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「基建狂魔」再發威 港珠澳大橋的科技元素

劉言 撰写

在網絡世界被戲稱為「基建狂魔」的中國,在基礎建設領域再次展現了令世人折服的能量。隨著港珠澳大橋開通,伶仃洋增添了一道優美風景,這座連接香港、澳門和中國內地城市珠海的55公里長的跨海大橋,猶如一條彩線畫出優雅弧線綿恒伸向遠方。

作為人類建設史上迄今為止里程最長、投資最多、施工難度最大、設計使用壽命最長的跨海公路橋梁,港珠澳大橋剛一亮相,就迎來了全球各色挑剔目光的審視。美國《時代》雜誌網站一段長約56秒的航拍視頻即向世人展示了港珠澳大橋沿線的醉人風光,《美國工程新聞紀錄》也為港珠澳大橋授予了「2018年度全球最佳橋隧項目獎」。

儘管有香港觀察人士將這一耗資約200億美元的項目,稱為「大白象工程」,認為這種「硬融合」是內地進一步削弱香港高度自治及自由的一著,而且該大橋從設計之初就引發了很多環保主義者的口水戰爭,但從建築科學的專業角度來看,港珠澳大橋確實已經成為中國在基建領域達到新高度的一個巨大象徵。

當今世界最具挑戰性的工程

此前,中國已相繼建造了世界最大跨度公路鐵路兩用懸索橋——五峰山長江特大橋,其荷載和設計時速世界第一;世界最長高鐵橋丹昆特大橋,全長164.85公里;世界最高大橋貴州北盤江大橋,創下7項「世界第一」的赤石大橋,創下4項「世界之最」的湖南矮寨大橋……另外,世界跨度最大的公路鐵路兩用大橋——滬通長江大橋,主橋設置雙層雙向10車道、世界上通行能力最大的楊泗港長江大橋,預計均將於2019年建成。

在國際橋梁建設大舞台上,中國建造的橋梁已接近全球市場一半左右,馬來西亞檳城二橋、巴拿馬運河三橋、韓國仁川二橋、美國舊金山—奧克蘭海灣大橋等,都是中國橋梁人加持了建設烙印。世界橋梁業內已在流傳這樣一句話:世界橋梁建設20世紀70年代以前看歐美,90年代看日本,21世紀看中國。

此次港珠澳大橋的開通,被認為具有里程碑意義,標誌著中國從橋梁大國走向橋梁強國。該大橋由橋、島、隧道和粵港澳連接線組成,全長55公里的跨海公路橋梁,其中主體工程「海中橋隧」長度即超過35公里,主橋從西端珠海拱北對開的人工島,伸展至東端近粵港分界線的東人工島。

港珠澳大橋可抗16級颱風、8級地震,被譽為「當今世界最具挑戰性的工程」、「橋梁界的珠穆朗瑪峰」,英國《衛報》更是將其評為「新的世界七大奇蹟」之一。2018年9月,強度為17級的超強颱風「山竹」以最高時速240公里過境,港珠澳大橋主體橋梁、海底隧道、人工島,以及橋面護攔、路燈等都經受住了「史詩級考驗」。據稱,「大橋可承受時速432公里的風力,遠遠超過目前香港曾經歷過的所有颱風強度」。

中國內地的交通習慣是開車靠右,香港和澳門由於歷史原因,遵循開車靠左,基於對三地道路通行規則不同的擔心,輿論場一度出現了「港珠澳大橋恐成廢橋」的聲音。但實際上,中國團隊在橋梁設計之初已考慮到此問題,在參考了英法海底隧道左右舵車變換行駛方式後,港珠澳大橋在內地上橋的入口採用「右上左落」的車輛安排,即從內地往香港方向上橋,所有車輛遵循靠右行駛原則,當車輛行駛到「觀景山隧道」和「機場隧道」時,通過立交橋自然轉換成靠左行駛;而從港澳方向上橋的車輛在上橋之初遵循靠左行駛原則,當通過上述兩個地點時,通過立交橋自然轉換成靠右行駛。

嘲笑中「逼」成的技術優勢

一項工程若初面世即被稱為破紀錄的「世紀工程」,也就意味著其工程鏈條的每個環節都會迎來大挑戰。施工9年、耗資超過千億元人民幣的港珠澳大橋,受地質結構複雜、施工環境惡劣、技術標準高、環保要求高等多重考驗,從開工建設到完工通車,一路面臨著諸多超乎想像的困難與挑戰。

作為大橋控制性工程的島隧工程,也是整個建設中最核心的部分,需要建設兩座面積各10萬平方米的人工島和一條6.7公里長的海底沉管隧道,實現橋梁與隧道的轉換。

離岸人工島起著為海中隧道和橋梁的轉換銜接提供「轉換器」的作用,以往常國際上通行的技術方案,無外乎以傳統拋石填海的方法去建成兩個10萬平方米的人工島,但工期長,會造成水路交通堵塞,且需開挖800萬立方米的海底淤泥,據估算挖掘量相當於堆砌三座胡夫金字塔。面對種種弊端,中國團隊想到一個「快速成島」的方法,即將一組巨型鋼圓筒直接插入並固定在海床上,然後再填砂形成人工島。

造橋填海所用的逾百個鋼圓筒直徑22米、高50多米,其截面面積相當於一個籃球場,高度相當於18層樓,體量類似於一架A380空中客車。鋼圓筒在上海完成製造後經由水路運至香港,於海中逐一豎立,深深插入海床面以下約30米處,由無至有形成人工島。被海外專家預計要兩三年工期才能完成的人工島,實際上中國團隊最後僅用時7個月。

港珠澳大橋島隧工程在沉管結構、製造工藝、接頭方案、隧道形式方面實現了「四大創新」,同時在深水基礎施工技術、外海沉管安裝成套技術等方面取得突破,共開展了140項試驗,歷經28次颱風侵襲,遭遇7次如河口羽(註:當潮流在河口進退時,因垂向和橫向剪切所形成的特殊水體)、異常波等危機,擁有40項創新和540項專利。

建海底隧道最驚險的一環是外海沉管隧道的修建。對於如此大型的島隧工程,中國施工方並無先例可循。建設之初,中國團隊赴韓國考察學習,擬近距離觀看已建成的巨加跨海大橋的設備情況,卻被韓國一口回絕。中國與荷蘭一家全球最頂尖的隧道沉管公司洽談合作,對方開出了1.5億歐元的天價,當時相當於人民幣15億元,港珠澳大橋建設方提出能否以3億元人民幣的價格購買一個框架,荷蘭公司只需在最重要、風險最大的部分提供技術支持時,荷蘭公司傲然嘲笑稱,他們願意為港珠澳大橋建築方唱一首祈禱歌。

港珠澳大橋島隧工程在沉管結構、製造工藝、接頭的方案、隧道形式等方面都實現了技術突破,擁有40 項創新和540項專利。港珠澳大橋島隧工程在沉管結構、製造工藝、接頭的方案、隧道形式等方面都實現了技術突破,擁有40 項創新和540項專利。

師夷長技的想法被澆滅後,被逼無奈的中國團隊只能走自主攻關這條路。通過科研攻關,中國團隊掌握了具有自主知識產權的外海沉管安裝成套技術:創造了建造最大沉管預製廠的世界紀錄;創造了一年安裝10節沉管的世界紀錄;創造了221天完成兩島築島的世界紀錄;創造了沉管隧道100%不漏水的世界紀錄;創造了澆築百萬方混凝土無一裂縫的世界紀錄;創造了沉管隧道最終接頭安裝精度達毫米級的世界紀錄。

於水下近50米深處建造的6.7公里長的沉管隧道,由33個巨型混凝土管節組成,每個管節長180米,重量達8萬噸,這意味著港珠澳大橋的海底隧道相當於放入33艘航母重量的沉管。

在外海沉管隧道的修建過程中,最難的是外海沉管的安裝,需要將單個8萬噸重的沉管用船從工廠運到施工地點,再精準沉放到海底指定位置,並與之前的沉管對接,「每一次都需要幾百人共同的力量」。每一節沉管都很難做到一次安裝成功,「命最苦」的是第15節沉管(E15),經歷了兩次被拖回工廠,第三次浮運之後才順利完成了安裝。

港珠澳大橋設計使用壽命為120年,打破了內地建造大橋的「百年慣例」。考慮到橋墩要長期接觸海水,位於珠江出海口的大橋要接受颱風考驗,每天車來車往鋼材要有極好的抗疲勞性能,以及滿足防震的需求等,用於建造港珠澳大橋的鋼材在力學性能、抗震性能、抗疲勞性能和工藝連接性這四方面都被提出極高要求。

為抵抗氯化影響,港珠澳大橋所用鋼筋都進行了環氧塗層的處理,即採用靜電噴塗方法,將環氧樹脂粉末噴塗在普通帶肋鋼筋或普通光圓鋼筋表面上,形成一種表面為熔融結合環氧塗層的鋼筋,具有高耐蝕性。所有大橋用鋼都對成分進行過窄帶化控制,成分不在內控範圍的坯料不允許用來生產供項目用鋼筋,以防成分波動對鋼筋強度性能帶來影響。

大橋用鋼的鋼水均通過精煉處理,均勻成分,降低夾雜物,以提高鋼的純淨度。大橋所有鋼構件焊縫都達到一級焊縫,所有高強度螺栓連接部位穿孔率必須達到99%,參與供貨的中國鋼鐵廠經過技術攻關,更是使得出廠鋼構件穿孔率突破了99.7%。

港珠澳大橋在施工過程中經歷過無數的困難,最終都化險為夷,中國的橋梁人也在這個過程中得到了鍛煉。

對於港珠澳大橋島隧工程總工程師林鳴來說,港珠澳大橋的建設硬生生把他「逼」成了島隧工程的世界級高手,大橋開通後林鳴坦言,接下來主要是培養年輕人,教他們做「懸浮隧道」,去挑戰世界上更困難的工程,將來運用到更寬的峽灣、跨越更深的水域。

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