港珠澳大橋,沉管隧道是怎麼防水的?

我和上帝是鄰居


不得不說這個問題問的非常有建設性、也非常有水平。隨著港珠澳大橋的竣工,港珠澳大橋也不再神秘,它逐漸走到了人們的視野中,並且在將來將會發揮巨大的作用。

我們都知道港珠澳大橋隧道一共需要安裝33節沉管,要知道這個工序是十分的複雜,環環相扣,如果中間出現什麼問題,那就對於大橋的建造以及後期投入使用產生很嚴重的問題,這麼嚴格的要求,港珠澳大橋做成功了,並且是滴水不漏。要知道全世界沉管漏水率在百分之十,也就是說如果依照其他國家的建設質量來看,33節裡面最起碼有三節就要漏水,但在港珠澳大橋做到了滴水不漏,這就是它的本事。那麼它到底是怎麼做到的呢?

首先我覺得和設計港珠澳大橋的工程師們的嚴謹的工作態度離不開。為了防止漏水,工程師們在土層上做了大量的文章,並且進行了多項有價值的創新,在技術上取得了巨大的突破。

要說到防水,我覺得最重要的就是找到了混凝土的最佳配合比。經過團隊上百次的調整,最終找出了最佳混合比,提高了混凝土的抗裂性,從而使沉管混凝土不再出現任何裂縫,那麼這樣也就極大的避免了漏水。

港珠澳大橋的建設離不開大家的辛苦勞動,為港珠澳大橋出過力的人,也將會被大家銘記!

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大貓聊三農


在海底複雜荷載的作用下,有三種情況最有可能導致隧道漏水:混凝土開裂、節段之間張開、管節之間“硬碰硬”,而港珠澳大橋海底隧道都一一做好了防範。

2017年3月7日,萬眾矚目的港珠澳大橋海底隧道完成了最後一個管節的安裝,意味著這個“世紀工程”打贏沉管安裝的“收官之戰”。這條5.6公里的海底隧道,在攻破重重技術難關之後,保證了40米水壓下的“滴水不漏”,打破了世界紀錄。


水底的沉管隧道與常見的山區隧道不同:山區隧道只要“鑽洞”,一邊鑽一邊做支護結構;而海底隧道是將預先製作好隧道結構,沉到水下,並在水下安裝。

沉管隧道一般是由一節節的鋼筋混凝土管子拼接起來的。港珠澳大橋海底隧道是先把8個22.5m長的小段(專業術語叫“節段”)拼接成180m的大段(“管節”),然後在工廠把8個節段用鋼筋串成一個整體的管節,再拖到海面上,在預定的沉放位置使下沉,最終33個管節在海底連成一個整體。

需要補充說明的是,港珠澳隧道首末兩端的管節只有6個節段。隧道兩端是兩個人工填築的小島,在島上完成海上大橋到海底隧道的接駁。


掩埋於伶仃洋的淤泥中,“任爾東西南北風”

提起海底隧道,很多人都會產生這樣的疑問——隧道如長龍般臥在海底,經受海浪日復一日的沖刷,隧道真的就不漏水嗎?

實際上“海浪衝刷”的問題只存在於人工島附近的隧道淺埋段,隧道大部分都掩埋於伶仃洋的淤泥之中。由於周圍環境和水陸空交通的要求,港珠澳大橋島隧工程成為了世界上第一個也是唯一的深埋沉管隧道。

可能你的想象中的海底隧道是這樣的:


但其實它是這樣的:港珠澳大橋海底對到施工時首先會清理海底深厚的淤泥,並對隧道下方的地基做處理。然後沉放隧道管節,並在兩側和上部回填碎石,短期內碎石可以減弱海浪的襲擾。完工後,“隨波逐流”的淤泥很快就會重新“淤”到隧道上方。即使在大風大浪之中,隧道也能在淤泥的懷抱裡安眠。

雖然說無懼風浪,但另外一個問題來了——常年的海水浸泡,而且還要忍受海底那麼高的水壓。古巴的Havana's Bay隧道,就是預製混凝土管節的沉管隧道,曾經出現過開裂導致的漏水事故,裂縫處滲水速度達每小時40升。

這麼長的隧道要做成“百年工程”,任務十分艱鉅,但在“中國建造”中,沒有什麼不可能——從工程設計到材料選擇再到施工管理和施工工藝,它都做到了極致。

在海底複雜荷載的作用下,有三種情況最有可能導致隧道漏水,港珠澳隧道都一一做好了防範。

裂縫要不得——混凝土“百鍊成砼”

港珠澳大橋的每個節段都是鋼筋混凝土做的巨型結構。港珠澳大橋海底沉管隧道全長5664米,由33節沉管組成,單個標準管節長達180米,重約8萬噸。負責項目建設的中交港珠澳大橋島隧工程師曾這樣形容:每個管節使用近9000噸鋼筋,相當於搭建一座埃菲爾鐵塔的用量。

混凝土是一種脆性材料,它在受力狀態下容易開裂,抗壓不抗拉。正是由於混凝土的這一特性,工程師常常將混凝土與鋼筋組合起來,在結構的受壓區發揮混凝土的作用,在結構的受拉區發揮鋼筋的作用。


民用建築中的混凝土結構都是允許帶裂縫工作的,大家經過混凝土天橋下時可以抬頭看一看,橋下一般都佈滿了裂縫,混凝土裂了鋼筋才能發揮出更大的作用。

在山裡面打隧道,挖洞之後做支護和襯砌,支護結構和襯砌也是會帶裂縫工作的,所以隧道的漏水也不可避免。山區隧道的工程師能想得開——漏水就漏水唄,少量的滲漏不影響安全。

但是海底隧道更加特殊,一方面產生裂縫後,含鹽的海水滲透可能會加速鋼筋的鏽蝕,另一方面滲水也會威脅到隧道內的電子設備,甚至影響司機的情緒。

所以,海底隧道對混凝土提出了更高的要求:

一是強度要滿足要求,各種常見的受力情況(荷載組合)下,隧道結構混凝土的最大拉力不能超過混凝土的抗拉強度;

二是混凝土有耐久性,在使用期內保持其性能;

三是滿足施工要求,若混凝土流動性很差,很容易出現澆注不密實的情況,產生缺陷。

製作混凝土並不僅僅是簡單地把原料混合在一起,原料的比例直接決定了混凝土性能。而某些性能往往是此消彼長的,技術人員要調配出合適的比例,滿足所有的要求,一定要經歷千百次的試驗。

在港珠澳大橋島隧工程沉管預製廠內,兩節180米長的管節預製完成

人們常說“百鍊成鋼”,而在港珠澳過程中,我們“百鍊成砼”(砼tóng:人工石,混凝土的簡稱),牛頭山島上看似簡單的混凝土,浸透了工程技術人員揮灑的汗水。

而且,混凝土還很敏感和“調皮”,在澆注完成後還需在嚴格的養護條件下保養一個月左右。真可謂“楊家有砼初長成,養在深閨人未識”。

“深海之吻”——不能硬碰硬

對混凝土質量的控制可以確保每一個節段完成好自己的使命:不開裂,而節段與節段之間的空隙也得保證滴水不漏。

橡膠止水帶——防止節段與節段間產生裂縫

隧道的結構編號和美劇正好是反的,美劇第二季第三集叫S2E3,而隧道中第二個管節第三個節段叫E2S3。一個管節的8個節段大概結構如下圖所示,八個節段分別是S1~S8。他們之間若不做處理,可是硬碰硬地接觸的,稍有受力就易張開。


所以,我們的工程師在兩個節段硬碰硬的地方墊上一層橡膠,這一層我們稱其為“止水帶”。不過,光有止水帶是不行的。醫生給人打繃帶,並不是把繃帶鬆鬆地纏起來,而是緊緊地裹起來,要給力!像下圖一樣,我們用很多預應力鋼筋把這8個節段串起來,然後把鋼筋張拉得很緊,這樣相鄰兩個節段就擠在了一起,他們之間的橡膠也壓得很緊。

Gina止水帶——避免管節與管節之間產生裂縫

8個節段組成管節,管節被一節一節地拖到預定位置並下沉,最終在水下組合到一起才形成整個隧道。管節和管節之間的接觸在水下完成,難度非常之高,專家說這甚至是比“嫦娥”和“天宮”對接難度還要大的“深海之吻”。

管節之間的連接至關重要,這裡工程師們則使用了一種更大的橡膠止水帶:Gina止水帶。橡膠塊頭大,壓縮後變形也很大:

連接區域止水的唯一的要求就是:壓緊壓緊再壓緊!管節在水下壓緊使用了一種特殊的技術——“水力壓接”。 對接前,新來的管節兩側都有水壓力;對接後,抽掉中間的水,新來的管節就被牢牢地壓住了!

對流體壓強有所瞭解的人不難理解這個物理過程,這就是工程師的智慧吧,藉助水的力量,成就大自然的鬼斧神工。

使用止水帶是國內外廣泛採用已經過檢驗的方案,但這並不意味著使用橡膠止水帶產品就可以保證隧道安全。在工程設計階段,擺在設計人員面前的是更具體的問題:選用什麼樣的結構形式才能讓結構的受力和變形都在容許範圍之內?怎樣儘可能提高隧道的安全性?現有的施工技術能否保證隧道在水下順利對接,在施工中精確復現圖紙上的設計?


你心中的皮卡丘


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