日前，連接香港、珠海、澳門的港珠澳大橋主體橋梁工程全線貫通，標志著大橋主體工程建設進入收官階段。港珠澳大橋總投資超過1000億元，於2009年12月開工建設，總長55公裡，集橋、島、隧道於一體，包含22.9公裡主體跨海橋梁，約6.7公裡沉管海底隧道和連接隧道與橋梁的東西人工島，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。
難題1：限高120米
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，遠期要保障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米，橋塔高度達到200米的超級大橋。但由於大嶼山機場在航道處限高為120米。因此，不可能采用橋梁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，采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瞭對周圍環境的影響，解決瞭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瞭工程界普遍認同的跨越航運繁忙航道的第一選擇。
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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難題2：10%水阻率
要建造海底隧道，首先要找到能把橋梁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梁。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。
為瞭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公裡以內，但采用盾構法的話，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%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，最終采用瞭沉管法取代盾構法。沉管隧道是指在海床上淺挖出溝槽，將預制好的管道沉放到溝槽中，然後進行水下對接。采用沉管隧道技術後，降低瞭400米的島嶼長度，將島嶼長度控制在625米，解決瞭10%水阻率的問題。
難題3：800萬立方米重低音電容推薦後級擴大機推薦淤泥
之前講到要修築625米長的人工島以連接橋梁和海底隧道，而在修築人工島的地方有一層15到20米的淤泥，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幹，然後再拋石或用沉箱坐穩。
但在海底排水使淤泥變幹並不現實，而如果要把淤泥全部清理掉，要清理足足800萬立方米淤泥，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。
（用鋼桶圍成人工島）
對此，工程師的解決之道是采用120個重550噸，高55米，直徑22.5米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，屆時隻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。
(島壁結構示意圖)
難題4：3厘米誤差
成功修築人工島的前提是要制造出120個550噸重、55米高的巨型鋼桶，但由於鋼桶的體積過於龐大，沒有任何一個卷板機和模具能夠完成這樣鋼桶的制造工作，不得不采用模塊組裝的辦法，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厘米以內，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米的巨大體積非常不利於加工和制造，在多次拼接後有可能無法將誤差控制在3厘米以內。
最終，工程師們用內膽來解決鋼桶制造的精度問題——制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厘米以內。
難題5：沉管的浮運和沉放
港珠澳大橋的海底隧道由33節鋼筋混凝土結構的沉管對接而成，每個標準沉管長180米、寬38米、高11.4米，排水量大約在8萬噸。隧道沉管在岸上預制好之後，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一項重要技術。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。由於水的阻力系數等因素，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松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厘米以內，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多米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米的塊石並夯平，創造一種新的復合地基，使沉管的沉降值大大縮小，把誤差控制在5厘米左右。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。
參考資料：《超級工程——港珠澳大橋》
出品：科普中國
制作：鐵流
監制：中國科學院計算機網絡信息中心
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