港珠澳大橋 ——中國的“超級樣板”工程
2016-07-13
6月29日凌晨，被英國《衛(wèi)報》譽為“現代世界七大奇跡”之一的港珠澳大橋主體橋梁宣告成功合龍。這意味著，離港珠澳大橋最終“蛟龍出海”已為時不遠。
作為連接香港、珠海和澳門的超大型跨海通道，從研究、設計、施工到最終接近完成，港珠澳大橋歷經十余年的漫長的歲月。在這過程中，中國的設計者、建設者們承擔著難以想象的壓力，遭遇過外國設計方案不符合實際情況、沉管沉放“三次回拖兩次安裝”等各種問題，也面臨著新設計方案不被理解，外在因素導致需要多方溝通的局面。
最終，諸多問題被一一克服，中國的工程師們以腳踏實地、勇于創(chuàng)新、不斷挑戰(zhàn)自我的精神，讓這一中國的“超級樣板”工程，將于2017年正式向人們展示他的巍巍身姿。
導讀
最終，港珠澳大橋以64項創(chuàng)新技術，貢獻予世界沉管隧道工程。中國是沉管隧道工程的后來者，然而，“如積薪耳，后來者居上”，這背后是中國工程人員的勤奮、智慧和不屈的斗志。
跨過珠海，連接澳門半島，最終通向香港大嶼山，港珠澳大橋這一“世紀工程”正在伶仃洋上緩緩的升起。
據了解，港珠澳大橋島隧工程建設已接近尾端，2017年將正式開通。屆時，從珠海到香港只需要30分鐘路程。
這一項工程從某種意義上來說是建筑史上的奇跡：需要試驗及需突破界限部分占到工程總量的一半，以及為應對特殊挑戰(zhàn)實現技術創(chuàng)新占工程總量的15%，這在中國工程史上是第一次。
總設計師劉曉東按照技術困難的難易程度列出一個譜系：從應用慣例和標準組件的傳統(tǒng)技術，到那些需要實踐或實驗的項目，再到那些擁有真正難以突破的界限并需要應對一些特殊挑戰(zhàn)的項目。
在港珠澳島隧工程項目中，應用慣例和標準組件包括：橋梁；人工島陸域形成，軟基加固，消浪結構等；沉管預制廠土木結構；沉管基槽開挖、沉管回填、沉管附屬工程等約占比35%，涉及造價75億元人民幣。
需要實驗及需突破界限部分是工程主要部分包括：沉管基儲沉管預制、沉管島上段等，占比約50%。
而為應對特殊挑戰(zhàn)部分，需要技術創(chuàng)新的，其中很多都是世界上第一次，比如深插鋼圓筒、半剛性沉管結構、外海沉管安裝系統(tǒng)、沉管最終接頭等，占比15%，占投資30多億元人民幣。
最終，港珠澳大橋以64項創(chuàng)新技術，貢獻予世界沉管隧道工程。
中國是沉管隧道工程的后來者，然而，“如積薪耳，后來者居上”，這背后是中國工程人員的勤奮、智慧和不屈的斗志。
滴水不漏的海底隧道
2015年12月，港珠澳大橋島隧工程有位特殊客人來訪——香港土木工程署前任署長劉正光。他曾主持設計建造了香港青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，這三座橋梁都被譽為世界級的大橋。鑒于此，他榮獲我國橋梁工程界的最高獎——“茅以升”獎，并在國際橋梁界享有盛名。
長期以來，這位獲得英國橋梁碩士學位的第一位華人，一直對中國大陸工程界頗有微詞，特別是在一些大型的國際會議上，批評大陸工程的質量，并不掩飾其觀點。
在參觀的前一天，他給島隧工程總指揮林鳴打電話，詢問參觀隧道需不需要穿雨衣水靴。林鳴回應說“并不需要”。第二天，劉正光雖然沒有穿雨衣，但還是穿了一雙雨鞋。
隨后，劉正光從西人工島進入隧道，在Element1（以下element簡寫E）入口處乘坐電瓶車達到E24沉管。出乎他的意料，24節(jié)沉管的192個接頭沒有一點點滲漏的痕跡，整個隧道內既沒有“雨”更沒有“河”，甚至沒有水印的痕跡。
當他與林鳴見面時，第一句話是：“沉管隧道沒有不漏水的，沒有想到你們的隧道能夠滴水不漏”。第二句話則是“我們香港工程界要向你們學習”。
劉正光對港珠澳大橋沉管隧道不漏水感到詫異是有根據的。
“在全球范圍來說，設計隧道時都要確保水密性。但是，建造幾公里長而且保證100%水密性的隧道又是另外一回事。在許多國家，隧道所有者和設計師都明白建造100%水密的隧道意味著什么樣的挑戰(zhàn)。” 漢斯·德威特（Hans de Wit）對記者說。這位資深沉管隧道專家是荷蘭隧道工程咨詢公司（Tunnel Engineering Consultants，TEC）的運營總監(jiān)，也是國際隧道協(xié)會國際沉管隧道工作小組成員。
“在全球范圍，基于無數的案例研究表明，在隧道中出現一些漏水是很常見的。”荷蘭特瑞堡集團（Trelleborg AB，TEP） 工程產品商業(yè)開發(fā)和市場部經理路德·波柯特（Ruud Bokhout）對記者說。
一位歐洲著名島隧專家依據經驗給出一個數值：全世界的節(jié)段式沉管漏水率平均值為10%左右。也就是說，10個接頭中有一個漏水。這位專家認為，目前尚沒有沉管隧道100%不漏水的紀錄。
而港珠澳大橋隧道共要制造安裝33節(jié)沉管，幾百道工序不僅環(huán)環(huán)相扣，還要重復千百遍，只要一個環(huán)節(jié)出問題，漏水將不可避免。
創(chuàng)新：從防止過度沉降開始
事實上，截至7月12日，港珠澳大橋已經完成27節(jié)沉管的安裝，建成隧道總長度為4702.5米，是總長度的80%以上。以每節(jié)沉管有8個接頭計算，27節(jié)沉管約有216個接頭，如果按照10%漏水平均值，一二十個接頭漏水在正常值范圍。
然而，這一切并沒有發(fā)生。
打破沉管隧道漏水的“常規(guī)”，從工程開始就成為中國工程師的信念。
“沉管隧道為什么漏水？無論是哪個環(huán)節(jié)都是基礎出了問題。”島隧工程總指揮林鳴說。“舉個例子，港珠澳大橋的地質環(huán)境是厚軟土地基，所以沉管基礎剛度協(xié)調及不均勻沉降控制非常困難。合同規(guī)定港珠澳大橋沉降標準是20公分，而國外同類標準是30公分以上。”
為了實現沉降標準達標，中國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(chuàng)新，用技術突破打破隧道漏水的玻璃窗。他們在40多米深的水下為沉管基床底部鋪上2到3米的塊石并夯平，創(chuàng)造一種新的復合地基，使沉管的沉降值大大縮小，平均值在5公分左右；他們的沉管預制水準被國際同行評價“絕對是世界一流的”。
中國的工程人員完美的回答了一個問題，但這僅僅是開端。
漢斯·德威將定義港珠澳大橋島隧組合工程是“全球最具挑戰(zhàn)的跨海項目，其中島隧工程是迄今為止最為復雜的一項工程”。
他列舉島隧工程面對的諸多挑戰(zhàn)：比如，“海底隧道長度——它是當今世界最長的公路隧道；隧道沉管管節(jié)的制作——每個沉管大約重75000噸，是當今世界之最；要在規(guī)定時間和最深水下50米的海況條件下完成沉管的連續(xù)安裝，并達到苛刻要求的安裝精度！局部施工區(qū)域屬于極為松軟而且類型多樣的土質，深埋隧道管節(jié)要承受20米深的覆土荷載！還有隧道極大的管節(jié)單幅跨度，等等。這些都使得港珠澳大橋島隧工程比其它要難得多”。
雖然上述諸多挑戰(zhàn)前所未遇，但比設計施工更嚴峻的是中國工程師在此前沒有外海深水隧道工程設計施工經驗，甚至只極個別人見過橋島隧組合工程。
這些注定了前方的困難重重。
重大挫折：第一次返航
2015年12月22日，E24沉管水下對接，記者跟隨海底隧道沉管浮運安裝船隊出海。島隧工程設計負責人梁桁、副總工程師劉亞平和第Ⅴ工區(qū)常務副經理宿發(fā)強，為記者講述了E15管節(jié)沉管沉放“三次回拖兩次安裝”的故事。
2014年11月15日是E15節(jié)沉管沉放的“窗口期”。出發(fā)前的2014年13、14日，粱桁和劉亞平帶領團隊用多波探測器對沉管基床進行三維掃測，13日壟溝輪廓清晰，而2014年14日再次掃測時發(fā)現壟溝出現了3-4公分浮泥。而此時，E15沉管已經被拖出桂山島塢區(qū)，原定浮運日期在2014年15日晚上出發(fā)，箭在弦上，發(fā)還是不發(fā)？
此時，前方潛水員傳來信息：較早之前的浮泥密度正在減校檢測結果顯示，泥的密度已經從之前的每克1.3-1.4立方厘米減少到每克1.26立方厘米。項目部集體作出決策：出發(fā)！
“浮運過程中人們還是忐忑不安。到現場將要沉放前，林總要求潛水員再次潛水作業(yè)，這在之前是從來沒有過的。潛水員帶來的壞消息：經過短短的八九個小時，基槽泥沙又增多了。”梁桁說。
現在，面臨兩個選擇：是安裝，還是返航？
總指揮林鳴比任何人更清楚返航意味著什么：基床回淤后要挖掉重新鋪設，直接發(fā)生的費用以千萬元計；沉管回拖一次也要幾千萬，加上海事部門配合浮運的近20條護航船以及拖輪的費用，都將對工程產生巨大財務壓力。
在監(jiān)控室參與決策會的人都經歷了漫長、糾結且痛苦的過程。有一種意見認為不妨嘗試安裝，“幾百人干了一個多月，花了如此大的成本，總要試一試”；也有人以國外同類工程舉例證明，沉管對接精度即使放寬到8 厘米問題也不大，4 厘米的回淤，不會給隧道安裝質量帶來根本性的影響。
然而，對林鳴來說，財務壓力與工程的責任不能相提并論：如果對接出現誤差，8萬噸的沉管一旦沉到海底，目前世界上沒有任何一臺設備可以把沉管提起來。隧道漏水是一定的，更嚴重的問題是必將影響航道的航運，珠江口是中國最繁忙航運水域，每天船舶流量達5000艘次。
“基礎不牢，地動山搖！如果繼續(xù)安裝，沉管基礎存在著極大的不確定性。這是一條生命線，絕不能拿大橋質量和沉管安全作賭注。中止安裝，沉管回航！” 林鳴和他的團隊最后作出決策。
2014年17日18時，E15沉管正式回撤。將已經出塢的巨型沉管重新拖回塢中，他們在作業(yè)海區(qū)頂著五六級大風以及超過1米高的海浪條件下返航。約7海里的航程，回航編隊小心翼翼地走了24小時的海上航行，E15沉管毫發(fā)無損地拖回沉管預制廠深塢。這在世界建筑史上并沒有先例。
分析與解決問題：停止采砂
沉管被拖回塢后，中國工程師們并沒有把失敗歸因于運氣不好，而是立即組織，對失敗進行認定和分析。
總指揮林鳴提出問題：為什么之前所裝的14個沉管沒有發(fā)生突然回淤？導致E15突然回淤的原因是什么？為了尋找問題所在，他們迅速集結國內對珠江口水情長期跟蹤研究的知名泥沙專家到珠海，包括交通運輸部天津水運工程科學研究院、交通運輸部及水利部南京水利科學研究院、中山大學和中交四航院。
中交四航院副總工程師梁桁是港珠澳大橋島隧工程沉管基礎監(jiān)控的負責人，他對記者說：“我記得特別清楚，第一次開會時，我國著名的泥沙專家、78歲的王汝凱大師說，我們不是來這里做科研的，而是要用大會戰(zhàn)的方式解決工程遇到的問題”。
之后，“隧道基槽泥沙回淤專題攻關組”成立。
他們采用衛(wèi)星遙感測量、多波束掃描與水體含砂量測定儀。實測數據有三個重要發(fā)現：第一，這片海區(qū)的水體含砂量異常，從原平均值每立方米0.1公斤含砂量上升到0.5-0.6公斤每立方米；第二，海床表面物質發(fā)生了粗化現象，原因不明；第三，項目所在的伶仃洋部分水域呈微淤態(tài)勢。
衛(wèi)星遙感信息進一步證實，隧道基槽以北17-18公里范圍海域有大面積渾水分布。當工程師們到達這個區(qū)域時看到，有70-80條采砂船正在作業(yè)，珠江海域往日清澈的水面變得與黃河水一樣，水面含砂量為1.58公斤每立方，而之前只是0.02-0.05公斤每立方。
隨著國家提高對工程質量要求的標準，減少砂的含泥量首當其沖，這些采砂船直接在現場邊采邊洗，事實上形成上游有一群人在不斷地攪和海水，使泥沙翻卷向下游襲來。正是采砂船向南移動了15-16公里，而之前則在更北的30-40公里處采砂，直接改變了珠江口局部水域豐水少砂的規(guī)律。
在這個區(qū)域作業(yè)的采砂船都是持有政府批準的合法文件。面對港珠澳大橋這個國家工程，廣東省政府全力協(xié)調各方利益關系，果斷決定：一定要確保國家重點工程——港珠澳大橋順利施工，立即停止采砂，停止采砂時限從2015年2月11日到5月1日。
第二次失敗的“出征”
2015年2月24日大年初四，E15再次出征，距離第一次拖回沉管過去了4個多月。之前收集的所有信息反饋未發(fā)生異常，當船隊即將到達施工區(qū)時，前方傳來消息：E15沉管碎石基床尾部突然發(fā)現2000平方米的淤積物。“整個沉管管節(jié)長180米寬38米，總面積為8000平米，2000多平米約占1/4！且泥沙厚度有八九十厘米。當看到潛水員從基槽撈出滿滿一箱泥巴樣本，所有人驚呆了。泥沙從何而來？”梁桁對記者說。
分析認為，當第一次出現回淤后，施工人員清理了基床槽底的淤泥，而基槽邊坡上面覆蓋了一層薄薄回淤物，當回淤物受到外力擾動后發(fā)生了雪崩般的“塌方”。“我們原來的認識不足，加上世界沉管隧道目前沒有邊坡清淤的先例，對風險的認知總是一個不斷總結和積累的過程。”梁桁說。
王汝凱對記者說：“港珠澳大橋是目前世界唯一深埋大回淤節(jié)段式沉管工程，單節(jié)沉管重約7.4萬噸，最大沉放水深44米，是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道。沉管對基床的平整度要求非常嚴格，為了保證工程質量，設計要求泥沙淤積量不能超過4厘米。遇到這樣大面積的泥沙回淤，只能返航。”
E15節(jié)沉管的第二次出航，走到的三分之二的路程時只能再次拖回。指揮船上霎時氣氛凝重，一些人按捺不住情緒當眾留下了熱淚。
“當時心情特別激動，忍不住地掉眼淚”，山東大漢宿發(fā)強，港珠澳島遂工程第Ⅴ工區(qū)常務副經理說。“第一次出航非常艱難，200多人的團隊連續(xù)72個小時不睡覺，巨大的壓力已經接近人的承受極限。這個工程從開工到現在，我們連續(xù)多少個春節(jié)在這里，500多人從大年三十等到初七的時間窗口，沒有想到又出現塌方返航，心不甘呀！”，他形容這是“人類無力抗拒自然的痛苦”。
失敗的潛在收益
這兩次問題的出現，為工程提出新的要求。
其中的關鍵是：建立一套回淤預警預測系統(tǒng)，為后續(xù)沉管安裝提供保障。以泥沙回淤預報為例，之前沉管安裝有海浪、天氣等氣象窗口的預報，E15遭遇的泥沙回淤，使沉管安裝增加了泥沙回淤預報。“泥沙預報是非常難的事情，因為泥沙預報受人為因素干擾大，既不可控也沒有規(guī)律性，其難度并不亞于氣象窗口預報。港珠澳大橋項目在泥沙預報上實現了三大突破：
“第一，從宏觀到微觀。原來做泥沙回淤研究只限于宏觀層面，比如大江大河或者一個海域，最小的航道回淤也都是長幾十公里，很少具體到某個點的微觀研究，實現了從幾十平方公里的宏觀預報收縮到沉管基槽8000平米的微觀預報；第二，從長期到短期。以往做泥沙回淤的研究是以世紀、百年或者幾十年計，而現在縮短到十天周期的預報，也就說，從沉管基床鋪設到安裝，為工程決策提供泥沙回淤的準確信息；第三，泥沙回淤預報的微量化。以前做泥沙回淤預報的量級是以米計量，通常是1-2米，最小也是以50厘米量級計算。而沉管工程要求以10厘米、4厘米計算。我們做到了。”梁桁介紹說。
正是兩次沉管安裝的意外失敗，才孕育出泥沙回淤預報的創(chuàng)新，正是這種“意外”給創(chuàng)新提供了機遇。這類創(chuàng)新既解決了工程最為迫切的需求，也完美地展示了創(chuàng)新的意義。在創(chuàng)新手段的護航下，2015年3月24日，浮運船隊攜E15沉管第三次踏浪出海，經過數輪觀測、調整后，E15沉管在40多米深的海底與E14沉管精準對接。
創(chuàng)新與創(chuàng)造世界紀錄
出現意外無疑是痛苦的，但也是最新的機會。
E15節(jié)沉管“三次回拖兩次安裝”事件，使林鳴有個強烈的愿望，如果有一臺高精度清淤設備就好了，“既能把50米海底基床上的淤泥清理干凈，而且還不會讓基床上的一顆石子移動”。
然而，自有記錄以來，全世界沒有任何一項工程在碎石層面上清淤。
王學軍是上海振華重工集團海工機械研究所副所長，因主持設計港珠澳大橋島隧工程的拋石整平船等關鍵設備，獲中國交建科技進步特等獎和建設功臣稱號。他回憶，“當我就此事第一次到珠海見林總時，他首先提出能否在整平船上加裝一套清淤裝置的設想。為了完善這套系統(tǒng)的設計，之后我們多次交流思想，因為做工程的人才最明白他們想要的是什么東西，而上海振華則是通過裝備研發(fā)的實力，把他們的想法變?yōu)楝F實。”
“從設計角度講，這個設備的關鍵點是要實現定點高精度清淤，而把清淤設備嫁接到整平船是個好主意。”王學軍認為，“整船可以實現碎石整平的精度，如果在清淤頭部加裝兩個水泵，道理上可以完成精度清淤。只不過一個是拋石，一個是清淤。”
為此，上海振華迅即成立有200多人參與的“零號工程”項目組，從方案設計到物資采購，再到設備制造，一路暢行在綠色通道上。從林鳴開始提出想法到最后成功研制深水高精度清淤設備，只用了4個月。這是在一個原有的集合技術中加入新元素的成功范例。
高精度清淤設備的效果是顯著的。
2015年11月4日E22沉管安裝前，現場泥沙監(jiān)測數據和多波束掃測數據顯示，基床泥沙回淤量顯著增加。高精度清淤設備一經使用便初展神威，它完美得令人驚嘆。清淤完成后，碎石表面不僅干凈且紋絲未動。
“精確清淤裝置最大的意義在于保證了當月安裝兩節(jié)沉管，這在之前是從來沒有過的。”王學軍說。
2015年12月21日清晨6時30分，隨著港珠澳大橋第24節(jié)沉管在海底精準對接，中交島隧建設者在遭受臺風、基槽回淤、珠江口大徑流以及冬季寒潮大風等惡劣條件的影響下，創(chuàng)造了一年完成十節(jié)沉管安裝的世界紀錄。而已經建成的韓國巨濟大橋的18節(jié)沉管歷經三年，平均每年安裝6個。
創(chuàng)新沉管結構：半剛性
問題仍然層出不窮，港珠澳大橋的工程人員的創(chuàng)新也在繼續(xù)。
港珠澳大橋海底隧道沉管部分總長5.6公里，由33節(jié)沉管相互聯結而成。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，沉管制作的工具箱里只有剛性和柔性兩種方法。
港珠澳大橋島隧工程總設計師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。剛性緣于是整體結構，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(jié)串成一個大管節(jié)，比剛性結構應對沉降有明顯優(yōu)勢。無論是選擇哪種結構，最終目的是為應對地基發(fā)生不均勻沉降時，最大程度減少對海底隧道的影響。”
在大橋前期設計階段，國際知名島隧咨詢公司的專家們比較兩種結構，認為無論哪種方案對港珠澳大橋隧道都存在一定的問題。
現有工程記錄顯示，剛柔兩種結構體系沉管隧道都是淺埋隧道，沉管回填及覆土厚度約在2米；而港珠澳大橋隧道是世界上唯一深埋沉管隧道，沉放最深水下44.5米。為了預留30萬噸級航道，港珠澳大橋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多米的覆蓋層，有超過淺埋沉管5倍的荷載，如果采用傳統(tǒng)的結構體系，沉管結構得不到安全保障。林鳴擔心“200多個水下接頭，如果有一個接頭遭到破壞，后果不堪設想”。
面對問題，權威隧道專家給出“深埋淺做”的兩個解決方案，其一是在沉管頂部回填與水差不多重的輕質填料，這需要增加十多億元人民幣投資，工期也將延長；其二是在120年運營期內控制回淤物厚度，進行維護性疏浚，維護費數十億元人民幣。
這樣做代價太大，中國工程師心有不甘。
“從2012年年初，我和設計團隊一直在尋找一種可替代結構體系，希望為工程找到一條出路。”林鳴說。
尋找出路的過程是痛苦和絕望的。但有一天解決方案的靈感在寂靜時刻倏然而至，讓人覺得在潛意識中各部分已經完全被組合完好了一樣。
2012年11月17日凌晨，總設計師劉曉東的手機上收到一條短信：“嘗試研究一下半剛性。”發(fā)信人是林鳴。
“那一夜我?guī)缀鯖]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(jié)之間的鋼絞線，加強小管節(jié)之間的連接，使180米長、由4個小關節(jié)連接而成的標準管節(jié)的變形受到更大的約束，增強深埋沉管的防錯位能力。
質疑與完美回答
設計團隊又用了30多天完成《半剛性沉管結構方案設計與研究報告》，而之后的過程充滿批評、異議乃至責備。首先聽到的是來自內部“最好不要過度創(chuàng)新”的聲音；還有外國權威專家譏諷：“你們有什么資格創(chuàng)造一個新的結構？”
而更多的是來自國內同行專家的質疑。港珠澳大橋初步設計方案已經通過論證與批準程序，為前期設計方案作出貢獻的都是權威專家，說服權威專家并取得共識比技術論證本身更艱難。
為了證明“半剛性”結構，從2012年底到2013年8月，他們經歷了200多個備受煎熬的日子。但是林鳴堅持認為：“我們相信"半剛性"是一種科學的解決辦法，如果不堅持就沒有盡到責任。”
此后，他們邀請國內外6家專業(yè)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”只花費了極小的代價就把沉管深埋的構想變成了現實，到2016年7月12日，已安裝隧道總長達到4860米，目前它不僅已經是世界上最長的公路沉管隧道，也超過了國內沉管隧道的總和。
從此，世界百年沉管結構的工具箱除了已有的“剛性”、“柔性”之外，增加了“半剛性”的新成員。
“創(chuàng)新并不是顯示所謂的創(chuàng)造性，而是為滿足需求另辟蹊徑地完成工程任務。”林鳴說。
