號稱“現代世界七大奇蹟” 港珠澳大橋建起來有多難

號稱“現代世界七大奇蹟” 港珠澳大橋建起來有多難

港珠澳大橋是於香港及中國大陸,澳門建設中的跨海大橋,連接香港大嶼山的東涌和香港國際機場,澳門半島和廣東省珠海市,於2009年12月15日啟動工程,預計最快2017年年底全部路段竣工,設計壽命為120年。港珠澳大橋全長接近50公里,主體工程全長約35公里,包含跨海大橋,離岸人工島及海底隧道。於落成後,將會成為世界上最長的6線行車沉管隧道及世界上跨海距離最長的橋隧組合公路。港珠澳大橋的建成將會大幅度地縮減穿越三地的交通時間,屆時三地往來可以達到僅約1小時的行車時間,而且不需要再繞道深圳和虎門,而香港,珠海,澳門三城也會形成「1小時生活圈」。

 

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日前,連接香港,珠海,澳門的港珠澳大橋主體橋樑工程全線貫通,標誌著大橋主體工程建設進入收尾階段。港珠澳大橋總投資超過1000億元,包含22.9公里主體跨海橋樑,約6.7公里沉管海底隧道和鏈接隧道與橋樑的東西人工島,是迄今為止世界上總體跨度最長,鋼結構橋體最長,海底隧道最長的跨海大橋。本文就港珠澳大橋在修建海底隧道中曾遭遇的技術難題,以及相應的解決之法做一個簡單的介紹。

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港珠澳大橋主體橋樑成功合龍

難題1:限高120公尺

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋,連接香港,珠海,澳門三地,由於伶仃西航道和銅鼓航道對通航要求較高,長期要保障30萬噸遊輪的通航能力。但要滿足30萬噸遊輪的通航能力,就必須建造一座橋面高度超過80公尺,橋塔高度達到200公尺的超級大橋。但由於大嶼山機場在航道處限高為120公尺。因此,不可能採用橋樑方案跨越這兩條航道,如果找不到解決的辦法,那麼,港珠澳大橋就將陷入無疾而終的困局。

對此,採取的應對措施就是修建海底隧道,由於有高度上的限制,加上海底隧道不僅能很好地解決水域的跨越問題,而且還在大程度上降低了對周圍環境的影響,解決了大面積水域的航運問題。特別是隨著修建海底隧道的一些關鍵技術的不斷突破,海底隧道已逐漸成為了工程界普遍認同的跨越航運繁忙航道的第一選擇。

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因此,港珠澳大橋之所以選擇修建長海底隧道,並成為海底隧道最長的跨海大橋,這一方面既有客觀因素的制約;另一方面,也是因為海底隧道具有自己獨特的優勢。

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港珠澳大橋人工島及海底隧道入口模擬圖

難題2:10%的水阻率

要建造海底隧道,首先要找到能把橋樑和海底隧道連接起來的島嶼,由於附近海域沒有現成的島嶼可供使用,這就必須修建人工島來連接海底隧道和橋樑。而伶仃洋是 – 個典型的弱洋流海域,加上每年有大量的泥沙從珠江口流入伶仃洋,如果人工島長度和寬度過大,就會起到阻擋泥沙流入大海的作用,水阻率一旦超過10%,泥沙就有可能被阻擋沉積,在歲月流逝中讓伶仃洋變成一片沖積平原。

為了避免這個災難性的後果,就必須縮小人工島的尺寸,把人工島的長度控制在1公里以內,但採用盾構法的話,由於盾構法對穩定性要求很高,隧道也會埋得比較深,最終會導致人工島的長度超標並撞上10%的水阻率的紅線。

在綜合考慮水阻率以及該處隧道規模,海域水文地質條件的情況下,最終採用了沉管法取代盾構法。沉管隧道是指在海床上淺挖出溝槽,將預製好的管道沉放到溝槽中,然後進行水下對接。採用沉管隧道技術後,降低了400公尺的島嶼長度,將島嶼長度控制在625公尺,解決了10%的水阻率的問題。

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沉管預製場(方俊明攝)

難題三:800萬立方公尺淤泥

之前講到要修築625公尺長的人工島以連接橋樑和海底隧道,而在修築人工島的地方有一層15到20公尺的淤泥,由於淤泥的物理屬性,如果在其基礎上做拋石斜坡或常規重力式沉箱的話,拋石或重力沉箱就會因淤泥而打滑,地基不穩,最常規的辦法是把淤泥全部清理掉,或者用排水結固的辦法使淤泥變乾,然後再拋石或用沉箱坐穩。

但在海底排水使淤泥變乾並不現實,而如果要把淤泥全部清理掉,要清理足足800萬立方公尺淤泥,這不僅耗時耗力,使在一年的造島工期內無法完成工作任務,而且還會對海洋環境造成很大污染。

對此,工程師的解決之道是採用120個重550噸,高55公尺,直徑22.5公尺的圓形鋼桶圍成一圈來穩定地基,鋼桶會插入粉質粘土,粉質粘土夾砂層中,逐漸會形成穩定的結構,屆時只要在鋼桶圍成的人工島內填充沙石即可,鋼桶會使沙石留在人工島內,不用在擔心拋石和沉箱順著淤泥滑走,最後形成永久的拋石斜坡堤和臨時鋼圓筒結構相結合的島壁結構。

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難題4:3公分誤差

成功修築人工島的前提是要製造出120個550噸重,55公尺高的巨型鋼桶,但由於鋼桶的體積過於龐大,沒有任何一個捲板機和模具能夠完成這樣鋼桶的製造工作,不得不採用模塊組裝的辦法,將鋼桶分成72個模塊,一組一組的拼裝。但這種做法也會帶來一個問題,由於鋼桶的誤差要求被限制在3公分以內,而每一次拼接都會有一定的誤差,加上拼接的模塊數量達72個,以及鋼桶高達55公尺的巨大體積非常不利於加工和製造,在多次拼接後有可能無法將誤差控制在3公分以內。

最終,工程師們用內膽來解決鋼桶製造的精度問題 – 製造一個能夠控制圓柱形鋼桶外型的鋼結構支架,在這個鋼結構支架的輔助性進行拼接,終於將誤差控制在3公分以內。

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難題五:沉管的浮運和沉放

港珠澳大橋的海底隧道由33節的鋼筋混凝土結構的沉管對接而成,每個標準沉管長180公尺,寬38公尺,高11.4公尺,排水量大約在8萬噸。隧道沉管在岸上預製好之後,用鋼封門將兩端封閉,沉管浮在海面上,由多艘大馬力拖輪拖到約7海裡外的施工海域,然後再下沉到海底對接安裝。

由於沉管體積龐大且重量很大,加上水文情況,水道寬度的限制,以及沉放時對精度有很高的要求,沉管的浮運和沉放屬於施工過程中的項重要技術。沉管浮運需要考慮拖拽力,水流速度與方向以及潮汐,海水密度和大風的影響。由於水的阻力係數等因素,會造成經驗公式計算結果與實際結果有一定差異的情況,一旦拖拽力如果計算不精確,就有可能導致鋼纜斷裂,沉管傾覆。另外,潮汐也會引起水位變化,海水密度也會引起浮力變化,水流的大小和方向是決定管節尺寸以及浮運沉放方式的一個重要因素,這些都是要仔細考量的因素。

沉管沉放也有很多技術挑戰,由於局部施工區域屬於極為鬆軟而且類型多樣的土質,較容易發生過度沉降的問題,在這種情況下安裝將嚴重影響安裝的精度,無法按要求將誤差要控制在7厘公尺以內,可能給隧道的工程質量帶來難以估量的後果。另外,沉管下沉過程中對穩定性有很高的要求,海底基槽淤泥回流也會給沉放帶來不小阻礙……

面對上述挑戰,工程師們見招拆招,一一將問題解決。為確定拖拽力,工程師開展的管段拖曳阻力模型試驗,確定管段及管段組合體的拖航阻力,並以試驗數據推算推拖拽力和拖船的數量和所需功率。為避免過度沉降,保障安裝精度,在每個沉管安裝之前,先在伶仃洋40多公尺深的海底開挖一條海底隧道基槽,基槽挖好後打擠密砂樁,然後在基槽上鋪2到3公尺的塊石並夯平,創造一種新的複合地基,使沉管的沉降值大大縮小,把誤差控制在5厘公尺左右。面對海底基槽淤泥回流,一方面設置5個固定觀測點保持對施工海域的泥沙檢測,提供有效的泥沙淤積預警分析,為後續沉管安裝施工提供可靠保障。另一方面設置水下橫向截泥堤壩,攔截沿基槽方向的泥沙回淤物,同時調動“捷龍”,“浚海6”清淤船清理淤泥。

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出品:科普中國
製作:鐵流

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