港珠澳大橋正式通車,這座世界最長的跨海大橋用了哪些科技?

2018年10月23日,港珠澳大橋在珠海舉行開通儀式。

港珠澳大橋東接香港,西接廣東珠海和澳門,總長約55公里,是粵港澳三地首次合作共建的超大型跨海交通工程。

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以下內容來源:網易新聞

作者:須臾千秋(清華大學土木工程博士)

港珠澳大橋連接了珠江口東岸的香港和珠江口西岸的珠海、澳門,將整個珠三角的經濟融為一體。

它全長55公里,是世界上最長的跨海大橋,沒有之一。

其著名的沉管隧道長達6.75公里,是全球最長的公路沉管隧道和全球唯一的深埋沉管隧道……

從籌備到建成,港珠澳大橋建設歷時14年,過程中攻克了無數個世界級難題,打破了無數個世界紀錄,是當之無愧的世紀工程。

在它建成通車的歷史性時刻,讓我們共同回顧港珠澳大橋的那些驚世駭俗之處。

(一)有橋有隧,大橋為何如此設計?

港珠澳大橋並不是一座嚴格意義上的“橋”,而是一個橋樑與隧道的組合體。

整個工程在海中全長35公里,其中有29公里是橋,6公里則是隧道。

在橋樑與隧道之間,通過珠江口伶仃洋南北兩側的兩個離岸人工島進行連接,而港珠澳大橋的難度也正來源於此。

那麼,港珠澳大橋究竟為什麼要設計成這樣呢?

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▲港珠澳大橋的橋隧轉換人工島

這主要是考慮到了船隻的通航問題。

廣州港是世界著名的繁忙大港,每天都有上萬艘船隻穿過港珠澳大橋所處的伶仃洋進出廣州港,其中不乏有許多萬噸巨輪。

這些巨輪體積大、吃水深,如果大橋全部修建成水面以上的橋,那麼這些船隻很難從橋下通行,還容易與橋墩相撞。

因此,必須有一段淨空的航道供巨輪通行,也就是必須有一段海底隧道。

然而海底隧道的建設成本驚人。如果整個35公里的公路全部修成隧道,不僅經濟上不可接受,消防、運行等等問題都難以解決。

因此,半橋半隧成為了一種現實可行的方案。

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▲輪船撞橋是一類非常嚴重的事故

橋隧轉換的關鍵在於人工島。

修建人工島可不僅僅是用海底的泥沙堆砌一座島出來,這座島必須能夠對抗方向不定的洋流和海風。如果沒有結實的加固,必然一衝即散。

港珠澳大橋人工島的造價高達131億元,為了保持穩固,工程採用了120個直徑22米的鋼圓筒圍成人工島的島壁,單體重達500噸,其施工工法和八錘聯動液壓振動錘為世界首創。

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▲人工島外圍的圓筒就是島嶼的圍束

在海洋中填島,如何將原來位置的海水排幹是一個大問題。

工程採用了局部開挖換填、井點降水聯合堆載的全新施工方案,不僅加速了固結,而且減少了工程後的殘餘沉降,保障了安全。

在穩固的地基支撐下,建成的人工島標高達到5米,能夠抵抗珠江口300年一遇的洪潮。

它不僅承擔了橋隧轉換的功能,而且還將成為港珠澳三地的交通銜接中心,兩地對關口岸也設置在島上。

人工島集交通、管理、服務、救援及觀光功能於一體,島上還設計了中華白海豚觀賞區和海上觀景平台。

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▲人工島的平面佈置

(二)構件全部標準化生產,保障大橋質量

港珠澳大橋的設計使用壽命長達120年,這意味著在一個多世紀的時間裡,大橋的核心結構,尤其是6.7公里長的沉管隧道不能出現絲毫的質量問題。

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▲港珠澳大橋的沉管

大橋的隧道由33節沉管連接而成,每節標準沉管段長180米,寬38米,高11.4米,排水量7.8萬噸,相當於一艘滿載的遼寧號航母。每節沉管的內部由超過40萬根近一萬噸的鋼筋和7萬噸混凝土組成。

這麼大的沉管,施工方必須保證誤差在0.5毫米以下。

為了保證精度,工人們需要親身鑽進壁厚僅1.5米的鋼筋籠裡,把近100根注漿管的安裝效果一一檢查到位,確保每一個焊接位置的密閉性能。

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▲建設中的沉管

如此巨大的沉管,還要保證極其苛刻的誤差限度,因此它的運輸過程中不允許絲毫差池。

它不能遠距離運輸,更不可能在陸地上建好再輾轉進入海中。

因此,在距離大橋不遠處的桂山牛頭島,專門建設了一座沉管管節預製工廠,採用最先進的工廠流水線生產這33段管節。

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▲沉管預製廠設置在一座小島上

按照工藝流程,180米長的管節會被分為8段22.5米長的節段逐段預製、逐段頂推直到全部澆築完畢,再整體頂推至塢區,進行臨時預應力索張拉,讓這八個節段形成密閉的整體。

隨後,工程師們會將它的兩端封閉,讓它像一艘船一樣漂浮起來,牽引到安裝位置。

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▲預製構件小島上的塢區

要讓一個橋段在海面上移動,需要8艘拖輪帶纜共同發力,提供5000多噸的力量。

如此巨大的“航母”在拖航過程中姿態難以控制,管節繫泊的每一次帶纜都要經受流速、流向的影響,橋段無論是移動還是對接難度都極高。

此外,施工還要面臨來自颱風、季風等複雜的氣象水文環境帶來的挑戰。珠江口洋流複雜,橋段的安裝還要經受水流的干擾。

為了實現精準安裝,工程首次應用了深水無人沉放對接測控系統,對橋段的安裝位置和進度進行了精密的測量和控制。

港珠澳大橋的沉管隧道,是世界島隧工程歷史上首個真正意義上的外海深水安裝沉管隧道,具有劃時代的意義。

(三)海底沉管隧道如何保證120 年滴水不漏?

混凝土是一種脆性材料,抗壓能力很強,但受到拉力就很容易開裂。在陸地上,絕大多數的混凝土都是帶裂縫工作的,並不影響結構的性能。

但在海洋工程,尤其是海底隧道中,這樣的裂縫是不可以存在的。一旦產生裂縫,含鹽的海水就會滲入混凝土內部進一步腐蝕鋼筋和混凝土,進而擴大裂縫,最終導致漏水,乃至產生結構安全問題。

因此,沉管隧道使用了一種抗滲性能很強的混凝土,它的微觀結構非常緻密,有害離子很難直接滲入。

隧道壁內部的鋼筋籠也十分密集,配筋率遠超一般的建築結構,這些密布的鋼筋起到了極強的約束作用,嚴格限制了混凝土的宏觀開裂以及微觀裂縫的擴展。

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▲沉管隧道內部的鋼筋籠

為了避免沉管段之間的縫隙發生漏水,在沉管的節段和節段之間,還設置有一層厚厚的橡膠墊來彌合縫隙。

在沉管內部沿縱向設置有許多貫通的預應力鋼筋,當預應力鋼筋張拉後,它們就像是一束強力橡皮筋,將沉管緊緊地綁紮在一起,不留一絲縫隙。這樣,沉管內部與外部就被嚴格地隔離開來。

然而,海洋中的環境並非一成不變,紛亂錯雜的洋流、變化的海底地質環境仍然可能會對沉管隧道造成破壞。

為了保護沉管的穩定性,海底隧道的大部分都是被掩埋在伶仃洋的淤泥之中的。

在施工中,工程部先將海底深厚而鬆軟的淤泥清理到了一邊,並在沉管的基床底部鋪設2-3米厚的塊石,製成一種堅固的複合地基。

它可以讓沉管的沉降值縮小到10厘米以內,杜絕因海底沉降導致的滲水。

在沉管鋪設好之後,還要在兩側及上部回填碎石。

之前被清到一邊的淤泥也會很快隨著洋流重新淤積到隧道上方,對隧道形成保護。這樣一來,海中的風浪就完全侵蝕不到隧道了。

(四)地處南海,大橋如何抵抗海洋侵蝕?

水下的部分解決了,水上的29公里橋樑還要面對嚴酷多變的環境。

港珠澳大橋地處中國南海,這里風高浪急,每年要刮兩場以上的颱風。還有陽光的暴晒、海浪的侵蝕……

港珠澳大橋可是要用120年的大工程,如果任由這些小問題日積月累,最終會成為大問題。

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▲海洋環境示意圖,受害最嚴重的是飛沫區

海洋環境之所以對建築物的傷害巨大,最重要的是因為其乾濕交替的環境。

完全浸沒在海水中的結構如隧道、橋墩基礎受到的腐蝕作用反而不強,而橋樑的主體部分則直接暴露在空氣中的飛沫區,雖然很少能直接接觸到海水,但大量的海水飛沫裹挾著鹽分衝擊結構,結構表面一會兒乾一會兒濕,每顆小飛沫還都攜帶著海水中的有害離子粘在上面。

這些有害離子會在混凝土內部產生結晶,讓混凝土劣化、鋼筋鏽蝕。折騰不了幾年,大橋的路面就會變成豆腐渣。

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▲腐蝕嚴重的橋墩

面對如此惡劣的海洋環境,工程師們進行了數百組室內模擬實驗,以及室外高溫穩定性及低溫疲勞試驗,獲得了上萬個測試數據,最終敲定了SMA(瀝青瑪蹄脂碎石混合料)+後澆築式瀝青混凝土組合鋪裝結構體系的鋼橋面鋪裝設計方案。

工程還首次提出了GMA澆築式瀝青新技術,兼具溫度穩定性與耐腐蝕能力。為了保障其中重要的集料生產,施工方還專門為港珠澳大橋打造了最先進、標準最高的高精尖集料工廠——中山集料廠。

與120年壽命的大橋主體結構不同,路面由於直接暴露在海風與烈日下,且要承受車輛碾過的反复荷載,需要經常更換,為了保證路面的質量,它的服役期被嚴格限制在15年以內。

結語

港珠澳大橋的總投資超過人民幣1000億元,據估算,如果僅靠收取過橋費,它需要幾十乃至上百年才能收回成本。

然而,港珠澳大橋將珠江口兩岸的城市連為一體,通車後,從香港開車去澳門只需30分鐘,大大促成了珠三角經濟的一體化,其社會價值是無法估量的。

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