第78集 港珠澳大橋的海底隧道

2020-12-11 中國數字科技館

作為舉世矚目的超級工程,港珠澳大橋在2018年10月24號順利通車運營。它是我國第一條集橋梁、人工島和海底隧道為一體的跨海通道,同時也是全球總體跨度最長、世界上沉管最重、沉管隧道最長的跨海大橋。

如今,港珠澳大橋的美麗、雄偉令人們讚嘆不已,但在實現這份美麗的過程中,建設者們執著奮鬥的精神,卻鮮為人知。今天,我們就共同走進海底沉管隧道,向大家講述這項超級工程背後的故事。

我們知道,這座港珠澳大橋是由橋梁、人工島、海底隧道三部分組成,其中,需要建設兩座分別佔地10萬平米的離岸人工島和一條6.7公裡的海底沉管隧道,實現橋梁與隧道的轉換,是大橋建設技術最複雜,建設難度最大的部分之一,非常具有挑戰性。

我國雖然有建設跨江隧道的歷史,但在港珠澳大橋之前,我國的沉管隧道工程加起來不到4公裡,而且,這還是我國第一次在海洋環境下建設沉管隧道,可以說是沒有任何經驗可以借鑑,一切從零開始。不過,面對這個極具挑戰性的工程,我國的交通建設隊伍並沒有心生畏懼,而是直面挑戰,解決困難。

根據設計方案,海底沉管隧道工程要在伶仃洋海面40多米深的地方,開挖一條長5664米的海底隧道基槽,海下的最大挖掘深度為48.5米,誤差不超過0.5米。但是由於港珠澳大橋地質環境是厚軟土地基,而且厚度在30米到50米之間,這就使得沉管基礎的沉降控制變得非常困難。

如果基礎出了問題,那麼將近8萬噸重的沉管鋪在上面,就會造成沉管隧道漏水等更嚴重的問題。因此,經過無數次工法比選、理論計算和試驗驗證,沉管隧道的工程師們設計了一種新的複合地基與組合基床相結合的基礎方案,簡單來說,就是在溝槽的基床底部加鋪一層2米到3米的大塊石頭並把它們夯平,然後再用碎石頭把表面鋪平。參與建造的工程師們紛紛笑稱,這道工序感覺就像是給海底沉管鋪上了一層「席夢思床墊」。

結果證明,這一方法是非常有效的。在整個島隧工程中,運用組合基床的部分,隧道的沉降都可以控制在5釐米以內,這比計劃中約定的20釐米沉降標準還要少上好幾倍。既然找到了正確的方法,那麼沉管基礎的鋪墊就變得順暢很多,最終,我國工程師順利完成了世界上首例深海基床的鋪設工程。

與此同時,海底隧道的沉管也在緊鑼密鼓地製造著,根據總體設計方案,港珠澳大橋海底沉管隧道由33根巨型沉管組成,每節管道長180米,寬37.95米,高11.4米,單節沉管的重量大約在8萬噸左右。為了製造這些巨型沉管,大橋的建設者們用了14個月的時間建成了世界上最大的沉管預製廠,並創下了澆築百萬立方米混凝土,沒有裂縫的世界奇蹟。

巨型沉管制造成功,接下來就是同樣艱難的運送和安裝操作了,因為除了自然條件的限制外,沉管浮運以及安裝的工程技術也給工程師們造成了一定的困難。

對此,當時負責浮運安裝的工區副經理王偉曾表示說:每次沉管浮運安裝時,都需要固定在兩艘專用的安裝船上,一般由10艘大馬力拖輪牽引,另外還有三艘拖輪是備用的。在我看來,沉管在浮運過程中風險是最大的,由於珠江主航道只有240米寬,很窄,一旦擱淺,沉管就會受到嚴重影響。

為了確保萬無一失,僅僅在沉管浮運時,就需要有9艘錨艇陪伴左右,12艘海事船警戒護航。另外,把這巨型沉管浮運到施工現場後,還需要準確沉放在已經鋪好的海底基床上,並與前一個沉管實施精確對接,這些操作的難度和挑戰可想而知。

在海中,不穩定因素有很多,像海浪海風、海底洋流、泥沙、海水密度等等,每一個參數的變化都會直接影響沉管對接。

2013年5月1號,歷經96個小時的連續工作,海底隧道的第一節沉管成功安裝。在這不平凡96個小時裡,建設者們把每一個步驟都做的小心翼翼,精確無比,生怕出現差錯,影響隧道的質量。然而,第一節的成功安裝並不意味著後面32節安裝都可以簡單地複製進行,嚴苛的海洋環境和地質條件,使得施工風險沒有辦法進行預知。

在沉管對接過程中,最後一節沉管安裝的限制條件最多,而且兩邊的沉管都已經安裝成型了,可以進行調節的空間也很小,所以這節沉管安放的精度決定了沉管隧道最終的理想程度,可以說最後一節沉管的接頭是「畫龍點睛」的一筆。

和其它180米長的沉管不同,這節沉管只有171米左右,預留了10米左右的最終接頭,同時為了保證對接精度,還把沉管接頭設計為頂部12米左右,底部9米左右的、上大下小的梯形接口,方便自上而下地安裝沉管。

2017年5月2號,經過十幾個小時的吊裝,最終接頭的沉管像「楔子」一樣被精確安裝在海底28米深的兩節沉管之間,成功地把海底隧道連為一體。

從第一節沉管浮運安裝到最後的沉管接頭,大橋建設者們花了整整四年的時間,把33節巨型沉管在深海中分別對接了34次,創造了「一年放置十節沉管」、「半個月內連續安裝兩節沉管」、「最終接頭毫米級偏差」等多項震撼人心的世界紀錄,圓滿完成了34節巨型沉管的施工任務。而且,在這項沉管安裝任務中,我國建設者還創造了海洋沉管隧道滴水不漏的建設奇蹟。

據了解,在全球範圍,無數的案例研究表明,隧道中出現一些漏水是很常見的情況。曾經有一位歐洲著名島隧專家依據多年的經驗總結出,全世界的節段式沉管漏水率平均值為10%左右。也就是說,10個接頭中很可能會有一個漏水。這位專家還認為世界上沒有沉管隧道100%不漏水的紀錄。然而,就在港珠澳大橋海底隧道的建設中,我國工程師憑藉自身的嚴謹和創新第一次做到了巨型沉管的滴水不漏。

另外,港珠澳大橋海底隧道本身的結構設計和材料選擇方面還考慮到了其他眾多的硬性要求,比如防止海上輪船的撞擊,防止海上船舶拋錨砸在沉管上等等,都比其他隧道提出了更高的要求。

聽到這裡,或許有人會提出這樣的問題:在40多米深,6.7公裡長的海底隧道裡開車,司機和乘客會不會感到身體不適?如果遇到緊急情況可以打通電話嗎?

其實,在海底隧道的建設者看來,相對於在深海中完成巨型沉管精準對接的難度,這些問題都不是很難解決的問題。

因為在沉管隧道中有兩個行車洞,洞頂上的多組大型懸掛式射流風機既可以吸取洞外的空氣,也可以排出洞內的汽車尾氣,人們駕車進入海底隧道駛完全程,並不會感到任何不適。而且,經過通風處理後,隧道內的溫度一般會維持在26攝氏度左右,涼風習習,行駛其中就像是在公路上的過山隧道行車一樣。

至於網絡通信的信號保障,就更不用擔心了。因為各個通信運營商都會在服務區裡安裝好通信網線,方便人們聯繫。即使司機忘記攜帶手機,緊急遇險需要求助,還可以在確保自身安全的情況下,下車使用隧道內壁設置的一鍵緊急求助設備。

總的來說,海底隧道雖然只有6.7公裡,但是它的建成並不容易,藉助幾千名建設者的力量,我國海底隧道相繼突破了深埋沉管、快速成島、隧道基礎、海洋深槽安裝等一系列世界難題,為我國工程建設標註了全新的高度。

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