【多维CN】“基建狂魔”再发威 港珠澳大桥的科技元素

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2018年是中国改革开放40周年,如何解析中共政权成立以来尤其1978年改革开放以来所取得的成就,已成为近年来备受海内外学界关注的热点问题。通过多年的经营布局,中国已构建了从轻工业到重工业完备的工业制造业体系,中国基建也正在逐步走向一个完整的现代化,并向世人呈现越来越多的“中国智慧和中国方案”。施工九年的港珠澳大桥,受地质结构复杂、施工环境恶劣、技术标准高、环保要求高等多重考验,从开工建设到通车,工程施工以来一波多折,是非争议声一直不断,但从建筑科学的专业角度来看,港珠澳大桥确实已经成为中国在基建领域达到新高度的一个巨大象征。

本文转自《多维CN》040期(2018年12月刊)科技栏目《“基建狂魔”再发威 港珠澳大桥的科技元素》。浏览更多月刊文章:【多维CN/TW频道】

在网络世界被戏称为“基建狂魔”的中国,在基础建设领域再次展现了令世人折服的能量。随着港珠澳大桥开通,伶仃洋增添了一道优美风景,这座连接香港、澳门和中国内地城市珠海的55公里长的跨海大桥,犹如一条彩线画出优雅弧线绵恒伸向远方。

作为人类建设史上迄今为止里程最长、投资最多、施工难度最大、设计使用寿命最长的跨海公路桥梁,港珠澳大桥刚一亮相,就迎来了全球各色挑剔目光的审视。美国《时代》杂志网站一段长约56秒的航拍视频即向世人展示了港珠澳大桥沿线的醉人风光,《美国工程新闻纪录》也为港珠澳大桥授予了“2018年度全球最佳桥隧项目奖”

尽管有香港观察人士将这一耗资约200亿美元的项目,称为“大白象工程”,认为这种“硬融合”是内地进一步削弱香港高度自治及自由的一环,而且该大桥从设计之初就引发了很多环保主义者的口水战争,但从建筑科学的专业角度来看,港珠澳大桥确实已经成为中国在基建领域达到新高度的一个巨大象征。

港珠澳大桥被《美国工程新闻纪录》授予“2018年度全球最佳桥隧项目奖”(图源:VCG)

当今世界最具挑战性的工程

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此前,中国已相继建造了世界最大跨度公路铁路两用悬索桥——五峰山长江特大桥,其荷载和设计时速世界第一;世界最长高铁桥丹昆特大桥,全长164.85公里;世界最高大桥贵州北盘江大桥,创下7项“世界第一”的赤石大桥,创下4项“世界之最”的湖南矮寨大桥……另外,世界跨度最大的公路铁路两用大桥——沪通长江大桥,主桥设置双层双向10车道、世界上通行能力最大的杨泗港长江大桥,预计均将于2019年建成。

在国际桥梁建设大舞台上,中国建造的桥梁已接近全球市场一半左右,马来西亚槟城二桥、巴拿马运河三桥、韩国仁川二桥、美国旧金山—奥克兰海湾大桥等,都是中国桥梁人加持了建设烙印。世界桥梁业内已在流传这样一句话:世界桥梁建设20世纪70年代以前看欧美,90年代看日本,21世纪看中国。

此次港珠澳大桥的开通,被认为具有里程碑意义,标志着中国从桥梁大国走向桥梁强国。该大桥由桥、岛、隧道和粤港澳连接线组成,全长55公里的跨海公路桥梁,其中主体工程“海中桥隧”长度即超过35公里,主桥从西端珠海拱北对开的人工岛,伸展至东端近粤港分界线的东人工岛。

港珠澳大桥可抗16级台风、8级地震,被誉为“当今世界最具挑战性的工程”、“桥梁界的珠穆朗玛峰”,英国《卫报》更是将其评为“新的世界七大奇迹”之一。2018年9月,强度为17级的超强台风“山竹”以最高时速240公里过境,港珠澳大桥主体桥梁、海底隧道、人工岛,以及桥面护拦、路灯等都经受住了“史诗级考验”。据称,“大桥可承受时速432公里的风力,远远超过目前香港曾经历过的所有台风强度”。

中国内地的交通习惯是开车靠右,香港和澳门由于历史原因,遵循开车靠左,基于对三地道路通行规则不同的担心,舆论场一度出现了“港珠澳大桥恐成废桥”的声音。但实际上,中国团队在桥梁设计之初已考虑到此问题,在参考了英法海底隧道左右舵车变换行驶方式后,港珠澳大桥在内地上桥的入口采用“右上左落”的车辆安排,即从内地往香港方向上桥,所有车辆遵循靠右行驶原则,当车辆行驶到“观景山隧道”和“机场隧道”时,通过立交桥自然转换成靠左行驶;而从港澳方向上桥的车辆在上桥之初遵循靠左行驶原则,当通过上述两个地点时,通过立交桥自然转换成靠右行驶。

嘲笑中“逼”成的技术优势

一项工程若初面世即被称为破纪录的“世纪工程”,也就意味着其工程链条的每个环节都会迎来大挑战。施工9年、耗资超过千亿元人民币的港珠澳大桥,受地质结构复杂、施工环境恶劣、技术标准高、环保要求高等多重考验,从开工建设到完工通车,一路面临着诸多超乎想象的困难与挑战。

作为大桥控制性工程的岛隧工程,也是整个建设中最核心的部分,需要建设两座面积各10万平方米的人工岛和一条6.7公里长的海底沉管隧道,实现桥梁与隧道的转换。

离岸人工岛起着为海中隧道和桥梁的转换衔接提供“转换器”的作用,以往常国际上通行的技术方案,无外乎以传统抛石填海的方法去建成两个10万平方米的人工岛,但工期长,会造成水路交通堵塞,且需开挖800万立方米的海底淤泥,据估算挖掘量相当于堆砌三座胡夫金字塔。面对种种弊端,中国团队想到一个“快速成岛”的方法,即将一组巨型钢圆筒直接插入并固定在海床上,然后再填砂形成人工岛。

造桥填海所用的逾百个钢圆筒直径22米、高50多米,其截面面积相当于一个篮球场,高度相当于18层楼,体量类似于一架A380空中客车。钢圆筒在上海完成制造后经由水路运至香港,于海中逐一竖立,深深插入海床面以下约30米处,由无至有形成人工岛。被海外专家预计要两三年工期才能完成的人工岛,实际上中国团队最后仅用时7个月。

港珠澳大桥岛隧工程在沉管结构、制造工艺、接头方案、隧道形式方面实现了“四大创新”,同时在深水基础施工技术、外海沉管安装成套技术等方面取得突破,共开展了140项试验,历经28次台风侵袭,遭遇7次如河口羽(注:当潮流在河口进退时,因垂向和横向剪切所形成的特殊水体)、异常波等危机,拥有40项创新和540项专利。

建海底隧道最惊险的一环是外海沉管隧道的修建。对于如此大型的岛隧工程,中国施工方并无先例可循。建设之初,中国团队赴韩国考察学习,拟近距离观看已建成的巨加跨海大桥的设备情况,却被韩国一口回绝。中国与荷兰一家全球最顶尖的隧道沉管公司洽谈合作,对方开出了1.5亿欧元的天价,当时相当于人民币15亿元,港珠澳大桥建设方提出能否以3亿元人民币的价格购买一个框架,荷兰公司只需在最重要、风险最大的部分提供技术支持时,荷兰公司傲然嘲笑称,他们愿意为港珠澳大桥建筑方唱一首祈祷歌。

师夷长技的想法被浇灭后,被逼无奈的中国团队只能走自主攻关这条路。通过科研攻关,中国团队掌握了具有自主知识产权的外海沉管安装成套技术:创造了建造最大沉管预制厂的世界纪录;创造了一年安装10节沉管的世界纪录;创造了221天完成两岛筑岛的世界纪录;创造了沉管隧道100%不漏水的世界纪录;创造了浇筑百万方混凝土无一裂缝的世界纪录;创造了沉管隧道最终接头安装精度达毫米级的世界纪录。

港珠澳大桥在施工过程中创下了多个“世界之最”(图源:VCG)

于水下近50米深处建造的6.7公里长的沉管隧道,由33个巨型混凝土管节组成,每个管节长180米,重量达8万吨,这意味着港珠澳大桥的海底隧道相当于放入33艘航母重量的沉管。

在外海沉管隧道的修建过程中,最难的是外海沉管的安装,需要将单个8万吨重的沉管用船从工厂运到施工地点,再精准沉放到海底指定位置,并与之前的沉管对接,“每一次都需要几百人共同的力量”。每一节沉管都很难做到一次安装成功,“命最苦”的是第15节沉管(E15),经历了两次被拖回工厂,第三次浮运之后才顺利完成了安装。

港珠澳大桥设计使用寿命为120年,打破了内地建造大桥的“百年惯例”。考虑到桥墩要长期接触海水,位于珠江出海口的大桥要接受台风考验,每天车来车往钢材要有极好的抗疲劳性能,以及满足防震的需求等,用于建造港珠澳大桥的钢材在力学性能、抗震性能、抗疲劳性能和工艺连接性这四方面都被提出极高要求。

为抵抗氯化影响,港珠澳大桥所用钢筋都进行了环氧涂层的处理,即采用静电喷涂方法,将环氧树脂粉末喷涂在普通带肋钢筋或普通光圆钢筋表面上,形成一种表面为熔融结合环氧涂层的钢筋,具有高耐蚀性。所有大桥用钢都对成分进行过窄带化控制,成分不在内控范围的坯料不允许用来生产供项目用钢筋,以防成分波动对钢筋强度性能带来影响。

大桥用钢的钢水均通过精炼处理,均匀成分,降低夹杂物,以提高钢的纯净度。大桥所有钢构件焊缝都达到一级焊缝,所有高强度螺栓连接部位穿孔率必须达到99%,参与供货的中国钢铁厂经过技术攻关,更是使得出厂钢构件穿孔率突破了99.7%。

港珠澳大桥在施工过程中经历过无数的困难,最终都化险为夷,中国的桥梁人也在这个过程中得到了锻炼。

对于港珠澳大桥岛隧工程总工程师林鸣来说,港珠澳大桥的建设硬生生把他“逼”成了岛隧工程的世界级高手,大桥开通后林鸣坦言,接下来主要是培养年轻人,教他们做“悬浮隧道”,去挑战世界上更困难的工程,将来运用到更宽的峡湾、跨越更深的水域。

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