[科普中國]-港珠澳大橋：中國實(shí)現(xiàn)了不可能

今天上午，港珠澳大橋正式通車?yán)玻?/p>

圖片來源：中央人民廣播電臺(tái)

你知道嗎？這座橋被英國《衛(wèi)報(bào)》譽(yù)為“現(xiàn)代世界七大奇跡”之一，實(shí)現(xiàn)了7個(gè)世界之最：

世界最長的跨海大橋

世界綜合難度最大跨海大橋

世界最長、最深的海底公路沉管隧道

世界最大難度的深水無人對接的公路沉管隧道

世界最大尺寸的高阻尼橡膠隔震支座

世界首創(chuàng)的海底隧道“半鋼性”沉管結(jié)構(gòu)

世界首創(chuàng)的深插式鋼圓筒快速成島技術(shù)

從2004年3月港珠澳大橋前期工作協(xié)調(diào)小組辦公室成立，到2009年12月15日正式開工建設(shè)，港珠澳大橋歷經(jīng)了5年規(guī)劃、9年建設(shè)，工程項(xiàng)目總投資額突破1269億元……

今后，香港、珠海、澳門三地間的時(shí)空距離將極大縮短，從香港到珠海澳門僅需30分鐘的車程。

而這一“超級工程”的建造離不開剛?cè)岵?jì)的工程哲學(xué)——“半剛性”管節(jié)結(jié)構(gòu)。

圖片來源：網(wǎng)易新聞

前無古人之“半剛性”管節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

不同于許多跨海大橋，港珠澳大橋是一座橋—島—隧一體的大橋，其島隧工程由沉管隧道、東西人工島三大部分組成，其中沉管隧道是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道之一。

但若要問港珠澳隧道與其他的海底隧道最大的不同在哪里？回答一定是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，也即使得這座大橋的海底隧道“前無古人”的關(guān)鍵所在——“半剛性”管節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)施方案。

清華大學(xué)土木工程系地下工程研究所宋二祥教授團(tuán)隊(duì)，為其中的可行性論證提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐。

“半剛性”管節(jié)設(shè)計(jì)由來

1. 隧道沿線地質(zhì)情況

在地下工程中，穩(wěn)定問題和變形問題尤為重要。因地形和地質(zhì)條件復(fù)雜，港珠澳這樣的海底長大隧道中，變形問題十分突出。

例如，隧道兩側(cè)填筑了兩個(gè)人工島，用于海上大橋和海底隧道接駁，人工島附近隧道位置較高，由人工島過渡到深埋段的中間過渡段的地質(zhì)條件變化較大，若處理不好極易產(chǎn)生不均勻沉降。

圖：隧道沿線地質(zhì)情況（圖片來源：界面）

針對這種情況，一方面，需要對軟弱地基進(jìn)行處理。為了減小過渡段的不均勻沉降，不同位置采用不同的地基處理方式。另一方面，結(jié)構(gòu)本身也應(yīng)當(dāng)具備抵抗不均勻沉降的能力。

一般而言，海底隧道有**“剛”與“柔”兩種結(jié)構(gòu)形式**。對于較短的海底隧道而言，隧道沿線地質(zhì)情況變化較小，可做成整體式的剛性結(jié)構(gòu)；但對較長的隧道而言，柔性結(jié)構(gòu)通常因其適應(yīng)變形的能力更強(qiáng)而更加合適。

2. “剛”“柔”之選，進(jìn)退維谷

原先的設(shè)計(jì)主要考慮到了兩個(gè)導(dǎo)致不均勻沉降的原因，一是作為島隧結(jié)合部位的人工島在施工完成后較長時(shí)間內(nèi)的持續(xù)沉降，二是沿隧道長度方向地基不均勻引起的沉降。

這兩點(diǎn)柔性隧道都能應(yīng)對——隧道安裝完成后，將剪斷預(yù)應(yīng)力鋼筋，節(jié)段之間能更自由地變形。這一柔性方案被稱為**“節(jié)段式”方案**。

圖：預(yù)制完成的鋼筋混凝土隧道節(jié)段（圖片來源：界面）

然而，港珠澳工程中，情況則更為復(fù)雜。與通常埋深較淺的沉管隧道不同，港珠澳隧道完工后，其中間部分將深埋于海底的深厚淤泥中。

長遠(yuǎn)來看，海底淤泥淤積深度預(yù)計(jì)將隨時(shí)間增加、影響巨輪通行，將要在隧道沿線進(jìn)行兩處航道疏浚，分別是靠近香港一側(cè)的銅鼓航道和靠近珠海澳門一側(cè)的伶仃西航道。

**航道疏浚清淤則會(huì)直接導(dǎo)致隧道上方的荷載變化。**簡單而言，在施工剛完成、淤泥尚未淤積時(shí)和淤泥淤積過程中，沿隧道長度方向，淤泥的淤積荷載的空間變化并不劇烈。而航道疏浚后，主航道的淤泥面比其他部位低20m左右。

圖：遠(yuǎn)期疏浚區(qū)域（圖片來源：界面）

“半剛性”管節(jié)——?jiǎng)側(cè)岵?jì)，游刃有余

后來，相關(guān)負(fù)責(zé)人提出一想法：**不剪斷串聯(lián)節(jié)段的預(yù)應(yīng)力鋼筋，利用其預(yù)應(yīng)力。**在預(yù)應(yīng)力的作用下，節(jié)段和節(jié)段之間的摩擦力增加，依靠增加的摩擦力抗剪，以此解決剪力增加帶來的問題。

這樣處理之后，隧道的結(jié)構(gòu)和之前不同，在長期使用過程中，多了很多條預(yù)應(yīng)力鋼筋，相當(dāng)于永久地改變隧道結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)下，隧道能否正常工作，隧道的各項(xiàng)指標(biāo)是否仍然滿足要求？團(tuán)隊(duì)的心中也有疑問。

宋二祥教授說，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身就有兩種思路：一種是柔性結(jié)構(gòu)，允許有一定的差異沉降，利用設(shè)置沉降縫等方法減小差異沉降對結(jié)構(gòu)的影響；另一種思路是通過增大結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，控制差異沉降。這兩種思路總結(jié)成兩個(gè)字，“讓”和“抗”。定性地看，只要能符合設(shè)計(jì)要求，兩種思路都合理。但定量地看，一味地“讓”不僅會(huì)有接頭抗剪承載力不足的風(fēng)險(xiǎn)，在差異沉降較大時(shí)還會(huì)增加隧道漏水的風(fēng)險(xiǎn)；不剪斷預(yù)應(yīng)力筋的這一做法是符合力學(xué)原理的，但結(jié)構(gòu)剛度增大后，內(nèi)力也會(huì)相應(yīng)地增加。

經(jīng)過團(tuán)隊(duì)詳細(xì)周密的結(jié)構(gòu)-地基整體分析**，保留預(yù)應(yīng)力后的“半剛性”管節(jié)節(jié)段間的抗剪承載力有效提升，能夠抵抗疏浚導(dǎo)致的較大剪力，差異沉降也能控制在允許范圍內(nèi)**。

雖然剛度增加也會(huì)引起混凝土沉管構(gòu)件內(nèi)力增大，但由于預(yù)應(yīng)力筋不剪斷使得節(jié)段接頭永存最小壓力提高，摩擦抗剪所帶來的抗力的提升較內(nèi)力提高更大，節(jié)段接頭的抗剪安全度反而提高了。

在這個(gè)特殊的問題中，傳統(tǒng)的柔性結(jié)構(gòu)和剛性結(jié)構(gòu)都解決不了實(shí)際問題，正所謂“柔不絲屈，剛不玉折”（取其本義）。在鋼筋混凝土沉管構(gòu)件已經(jīng)定型、結(jié)構(gòu)方案不可能做大幅度調(diào)整的情況下，“半剛性”管節(jié)方案無疑是最合適、最安全的方案。

圖：拼接好的管節(jié)準(zhǔn)備從生產(chǎn)基地啟程拖運(yùn)就位（圖片來源：界面）

雖然當(dāng)時(shí)仍然有某國際知名咨詢公司持反對意見，對這一“不遵守傳統(tǒng)”的新概念提出質(zhì)疑，后來他們經(jīng)過計(jì)算，亦對此心服口服。之后不久，“半剛性”管節(jié)方案順利通過了各方專家的評審，在工程中正式實(shí)施。

圖：首節(jié)沉管安裝（圖片來源：界面）

港珠澳大橋凝聚著無數(shù)橋梁設(shè)計(jì)師和施工人員的智慧和汗水，展現(xiàn)了中國最高的工程水平。今天，讓我們一起為大橋的建設(shè)者們“打call”，把最熱烈的掌聲獻(xiàn)給他們，感謝他們用汗水和青春鑄就了這座舉世矚目的“超級工程”。

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