孫 鈞
(同濟大學, 上海 200092)
隨著我國工程事業的迅猛發展,工程領域的中國人們已開始嘗試采用更為強大的制造能力重新定義21世紀的基礎設施建設,而其中的最新嘗試之一便是建設規模浩大的港珠澳大橋。港珠澳大橋是世界上最長的跨海大橋,設計使用壽命長達120年。港珠澳大橋還將成為我國“一國兩制”下內地、香港、澳門三地緊密聯系的象征。港珠澳大橋除橋頭聯絡線外,主體橋隧工程跨越伶仃洋外海,于2009年底由時任國務院副總理李克強宣布開工。大橋全長近55 km,由約36 km的海上長橋,2座各長625 m、約10萬m2的東、西人工島和6.7 km的海底沉管隧道珠聯璧合、完美組成,形成具有全球最宏偉規模的橋、島、隧三者相結合的港珠澳大橋工程。其中,沉管隧道是世界最長、埋置最深的海底沉管隧道,隧道埋設在海平面以下40多m深處。目前,港珠澳大橋已全面貫通,并即將正式通車交付運營。
2018年春,港珠澳大橋技術專家組在珠海市和中山市相繼召開了幾次大橋技術總結會議。會上,筆者就當年為何在大橋東側主航道海域選用海底沉管隧道(而摒棄不用大橋跨越或另選海底盾構隧道),大橋島隧工程設計施工中的主要科技創新,以及沉管隧道在今后長期運營中仍應著重關注的主要技術問題等,講述了自己的一點淺識和體會。筆者將幾次會議上的發言匯總成文并見刊,以饗廣大業界讀者,并請同行專家們指正。
早在20世紀90年代,當時擬議的只是香港、珠海兩市互通,建議在伶仃洋口修建海上大橋(距現在的橋位上游約20 km),由于洋口水面寬闊,建議的懸索大橋橋跨約需在2 000 m以上。當時同濟大學橋梁系專家提出的是一種“懸索-斜拉”相結合的所謂“協作體系”,其主跨由懸纜、吊桿和斜拉索三者組成。這樣不僅可以增大主跨的豎向和橫向剛度,還可有效減小特大跨懸索大橋左右2座巨型錨碇的尺寸和工程量。嗣后,由于澳門特別行政區的加入,橋位向洋口之外南移,隨后終止了該橋位這一橋型方案的后續研究。
由于現橋位受香港大嶼山機場飛機起飛的凈空要求,以及伶仃洋東區海域多條互不平行的交叉航道兩者的制約,曾考慮設計成3跨連續的跨徑約1 800 m的懸索大橋或5~7跨的跨徑約1 100 m和跨徑約800 m的斜拉大橋,兩者已分別有日本先前已建成的明石大橋(只是單跨)和瀨戶大橋(為多跨上、下層)的成功實踐為范例。盡管橋位處因基巖埋深較淺而節約了墩基工程數量,但其上部橋跨結構則不僅技術上難度大,而且其橋塔高度和墩位布設兩者分別對航空和橋下通航布墩(每日經過該海域的各類大小船只在4 000艘以上,其航道還要求預留日后可通航30萬t級遠洋巨輪直達廣州,航運十分頻繁),都有難以克服的困難,最終只能摒棄在該海域建橋的方案。
在海底隧道方案方面,可以考慮的除沉管隧道外,還有選用盾構暗挖掘進的方案。但早年西方就有一種論點: 盾構管片襯砌屬多縫結構,每km管片其縱縫、環縫的總長度將在6 km以上。甚至,有的專家還說:“在高水壓條件下,有可能因管片一條接縫的涌、突水而毀掉整座盾構隧道!”在一次國際會議上,筆者曾對說這句話的外籍專家提出: 是否真的出現過這一重大風險的實例呢?外籍專家回答,還只是理論上存在這一可能性,而實際上恐怕還沒有真的出現過這種極端的例子。在港珠澳大橋東部海域,因為總體上巖床埋置深度淺(只是在西頭的島隧過渡段,才有25~30 m以上的深厚軟土覆蓋層),如果選用盾構隧道,則其問題是: 在當年的技術條件下,采用盾構在硬巖地層作超大直徑(φ15 m以上)、超長距離(約6 km)的持續掘進,其刀盤扭矩和刀具的削巖能力都將很難達到要求(但現今這些都已不是什么大問題了)。而如果改用隧道硬巖掘進機(TBM),因掘進全長僅約6 km,則似乎又因隧道過短而不劃算; 且硬巖掘進機的通用直徑對3車道隧道φ15 m以上言,在當年技術水平條件下,特別是用于硬巖掘進,因所需直徑過大,即使向國外專門量身定制,其費用定將過高,交貨日期也恐過晚。因而,未就盾構隧道方案做進一步的深入研究。
在港珠澳大橋技術總結大會上,據筆者回憶,在當年專家們眾說紛紜、莫衷一是的情況下,筆者極力推薦對本項目東部通航段海域最適宜選用海底沉管隧道作為最優選的推薦方案。筆者認為優選沉管隧道的理由主要有以下3點。
1)沉管管段和整個管節(沉管隧道共33節管節,標準管節長180 m,由8個節段組成,單個管段長22.5 m)都是在預制廠(當時說的還是在干塢內現澆成型)全程工業化制作,它的結構強度和抗滲能力都有保障。關鍵是管節和管段間的大、小接頭采用了“水力壓接工藝”,即在管節一頭封閉抽水后,由GINA止水帶在管節大接頭的另一頭單側靠外水頭壓力產生預壓變形量,還有 Ω 止水帶作2道防水;加上沿豎向和水平向布置的許多個剪切鍵以抗受接頭間的相對剪錯。一系列的柔性管段接頭將能有效地適應并分攤地基縱向差異沉降。如果材料和施工質量好,管節、管段間的大、小接頭直至整條隧道完全可以做到“滴水不漏”,而這只有沉管隧道才能有望做到。
2)橋位處于大洋深處,洋面一年中風平浪靜的好天氣達250 d以上。這樣,即使其他時間遇到熱帶氣旋、短時雷暴和暴雨、濃霧和強臺風等不測、不利的窗口期間,都可以暫停海上全部作業,也不致妨礙工程的總進度。
3)該海域屬近海、淺水區域,正常平均水位距海床面的水深僅20余m,而最深基槽約25 m,且海底水流流速不高。這些優點將成為維護沉管管節沉放落床時的安全穩定性以及保證相鄰管節對接精度的上佳條件。
因而,在7~8年時間內完成沉放33節 @180 m的大管節而實現全線隧道貫通,是完全有指望的?;谏鲜龅?大優點,就可以拋開顧慮,大膽選用沉管隧道方案。當然,在沉管隧道施工中會有大量技術難題需要逐一仔細研究攻克。在筆者的極力推崇和交通運輸部領導的大力支持下,這一雄踞世界前列的國內首座巨型海底沉管隧道終獲專家組一致通過。記得當時筆者曾高興地說: “沉管隧道工程在我國終于又一次(早前在寧波甬江、上海浦江和廣州珠江都有用過,但規模要小得多)有了用武之地!在如此適用的條件下如再仍然不敢采用,沉管隧道從此可以休矣。這次終究有了正確的選擇,這一選擇希望在今后沉管隧道的施工和運營中能夠得到進一步的充分驗證。”港珠澳大橋工程示意圖如圖1所示,沉管隧道縱剖面圖如圖2所示。

圖1 港珠澳大橋工程示意圖
Fig. 1 Schematic sketch of the Hong Kong-Zhuhai-Macao Fixed Link Project

圖2 港珠澳大橋沉管隧道縱剖面圖(單位: m)
港珠澳大橋島隧工程由沉管隧道、東西人工島3大部分組成。其中,沉管隧道為雙孔雙向6車道(全寬38 m、高11.4 m),基槽最深標高-45 m(即沉管落床時的最大水深),是目前世界上設計施工綜合難度最大的沉管隧道之一。以下將談到6大創新技術,這些創新技術幫助橋隧建設者們逐一攻克了設計施工中面臨的諸多難題,闖過了一道道技術險關,在大橋建成通車之際,值得點贊和稱頌!
7年來,港珠澳大橋設計施工工藝的創新成果先后已獲國家技術專利數百項,并成功獲批入選了科技部立項的國家重大科技攻關計劃項目。經過歸納后,筆者認為有以下6項是最具有原創性的,其成果當之無愧達到國際領先水平。
構筑東、西人工島時采用了自穩式的巨型鋼質圓筒(φ22 m,高40~50 m,環島1周共計120個,單個質量大于500 t,插入海床深度20~30 m)供施作基坑圍護結構[1]。人工島鋼圓筒圍護結構布置示意圖[2]見圖3。海上深大基坑采用這種圍護結構,創造了超深、超大的海上基坑而不需要加設任何內部支撐和深、大的多排中間臨時性工程樁作立柱支撐,是極為適用于超大坑面面積(約10萬m2)的坑內快捷施工作業(便于開展機械化填土、塑料排水板堆載預壓加固)的一項嶄新工藝。 面對尺寸超大、深度超深、下沉質量超大、數量又超多的鋼圓筒結構,攻克了世界首次“八錘同步振沉”技術(采用8臺液壓振動錘聯動振沉體系進行鋼圓筒的振沉[1]),長625 m、最寬處達215 m,約有6個足球場般大的海上填島工程,創造了每天平均下沉圓筒3~4個、77 d下沉完成全部圓筒圍護結構(相鄰筒體間另加內、外2道弧形的副格鋼板,用以止水)、221 d全島快速筑成的世界頂級工程,可說史無前例!

圖3 人工島鋼圓筒圍護結構平面布置示意圖(右端部位為沉管暗挖段)(單位: m)
在島隧結合部的深厚軟基區段,采用了與上述水力壓接、柔性管段接頭相互適應、配套使用的大面積、超深度(達25~30 m)“ 擠密砂樁復合地基” 加固處理技術,它充分利用了原先地基砂土的承載能力,而摒棄不用20世紀西方慣用的PHC超長樁,這種地基加固新工藝獲得了巨大成功,其加固體量遠居全球第一。港珠澳大橋沉管隧道地基設計方案[3]見圖4。另外,面對隧道軟土地基厚度變化大、回淤不均勻等世界性難題,自行研制了超大型耙吸船、定深抓斗船和快速清淤船等專用設備[4](見圖5),使日后沉管隧道地基的工后沉降有望控制在總沉降量的20%(約50 mm)以內,遠低于世界同類軟基隧道沉降控制的慣用標準。

圖4 港珠澳大橋沉管隧道地基設計方案(單位: m)

(a) 定深平挖抓斗船(金雄號)

(b) 耙頭定壓專用清淤船

(c) 溜管式拋夯一體船

(d) 平臺式整平船
此處應該著重說明的是,對島隧過渡段海域的深厚軟基區段,當年擬議中曾有2種迴然不同的軟基處理加固方案: 1)沿用傳統的施打PHC剛性長樁; 2)改用振沖下沉擠密砂樁形成復合地基[2]。對此,當時筆者在專家組會議上充分闡述了自己的觀點。筆者認為: 在20世紀70—80年代以前,國外多數軟基沉管隧道都普遍采用了剛性長樁,但與之相應地,其管段間普遍用的都是剛性接頭。這是因為,那時“水力壓接法”還沒有問世,使之能像現在這般對各個管段接頭作預壓止水; 為此,當年各管段小接頭的止水只能依靠將各個管段接頭做成全剛性焊接而成的密封結構。但眾所周知,剛性焊接頭的水密性又是最差的,它經受不起軟基沉降帶來的接頭變形,此時,這種剛性接頭處巨大的彎矩和剪力必然將焊接縫拉脫而致滲漏海水。故而,也就只能在管段接頭處的下方施打剛性長樁來完全控制接頭變形(沉降)。而這樣造成的嚴重問題是: 原先縱臥于軟基上的地基梁梁端,由于管段接頭受樁體的豎向約束而蛻變為梁的簡支點,它不能有絲毫的下沉、剪移和轉動(對這種剛性接頭言)。這樣,原先的地基梁就變成了一段段的“簡支梁”,這種簡支梁梁端接頭支座處的剪力以及簡支梁跨中段的彎矩值較之地基梁均有了極大程度的增加,而管段中部的彎曲裂縫和接頭處的剪切裂縫都將不可避免,進而必然會將管段剛性接頭處的焊接縫拉開而造成滲漏,其管段中部混凝土產生的彎曲裂縫也會形成漏水隱患。這一不當情況,在近40余年來,由于“水力壓接工藝”和“GINA止水帶”的問世而發生了根本性的變化和改觀。所謂“此一時、彼一時”也,我們要有歷史的辯證觀呀!
在水力壓接工藝和GINA止水帶2種新技術的支撐下,自應摒棄仍沿用老舊一套(剛性接頭、長樁加固)的傳統,而應在相鄰管段界面處換用柔性接頭來代替。再打個比譬說清楚: 地基梁猶如躺臥在軟弱地基上的一條鐵鏈條,沿鏈條縱向的每一個扣環(相當于柔性接頭)都具有一定的轉動和抗剪能力,因而可將軟基差異沉降以及所相應造成的梁身彎矩和剪力由大管節間的眾多管段柔性接頭來分攤承擔,不致將地基沉降量大部分集中于大管節兩端一處的大接頭截面處,造成管節水力壓接時形成的“預壓量”過多的無謂損失。因此,現在應妥慎用好上述新的技術成果,不要重復再走過去的老路子。筆者堅持認為,此處要極力推薦與當前采用管段柔性接頭相互適應的擠密砂樁復合地基法做軟基處理加固。該法與“振沖換土法”不同,它盡量保持、利用了原地砂土的承載能力,而藉振沖力再補充沉入相當一部分新砂(由“充填率”大小控制),使之構成這種復合地基總的承載能力和抗壓/剪變形剛度都可較原先軟基提高5~7倍以上,應該是最合理而經濟的。筆者的這一番說理,經專家們斟酌,終于被會議認可并一致通過。這也就是現已采用并證明行之有效的主要軟基加固處理措施。后來的工程實踐更已充分證明采用這種復合地基加固處理后,此處的主固結沉降已控制在50 mm左右,而現已出現的差異沉降量則在10 mm以內,該方法獲得了巨大的成功。當然,由于軟黏土的次固結流變屬性,進一步的考驗還在隧道運營以后。我們將拭目以待!
質量約6 000 t的單節沉管管節落床后,為了應對日后在新開挖超深、超長基槽上方的海床面上來自珠江上、中游向洋口游動嚴重的砂土回淤量,且又沿隧道縱、橫向分布極度不均勻的實際情況,在不能做到“隨淤隨清”的險惡條件下,只能適度改變原先的管段柔性接頭設計。將各個管段小接頭處的預應力鋼絲束在管節浮運并落床就位后仍然保留而不再切斷,從而形成“半剛性管段接頭”[5]。這是一項國際首創的范例(早年只有西歐荷蘭海音(Hein)沉管隧道有過一次相似情況,但它的規模要小得太多,且是開挖回填施筑的,與這里的條件迴然不同),保留預應力后的半剛性管段,節段間的抗剪和抗彎承載力均可有效提升,能夠抗受因疏浚不及時、回淤不均勻所導致管段間過大的接頭剪力和轉動彎矩,且其縱向差異沉降量最后也將有望控制在允許范圍之內[2]。預應力鋼絲束切斷前后管段接頭的受力狀態[5]見圖6。這是一項既大膽、又有理論依據的創舉。筆者仔細核閱過這方面的計算分析報告,未發現明顯差錯,認為結果是可信的、無誤的。
港珠澳大橋在E29和E30管節間設置有全沉管隧道的最終接頭,最終接頭長約15 m,需要與兩端的沉管隧道管節在水下進行攏合,在水深近30 m的外海環境下施工,可作業時間又極為有限,采用何種接頭方案是關鍵。此處管節最終接頭采用了一對倒梯形塊體(下寬9.6 m、上寬12 m),施作整體吊裝沉放的 “三明治” 式鋼-鋼筋混凝土組合結構型接頭[6],接頭示意[7]如圖7所示。在選定的2017年5月初最佳沉放窗口期內完成了沉管隧道全長貫通的成功實施。自主研發了可折疊拼裝(如上述)的整體式最終接頭型式,實現了海上精準對接技術和防、止水新工藝。該工藝摒棄了西方迄今仍習慣沿用的“水下止水板法”,避免了該老舊方法的許多缺點與不足。值得一提的是,沉管隧道工程最終接頭采用了12 000 t全迴轉浮吊整體吊裝,成功利用全液壓壓接系統完成了接頭止水。這一創新工法無疑必將載入今后沉管隧道最終接頭構造的史冊而在全球推廣采用。

(a) 預應力索筋

(b) 經過及時切斷截面頂板(上緣)處的部分預應力筋后

圖7 沉管最終接頭示意
海洋氯鹽(Cl-)環境下以及隧道內汽車尾氣碳(CO,CO2)排放污染,對沉管鋼筋混凝土結構及其接頭防水材料的耐腐蝕性設計、研究工作,水平居世界前列。該沉管隧道的正常運營全壽命周期要求達到120年,屬世界之最。研究了在全壽命周期內鋼筋混凝土沉管結構的控裂質量和防腐耐久性(含接頭止水材料)設計。研究的深度和廣度均居世界領先水平。
在施工現代化、施工質量和進度方面,完成了33節、節長@180 m沉管長大管節和5萬多件清水構件的預制全過程工業化生產,實現了澆筑百萬立方米混凝土而無一處明顯裂縫;超千名技術工人連續作業2 200多d而無一次重大安全事故的世界罕見佳績。面對“無經驗、高風險、難管控” 的外海沉管隧道施工,創造了首節沉管連續鏖戰96 h、第E10節沉管迎戰45 m深水基槽、E15沉管“三出兩進”(3次浮運、2次返航)的輝煌戰績,等等,不一而足。
建立了具有完全自主知識產權的、在外海深水海工環境下,超長、超大、超重巨型沉管安裝的成套技術和設備系統,成功解決了受限海域拖航、錨泊定位、作業窗口管理和沉放中姿態控制、深水下測量定位和潛水探摸以及沉床后精準對接等等系列難題,創造了1年內成功完成安裝10個管節的“中國速度”,更有多次在1個月內連續安裝2節沉管的記錄。令國內外業界同行嘆為觀止!前來專業參觀、學習取經的中外專家絡繹不絕。
為克服一國三地不同建設管理條件下的嚴峻挑戰,在隧道維養品質方面,具備可達、可視、可驗、可修的一流維養條件,各結構部件不存在任何一處維養盲區。
作為港珠澳大橋工程技術專家組的一名成員,早在21世紀初的大橋前期工作階段,筆者就曾為該項工程建設中遇到的難題把脈,并多方出謀劃策。十多年來,本人先后作專題介紹交流并陸續參加過的各類技術方案審查、論證和風險評估會議,以及工程咨詢評議和科研成果驗收鑒定會議等等30余次。港珠澳大橋工程的建成交付,讓筆者此刻的心情暫時放松了不少,但對于今后隧道運營期間沉管工程將可能面臨的后續挑戰,也有了自己的一些粗淺認識和考慮。
隧道運營后持續增長的工后沉降,特別是縱向不均勻的差異沉降是個隨機性和不確定性都很大的技術難題。日后實際上是否真的能滿足當年設計中要求的工后沉降量約50 mm,而最終將趨于穩定的估計收斂量為250 mm 。這主要與基土流變(土體次固結)特性、隧道內高速跑車的活載客流量,以及海水中來自珠江中下游流砂的回淤量三者密切相關。特別是來自珠江中下游流砂的回淤量,因為新開挖的深大基槽再又回填,其上方泥砂的回淤量在洋口部位一般都會有更多的積累,可謂是“隨清隨淤”,而淤積情況則當會更加嚴重;更且,隧位地處伶仃洋外口,目前航道方面疏浚力量有限,不能做到隨淤隨清,在回淤土沉積的重壓作用下,雖經加固處理后軟基內的土體應力水平如果達到或超過土體的流變下限值以后,由于土體礦物質晶體結構屬黏彈塑性介質,會再次持續產生隨時間增長發展的次固結流變[5]。這種出現歷時增長發展的基土進一步沉降,一般要經歷許多年以后才會逐漸趨于收斂的穩定值,其值有可能相當可觀。更且,回淤土沿隧道縱向又是呈不均勻分布的,運營中沉管各部段產生差異明顯的工后沉降也有可能顯得突出。以前采用柔性接頭的好處是(如本文前面已述及的)每個管段小接頭都可以分攤相鄰管段的差異沉降變形,它有利于將沉降變形沿縱向分散到眾多個管段的各個部段。而現在形成“半剛性管段”后,管段間能消化的沉降量要較以前設計柔性接頭小許多,各柔性管段接頭原先能夠適應差異沉降的幅度在相當程度上將轉嫁到兩端的大管節接頭處,致使大管節處現有的縱向預壓變形量將因后續沉降歷時發展而不斷遭受損失,管節大接頭處的沉降量則因而劇增,這將進一步增大管節大接頭處相對集中的工后沉降,特別是上述差異沉降的不均勻程度將會有所加劇。如工后沉降/差異沉降的值日后真的出現有不允許的超限情況,則有必要施作深水下的 “ 微擾動注漿 ”(這項工藝,上海隧道工程公司多年前已有專利) 進行后處理。這方面國內外都尚缺乏經驗,值得重點關注,并需深化研究解決。故此,運營初、中期的后續沉降觀測與掌控,切不可松懈。
由于現在已改用了半剛性的管段接頭,后續運營中的地基沉降變形可能將更多地會相對集中在管節前后兩端的大接頭處,這將導致水力壓接工藝所造成的接頭預壓變形量產生進一步的不測損失。原先,通過單側水力壓接產生的接頭設計預壓變形量約為18 cm,但因接頭沉降造成的剪錯和轉動致使彎、剪作用而導使預壓量的損失之后,是否仍能確保尚留存有足夠的預壓變形裕量,是個尚不清楚的問題。加之,接頭預壓力的分布沿隧道縱向又是不均勻的,其靠近人工島淺水海域部位的管節接頭因為水淺,使水力壓接造成的預壓力相對要小。保守地說,如果預壓變形量基本損失殆盡以后,單純依靠 Ω 止水帶防水,其止水效果是難以保證的,這樣將造成因接頭受彎而使接縫張開,發生滲漏,還可能進而危及到路面平整,嚴重時可能使隧道內行車通過這種接頭時有輕微跳車等不適感[2]。早年西方已建成的個別沉管隧道,在運營中后期曾有過類似不測事態,值得引以為鑒,并應作好對策預案。
筆者對此的思考是: 由于在各個管段中都保留有預施應力,因管段截面高度大,在截面頂、底板內設置的預應力筋都已處在“截面核心”(見材料力學)之外;這樣,頂板的預應力筋對底板言將呈大偏心受拉狀態。管段因工后沉降所產生的彎曲下沉一般都是正彎矩,如果接頭在底板處有因正彎矩值過大而張開的不測情況,筆者認為,只需截斷管段頂板內的部分預應力筋,而使截面正彎矩值降低,即可將接頭處已張開的底板接縫重新閉合,達到整治的效果[2]。這方面的具體設計當可由計算仔細分析后再妥慎確定。
現在,網上檢索 “港珠澳大橋”條目,就會發現有多個關鍵詞匯格外醒目,“世界最長”、“里程最長”、“投資最多”、“難度最大”、“可受抗8度地震”、“可抗受16級臺風”、“建設期間,誕生了400多項新的國家專利”,等等。在這些無限榮光的背后,是項目建設者們十年如一日地付出的辛勞、智慧和汗水!正是他們這種追求極致的工匠情懷、攻堅克難的鐵人毅力和不懈探索的科學精神,才使這座超大型跨海交通世紀工程得以成功建成。全體港珠澳橋隧人啊,真是“功在當代、惠澤千秋”,全國人民感謝您們!
一橋飛架三地,一隧連接東西,汪洋變通途,工程偉績驚艷世界!接下來,港珠澳大橋管理局(業主方)和中交集團島隧工程設計施工總承包聯合體總經理部將進一步完善、落實交工驗收會議上的各方意見和建議,配合“三地”完成系統聯調聯試,為港珠澳大橋正式通車積極做好全方位準備。讓我們滿懷豪情,靜候大橋通車佳音!