港珠澳大橋沉管隧道如何做到「滴水不漏」的?

全世界任何一個隧道所有者和設計師都明白，建造100%水密的隧道意味著什麼樣的挑戰。一位歐洲著名島隧專家曾說，全世界的節段式沉管漏水率平均值為10%左右，目前尚沒有沉管隧道100%不漏水的紀錄。然而，「奇蹟」在港珠澳大橋沉管隧道中出現了：這條5.6公裡的海底隧道，在攻破重重技術難關之後，保證了40米水壓下的「滴水不漏」，打破了世界紀錄。

3月7日早上8點40分左右，港珠澳大橋海底隧道最後一節沉管成功安放，意味著這個「世紀工程」打贏沉管安裝的「收官之戰」。

全世界任何一個隧道所有者和設計師都明白，建造100%水密的隧道意味著什麼樣的挑戰。一位歐洲著名島隧專家曾說，全世界的節段式沉管漏水率平均值為10%左右，目前尚沒有沉管隧道100%不漏水的紀錄。

然而，「奇蹟」在港珠澳大橋沉管隧道中出現了：這條5.6公裡的海底隧道，在攻破重重技術難關之後，保證了40米水壓下的「滴水不漏」，打破了世界紀錄。

這個「奇蹟」，究竟是如何實現的？南方日報記者多方採訪，力爭解開沉管「滴水不漏」的密碼。

在40多米深的海底鋪上「席夢思」

「沉管隧道為什麼漏水？歸結到底，都是基礎出了問題。」島隧工程項目總工程師、總經理林鳴說。他舉了個例子，港珠澳大橋的地質環境是厚軟土地基，所以沉管基礎剛度協調及不均勻沉降控制非常困難，這個問題解決不好，隧道就有可能會漏水。

為了使沉降標準達標，工程師在如何使軟土層變硬上做文章，進行了多項有價值的創新，用技術突破打破隧道漏水的天花板，在40多米的深海底下，為沉管鋪上一張舒服的「席夢思」床墊。

作為沉管隧道基礎設計組分項負責人，設計師張志剛主要承擔沉管隧道水下基槽、深水基礎及管節防護等設計工作。他起初覺得這些工作應該非常輕鬆簡單，隨著研究深入，張志剛逐漸認識到一項前所未有的世界難題擺在面前：近38米寬、180米長度的沉管，30多米深厚軟基，變化無常的水下巖土介質，約23米厚度的超大附加荷載，接頭間毫米級的不均勻沉降指標，120年的設計使用壽命

……每一個數字都是一道很難逾越的門坎。

沉管段隧道全長5664米，共計33個管節，隧道兩端分別坐落在東、西兩個人工島上，中間的沉管段穿越淤泥質土、粘土、粉質粘土及砂層等不同特性的多種地層。由於隧道兩端的人工島地基相對穩定，為了實現隧道基礎縱向剛度的協調過渡，有效控制整條隧道的不均勻沉降，建設團隊必須詳細弄清地質與荷載的分布，與時間賽跑，儘快拿出適宜於外海超長沉管的基礎方案。

經過無數次工法比選、理論計算和試驗驗證，幾種在地基處理的教科書工程中耳熟能詳的地基處理方式被成功移植到這裡。工程師們在40多米深的水下為沉管基床底部鋪上2到3米的塊石並夯平，創造一種新的複合地基，使沉管的沉降值大大縮小，平均沉降值控制在10公分以內，而國外的同等數據是20公分左右。

剛與柔的抉擇

「席夢思」讓沉管有了舒適的床，但要真正實現「滴水不漏」，這僅僅是基礎。

自1928年人類工程史上修建第一條鋼筋混凝土沉管隧道以來，沉管制作的「工具箱」裡只有剛性和柔性兩種方法。

港珠澳大橋島隧工程設計負責人劉曉東用積木給出通俗易懂的比喻：「剛性結構好比一塊長條積木，而柔性結構好比樂高小塊積木拼接的積木條。剛性緣於是整體結構，使接頭漏水的概率減小，但如果基底出現沉降，大體量沉管受力不均勻出問題的概率也隨之增大。而柔性結構是用小管節串成一個大管節，比剛性結構應對沉降有明顯優勢。無論是選擇哪種結構，最終目的是為應對地基發生不均勻沉降時，最大程度減少對海底隧道的影響。」

由於周圍環境和水陸空交通的要求，港珠澳大橋島隧工程成為了世界上第一個也是唯一的深埋沉管隧道。在教科書上，沉管隧道被定義為淺埋隧道，到目前為止，全世界已經做成的上百條沉管隧道，都是貼著海床或者河床面建設。但港珠澳大橋隧道的最大特點和最大挑戰就在於深埋。

工程師們通過大量計算分析發現，在20多米的覆蓋層、超過傳統概念沉管5倍的荷載情況下，採用傳統的剛性或柔性結構體系，沉管結構安全是得不到保障的，工程該怎麼辦呢？在剛與柔之間，能不能知道一個平衡點？

2012年11月17日凌晨，劉曉東的手機上收到一條簡訊：「嘗試研究一下半剛性。」發信人是總經理林鳴。

「那一夜我幾乎沒睡，凌晨五點左右，我的腦海中突然閃出了半剛性這個概念，它能夠提高接頭的能力，可能是從結構上解決深埋沉管的一條出路。」林鳴回憶。

他所提出的半剛性結構設想，是保留甚至強化串起小管節之間的鋼絞線，加強小管節之間的連接，使180米長、由8個小節段連接而成的標準管節的變形受到更大的約束，增強深埋沉管的防錯位能力。

設計團隊用了30多天完成《半剛性沉管結構方案設計與研究報告》，為了證明「半剛性」結構，工程師們又經歷了200多個備受煎熬的日子。此後，他們邀請國內外6家專業研究機構進行「背對背」的分析計算，從模型試驗及原理上驗證「半剛性」的結構。研究論證結果趨同，證明「半剛性」是從結構上解決沉管深埋的科學方法，最終得到了各方面的一致認可。

經過兩年的努力和堅持，「半剛性」花費了極小的代價就把沉管深埋的構想變成了現實。目前，港珠澳大橋海底隧道已經是世界上最長的公路沉管隧道，超過了國內沉管隧道的總和。

找到混凝土最佳配合比

沉管試驗室主任張寶蘭與混凝土打了30多年交道，但面對近六公裡的海底沉管隧道，要配置出強度、耐久性、施工性、抗裂性都符合設計指標的混凝土，壓力前所未有。

「從表面上看，混凝土配合比計算只是水泥、砂子、石子、水這四種組成材料的用量。實質上是根據組成材料的情況，確定滿足上述四項基本要求的三大參數：水灰比、單位用水量和砂率。」張寶蘭解釋道。

為了尋找這個混凝土配方，張寶蘭帶著試驗主管李超等試驗人員一起進行多方位的試驗。沉管預製廠位於孤島上，島上氣候環境和陸地不同。「同一配合比經常上午打的狀態和下午的狀態都不同，甚至相同的一堆材料，前一罐和後一罐的狀態相差都會較大。」試驗人員蔡珠解釋說。

為了摸索找出原因，需要不停反覆試驗，找到穩定的「重現性」，在耗時近一年、用壞了4個混凝土攪拌機進行了海量的試驗後，基礎配方終於出爐。但這個配方到底行不行，必須通過小尺寸模型試驗和足尺模型試驗去檢驗和完善。

試驗團隊經過上百次的試驗調整，開展6次現場小尺寸模型試驗，2次足尺模型試驗，18個人工島沉箱混凝土驗證，最終配製出滿足沉管施工工藝性能要求，並具有低水化熱、低收縮的沉管施工混凝土配合比，提高了混凝土的抗裂性能，從而使沉管混凝土不出現裂縫具有可能性。

「奇蹟和美麗都源自每一個工程師追求極致的態度，配合比秘方也成了我們試驗人員的傳家寶了。」張寶蘭笑著說。

歷經156道工序

位於珠海牛頭島的港珠澳大橋沉管預製廠，是世界上最大的沉管預製工廠。為了確保質量，流水線作業和6S管理的概念被引進了這個中國第一例工廠法預製沉管的車間。

從一根鋼筋、一方混凝土到一個180米長的巨型沉管，需要經過鋼筋加工、鋼筋籠綁紮、混凝土澆築、管節一次舾裝、深淺塢蓄排水及管節起浮橫移等156道工序。「每一道工序都關係著120年的使用壽命，每一個過程都充滿風險，每一個環節都關乎產品質量。」當被問及如何保障沉管「滴水不漏」時，III工區二分區常務副經理陳偉彬深切說道。

據介紹，為了讓每個崗位上的人員都有操作標準，項目總部和工區共同制定出《港珠澳大橋島隧工程沉管預製質量控制點管理》體系文件，文件包括6個大項、23個子項、116個小項。

「我們對所有工序全面實行星級管理，對每一個小項的質量標準、質量控制層級、檢查方式、檢查頻率、質量控制要點，質量缺陷處罰制度都有著明確的標準。」負責體系執行監督的質保主管孔煉英說。

2016年12月26日，隨著最後一方混凝土在港珠澳大橋珠海牛頭島沉管預製廠中澆注結束，港珠澳大橋使用的33節海底隧道沉管全部完成施工。六年時間，中國交建建設團隊建設了「33艘航母」，並且創造了百萬方混凝土無裂縫、在40多米水壓下「滴水不漏」的奇蹟，書寫了新的歷史。

【採寫】記者 潘曉晨 通訊員 黃育波