港珠澳大桥隧道滴水不漏 64项创新打造超级工程

2016-07-13 11:50

6月29日凌晨，被英国《卫报》誉为“现代世界七大奇迹”之一的港珠澳大桥主体桥梁宣告成功合龙。这意味着，离港珠澳大桥最终“蛟龙出海”已为时不远。
作为连接香港、珠海和澳门的超大型跨海通道，从研究、设计、施工到最终接近完成，港珠澳大桥历经十余年的漫长的岁月。在这过程中，中国的设计者、建设者们承担着难以想象的压力，遭遇过外国设计方案不符合实际情况、沉管沉放“三次回拖两次安装”等各种问题，也面临着新设计方案不被理解，外在因素导致需要多方沟通的局面。
最终，诸多问题被一一克服，中国的工程师们以脚踏实地、勇于创新、不断挑战自我的精神，让这一中国的“超级样板”工程，将于2017年正式向人们展示他的巍巍身姿。
最终，港珠澳大桥以64项创新技术，贡献予世界沉管隧道工程。中国是沉管隧道工程的后来者，然而，“如积薪耳，后来者居上”，这背后是中国工程人员的勤奋、智慧和不屈的斗志。
跨过珠海，连接澳门半岛，最终通向香港大屿山，港珠澳大桥这一“世纪工程”正在伶仃洋上缓缓的升起。
据了解，港珠澳大桥岛隧工程建设已接近尾端，2017年将正式开通。届时，从珠海到香港只需要30分钟路程。
这一项工程从某种意义上来说是建筑史上的奇迹：需要试验及需突破界限部分占到工程总量的一半，以及为应对特殊挑战实现技术创新占工程总量的15%，这在中国工程史上是第一次。
总设计师刘晓东按照技术困难的难易程度列出一个谱系：从应用惯例和标准组件的传统技术，到那些需要实践或实验的项目，再到那些拥有真正难以突破的界限并需要应对一些特殊挑战的项目。
在港珠澳岛隧工程项目中，应用惯例和标准组件包括：桥梁；人工岛陆域形成，软基加固，消浪结构等；沉管预制厂土木结构；沉管基槽开挖、沉管回填、沉管附属工程等约占比35%，涉及造价75亿元人民币。
需要实验及需突破界限部分是工程主要部分包括：沉管基础、沉管预制、沉管岛上段等，占比约50%。
而为应对特殊挑战部分，需要技术创新的，其中很多都是世界上第一次，比如深插钢圆筒、半刚性沉管结构、外海沉管安装系统、沉管最终接头等，占比15%，占投资30多亿元人民币。
最终，港珠澳大桥以64项创新技术，贡献予世界沉管隧道工程。
中国是沉管隧道工程的后来者，然而，“如积薪耳，后来者居上”，这背后是中国工程人员的勤奋、智慧和不屈的斗志。
滴水不漏的海底隧道 2015年12月，港珠澳大桥岛隧工程有位特殊客人来访——香港土木工程署前任署长刘正光。他曾主持设计建造了香港青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥，这三座桥梁都被誉为世界级的大桥。鉴于此，他荣获我国桥梁工程界的最高奖——“茅以升”奖，并在国际桥梁界享有盛名。
长期以来，这位获得英国桥梁硕士学位的第一位华人，一直对中国大陆工程界颇有微词，特别是在一些大型的国际会议上，批评大陆工程的质量，并不掩饰其观点。
在参观的前一天，他给岛隧工程总指挥林鸣打电话，询问参观隧道需不需要穿雨衣水靴。林鸣回应说“并不需要”。第二天，刘正光虽然没有穿雨衣，但还是穿了一双雨鞋。
随后，刘正光从西人工岛进入隧道，在Element1（以下element简写E）入口处乘坐电瓶车达到E24沉管。出乎他的意料，24节沉管的192个接头没有一点点渗漏的痕迹，整个隧道内既没有“雨”更没有“河”，甚至没有水印的痕迹。
当他与林鸣见面时，第一句话是：“沉管隧道没有不漏水的，没有想到你们的隧道能够滴水不漏”。第二句话则是“我们香港工程界要向你们学习”。
刘正光对港珠澳大桥沉管隧道不漏水感到诧异是有根据的。
“在全球范围来说，设计隧道时都要确保水密性。但是，建造几公里长而且保证100%水密性的隧道又是另外一回事。在许多国家，隧道所有者和设计师都明白建造100%水密的隧道意味着什么样的挑战。” 汉斯·德威特（Hans de Wit）对记者说。这位资深沉管隧道专家是荷兰隧道工程咨询公司（Tunnel Engineering Consultants，TEC）的运营总监，也是国际隧道协会国际沉管隧道工作小组成员。
“在全球范围，基于无数的案例研究表明，在隧道中出现一些漏水是很常见的。”荷兰特瑞堡集团（Trelleborg AB，TEP）工程产品商业开发和市场部经理路德·波柯特（Ruud Bokhout）对记者说。
一位欧洲著名岛隧专家依据经验给出一个数值：全世界的节段式沉管漏水率平均值为10%左右。也就是说，10个接头中有一个漏水。这位专家认为，目前尚没有沉管隧道100%不漏水的纪录。
而港珠澳大桥隧道共要制造安装33节沉管，几百道工序不仅环环相扣，还要重复千百遍，只要一个环节出问题，漏水将不可避免。
创新：从防止过度沉降开始事实上，截至7月12日，港珠澳大桥已经完成27节沉管的安装，建成隧道总长度为4702.5米，是总长度的80%以上。以每节沉管有8个接头计算，27节沉管约有216个接头，如果按照10%漏水平均值，一二十个接头漏水在正常值范围。
然而，这一切并没有发生。
打破沉管隧道漏水的“常规”，从工程开始就成为中国工程师的信念。
“沉管隧道为什么漏水？无论是哪个环节都是基础出了问题。”岛隧工程总指挥林鸣说。“举个例子，港珠澳大桥的地质环境是厚软土地基，所以沉管基础刚度协调及不均匀沉降控制非常困难。合同规定港珠澳大桥沉降标准是20公分，而国外同类标准是30公分以上。”
为了实现沉降标准达标，中国工程师在如何使软土层变硬上做文章，进行了多项有价值的创新，用技术突破打破隧道漏水的玻璃窗。他们在40多米深的水下为沉管基床底部铺上2到3米的块石并夯平，创造一种新的复合地基，使沉管的沉降值大大缩小，平均值在5公分左右；他们的沉管预制水准被国际同行评价“绝对是世界一流的”。
中国的工程人员完美的回答了一个问题，但这仅仅是开端。
汉斯·德威将定义港珠澳大桥岛隧组合工程是“全球最具挑战的跨海项目，其中岛隧工程是迄今为止最为复杂的一项工程”。
他列举岛隧工程面对的诸多挑战：比如，“海底隧道长度——它是当今世界最长的公路隧道；隧道沉管管节的制作——每个沉管大约重75000吨，是当今世界之最；要在规定时间和最深水下50米的海况条件下完成沉管的连续安装，并达到苛刻要求的安装精度！局部施工区域属于极为松软而且类型多样的土质，深埋隧道管节要承受20米深的覆土荷载！还有隧道极大的管节单幅跨度，等等。这些都使得港珠澳大桥岛隧工程比其它要难得多”。
虽然上述诸多挑战前所未遇，但比设计施工更严峻的是中国工程师在此前没有外海深水隧道工程设计施工经验，甚至只极个别人见过桥岛隧组合工程。
这些注定了前方的困难重重。
重大挫折：第一次返航 2015年12月22日，E24沉管水下对接，记者跟随海底隧道沉管浮运安装船队出海。岛隧工程设计负责人梁桁、副总工程师刘亚平和第Ⅴ工区常务副经理宿发强，为记者讲述了E15管节沉管沉放“三次回拖两次安装”的故事。
2014年11月15日是E15节沉管沉放的“窗口期”。出发前的2014年13、14日，粱桁和刘亚平带领团队用多波探测器对沉管基床进行三维扫测，13日垄沟轮廓清晰，而2014年14日再次扫测时发现垄沟出现了3-4公分浮泥。而此时，E15沉管已经被拖出桂山岛坞区，原定浮运日期在2014年15日晚上出发，箭在弦上，发还是不发？
此时，前方潜水员传来信息：较早之前的浮泥密度正在减小。检测结果显示，泥的密度已经从之前的每克1.3-1.4立方厘米减少到每克1.26立方厘米。项目部集体作出决策：出发！
“浮运过程中人们还是忐忑不安。到现场将要沉放前，林总要求潜水员再次潜水作业，这在之前是从来没有过的。潜水员带来的坏消息：经过短短的八九个小时，基槽泥沙又增多了。”梁桁说。
现在，面临两个选择：是安装，还是返航？
总指挥林鸣比任何人更清楚返航意味着什么：基床回淤后要挖掉重新铺设，直接发生的费用以千万元计；沉管回拖一次也要几千万，加上海事部门配合浮运的近20条护航船以及拖轮的费用，都将对工程产生巨大财务压力。
在监控室参与决策会的人都经历了漫长、纠结且痛苦的过程。有一种意见认为不妨尝试安装，“几百人干了一个多月，花了如此大的成本，总要试一试”；也有人以国外同类工程举例证明，沉管对接精度即使放宽到8 厘米问题也不大，4 厘米的回淤，不会给隧道安装质量带来根本性的影响。
然而，对林鸣来说，财务压力与工程的责任不能相提并论：如果对接出现误差，8万吨的沉管一旦沉到海底，目前世界上没有任何一台设备可以把沉管提起来。隧道漏水是一定的，更严重的问题是必将影响航道的航运，珠江口是中国最繁忙航运水域，每天船舶流量达5000艘次。
“基础不牢，地动山摇！如果继续安装，沉管基础存在着极大的不确定性。这是一条生命线，绝不能拿大桥质量和沉管安全作赌注。中止安装，沉管回航！” 林鸣和他的团队最后作出决策。
2014年17日18时，E15沉管正式回撤。将已经出坞的巨型沉管重新拖回坞中，他们在作业海区顶着五六级大风以及超过1米高的海浪条件下返航。约7海里的航程，回航编队小心翼翼地走了24小时的海上航行，E15沉管毫发无损地拖回沉管预制厂深坞。这在世界建筑史上并没有先例。
分析与解决问题：停止采砂沉管被拖回坞后，中国工程师们并没有把失败归因于运气不好，而是立即组织，对失败进行认定和分析。
总指挥林鸣提出问题：为什么之前所装的14个沉管没有发生突然回淤？导致E15突然回淤的原因是什么？为了寻找问题所在，他们迅速集结国内对珠江口水情长期跟踪研究的知名泥沙专家到珠海，包括交通运输部天津水运工程科学研究院、交通运输部及水利部南京水利科学研究院、中山大学和中交四航院。
中交四航院副总工程师梁桁是港珠澳大桥岛隧工程沉管基础监控的负责人，他对记者说：“我记得特别清楚，第一次开会时，我国著名的泥沙专家、78岁的王汝凯大师说，我们不是来这里做科研的，而是要用大会战的方式解决工程遇到的问题”。
之后，“隧道基槽泥沙回淤专题攻关组”成立。
他们采用卫星遥感测量、多波束扫描与水体含砂量测定仪。实测数据有三个重要发现：第一，这片海区的水体含砂量异常，从原平均值每立方米0.1公斤含砂量上升到0.5-0.6公斤每立方米；第二，海床表面物质发生了粗化现象，原因不明；第三，项目所在的伶仃洋部分水域呈微淤态势。
卫星遥感信息进一步证实，隧道基槽以北17-18公里范围海域有大面积浑水分布。当工程师们到达这个区域时看到，有70-80条采砂船正在作业，珠江海域往日清澈的水面变得与黄河水一样，水面含砂量为1.58公斤每立方，而之前只是0.02-0.05公斤每立方。
随着国家提高对工程质量要求的标准，减少砂的含泥量首当其冲，这些采砂船直接在现场边采边洗，事实上形成上游有一群人在不断地搅和海水，使泥沙翻卷向下游袭来。正是采砂船向南移动了15-16公里，而之前则在更北的30-40公里处采砂，直接改变了珠江口局部水域丰水少砂的规律。
在这个区域作业的采砂船都是持有政府批准的合法文件。面对港珠澳大桥这个国家工程，广东省政府全力协调各方利益关系，果断决定：一定要确保国家重点工程——港珠澳大桥顺利施工，立即停止采砂，停止采砂时限从2015年2月11日到5月1日。
第二次失败的“出征” 2015年2月24日大年初四，E15再次出征，距离第一次拖回沉管过去了4个多月。之前收集的所有信息反馈未发生异常，当船队即将到达施工区时，前方传来消息：E15沉管碎石基床尾部突然发现2000平方米的淤积物。“整个沉管管节长180米宽38米，总面积为8000平米，2000多平米约占1/4！且泥沙厚度有八九十厘米。当看到潜水员从基槽捞出满满一箱泥巴样本，所有人惊呆了。泥沙从何而来？”梁桁对记者说。
分析认为，当第一次出现回淤后，施工人员清理了基床槽底的淤泥，而基槽边坡上面覆盖了一层薄薄回淤物，当回淤物受到外力扰动后发生了雪崩般的“塌方”。“我们原来的认识不足，加上世界沉管隧道目前没有边坡清淤的先例，对风险的认知总是一个不断总结和积累的过程。”梁桁说。
王汝凯对记者说：“港珠澳大桥是目前世界唯一深埋大回淤节段式沉管工程，单节沉管重约7.4万吨，最大沉放水深44米，是目前世界上综合难度最大的沉管隧道。沉管对基床的平整度要求非常严格，为了保证工程质量，设计要求泥沙淤积量不能超过4厘米。遇到这样大面积的泥沙回淤，只能返航。”
E15节沉管的第二次出航，走到的三分之二的路程时只能再次拖回。指挥船上霎时气氛凝重，一些人按捺不住情绪当众留下了热泪。
“当时心情特别激动，忍不住地掉眼泪”，山东大汉宿发强，港珠澳岛遂工程第Ⅴ工区常务副经理说。“第一次出航非常艰难，200多人的团队连续72个小时不睡觉，巨大的压力已经接近人的承受极限。这个工程从开工到现在，我们连续多少个春节在这里，500多人从大年三十等到初七的时间窗口，没有想到又出现塌方返航，心不甘呀！”，他形容这是“人类无力抗拒自然的痛苦”。
失败的潜在收益这两次问题的出现，为工程提出新的要求。
其中的关键是：建立一套回淤预警预测系统，为后续沉管安装提供保障。以泥沙回淤预报为例，之前沉管安装有海浪、天气等气象窗口的预报，E15遭遇的泥沙回淤，使沉管安装增加了泥沙回淤预报。“泥沙预报是非常难的事情，因为泥沙预报受人为因素干扰大，既不可控也没有规律性，其难度并不亚于气象窗口预报。港珠澳大桥项目在泥沙预报上实现了三大突破：
“第一，从宏观到微观。原来做泥沙回淤研究只限于宏观层面，比如大江大河或者一个海域，最小的航道回淤也都是长几十公里，很少具体到某个点的微观研究，实现了从几十平方公里的宏观预报收缩到沉管基槽8000平米的微观预报；第二，从长期到短期。以往做泥沙回淤的研究是以世纪、百年或者几十年计，而现在缩短到十天周期的预报，也就说，从沉管基床铺设到安装，为工程决策提供泥沙回淤的准确信息；第三，泥沙回淤预报的微量化。以前做泥沙回淤预报的量级是以米计量，通常是1-2米，最小也是以50厘米量级计算。而沉管工程要求以10厘米、4厘米计算。我们做到了。”梁桁介绍说。
正是两次沉管安装的意外失败，才孕育出泥沙回淤预报的创新，正是这种“意外”给创新提供了机遇。这类创新既解决了工程最为迫切的需求，也完美地展示了创新的意义。在创新手段的护航下，2015年3月24日，浮运船队携E15沉管第三次踏浪出海，经过数轮观测、调整后，E15沉管在40多米深的海底与E14沉管精准对接。
创新与创造世界纪录出现意外无疑是痛苦的，但也是最新的机会。
E15节沉管“三次回拖两次安装”事件，使林鸣有个强烈的愿望，如果有一台高精度清淤设备就好了，“既能把50米海底基床上的淤泥清理干净，而且还不会让基床上的一颗石子移动”。
然而，自有记录以来，全世界没有任何一项工程在碎石层面上清淤。
王学军是上海振华重工集团海工机械研究所副所长，因主持设计港珠澳大桥岛隧工程的抛石整平船等关键设备，获中国交建科技进步特等奖和建设功臣称号。他回忆，“当我就此事第一次到珠海见林总时，他首先提出能否在整平船上加装一套清淤装置的设想。为了完善这套系统的设计，之后我们多次交流思想，因为做工程的人才最明白他们想要的是什么东西，而上海振华则是通过装备研发的实力，把他们的想法变为现实。”
“从设计角度讲，这个设备的关键点是要实现定点高精度清淤，而把清淤设备嫁接到整平船是个好主意。”王学军认为，“整船可以实现碎石整平的精度，如果在清淤头部加装两个水泵，道理上可以完成精度清淤。只不过一个是抛石，一个是清淤。”
为此，上海振华迅即成立有200多人参与的“零号工程”项目组，从方案设计到物资采购，再到设备制造，一路畅行在绿色通道上。从林鸣开始提出想法到最后成功研制深水高精度清淤设备，只用了4个月。这是在一个原有的集合技术中加入新元素的成功范例。
高精度清淤设备的效果是显著的。
2015年11月4日E22沉管安装前，现场泥沙监测数据和多波束扫测数据显示，基床泥沙回淤量显著增加。高精度清淤设备一经使用便初展神威，它完美得令人惊叹。清淤完成后，碎石表面不仅干净且纹丝未动。
“精确清淤装置最大的意义在于保证了当月安装两节沉管，这在之前是从来没有过的。”王学军说。
2015年12月21日清晨6时30分，随着港珠澳大桥第24节沉管在海底精准对接，中交岛隧建设者在遭受台风、基槽回淤、珠江口大径流以及冬季寒潮大风等恶劣条件的影响下，创造了一年完成十节沉管安装的世界纪录。而已经建成的韩国巨济大桥的18节沉管历经三年，平均每年安装6个。
创新沉管结构：半刚性问题仍然层出不穷，港珠澳大桥的工程人员的创新也在继续。
港珠澳大桥海底隧道沉管部分总长5.6公里，由33节沉管相互联结而成。自1928年人类工程史上修建第一条钢筋混凝土沉管隧道以来，沉管制作的工具箱里只有刚性和柔性两种方法。
港珠澳大桥岛隧工程总设计师刘晓东用积木给出通俗易懂的比喻：“刚性结构好比一块长条积木，而柔性结构好比乐高小块积木拼接的积木条。刚性缘于是整体结构，使接头漏水的概率减小，但如果基底出现沉降，大体量沉管受力不均匀出问题的概率也随之增大。而柔性结构是用小管节串成一个大管节，比刚性结构应对沉降有明显优势。无论是选择哪种结构，最终目的是为应对地基发生不均匀沉降时，最大程度减少对海底隧道的影响。”
在大桥前期设计阶段，国际知名岛隧咨询公司的专家们比较两种结构，认为无论哪种方案对港珠澳大桥隧道都存在一定的问题。
现有工程记录显示，刚柔两种结构体系沉管隧道都是浅埋隧道，沉管回填及覆土厚度约在2米；而港珠澳大桥隧道是世界上唯一深埋沉管隧道，沉放最深水下44.5米。为了预留30万吨级航道，港珠澳大桥沉管隧道需要埋到海床以下20多米，它是世界上唯一的深埋沉管隧道。
在20多米的覆盖层，有超过浅埋沉管5倍的荷载，如果采用传统的结构体系，沉管结构得不到安全保障。林鸣担心“200多个水下接头，如果有一个接头遭到破坏，后果不堪设想”。
面对问题，权威隧道专家给出“深埋浅做”的两个解决方案，其一是在沉管顶部回填与水差不多重的轻质填料，这需要增加十多亿元人民币投资，工期也将延长；其二是在120年运营期内控制回淤物厚度，进行维护性疏浚，维护费数十亿元人民币。
这样做代价太大，中国工程师心有不甘。
“从2012年年初，我和设计团队一直在寻找一种可替代结构体系，希望为工程找到一条出路。”林鸣说。
寻找出路的过程是痛苦和绝望的。但有一天解决方案的灵感在寂静时刻倏然而至，让人觉得在潜意识中各部分已经完全被组合完好了一样。
2012年11月17日凌晨，总设计师刘晓东的手机上收到一条短信：“尝试研究一下半刚性。”发信人是林鸣。
“那一夜我几乎没睡，凌晨五点左右，我的脑海中突然闪出了半刚性这个概念，它能够提高接头的能力，可能是从结构上解决深埋沉管的一条出路。”林鸣回忆。他所提出的半刚性结构设想，是保留甚至强化串起小管节之间的钢绞线，加强小管节之间的连接，使180米长、由4个小关节连接而成的标准管节的变形受到更大的约束，增强深埋沉管的防错位能力。
质疑与完美回答设计团队又用了30多天完成《半刚性沉管结构方案设计与研究报告》，而之后的过程充满批评、异议乃至责备。首先听到的是来自内部“最好不要过度创新”的声音；还有外国权威专家讥讽：“你们有什么资格创造一个新的结构？”
而更多的是来自国内同行专家的质疑。港珠澳大桥初步设计方案已经通过论证与批准程序，为前期设计方案作出贡献的都是权威专家，说服权威专家并取得共识比技术论证本身更艰难。
为了证明“半刚性”结构，从2012年底到2013年8月，他们经历了200多个备受煎熬的日子。但是林鸣坚持认为：“我们相信‘半刚性’是一种科学的解决办法，如果不坚持就没有尽到责任。”
此后，他们邀请国内外6家专业研究机构进行“背对背”的分析计算，从模型试验及原理上验证“半刚性”的结构。研究论证结果趋同，证明“半刚性”是从结构上解决沉管深埋的科学方法，最终得到了各方面的一致认可。
经过两年的努力和坚持，“半刚性”只花费了极小的代价就把沉管深埋的构想变成了现实，到2016年7月12日，已安装隧道总长达到4860米，目前它不仅已经是世界上最长的公路沉管隧道，也超过了国内沉管隧道的总和。
从此，世界百年沉管结构的工具箱除了已有的“刚性”、“柔性”之外，增加了“半刚性”的新成员。
“创新并不是显示所谓的创造性，而是为满足需求另辟蹊径地完成工程任务。”林鸣说。
来源: 21世纪经济报道(广州)

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