[转载]港珠澳跨海隧道：征服水深浪高的伶仃洋

原文地址：港珠澳跨海隧道：征服水深浪高的伶仃洋作者： 电影未来号

（本文首发于《科学大众》2017年第7期）

文/王麟

​在七百多年前的南宋末年，赵宋王朝的丞相文天祥乘船过岭南伶仃洋之时，挥笔写下“人生自古谁无死，留取丹心照汗青”的诗句，至今广为流传。七百多年后的今天，也同样在伶仃洋水域，一个世界瞩目的超级工程正在紧锣密鼓地建设之中，这就是耗资超过千亿元人民币的港珠澳特大桥。这座大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港、珠海及澳门的大型跨海通道，主要工程包括海中桥隧工程，香港、珠海和澳门三地口岸人工岛，以及香港、珠海、澳门三地连接线，工程总长49.968千米，其中主体大桥工程全长约29.6千米，海底隧道长约6 千米，海中工程采用桥隧组合方案。港珠澳大桥建成后将成为世界最长的跨海连线工程，使用年限120年，跨海只需要15-20分钟，而乘船则需要1小时。

港珠澳大桥无论工程规模、技术难度和投资大小都创造了新纪录，然而，这座大桥更加别具一格之处就是长达近6千米的海底隧道。这条隧道穿过海底之后，再通过两端的人工岛，和大桥相连。隧道穿过的海域，也是伶仃洋的深水区，最深处超过了45米。在这么深的水域修建桥梁难度太大，采用隧道是科学明智的选择。而港珠澳大桥的海底隧道，采用了沉管法进行修建。这种技术手段有何奥妙，让我们一起做个初步了解。

【“沉管法”修建隧道的奥秘之处】

​利用沉管法修建隧道虽然近些年才开始大规模普及使用，但是它的起源可以追溯到1910年，当时美国修建底特律河隧道首次采用该技术。经过了一百多年的发展，沉管法如今已经在全世界遍地开花，与隧道施工的明挖法、矿山法、盾构法、掘进机法等技术手段一起平分秋色。

沉管法，顾名思义就是将一节节提前预制好的空心管道，安设在水底开挖的槽道之上，做好防水处理之后，再回填覆盖，就形成了一条人工隧道，这种方法最适合在浅水区和风平浪静的江河湖海修建隧道之时采用。沉管法的具体的施工流程，先修建一座低于地面的水池式建筑物，称之为“干坞”，用来预制钢筋混凝土沉管。等单节沉管预制完成之后，用钢绞线连接成一个沉管单元，管和管衔接处采用端封门临时封闭，以免进水，待沉管沉放完毕后，端封门可以拆除。然后在干坞中蓄水，再通过水的浮力用牵引船舶将沉管拖运到预定地点沉落安放。

由于沉管最终需要永久安放在水底，所以对密封性和防水要求很高，因为一旦漏水，后果非常严重。以衔接丹麦哥本哈根与瑞典马尔默的厄勒海峡隧道为例，工程技术人员经过计算发现，如果沉管的混凝土有0.2毫米大小的缝隙，那么在100年里渗进隧道的水量高达900万吨，所以做好防水是保证工程质量的重中之重。沉管的防水主要包括管段本身的防水和管道接头处的防水，管身防水通过涂一层防水涂料来解决，而管道接头处的防水，则需要安装止水带做到万无一失。

【修建港珠澳海底隧道面临的困难】

​我们前面提及，沉管法修建隧道适用于浅水区和风平浪静的水域，对比一下就会发现，港珠澳海底隧道所在的地域，自然环境是非常恶劣的。因为工程已经到了外海，台风频繁，海流、涌浪复杂，并且受冬季季风影响很大，在整个管节沉放过程中, 需对气象窗口进行精确的分析和准确的预测、预报，其难度与航天发射之时的天气预测不相上下。自然环境恶劣自不必说，隧道所穿过的海域，还有一条规划中的30万吨航道，通航深度-29 m，这就意味着隧道必须在满足安全距离的前提下，下钻到航道之下通过，使得隧道水深、埋深都非常大。隧道下钻很深，爬坡距离相应就要延长，所以整座隧道的长度为5.7千米，是一座创造了世界纪录的超长海底隧道。

除此之外，隧道所在的海域通航环境复杂，航线众多，船舶流量大，最大日流量约4000艘次。同时此处为国家一级保护动物中华白海豚的保护区核心区，环保要求一点都不能含糊。在如此苛刻的条件下，用沉管法修建隧道，难度可想而知。

【关于港珠澳海底隧道的几组数据】

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​整座海底隧道由33节沉管组成，每一节大沉管节又由8个长22.5米的小管节拼接而成，也就是说一个大管节全长180米，60层楼高，单节混凝土方量约3400立方米，重约8万吨，沉管的横截面宽37.95米，与一个网球场面积相当。由于海水有很强的腐蚀性，沉管需要采用高强度耐腐蚀的混凝土。

沉管采用工厂化预制，设置两条生产线日夜赶工，即使如此，每两个月也只能生产2节长22.5米的沉管。这么重的钢筋混凝土结构，要想在车间平移可不容易，不过这难不倒工程技术人员，他们采用一种“管节顶推系统”来解决该问题，在管段下方设置4 条顶推滑移轨道，下部布置192台主动支撑千斤顶，单个管节安装128 台顶推千斤顶，多点分散，同步顶推即可。由此可知，如此庞然大物，要想安全运输、精确施工、准确安放，需要极为苛刻的施工条件和高超的施工技艺。

【港珠澳海底隧道应用的关键技术】

​由于采用沉管法施工的海底隧道位于外海，气候条件恶劣，并且沉管埋深最大超过45米，适用于浅水区的沉管技术显然不再适用。必须在原有的技术上做出大胆创新，才能满足现场施工的实际需求。

半刚性沉管法——从国际上的应用来看，沉管法技术一般分为两种，一是刚性结构隧道，也就是整个隧道用一个或者为数不多的整体性大管节组成；另一种叫柔性结构隧道，整个隧道用很多个管节拼接起来，就像一串糖葫芦。

刚性结构有很多优点，比如整体结构接缝少，不用担心漏水等，但是缺点也很明显，如果出现局部地面沉降，大体积沉管受力不均匀就可能破坏沉管结构，造成沉管错位、透水等事故。柔性结构的特点是受力比较均匀，能够应对一定范围的不均匀沉降。所以尽可能用更多的小管节串成一个大管节，能够大大提高制作、运输、安装的效率。

不过，无论是刚性结构还是柔性结构，仅适用于浅水区或者气候比较平静的水域，面对外海几十米深的深水区，上述结构就捉襟见肘了。此时，工程技术人员创新性地提出了“半刚性结构”方案，将柔性结构和刚性结构的优点融合在一起。通俗的说就是，刚性结构是整体管，柔性全部是分散管，半刚性就是保留一部分预应力，让它在海底既能够适应一定的变形，同时又可以对它进行控制。经过国内顶尖专家与科研院所的大量试验验证，最终证明港珠澳隧道采用半刚性结构是可行的。

​沉管的安装沉放——沉管的工艺适用性问题迎刃而解了，下一个关键技术更加重要，这就是沉管深水沉放技术。这是隧道施工的最后环节，决定着整个工程的成败。根据世界沉管隧道建设经验，管段沉放施工方案、沉放方式和施工设备取决于沉管隧道所在的自然条件、航道条件、沉管本身的大小和经济性等因素。根据不同的条件，沉管隧道管段的沉放方式主要有吊沉法、杠吊法、骑吊法、拉沉法等。

港珠澳海底沉管沉放采用扛吊法，浮运安装专用设备主要包括压载系统、拉合系统、GPS 声纳监控系统、精调系统、沉管安装船和大马力全回转起锚船等。通过现代信息技术和遥控技术，在安装船控制室实现管节姿态调整、轴线控制和精确对接。

由于管段沉放和对接均在水下进行，需要对管段沉放过程中进行实时定位测量和自动监控，以保证其安全和施工准确性。为了实现管段浮运沉放的自动化控制，必须通过测量手段，持续不断地提供管段的动态位置及其姿态数据。而保证管段正确对接的测量系统，可采用超声波探测装置配合陆地上的引导系统，从而及时掌握管段的绝对位置与状态，以及正沉放管段与已沉放管段之间的相对位置，从而安全、准确、短时间内实现管段的沉放与对接。