[科普中國]-港珠澳大橋建起來有多難？

日前，連接香港、珠海、澳門的港珠澳大橋主體橋梁工程全線貫通，標(biāo)志著大橋主體工程建設(shè)進(jìn)入收官階段。港珠澳大橋總投資超過1000億元，于2009年12月開工建設(shè)，總長55公里，集橋、島、隧道于一體，包含22.9公里主體跨海橋梁，約6.7公里沉管海底隧道和鏈接隧道與橋梁的東西人工島，是迄今為止世界上總體跨度最長、鋼結(jié)構(gòu)橋體最長、海底隧道最長的跨海大橋。本文就港珠澳大橋在修建海底隧道中曾遭遇的技術(shù)難題，以及相應(yīng)的解決之法做一個(gè)簡單的介紹。

港珠澳大橋主體橋梁成功合龍（新華社）

難題1：限高120米
港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋，連接香港、珠海、澳門三地，由于伶仃西航道和銅鼓航道對(duì)通航要求較高，遠(yuǎn)期要保障30萬噸游輪的通航能力。但要滿足30萬噸游輪的通航能力，就必須建造一座橋面高度超過80米，橋塔高度達(dá)到200米的超級(jí)大橋。但由于大嶼山機(jī)場在航道處限高為120米。因此，不可能采用橋梁方案跨越這兩條航道，如果找不到解決的辦法，那么，港珠澳大橋就將陷入無疾而終的困局。
對(duì)此，采取的應(yīng)對(duì)措施就是修建海底隧道，由于有高度上的限制，加上海底隧道不僅能很好地解決水域的跨越問題，而且還在大程度上降低了對(duì)周圍環(huán)境的影響，解決了大面積水域的航運(yùn)問題。特別是隨著修建海底隧道的一些關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，海底隧道已逐漸成為了工程界普遍認(rèn)同的跨越航運(yùn)繁忙航道的第一選擇。
因此，港珠澳大橋之所以選擇修建長海底隧道，并成為海底隧道最長的跨海大橋，這一方面既有客觀因素的制約；另一方面，也是因?yàn)楹５姿淼谰哂凶约邯?dú)特的優(yōu)勢(shì)。

港珠澳大橋人工島及海底隧道入口模擬圖

難題2：10%水阻率
要建造海底隧道，首先要找到能把橋梁和海底隧道連接起來的島嶼，由于附近海域沒有現(xiàn)成的島嶼可供使用，這就必須修建人工島來連接海底隧道和橋梁。而伶仃洋是—個(gè)典型的弱洋流海域，加上每年有大量的泥沙從珠江口流入伶仃洋，如果人工島長度和寬度過大，就會(huì)起到阻擋泥沙流入大海的作用，水阻率一旦超過10%，泥沙就有可能被阻擋沉積，在歲月流逝中讓伶仃洋變成一片沖積平原。
為了避免這個(gè)災(zāi)難性的后果，就必須縮小人工島的尺寸，把人工島的長度控制在1公里以內(nèi)，但采用盾構(gòu)法的話，由于盾構(gòu)法對(duì)穩(wěn)定性要求很高，隧道也會(huì)埋得比較深，最終會(huì)導(dǎo)致人工島的長度超標(biāo)并撞上10%水阻率的紅線。
在綜合考慮水阻率以及該處隧道規(guī)模、海域水文地質(zhì)條件的情況下，最終采用了沉管法取代盾構(gòu)法。沉管隧道是指在海床上淺挖出溝槽，將預(yù)制好的管道沉放到溝槽中，然后進(jìn)行水下對(duì)接。采用沉管隧道技術(shù)后，降低了400米的島嶼長度，將島嶼長度控制在625米，解決了10%水阻率的問題。

沉管預(yù)制場（方俊明攝）

難題3：800萬立方米淤泥
之前講到要修筑625米長的人工島以連接橋梁和海底隧道，而在修筑人工島的地方有一層15到20米的淤泥，由于淤泥的物理屬性，如果在其基礎(chǔ)上做拋石斜坡或常規(guī)重力式沉箱的話，拋石或重力沉箱就會(huì)因淤泥而打滑，地基不穩(wěn)。最常規(guī)的辦法是把淤泥全部清理掉，或者用排水結(jié)固的辦法使淤泥變干，然后再拋石或用沉箱坐穩(wěn)。
但在海底排水使淤泥變干并不現(xiàn)實(shí)，而如果要把淤泥全部清理掉，要清理足足800萬立方米淤泥，這不僅耗時(shí)耗力，使在一年的造島工期內(nèi)無法完成工作任務(wù)，而且還會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成很大污染。
對(duì)此，工程師的解決之道是采用120個(gè)重550噸，高55米，直徑22.5米的圓形鋼桶圍成一圈來穩(wěn)定地基，鋼桶會(huì)插入粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾砂層中，逐漸會(huì)形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，屆時(shí)只要在鋼桶圍成的人工島內(nèi)填充沙石即可，鋼桶會(huì)使沙石留在人工島內(nèi)，不用在擔(dān)心拋石和沉箱順著淤泥滑走，最后形成永久的拋石斜坡堤和臨時(shí)鋼圓筒結(jié)構(gòu)相結(jié)合的島壁結(jié)構(gòu)。

難題4：3厘米誤差
成功修筑人工島的前提是要制造出120個(gè)550噸重、55米高的巨型鋼桶，但由于鋼桶的體積過于龐大，沒有任何一個(gè)卷板機(jī)和模具能夠完成這樣鋼桶的制造工作，不得不采用模塊組裝的辦法，將鋼桶分成72個(gè)模塊，一組一組的拼裝。但這種做法也會(huì)帶來一個(gè)問題，由于鋼桶的誤差要求被限制在3厘米以內(nèi)，而每一次拼接都會(huì)有一定的誤差，加上拼接的模塊數(shù)量達(dá)72個(gè)，以及鋼桶高達(dá)55米的巨大體積非常不利于加工和制造，在多次拼接后有可能無法將誤差控制在3厘米以內(nèi)。
最終，工程師們用內(nèi)膽來解決鋼桶制造的精度問題——制造一個(gè)能夠控制圓柱形鋼桶外型的鋼結(jié)構(gòu)支架，在這個(gè)鋼結(jié)構(gòu)支架的輔助性進(jìn)行拼接，終于將誤差控制在3厘米以內(nèi)。

難題5：沉管的浮運(yùn)和沉放
港珠澳大橋的海底隧道由33節(jié)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的沉管對(duì)接而成，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)沉管長180米、寬38米、高11.4米，排水量大約在8萬噸。隧道沉管在岸上預(yù)制好之后，用鋼封門將兩端封閉，沉管浮在海面上，由多艘大馬力拖輪拖到約7海里外的施工海域，然后再下沉到海底對(duì)接安裝。
由于沉管體積龐大且重量很大，加上水文情況、水道寬度的限制，以及沉放時(shí)對(duì)精度有很高的要求，沉管的浮運(yùn)和沉放屬于施工過程中的項(xiàng)重要技術(shù)。沉管浮運(yùn)需要考慮拖拽力、水流速度與方向以及潮汐、海水密度和大風(fēng)的影響。由于水的阻力系數(shù)等因素，會(huì)造成經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有一定差異的情況，一旦拖拽力如果計(jì)算不精確，就有可能導(dǎo)致鋼纜斷裂，沉管傾覆。另外，潮汐也會(huì)引起水位變化，海水密度也會(huì)引起浮力變化，水流的大小和方向是決定管節(jié)尺寸以及浮運(yùn)沉放方式的一個(gè)重要因素，這些都是要仔細(xì)考量的因素。
沉管沉放也有很多技術(shù)挑戰(zhàn)，由于局部施工區(qū)域?qū)儆跇O為松軟而且類型多樣的土質(zhì)，較容易發(fā)生過度沉降的問題，在這種情況下安裝將嚴(yán)重影響安裝的精度，無法按要求將誤差要控制在7厘米以內(nèi)，可能給隧道的工程質(zhì)量帶來難以估量的后果。另外，沉管下沉過程中對(duì)穩(wěn)定性有很高的要求，海底基槽淤泥回流也會(huì)給沉放帶來不小阻礙……
面對(duì)上述挑戰(zhàn)，工程師們見招拆招，一一將問題解決。為確定拖拽力，工程師開展的管段拖曳阻力模型試驗(yàn)，確定管段及管段組合體的拖航阻力，并以試驗(yàn)數(shù)據(jù)推算推拖拽力和拖船的數(shù)量和所需功率。為避免過度沉降，保障安裝精度，在每個(gè)沉管安裝之前，先在伶仃洋40多米深的海底開挖一條海底隧道基槽，基槽挖好后打擠密砂樁，然后在基槽上鋪2到3米的塊石并夯平，創(chuàng)造一種新的復(fù)合地基，使沉管的沉降值大大縮小，把誤差控制在5厘米左右。面對(duì)海底基槽淤泥回流，一方面設(shè)置5個(gè)固定觀測點(diǎn)保持對(duì)施工海域的泥沙檢測，提供有效的泥沙淤積預(yù)警分析，為后續(xù)沉管安裝施工提供可靠保障。另一方面設(shè)置水下橫向截泥堤壩，攔截沿基槽方向的泥沙回淤物，同時(shí)調(diào)動(dòng)“捷龍”、“浚海6”清淤船清理淤泥。

（新華社記者 梁旭 攝）

參考資料：《超級(jí)工程——港珠澳大橋》