日前，连接香港、珠海、澳门的港珠澳大桥主体桥梁工程全线贯通，标志着大桥主体工程建设进入收官阶段。港珠澳大桥总投资超过1000亿元，于2009年12月开工建设，总长55公里，集桥、岛、隧道于一体，包含22.9公里主体跨海桥梁，约6.7公里沉管海底隧道和链接隧道与桥梁的东西人工岛，是迄今为止世界上总体跨度最长、钢结构桥体最长、海底隧道最长的跨海大桥。本文就港珠澳大桥在修建海底隧道中曾遭遇的技术难题，以及相应的解决之法做一个简单的介绍。
港珠澳大桥主体桥梁成功合龙（新华社）
难题1：限高120米
港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋，连接香港、珠海、澳门三地，由于伶仃西航道和铜鼓航道对通航要求较高，远期要保障30万吨游轮的通航能力。但要满足30万吨游轮的通航能力，就必须建造一座桥面高度超过80米，桥塔高度达到200米的超级大桥。但由于大屿山机场在航道处限高为120米。因此，不可能采用桥梁方案跨越这两条航道，如果找不到解决的办法，那么，港珠澳大桥就将陷入无疾而终的困局。
对此，采取的应对措施就是修建海底隧道，由于有高度上的限制，加上海底隧道不仅能很好地解决水域的跨越问题，而且还在大程度上降低了对周围环境的影响，解决了大面积水域的航运问题。特别是随着修建海底隧道的一些关键技术的不断突破，海底隧道已逐渐成为了工程界普遍认同的跨越航运繁忙航道的第一选择。
因此，港珠澳大桥之所以选择修建长海底隧道，并成为海底隧道最长的跨海大桥，这一方面既有客观因素的制约；另一方面，也是因为海底隧道具有自己独特的优势。
港珠澳大桥人工岛及海底隧道入口模拟图
难题2：10%水阻率
要建造海底隧道，首先要找到能把桥梁和海底隧道连接起来的岛屿，由于附近海域没有现成的岛屿可供使用，这就必须修建人工岛来连接海底隧道和桥梁。而伶仃洋是—个典型的弱洋流海域，加上每年有大量的泥沙从珠江口流入伶仃洋，如果人工岛长度和宽度过大，就会起到阻挡泥沙流入大海的作用，水阻率一旦超过10%，泥沙就有可能被阻挡沉积，在岁月流逝中让伶仃洋变成一片冲积平原。
为了避免这个灾难性的后果，就必须缩小人工岛的尺寸，把人工岛的长度控制在1公里以内，但采用盾构法的话，由于盾构法对稳定性要求很高，隧道也会埋得比较深，最终会导致人工岛的长度超标并撞上10%水阻率的红线。
在综合考虑水阻率以及该处隧道规模、海域水文地质条件的情况下，最终采用了沉管法取代盾构法。沉管隧道是指在海床上浅挖出沟槽，将预制好的管道沉放到沟槽中，然后进行水下对接。采用沉管隧道技术后，降低了400米的岛屿长度，将岛屿长度控制在625米，解决了10%水阻率的问题。
沉管预制场（方俊明摄）
难题3：800万立方米淤泥
之前讲到要修筑625米长的人工岛以连接桥梁和海底隧道，而在修筑人工岛的地方有一层15到20米的淤泥，由于淤泥的物理属性，如果在其基础上做抛石斜坡或常规重力式沉箱的话，抛石或重力沉箱就会因淤泥而打滑，地基不稳。最常规的办法是把淤泥全部清理掉，或者用排水结固的办法使淤泥变干，然后再抛石或用沉箱坐稳。
但在海底排水使淤泥变干并不现实，而如果要把淤泥全部清理掉，要清理足足800万立方米淤泥，这不仅耗时耗力，使在一年的造岛工期内无法完成工作任务，而且还会对海洋环境造成很大污染。
对此，工程师的解决之道是采用120个重550吨，高55米，直径22.5米的圆形钢桶围成一圈来稳定地基，钢桶会插入粉质粘土、粉质粘土夹砂层中，逐渐会形成稳定的结构，届时只要在钢桶围成的人工岛内填充沙石即可，钢桶会使沙石留在人工岛内，不用在担心抛石和沉箱顺着淤泥滑走，最后形成永久的抛石斜坡堤和临时钢圆筒结构相结合的岛壁结构。
难题4：3厘米误差
成功修筑人工岛的前提是要制造出120个550吨重、55米高的巨型钢桶，但由于钢桶的体积过于庞大，没有任何一个卷板机和模具能够完成这样钢桶的制造工作，不得不采用模块组装的办法，将钢桶分成72个模块，一组一组的拼装。但这种做法也会带来一个问题，由于钢桶的误差要求被限制在3厘米以内，而每一次拼接都会有一定的误差，加上拼接的模块数量达72个，以及钢桶高达55米的巨大体积非常不利于加工和制造，在多次拼接后有可能无法将误差控制在3厘米以内。
最终，工程师们用内胆来解决钢桶制造的精度问题——制造一个能够控制圆柱形钢桶外型的钢结构支架，在这个钢结构支架的辅助性进行拼接，终于将误差控制在3厘米以内。
难题5：沉管的浮运和沉放
港珠澳大桥的海底隧道由33节的钢筋混凝土结构的沉管对接而成，每个标准沉管长180米、宽38米、高11.4米，排水量大约在8万吨。隧道沉管在岸上预制好之后，用钢封门将两端封闭，沉管浮在海面上，由多艘大马力拖轮拖到约7海里外的施工海域，然后再下沉到海底对接安装。
由于沉管体积庞大且重量很大，加上水文情况、水道宽度的限制，以及沉放时对精度有很高的要求，沉管的浮运和沉放属于施工过程中的项重要技术。沉管浮运需要考虑拖拽力、水流速度与方向以及潮汐、海水密度和大风的影响。由于水的阻力系数等因素，会造成经验公式计算结果与实际结果有一定差异的情况，一旦拖拽力如果计算不精确，就有可能导致钢缆断裂，沉管倾覆。另外，潮汐也会引起水位变化，海水密度也会引起浮力变化，水流的大小和方向是决定管节尺寸以及浮运沉放方式的一个重要因素，这些都是要仔细考量的因素。
沉管沉放也有很多技术挑战，由于局部施工区域属于极为松软而且类型多样的土质，较容易发生过度沉降的问题，在这种情况下安装将严重影响安装的精度，无法按要求将误差要控制在7厘米以内，可能给隧道的工程质量带来难以估量的后果。另外，沉管下沉过程中对稳定性有很高的要求，海底基槽淤泥回流也会给沉放带来不小阻碍……
面对上述挑战，工程师们见招拆招，一一将问题解决。为确定拖拽力，工程师开展的管段拖曳阻力模型试验，确定管段及管段组合体的拖航阻力，并以试验数据推算推拖拽力和拖船的数量和所需功率。为避免过度沉降，保障安装精度，在每个沉管安装之前，先在伶仃洋40多米深的海底开挖一条海底隧道基槽，基槽挖好后打挤密砂桩，然后在基槽上铺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，把误差控制在5厘米左右。面对海底基槽淤泥回流，一方面设置5个固定观测点保持对施工海域的泥沙检测，提供有效的泥沙淤积预警分析，为后续沉管安装施工提供可靠保障。另一方面设置水下横向截泥堤坝，拦截沿基槽方向的泥沙回淤物，同时调动“捷龙”、“浚海6”清淤船清理淤泥。
（新华社记者 梁旭 摄）
参考资料：《超级工程——港珠澳大桥》
出品：科普中国
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