了不起的中國製造 發佈於 2019-01-31 10:18:44
出品| 網易新聞
作者| 鶴運，土木工程博士
萬眾矚目的港珠澳大橋通車在即，提到這項超級工程，想必許多人現在已經知道，它的海底隧道是建設難度最高的部分。
2017年3月7日，港珠澳大橋工程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。
（港珠澳大橋示意圖，大橋中段的隧道是建設中難度最高的部分）
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22.5米長的小段（專業術語叫“節段”）拼接成180米的大段（“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。
（一）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。
（二）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。
（混凝土結構常常帶裂縫工作，圖為某橋底板）
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”。
（隧道設計方案）
（三）“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。
（管節的立面圖和平面圖）
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。
（管節中張拉預應力鋼筋示意圖）
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：
（Gina止水帶壓縮示意圖）
擠壓的過程讓我不禁想起了可愛的娘口三三：
（娘口三三臉壓在玻璃上）
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。
（水力壓接過程）
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