港珠澳大橋 ——中國的“超級(jí)樣板”工程
2016-07-13
6月29日凌晨，被英國《衛(wèi)報(bào)》譽(yù)為“現(xiàn)代世界七大奇跡”之一的港珠澳大橋主體橋梁宣告成功合龍。這意味著，離港珠澳大橋最終“蛟龍出海”已為時(shí)不遠(yuǎn)。
作為連接香港、珠海和澳門的超大型跨海通道，從研究、設(shè)計(jì)、施工到最終接近完成，港珠澳大橋歷經(jīng)十余年的漫長的歲月。在這過程中，中國的設(shè)計(jì)者、建設(shè)者們承擔(dān)著難以想象的壓力，遭遇過外國設(shè)計(jì)方案不符合實(shí)際情況、沉管沉放“三次回拖兩次安裝”等各種問題，也面臨著新設(shè)計(jì)方案不被理解，外在因素導(dǎo)致需要多方溝通的局面。
最終，諸多問題被一一克服，中國的工程師們以腳踏實(shí)地、勇于創(chuàng)新、不斷挑戰(zhàn)自我的精神，讓這一中國的“超級(jí)樣板”工程，將于2017年正式向人們展示他的巍巍身姿。
導(dǎo)讀
最終，港珠澳大橋以64項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，貢獻(xiàn)予世界沉管隧道工程。中國是沉管隧道工程的后來者，然而，“如積薪耳，后來者居上”，這背后是中國工程人員的勤奮、智慧和不屈的斗志。
跨過珠海，連接澳門半島，最終通向香港大嶼山，港珠澳大橋這一“世紀(jì)工程”正在伶仃洋上緩緩的升起。
據(jù)了解，港珠澳大橋島隧工程建設(shè)已接近尾端，2017年將正式開通。屆時(shí)，從珠海到香港只需要30分鐘路程。
這一項(xiàng)工程從某種意義上來說是建筑史上的奇跡：需要試驗(yàn)及需突破界限部分占到工程總量的一半，以及為應(yīng)對(duì)特殊挑戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新占工程總量的15%，這在中國工程史上是第一次。
總設(shè)計(jì)師劉曉東按照技術(shù)困難的難易程度列出一個(gè)譜系：從應(yīng)用慣例和標(biāo)準(zhǔn)組件的傳統(tǒng)技術(shù)，到那些需要實(shí)踐或?qū)嶒?yàn)的項(xiàng)目，再到那些擁有真正難以突破的界限并需要應(yīng)對(duì)一些特殊挑戰(zhàn)的項(xiàng)目。
在港珠澳島隧工程項(xiàng)目中，應(yīng)用慣例和標(biāo)準(zhǔn)組件包括：橋梁；人工島陸域形成，軟基加固，消浪結(jié)構(gòu)等；沉管預(yù)制廠土木結(jié)構(gòu)；沉管基槽開挖、沉管回填、沉管附屬工程等約占比35%，涉及造價(jià)75億元人民幣。
需要實(shí)驗(yàn)及需突破界限部分是工程主要部分包括：沉管基儲(chǔ)沉管預(yù)制、沉管島上段等，占比約50%。
而為應(yīng)對(duì)特殊挑戰(zhàn)部分，需要技術(shù)創(chuàng)新的，其中很多都是世界上第一次，比如深插鋼圓筒、半剛性沉管結(jié)構(gòu)、外海沉管安裝系統(tǒng)、沉管最終接頭等，占比15%，占投資30多億元人民幣。
最終，港珠澳大橋以64項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，貢獻(xiàn)予世界沉管隧道工程。
中國是沉管隧道工程的后來者，然而，“如積薪耳，后來者居上”，這背后是中國工程人員的勤奮、智慧和不屈的斗志。
滴水不漏的海底隧道
2015年12月，港珠澳大橋島隧工程有位特殊客人來訪——香港土木工程署前任署長劉正光。他曾主持設(shè)計(jì)建造了香港青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，這三座橋梁都被譽(yù)為世界級(jí)的大橋。鑒于此，他榮獲我國橋梁工程界的最高獎(jiǎng)——“茅以升”獎(jiǎng)，并在國際橋梁界享有盛名。
長期以來，這位獲得英國橋梁碩士學(xué)位的第一位華人，一直對(duì)中國大陸工程界頗有微詞，特別是在一些大型的國際會(huì)議上，批評(píng)大陸工程的質(zhì)量，并不掩飾其觀點(diǎn)。
在參觀的前一天，他給島隧工程總指揮林鳴打電話，詢問參觀隧道需不需要穿雨衣水靴。林鳴回應(yīng)說“并不需要”。第二天，劉正光雖然沒有穿雨衣，但還是穿了一雙雨鞋。
隨后，劉正光從西人工島進(jìn)入隧道，在Element1（以下element簡寫E）入口處乘坐電瓶車達(dá)到E24沉管。出乎他的意料，24節(jié)沉管的192個(gè)接頭沒有一點(diǎn)點(diǎn)滲漏的痕跡，整個(gè)隧道內(nèi)既沒有“雨”更沒有“河”，甚至沒有水印的痕跡。
當(dāng)他與林鳴見面時(shí)，第一句話是：“沉管隧道沒有不漏水的，沒有想到你們的隧道能夠滴水不漏”。第二句話則是“我們香港工程界要向你們學(xué)習(xí)”。
劉正光對(duì)港珠澳大橋沉管隧道不漏水感到詫異是有根據(jù)的。
“在全球范圍來說，設(shè)計(jì)隧道時(shí)都要確保水密性。但是，建造幾公里長而且保證100%水密性的隧道又是另外一回事。在許多國家，隧道所有者和設(shè)計(jì)師都明白建造100%水密的隧道意味著什么樣的挑戰(zhàn)。” 漢斯·德威特（Hans de Wit）對(duì)記者說。這位資深沉管隧道專家是荷蘭隧道工程咨詢公司（Tunnel Engineering Consultants，TEC）的運(yùn)營總監(jiān)，也是國際隧道協(xié)會(huì)國際沉管隧道工作小組成員。
“在全球范圍，基于無數(shù)的案例研究表明，在隧道中出現(xiàn)一些漏水是很常見的。”荷蘭特瑞堡集團(tuán)（Trelleborg AB，TEP） 工程產(chǎn)品商業(yè)開發(fā)和市場部經(jīng)理路德·波柯特（Ruud Bokhout）對(duì)記者說。
一位歐洲著名島隧專家依據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出一個(gè)數(shù)值：全世界的節(jié)段式沉管漏水率平均值為10%左右。也就是說，10個(gè)接頭中有一個(gè)漏水。這位專家認(rèn)為，目前尚沒有沉管隧道100%不漏水的紀(jì)錄。
而港珠澳大橋隧道共要制造安裝33節(jié)沉管，幾百道工序不僅環(huán)環(huán)相扣，還要重復(fù)千百遍，只要一個(gè)環(huán)節(jié)出問題，漏水將不可避免。
創(chuàng)新：從防止過度沉降開始
事實(shí)上，截至7月12日，港珠澳大橋已經(jīng)完成27節(jié)沉管的安裝，建成隧道總長度為4702.5米，是總長度的80%以上。以每節(jié)沉管有8個(gè)接頭計(jì)算，27節(jié)沉管約有216個(gè)接頭，如果按照10%漏水平均值，一二十個(gè)接頭漏水在正常值范圍。
然而，這一切并沒有發(fā)生。
打破沉管隧道漏水的“常規(guī)”，從工程開始就成為中國工程師的信念。
“沉管隧道為什么漏水？無論是哪個(gè)環(huán)節(jié)都是基礎(chǔ)出了問題。”島隧工程總指揮林鳴說。“舉個(gè)例子，港珠澳大橋的地質(zhì)環(huán)境是厚軟土地基，所以沉管基礎(chǔ)剛度協(xié)調(diào)及不均勻沉降控制非常困難。合同規(guī)定港珠澳大橋沉降標(biāo)準(zhǔn)是20公分，而國外同類標(biāo)準(zhǔn)是30公分以上。”
為了實(shí)現(xiàn)沉降標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)，中國工程師在如何使軟土層變硬上做文章，進(jìn)行了多項(xiàng)有價(jià)值的創(chuàng)新，用技術(shù)突破打破隧道漏水的玻璃窗。他們在40多米深的水下為沉管基床底部鋪上2到3米的塊石并夯平，創(chuàng)造一種新的復(fù)合地基，使沉管的沉降值大大縮小，平均值在5公分左右；他們的沉管預(yù)制水準(zhǔn)被國際同行評(píng)價(jià)“絕對(duì)是世界一流的”。
中國的工程人員完美的回答了一個(gè)問題，但這僅僅是開端。
漢斯·德威將定義港珠澳大橋島隧組合工程是“全球最具挑戰(zhàn)的跨海項(xiàng)目，其中島隧工程是迄今為止最為復(fù)雜的一項(xiàng)工程”。
他列舉島隧工程面對(duì)的諸多挑戰(zhàn)：比如，“海底隧道長度——它是當(dāng)今世界最長的公路隧道；隧道沉管管節(jié)的制作——每個(gè)沉管大約重75000噸，是當(dāng)今世界之最；要在規(guī)定時(shí)間和最深水下50米的海況條件下完成沉管的連續(xù)安裝，并達(dá)到苛刻要求的安裝精度！局部施工區(qū)域?qū)儆跇O為松軟而且類型多樣的土質(zhì)，深埋隧道管節(jié)要承受20米深的覆土荷載！還有隧道極大的管節(jié)單幅跨度，等等。這些都使得港珠澳大橋島隧工程比其它要難得多”。
雖然上述諸多挑戰(zhàn)前所未遇，但比設(shè)計(jì)施工更嚴(yán)峻的是中國工程師在此前沒有外海深水隧道工程設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，甚至只極個(gè)別人見過橋島隧組合工程。
這些注定了前方的困難重重。
重大挫折：第一次返航
2015年12月22日，E24沉管水下對(duì)接，記者跟隨海底隧道沉管浮運(yùn)安裝船隊(duì)出海。島隧工程設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人梁桁、副總工程師劉亞平和第Ⅴ工區(qū)常務(wù)副經(jīng)理宿發(fā)強(qiáng)，為記者講述了E15管節(jié)沉管沉放“三次回拖兩次安裝”的故事。
2014年11月15日是E15節(jié)沉管沉放的“窗口期”。出發(fā)前的2014年13、14日，粱桁和劉亞平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用多波探測器對(duì)沉管基床進(jìn)行三維掃測，13日壟溝輪廓清晰，而2014年14日再次掃測時(shí)發(fā)現(xiàn)壟溝出現(xiàn)了3-4公分浮泥。而此時(shí)，E15沉管已經(jīng)被拖出桂山島塢區(qū)，原定浮運(yùn)日期在2014年15日晚上出發(fā)，箭在弦上，發(fā)還是不發(fā)？
此時(shí)，前方潛水員傳來信息：較早之前的浮泥密度正在減校檢測結(jié)果顯示，泥的密度已經(jīng)從之前的每克1.3-1.4立方厘米減少到每克1.26立方厘米。項(xiàng)目部集體作出決策：出發(fā)！
“浮運(yùn)過程中人們還是忐忑不安。到現(xiàn)場將要沉放前，林總要求潛水員再次潛水作業(yè)，這在之前是從來沒有過的。潛水員帶來的壞消息：經(jīng)過短短的八九個(gè)小時(shí)，基槽泥沙又增多了。”梁桁說。
現(xiàn)在，面臨兩個(gè)選擇：是安裝，還是返航？
總指揮林鳴比任何人更清楚返航意味著什么：基床回淤后要挖掉重新鋪設(shè)，直接發(fā)生的費(fèi)用以千萬元計(jì)；沉管回拖一次也要幾千萬，加上海事部門配合浮運(yùn)的近20條護(hù)航船以及拖輪的費(fèi)用，都將對(duì)工程產(chǎn)生巨大財(cái)務(wù)壓力。
在監(jiān)控室參與決策會(huì)的人都經(jīng)歷了漫長、糾結(jié)且痛苦的過程。有一種意見認(rèn)為不妨嘗試安裝，“幾百人干了一個(gè)多月，花了如此大的成本，總要試一試”；也有人以國外同類工程舉例證明，沉管對(duì)接精度即使放寬到8 厘米問題也不大，4 厘米的回淤，不會(huì)給隧道安裝質(zhì)量帶來根本性的影響。
然而，對(duì)林鳴來說，財(cái)務(wù)壓力與工程的責(zé)任不能相提并論：如果對(duì)接出現(xiàn)誤差，8萬噸的沉管一旦沉到海底，目前世界上沒有任何一臺(tái)設(shè)備可以把沉管提起來。隧道漏水是一定的，更嚴(yán)重的問題是必將影響航道的航運(yùn)，珠江口是中國最繁忙航運(yùn)水域，每天船舶流量達(dá)5000艘次。
“基礎(chǔ)不牢，地動(dòng)山搖！如果繼續(xù)安裝，沉管基礎(chǔ)存在著極大的不確定性。這是一條生命線，絕不能拿大橋質(zhì)量和沉管安全作賭注。中止安裝，沉管回航！” 林鳴和他的團(tuán)隊(duì)最后作出決策。
2014年17日18時(shí)，E15沉管正式回撤。將已經(jīng)出塢的巨型沉管重新拖回塢中，他們在作業(yè)海區(qū)頂著五六級(jí)大風(fēng)以及超過1米高的海浪條件下返航。約7海里的航程，回航編隊(duì)小心翼翼地走了24小時(shí)的海上航行，E15沉管毫發(fā)無損地拖回沉管預(yù)制廠深塢。這在世界建筑史上并沒有先例。
分析與解決問題：停止采砂
沉管被拖回塢后，中國工程師們并沒有把失敗歸因于運(yùn)氣不好，而是立即組織，對(duì)失敗進(jìn)行認(rèn)定和分析。
總指揮林鳴提出問題：為什么之前所裝的14個(gè)沉管沒有發(fā)生突然回淤？導(dǎo)致E15突然回淤的原因是什么？為了尋找問題所在，他們迅速集結(jié)國內(nèi)對(duì)珠江口水情長期跟蹤研究的知名泥沙專家到珠海，包括交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院、交通運(yùn)輸部及水利部南京水利科學(xué)研究院、中山大學(xué)和中交四航院。
中交四航院副總工程師梁桁是港珠澳大橋島隧工程沉管基礎(chǔ)監(jiān)控的負(fù)責(zé)人，他對(duì)記者說：“我記得特別清楚，第一次開會(huì)時(shí)，我國著名的泥沙專家、78歲的王汝凱大師說，我們不是來這里做科研的，而是要用大會(huì)戰(zhàn)的方式解決工程遇到的問題”。
之后，“隧道基槽泥沙回淤專題攻關(guān)組”成立。
他們采用衛(wèi)星遙感測量、多波束掃描與水體含砂量測定儀。實(shí)測數(shù)據(jù)有三個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：第一，這片海區(qū)的水體含砂量異常，從原平均值每立方米0.1公斤含砂量上升到0.5-0.6公斤每立方米；第二，海床表面物質(zhì)發(fā)生了粗化現(xiàn)象，原因不明；第三，項(xiàng)目所在的伶仃洋部分水域呈微淤態(tài)勢。
衛(wèi)星遙感信息進(jìn)一步證實(shí)，隧道基槽以北17-18公里范圍海域有大面積渾水分布。當(dāng)工程師們到達(dá)這個(gè)區(qū)域時(shí)看到，有70-80條采砂船正在作業(yè)，珠江海域往日清澈的水面變得與黃河水一樣，水面含砂量為1.58公斤每立方，而之前只是0.02-0.05公斤每立方。
隨著國家提高對(duì)工程質(zhì)量要求的標(biāo)準(zhǔn)，減少砂的含泥量首當(dāng)其沖，這些采砂船直接在現(xiàn)場邊采邊洗，事實(shí)上形成上游有一群人在不斷地?cái)嚭秃Ｋ?，使泥沙翻卷向下游襲來。正是采砂船向南移動(dòng)了15-16公里，而之前則在更北的30-40公里處采砂，直接改變了珠江口局部水域豐水少砂的規(guī)律。
在這個(gè)區(qū)域作業(yè)的采砂船都是持有政府批準(zhǔn)的合法文件。面對(duì)港珠澳大橋這個(gè)國家工程，廣東省政府全力協(xié)調(diào)各方利益關(guān)系，果斷決定：一定要確保國家重點(diǎn)工程——港珠澳大橋順利施工，立即停止采砂，停止采砂時(shí)限從2015年2月11日到5月1日。
第二次失敗的“出征”
2015年2月24日大年初四，E15再次出征，距離第一次拖回沉管過去了4個(gè)多月。之前收集的所有信息反饋未發(fā)生異常，當(dāng)船隊(duì)即將到達(dá)施工區(qū)時(shí)，前方傳來消息：E15沉管碎石基床尾部突然發(fā)現(xiàn)2000平方米的淤積物。“整個(gè)沉管管節(jié)長180米寬38米，總面積為8000平米，2000多平米約占1/4！且泥沙厚度有八九十厘米。當(dāng)看到潛水員從基槽撈出滿滿一箱泥巴樣本，所有人驚呆了。泥沙從何而來？”梁桁對(duì)記者說。
分析認(rèn)為，當(dāng)?shù)谝淮纬霈F(xiàn)回淤后，施工人員清理了基床槽底的淤泥，而基槽邊坡上面覆蓋了一層薄薄回淤物，當(dāng)回淤物受到外力擾動(dòng)后發(fā)生了雪崩般的“塌方”。“我們原來的認(rèn)識(shí)不足，加上世界沉管隧道目前沒有邊坡清淤的先例，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)知總是一個(gè)不斷總結(jié)和積累的過程。”梁桁說。
王汝凱對(duì)記者說：“港珠澳大橋是目前世界唯一深埋大回淤節(jié)段式沉管工程，單節(jié)沉管重約7.4萬噸，最大沉放水深44米，是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道。沉管對(duì)基床的平整度要求非常嚴(yán)格，為了保證工程質(zhì)量，設(shè)計(jì)要求泥沙淤積量不能超過4厘米。遇到這樣大面積的泥沙回淤，只能返航。”
E15節(jié)沉管的第二次出航，走到的三分之二的路程時(shí)只能再次拖回。指揮船上霎時(shí)氣氛凝重，一些人按捺不住情緒當(dāng)眾留下了熱淚。
“當(dāng)時(shí)心情特別激動(dòng)，忍不住地掉眼淚”，山東大漢宿發(fā)強(qiáng)，港珠澳島遂工程第Ⅴ工區(qū)常務(wù)副經(jīng)理說。“第一次出航非常艱難，200多人的團(tuán)隊(duì)連續(xù)72個(gè)小時(shí)不睡覺，巨大的壓力已經(jīng)接近人的承受極限。這個(gè)工程從開工到現(xiàn)在，我們連續(xù)多少個(gè)春節(jié)在這里，500多人從大年三十等到初七的時(shí)間窗口，沒有想到又出現(xiàn)塌方返航，心不甘呀！”，他形容這是“人類無力抗拒自然的痛苦”。
失敗的潛在收益
這兩次問題的出現(xiàn)，為工程提出新的要求。
其中的關(guān)鍵是：建立一套回淤預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)，為后續(xù)沉管安裝提供保障。以泥沙回淤預(yù)報(bào)為例，之前沉管安裝有海浪、天氣等氣象窗口的預(yù)報(bào)，E15遭遇的泥沙回淤，使沉管安裝增加了泥沙回淤預(yù)報(bào)。“泥沙預(yù)報(bào)是非常難的事情，因?yàn)槟嗌愁A(yù)報(bào)受人為因素干擾大，既不可控也沒有規(guī)律性，其難度并不亞于氣象窗口預(yù)報(bào)。港珠澳大橋項(xiàng)目在泥沙預(yù)報(bào)上實(shí)現(xiàn)了三大突破：
“第一，從宏觀到微觀。原來做泥沙回淤研究只限于宏觀層面，比如大江大河或者一個(gè)海域，最小的航道回淤也都是長幾十公里，很少具體到某個(gè)點(diǎn)的微觀研究，實(shí)現(xiàn)了從幾十平方公里的宏觀預(yù)報(bào)收縮到沉管基槽8000平米的微觀預(yù)報(bào)；第二，從長期到短期。以往做泥沙回淤的研究是以世紀(jì)、百年或者幾十年計(jì)，而現(xiàn)在縮短到十天周期的預(yù)報(bào)，也就說，從沉管基床鋪設(shè)到安裝，為工程決策提供泥沙回淤的準(zhǔn)確信息；第三，泥沙回淤預(yù)報(bào)的微量化。以前做泥沙回淤預(yù)報(bào)的量級(jí)是以米計(jì)量，通常是1-2米，最小也是以50厘米量級(jí)計(jì)算。而沉管工程要求以10厘米、4厘米計(jì)算。我們做到了。”梁桁介紹說。
正是兩次沉管安裝的意外失敗，才孕育出泥沙回淤預(yù)報(bào)的創(chuàng)新，正是這種“意外”給創(chuàng)新提供了機(jī)遇。這類創(chuàng)新既解決了工程最為迫切的需求，也完美地展示了創(chuàng)新的意義。在創(chuàng)新手段的護(hù)航下，2015年3月24日，浮運(yùn)船隊(duì)攜E15沉管第三次踏浪出海，經(jīng)過數(shù)輪觀測、調(diào)整后，E15沉管在40多米深的海底與E14沉管精準(zhǔn)對(duì)接。
創(chuàng)新與創(chuàng)造世界紀(jì)錄
出現(xiàn)意外無疑是痛苦的，但也是最新的機(jī)會(huì)。
E15節(jié)沉管“三次回拖兩次安裝”事件，使林鳴有個(gè)強(qiáng)烈的愿望，如果有一臺(tái)高精度清淤設(shè)備就好了，“既能把50米海底基床上的淤泥清理干凈，而且還不會(huì)讓基床上的一顆石子移動(dòng)”。
然而，自有記錄以來，全世界沒有任何一項(xiàng)工程在碎石層面上清淤。
王學(xué)軍是上海振華重工集團(tuán)海工機(jī)械研究所副所長，因主持設(shè)計(jì)港珠澳大橋島隧工程的拋石整平船等關(guān)鍵設(shè)備，獲中國交建科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)和建設(shè)功臣稱號(hào)。他回憶，“當(dāng)我就此事第一次到珠海見林總時(shí)，他首先提出能否在整平船上加裝一套清淤裝置的設(shè)想。為了完善這套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，之后我們多次交流思想，因?yàn)樽龉こ痰娜瞬抛蠲靼姿麄兿胍氖鞘裁礀|西，而上海振華則是通過裝備研發(fā)的實(shí)力，把他們的想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。”
“從設(shè)計(jì)角度講，這個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)高精度清淤，而把清淤設(shè)備嫁接到整平船是個(gè)好主意。”王學(xué)軍認(rèn)為，“整船可以實(shí)現(xiàn)碎石整平的精度，如果在清淤頭部加裝兩個(gè)水泵，道理上可以完成精度清淤。只不過一個(gè)是拋石，一個(gè)是清淤。”
為此，上海振華迅即成立有200多人參與的“零號(hào)工程”項(xiàng)目組，從方案設(shè)計(jì)到物資采購，再到設(shè)備制造，一路暢行在綠色通道上。從林鳴開始提出想法到最后成功研制深水高精度清淤設(shè)備，只用了4個(gè)月。這是在一個(gè)原有的集合技術(shù)中加入新元素的成功范例。
高精度清淤設(shè)備的效果是顯著的。
2015年11月4日E22沉管安裝前，現(xiàn)場泥沙監(jiān)測數(shù)據(jù)和多波束掃測數(shù)據(jù)顯示，基床泥沙回淤量顯著增加。高精度清淤設(shè)備一經(jīng)使用便初展神威，它完美得令人驚嘆。清淤完成后，碎石表面不僅干凈且紋絲未動(dòng)。
“精確清淤裝置最大的意義在于保證了當(dāng)月安裝兩節(jié)沉管，這在之前是從來沒有過的。”王學(xué)軍說。
2015年12月21日清晨6時(shí)30分，隨著港珠澳大橋第24節(jié)沉管在海底精準(zhǔn)對(duì)接，中交島隧建設(shè)者在遭受臺(tái)風(fēng)、基槽回淤、珠江口大徑流以及冬季寒潮大風(fēng)等惡劣條件的影響下，創(chuàng)造了一年完成十節(jié)沉管安裝的世界紀(jì)錄。而已經(jīng)建成的韓國巨濟(jì)大橋的18節(jié)沉管歷經(jīng)三年，平均每年安裝6個(gè)。
創(chuàng)新沉管結(jié)構(gòu)：半剛性
問題仍然層出不窮，港珠澳大橋的工程人員的創(chuàng)新也在繼續(xù)。
港珠澳大橋海底隧道沉管部分總長5.6公里，由33節(jié)沉管相互聯(lián)結(jié)而成。自1928年人類工程史上修建第一條鋼筋混凝土沉管隧道以來，沉管制作的工具箱里只有剛性和柔性兩種方法。
港珠澳大橋島隧工程總設(shè)計(jì)師劉曉東用積木給出通俗易懂的比喻：“剛性結(jié)構(gòu)好比一塊長條積木，而柔性結(jié)構(gòu)好比樂高小塊積木拼接的積木條。剛性緣于是整體結(jié)構(gòu)，使接頭漏水的概率減小，但如果基底出現(xiàn)沉降，大體量沉管受力不均勻出問題的概率也隨之增大。而柔性結(jié)構(gòu)是用小管節(jié)串成一個(gè)大管節(jié)，比剛性結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)沉降有明顯優(yōu)勢。無論是選擇哪種結(jié)構(gòu)，最終目的是為應(yīng)對(duì)地基發(fā)生不均勻沉降時(shí)，最大程度減少對(duì)海底隧道的影響。”
在大橋前期設(shè)計(jì)階段，國際知名島隧咨詢公司的專家們比較兩種結(jié)構(gòu)，認(rèn)為無論哪種方案對(duì)港珠澳大橋隧道都存在一定的問題。
現(xiàn)有工程記錄顯示，剛?cè)醿煞N結(jié)構(gòu)體系沉管隧道都是淺埋隧道，沉管回填及覆土厚度約在2米；而港珠澳大橋隧道是世界上唯一深埋沉管隧道，沉放最深水下44.5米。為了預(yù)留30萬噸級(jí)航道，港珠澳大橋沉管隧道需要埋到海床以下20多米，它是世界上唯一的深埋沉管隧道。
在20多米的覆蓋層，有超過淺埋沉管5倍的荷載，如果采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，沉管結(jié)構(gòu)得不到安全保障。林鳴擔(dān)心“200多個(gè)水下接頭，如果有一個(gè)接頭遭到破壞，后果不堪設(shè)想”。
面對(duì)問題，權(quán)威隧道專家給出“深埋淺做”的兩個(gè)解決方案，其一是在沉管頂部回填與水差不多重的輕質(zhì)填料，這需要增加十多億元人民幣投資，工期也將延長；其二是在120年運(yùn)營期內(nèi)控制回淤物厚度，進(jìn)行維護(hù)性疏浚，維護(hù)費(fèi)數(shù)十億元人民幣。
這樣做代價(jià)太大，中國工程師心有不甘。
“從2012年年初，我和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一直在尋找一種可替代結(jié)構(gòu)體系，希望為工程找到一條出路。”林鳴說。
尋找出路的過程是痛苦和絕望的。但有一天解決方案的靈感在寂靜時(shí)刻倏然而至，讓人覺得在潛意識(shí)中各部分已經(jīng)完全被組合完好了一樣。
2012年11月17日凌晨，總設(shè)計(jì)師劉曉東的手機(jī)上收到一條短信：“嘗試研究一下半剛性。”發(fā)信人是林鳴。
“那一夜我?guī)缀鯖]睡，凌晨五點(diǎn)左右，我的腦海中突然閃出了半剛性這個(gè)概念，它能夠提高接頭的能力，可能是從結(jié)構(gòu)上解決深埋沉管的一條出路。”林鳴回憶。他所提出的半剛性結(jié)構(gòu)設(shè)想，是保留甚至強(qiáng)化串起小管節(jié)之間的鋼絞線，加強(qiáng)小管節(jié)之間的連接，使180米長、由4個(gè)小關(guān)節(jié)連接而成的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的變形受到更大的約束，增強(qiáng)深埋沉管的防錯(cuò)位能力。
質(zhì)疑與完美回答
設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)又用了30多天完成《半剛性沉管結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與研究報(bào)告》，而之后的過程充滿批評(píng)、異議乃至責(zé)備。首先聽到的是來自內(nèi)部“最好不要過度創(chuàng)新”的聲音；還有外國權(quán)威專家譏諷：“你們有什么資格創(chuàng)造一個(gè)新的結(jié)構(gòu)？”
而更多的是來自國內(nèi)同行專家的質(zhì)疑。港珠澳大橋初步設(shè)計(jì)方案已經(jīng)通過論證與批準(zhǔn)程序，為前期設(shè)計(jì)方案作出貢獻(xiàn)的都是權(quán)威專家，說服權(quán)威專家并取得共識(shí)比技術(shù)論證本身更艱難。
為了證明“半剛性”結(jié)構(gòu)，從2012年底到2013年8月，他們經(jīng)歷了200多個(gè)備受煎熬的日子。但是林鳴堅(jiān)持認(rèn)為：“我們相信"半剛性"是一種科學(xué)的解決辦法，如果不堅(jiān)持就沒有盡到責(zé)任。”
此后，他們邀請國內(nèi)外6家專業(yè)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行“背對(duì)背”的分析計(jì)算，從模型試驗(yàn)及原理上驗(yàn)證“半剛性”的結(jié)構(gòu)。研究論證結(jié)果趨同，證明“半剛性”是從結(jié)構(gòu)上解決沉管深埋的科學(xué)方法，最終得到了各方面的一致認(rèn)可。
經(jīng)過兩年的努力和堅(jiān)持，“半剛性”只花費(fèi)了極小的代價(jià)就把沉管深埋的構(gòu)想變成了現(xiàn)實(shí)，到2016年7月12日，已安裝隧道總長達(dá)到4860米，目前它不僅已經(jīng)是世界上最長的公路沉管隧道，也超過了國內(nèi)沉管隧道的總和。
從此，世界百年沉管結(jié)構(gòu)的工具箱除了已有的“剛性”、“柔性”之外，增加了“半剛性”的新成員。
“創(chuàng)新并不是顯示所謂的創(chuàng)造性，而是為滿足需求另辟蹊徑地完成工程任務(wù)。”林鳴說。
