，残余沉降小于500毫米。
Golder Associates 公司知道传统岩土工程方法不足以满足需求的另一个原因是，他们需要在这个项目中完成隧道开挖工作。在南部新填海造地土体开挖隧道时，必须保持足够高的泥浆压力，以确保隧道开挖面稳定，并使设计体积损失率低于2%。因隧道开挖导致的体积损失率的实测值通常小于1%。按隧道定线优化的长度和间距，在隧道起拱线上安装了条形桩，确保隧道椭圆度在其使用寿命内保持在隧道直径的1%以下。
预测土体行为和沉降
在考虑了项目的复杂性和范围之后，Golder Associates公司采用Bentley应用程序来设计这个富有挑战性的隧道施工项目。鉴于PLAXIS 2D和PLAXIS 3D在土体结构交互问题建模方面的多功能性和可信记录，他们使用其作为主要应用程序。软土蠕变模型用于预测黏土层的蠕变沉降，输入参数通过工地专用的高质量现场和实验室土体测试进行校准。对于其他土体，使用小应变土体硬化本构模型对非常小的应变所产生的土体刚度退化进行建模，预测在隧道挖掘过程中因卸载所产生的更真实的地面位移情况。这些高级土体本构模型与二维和三维隧道挖掘建模相结合，由此带来的设计满足了所需的TBM开挖面泥浆压力，可以保持稳定性。此外，该设计还将确保Golder Associates公司 能够控制地面位移，在尺寸、间距和长度方面优化支撑隧道的条形桩。该团队还设计了主TBM进出竖井和毗邻切割掩体隧道的突入和突出，以及小型TBM的突入和突出，以在两条主隧道之间建造交叉通道。
在解释和管理有关南部填海造地土体复杂地面状况的信息时，Golder Associates公司使用 gINT和HoleBASE处理了数百个钻孔、现场测试和实验室测试。这种做法生成了二维和三维地质模型、地质剖面图和等高线图，这些都是岩土工程设计所必需的。他们还使用 MicroStation制作了施工工程图纸。
确保安全和质量，同时削减成本
通过在PLAXIS 3D中进行灵敏度和参数分析，Golder Associates公司成功将控制隧道椭圆化所需的条形桩数量从158个减少到了106个，并将其中46个条形桩从19.2米缩短到了16.4 米。这种优化节省了大约两个月的施工时间，减少了1500 吨的二氧化碳排放，节省了1600 万美元。该团队在隧道施工之前、期间及之后提供了高质量且全面的仪表监测数据。实测地面沉降量、横向位移量、孔隙水压量、隧道衬砌变形量与预测值基本一致或者小于预测值。
通过使用 Bentley 应用程序的数字化工作流进行信息管理、分析和建模，Golder Associates公司得以助力屯门至赤鱲角连接隧道公路项目在2020 年12月27日实现通车。新隧道使新界西北部到香港国际机场的距离缩短22千米，车程由30分钟缩短为10分钟。
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