港珠澳大桥的数字奇迹:世界超级工程是如何诞生的

港珠澳大桥岛隧工程总工程师林鸣在和荷兰团队谈合作的时候,对方开价 1.5 亿欧元( 15 亿人民币)。最后一次谈判时,林鸣问,3 个亿人民币,是否能够为工程风险最大的部分提供支持。

荷兰人回答,我可以为你们唱首祈祷歌。

2015 年英国卫报评选的「当代世界七大工程奇迹」中,港珠澳大桥赫然在列。

2018 年 10 月 24 日早 9 点整,港珠澳大桥将正式通车,届时驾车从香港到珠海澳门只需 30 分钟。

10% GDP占比

粤港澳大湾区都市圈的面积不到中国总体面积的 1%,而总人口达到了 6000 万人,占据中国 10% 以上的 GDP 。广州、深圳、香港、澳门、珠海等都会均是其中的一分子,在文化上,这些城市之间有着千丝万缕的关联;在政治上,香港和澳门作为特别行政区和大陆制度不同,也迫切需要一个纽带,加强不同区域之间的联系。港珠澳大桥应时而生。

大桥总长 55 公里,采用双向六车道高速公路标准,设计速度 100 公里 / 小时。桥梁总宽 33.1 米,隧道宽度为 2×14.25 米、净高为 5.1 米。曾经珠海和香港之间来往要通过渡轮,如今通行时间大大缩短。

港珠澳跨海工程还是世界上最长的跨海大桥,是桥岛隧一体化的集群工程:有桥梁,有人工岛,也有隧道;长度最长,软基最厚,沉管埋深最深,沉管体量最大。无论在哪一方面,都大大超越了世界最高水平。

韩国巨济岛-釜山连岛大桥桥梁长度 8.2 公里,高桩承台,港珠澳大桥桥梁长度 22.9 公里,埋置式承台;美国切萨皮克跨海工程每个人工岛面积 3.2 万平方米,港珠澳大桥人工岛面积达 10 万平方米;丹麦-瑞典厄勒跨海工程海底管沉隧道 4050 米,港珠澳跨海工程隧道 6700 米。港珠澳跨海集群工程横空出世,将诸多桂冠集于一身。


港珠澳大桥的数字奇迹:世界超级工程是如何诞生的


120 年 设计使用寿命


港珠澳大桥的设计使用寿命长达 120 年。这意味着大桥桥墩必须能承受 120 年的海水侵蚀,桥体必须能经受 120 年最高 16 级的台风,施工上需要克服相当大的困难。伶仃洋上风大浪急,既有海底淤泥的沉积,也有花岗岩地层有待突破,同时,水体「高温、高湿、高盐」的特征也会让桥墩的腐蚀速度加快。

地理和水文环境之外,现实的施工环境也提供了很多挑战。大湾区 6 级以上的强风天数达 200 天,每天来往的船只超过 4000 艘,同时,香港国际机场的飞机就在大桥附近起降,也对桥的高度提出了硬性限制。这些都对施工难度了不小的挑战。

港珠澳大桥体现了中国人高超的基础建设实力:桥体使用了太原钢铁厂生产的钢筋,同时也基于可靠度理论,在湛江设立暴露试验站,结合实测数据的定量设计方法,采用大体积混凝土空列技术,进行混凝土结构耐久性设计;对沉管隧道采用抗震设计,解决了离散多点动力输入与连续动力输入等效的理论难题。使「120 年」并不只是一个纸面上的数字。


2000 头中华白海豚


中华白海豚被称作「海上大熊猫」,是国家一级重点保护野生动物,也是香港回归祖国的吉祥物。中华白海豚在 1991 年被列入濒危野生动植物种国际贸易公约(CITES)附录 Ⅰ ,2008 年被世界自然保护联盟(IUCN)评估为近危物种。而港珠澳大桥所在的珠江口,是中华白海豚最大的栖息地。目前,香港附近海域的中华白海豚数量约有 2000 多头。

同时,伶仃洋海域周边还分布着「淇澳岛海洋生态系统保护区」、「淇澳岛-唐家湾滩涂增殖区」、「青洲-头洲浅海贝类增殖区」、「桂山连岛浅海贝类增殖」、「蜘洲列岛浅海贝类增殖区」等保护区和养殖区。大型工程如何保证生态环境不被破坏,成了港珠澳跨海集群工程必须要考虑的问题。在技术上面对挑战的同时,中国桥梁人也在进行理念上的更新。

施工区域分为试验区、缓冲区和核心区,在水域内施工,不能使用柴油打桩锤,不能产生施工震动,同时,施工方搭建了 HSE 保障体系,对施工过程进行全程监督。港珠澳大桥在保护生态环境上付出的努力最终取得了效果:在工程完工后,有记者在海域内拍到了中华白海豚在水中畅游的情景。


价值 500 万元的公式


沉管隧道是整个港珠澳跨海集群工程最复杂的部分,也是被国外公司漫天要价的部分。在与外商谈判失败后,中国人开始了自主探索。

其中沉管隧道结构计算中,需要应用到接头剪力计算公式。而已有公式不考虑弹性垫层,适用范围有限,不适合港珠澳沉管隧道的具体情况。

在经过理论研究论证后,港珠澳大桥获得了节段接头剪力计算公式,将垫层刚度纳入公式范围,使接头构造和受力更加合理。仅这一个公式,就节省了工程费用约 500 万元。


港珠澳大桥的数字奇迹:世界超级工程是如何诞生的


港珠澳集群工程凝聚了中国人的智慧,是中国自主创新的一次集中体现。工程申请的专利超过了 1000 项。「港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究与示范」项目,于 2010 年列入 「十一五」国家科技支撑计划。2010 年 9 月19 日正式启动实施,计划项目总经费达 1.2 亿元。

共有21家企事业单位和包括同济大学、西南交通大学、东南大学、华南理工大学、清华大学、南京大学、长安大学、中山大学等 8 所高等院校参与设计,研发团队 500 余人。工程阶段,施工方在包括水文、气象、地质、地震、测绘、环境等各方面展开了 51 项专题研究。

5 天 4 夜 连续工作

港珠澳工程共有 4 座人工岛,其中两座是连接水下隧道和水上桥梁的节点。然而,用传统的方法人工造岛需要两年时间,而工期要求要比这短得多,新方法填海造岛势在必行。

工程师将 120 个重 500 吨的钢桶锤入水中,围出一个海岛。每一个钢桶直径 22 米,高度达 40-50 米,能装下 4 辆卡车。钢圆筒插入不透水粘土层形成止水型岛壁结构,回填砂形成陆域,采用塑料排水板联合降水预压方案进行软基处理。 1600 吨起重船「振浮 8 号」将钢桶用8锤联动振沉系统,将筒身固定,并利用定位精度管理系统,避免钢桶位置出现误差。


港珠澳大桥的数字奇迹:世界超级工程是如何诞生的


4 座人工岛快速成型,离岸 20 公里,水深约 10 米,软土层厚度 20-30 米。

大湾区航运发达,为了避免桥梁阻断航运路线,港珠澳大桥一部分路线以隧道形式从桥下通过,海底沉管隧道长 6700 米,隧道最深处达 40 米,可以保证 30 万吨巨轮从隧道上方顺利通过。而完成这一工程,中国并没有现成可借鉴的经验。

海底隧道由 33 节沉管组成,每节长 180 米,是世界上最长的海底隧道沉管管节。为了安装沉管,施工方调动了世界上最大的沉管浮运安装船,津安2号和津安3号。沉管安装平台也严阵以待,长度大概有两个足球场那么大。

海底隧道最复杂的部分在于沉管对接,及将两侧管道最后合拢。最后一节沉管对接工程极为精密且需要耐性,而所有的工作人员都不能休息,必需实时关注。

由于海上风浪洋流的变化,对接工作很难做到十分精确。第一次对接用时 30 多个小时,然而最后产生了 10 公分左右的沉放误差。第 70 个小时,施工方开始尝试第二次对接,但效果依然不理想。直到最后一次对接,沉管才严丝合缝的对接成功。

此时距离最初动工也过去了五天,这也就意味着包括林鸣在内的所有工程师五天四夜没有合眼。

这是我有生以来,连续工作时间最长的一次。林鸣说。


陆上预制 2516 块桥面板

港珠澳大桥的顺利建成,不仅代表了一座桥梁的竣工,还意味着中国从此掌握了跨海桥梁的一系列核心技术,并有能力系统化对外输出方案。

在项目建设伊始,「大型化」、「标准化」、「工厂化」、「装配化」的施工理念就已确立。板单元的生产是自动化的,钢结构的焊接也是自动化的。钢箱梁板单元制造自动化示范生产线因此打造。中铁山桥集团承担了焊接工程,并开发了机器人焊接系统,工厂占地 8.5 万平米,在港珠澳大桥之外,7-8 座桥梁焊接的工作也同时在这个工厂进行着。

也就是说,中国不仅可以建造一座港珠澳大桥,还有能力建造更多的港珠澳大桥。中国先进的造桥技术将输出到世界更多的角落。

孟加拉帕德玛大桥是连接中国及泛亚铁路的重要通道,文莱价值 3.3 亿美元的淡布隆跨海大桥被文莱人认为「只有中国人才能建造这么高难度的大桥」,这些桥梁的承建,都和中国桥梁人的成长和奋进无法分割。


港珠澳大桥的数字奇迹:世界超级工程是如何诞生的


1957 年,武汉长江大桥建成,毛泽东主席赋词:「一桥飞架南北,天堑变通途」。而近五年,世界排名前 10 位的跨海长桥中,中国占据 6 席;世界排名前 10 位的斜拉桥,中国有 7 座;世界排名前 10 位的悬索桥,中国占据 6 座。

如今,中国的桥梁和高铁一样,已经成为了中国走向世界的一张名片。而随着这张名片一同递出的,是我们身为国人的自信心。


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