港珠澳大桥：看“世界奇迹”背后的同济智慧！

来源：智网新闻
2018-10-24

经过近8年的建设，全长55公里、被称为“工程界的珠峰”的港珠澳大桥迎来正式通车的历史性时刻。大桥开通仪式于23日上午在广东珠海举行，习近平出席仪式并宣布大桥正式开通。

港珠澳大桥如一道彩虹横跨伶仃洋——它是当今世界最长的跨海通道，连接香港大屿山、澳门半岛和广东省珠海市。主体工程“海中桥隧”长超过35公里，海底隧道长约6公里，桥梁长约22.9公里。寻常人不知道的是，在这座大桥技术最难的节点人工岛及隧道部分，处处体现了“同济元素”。同济大学原常务副校长李永盛介绍，“同济啃的都是‘硬骨头’。”

港珠澳大桥

英文名：Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

全长：55公里

设计寿命：120年

总投资：1000亿元以上

开工时间：2009年12月15日

通车时间：2018年10月23日

中国建设史上里程最长、投资最多、施工难度最大的跨海桥梁项目

人工岛筑成，同济带来核心技术

东人工岛好似“蚝贝”（港珠澳大桥管理局）本文图均为同济大学微信公众号图（除署名外）

因为香港机场的标高及伶仃洋主航道要求的限制，港珠澳大桥必须采用隧桥模式，隧桥转换就得在汪洋大海中建设人工岛。构建人工岛用什么方式稳妥？传统的方式是海中选址围堰，抛石成堤，然后抽干堰内积水，筑建成岛，但这样会对附近水域的白海豚造成危害，且影响这条繁忙水道的航行，工期漫长；还有一种方式，先打桩，用挤密砂桩圈起围堰，抽干水然后再筑岛。同济学者马险峰在“外海厚软基桥隧转换人工岛设计与施工关键技术”中的研究成果支撑了挤密砂桩设计中若干难题的解决。

中国首创的深插钢圆筒快速筑岛技术，创造了221天完成两岛筑岛的世界工程记录。

何谓挤密砂桩？就是利用振动锤将套管振动打入至规定土深，向套管内投入砂子，通过套管的反复起拔和下压并施以振动，使砂子经振压而密实，形成砂桩。可这项技术的难点在于，钢筒打入淤泥并深入至20余米后其围合的地基如何加固，再者就是如何解决异常软弱的海底地基的稳定和沉降问题。“我们的主要研究任务是要得出挤密砂桩复合地基在加载之后的砂桩荷载与位移变化关系、桩土应力分配以及砂桩周围孔隙水压力的变化规律，以确定影响挤密砂桩复合地基承载力和变形的关键因素”，马险峰介绍。

东人工岛港珠澳大桥管理局图

马险峰团队没有让建设者失望，他们的实验结果都在工程中得到了应用，成为设计与施工的重要参考数据。同济团队带来的数据让工程设计与施工吃了定心丸。随后，一根根由振华制造的直径22米、高40.5米的钢筒，打入了海底，最终围成了东西两个人工岛。“如果使用常规技术，建这样的两个人工岛起码要一年半，采用圆钢筒成岛，东西人工岛成岛仅用了7个月”，马险峰骄傲地说。

隧道抗震，同济为其把脉

去年5月，港珠澳大桥隧道最后一节沉管——12米的最终接头成功安放，标志着大桥建设中难度最高的隧道工程难题被征服。

沉管舾装浮运

隧道工程难题无数，每节8万吨的沉管如何舾装浮运，万一沉管没接好怎么办？如此长大的沉管在海底万一遇上地震又该如何？诸多难题摆进了同济的实验室，均被一一攻克。

隧道抗震实验现场

“沉管隧道在地震条件下安全性的试验研究，日本、欧美等国都开展过，但像港珠澳大桥这样的超长海底隧道地震反应，尚未见到研究成果。”同济大学土木工程学院地下系教授袁勇组成一支团队，担下重任。“地震发生时，其冲击波可能是纵向的，可能是横向的，也可能是纵横混合的。对物体的冲击力可能是挤压、抬升、扭曲，也可能是多点、多类型受力状态”，袁勇说，在平均水深超过40米、深厚淤泥上的隧道要想在8度设防烈度地震的极端状态下不发生扭曲变形，就得有可靠的试验和精准的计算。

港珠澳大桥沉管隧道最终接头由起重船“振华30”吊装进入海底中新网图

沉管隧道土——结构动力相互作用快速实用计算方法研究、多点非一致地震激励下超长沉管隧道地震响应快速分析方法、沉管隧道减震控制技术、沉管隧道振动台试验模拟技术……千百次的实验，一项项技术难关被攻克，最终，袁勇团队拿出了“海外厚软基大回淤超长沉管隧道设计与施工关键技术”的抗震方案。

沉管预制车间

深不见底的伶仃洋，巨大的沉管万一下去了，这节跟那节不合接不上怎么办，接上了但漏水呢，刚接上好好的过些日子因为沉降又歪了呢？丁文其教授团队研发港珠澳大桥沉管隧道接头张开位移量控制技术，可保证沉管对接严丝合缝、万无一失。

丁文其介绍，沉管隧道安装涉及到的问题包括地基不均匀沉降、大回淤、高水压、沉船、车辆荷载、潮水变化、地震、温度作用、混凝土收缩徐变等，都会影响到沉管隧道接头处的状况；还有结构受力、防水要求、止水带选型和施工对管节接头和节段接头的影响。2011年5月港珠澳大桥沉管隧道建设之初，丁文其团队承担的“沉管隧道接头张开位移量控制技术研究”也紧张开展起来。两年多的时间里，丁文其多次前往施工现场，通过理论分析和数值模拟，计算了数百种组合工况下节段式沉管隧道的接头张开位移量，确定了管节与节段变形特性与张开量控制指标。

三个大跨度通航孔桥抗风没有问题

2009年开建的港珠澳大桥，桥梁部分很长，由于技术成熟，且采用工厂化预制海上安装的工法，工程进展神速。但是，海况复杂的茫茫伶仃洋上，主航道桥梁抗风是个问题。

港珠澳大桥有三个大跨度通航孔桥，包括青州航道桥（主跨458米双塔空间索面钢箱梁斜拉桥）、江海直达船航道桥（主跨2×258米三塔中央索面钢箱梁斜拉桥）和九洲航道桥（主跨268米双塔中央索面钢箱梁斜拉桥）。它们在风高浪急的伶仃洋上是否能淡定从容，稳稳地把港珠澳三地通行的使命扛在肩上？

同济人拿出了方案。以青州航道桥为例，采用主梁小、大比例节段模型测振风洞试验，主梁、桥塔节段模型测力风洞试验，桥塔自立状态气弹模型、全桥气弹模型风洞试验的方法进行其抗风研究。桥塔试验表明，即使在风速65米/秒的风中桥塔也未出现自激和发散性的驰振现象。试验建议青州航道桥斜拉索采用加螺旋肋条的斜拉索，并增加拉索附加阻尼的方法抑制风雨激振。同济团队还建议，通过合理设计的桥塔区域局部风障，改善桥塔附近的风环境，提高全桥的行车安全标准风速。今年9月，被称为史上最强台风“山竹”正面袭击珠三角，香港、澳门、深圳、珠海全线告急，而大桥则经历巨风考验，安然无恙。

同济智慧开展一场史无前例的“地下穿针”

2017年4月10日，随着最后一项控制性工程——拱北隧道的全隧贯通，港珠澳大桥珠海连接线主体工程全线贯通。

拱北隧道全长2741米，由海中隧道和城市地下隧道组成。其中结构最复杂、施工难度最大、施工方法最特殊的是仅255米的拱北隧道暗挖段。拱北隧道土层软弱，富含地下水，承载力低，被称为“汉堡包”地层，就像“汉堡包”中的夹心肉一样。因为地面人流密集，加上地下水水位高，隧道断面超大、覆土超浅，地质条件复杂，暗挖施工难度可想而知。“在熙来攘往的拱北口岸，隧道施工绝不能发生漏水和地面塌陷，无论何种方法施工首先要做的就是必须保证地面变形在可控范围内。”同济大学胡向东教授说。

用什么方法才能实现这一目标？胡向东与各方专家一起探索研究，最终敲定管幕冻结法。管幕冻结法是“管幕+冻结预支护、矿山法暗挖”的施工方法。其中，管幕是围绕隧道四周、沿隧道全长布置的大型钢管，以强筋健骨保护隧道施工安全；而冻结则是把钢管之间及周围土体冻结成冻土，形成止水帷幕。这段暗挖工程最终确定的管幕由36根直径1.62米的钢管组成，围成一个宽18米、高22米的椭圆形隧道开挖断面，其高度相当于7层楼的高度。

巡查拱北隧道的冻结状况

不同于一般的冻结法，这里的隧道线路为曲线，无法在土层中布设冻结管。可行的途径是把冻结管布置在管幕的大钢管里，但这种做法国内外并无成例，因为不与土体接触的冻结管是否能把土体冻住、常年暑热的南方冻土如何抗弱化、如何限制冻胀避免地面隆起等三大难题，谁也没有把握。胡向东团队迎难而上，提出“冻起来、抗弱化、限冻胀”的方案，用圆形冻结管、异形冻结管和冻土限位管三种管路，成功构建起一套特殊的冻结系统。于是，拱北隧道暗挖段在拱北口岸的地下最终变身成了一个长225米的椭圆形大“冰桶”。

有了冻结法的支撑，开挖也是一个技术难点。如此超大断面超浅覆土的矿山法开挖隧道，势必采用“多层多部开挖、立体交叉作业”的开挖方法。把开挖对环境的影响降低到最小程度是开挖方案的目标，必须寻找最合理的分层分部开挖具体方案。同济大学黄宏伟、张冬梅团队承担了开挖方案优化及对环境影响的研究工作。张冬梅说，责任重于泰山，施工断面5米以上的地面就是车水马龙，谁都不敢大意。根据研究结果，工程采用5台阶14部多导坑分部开挖作业。即把一个大洞分成了上下5层，每层划分2-3个小洞，总共14个小洞。14个导洞同步开挖，立体交叉作业频繁。每个导洞内还要分台阶、分工序组织流水作业，其组织的难度是以前没有遇到过的。为此，建设者们结合施工现场实际情况，通过试开挖不断优化施工机具设备组合，根据监控量测数据动态调整施工步距等参数，逐步磨合出一套流水作业的顺序，交叉向前挖掘推进，边开挖边用钢材、混凝土进行支护封闭，保证了工程顺利进行和隧道结构的稳定。

工程图复核，同济把的是技术总关口

去年3月，同济大学土木工程学院教授徐伟收到一则短信：“随着最后一节沉管顺利安放到位，同济大学承担的港珠澳大桥岛隧结构施工图复核及相关的科研任务即将顺利完成。”

岛隧内景

何谓岛隧结构设计复核？由于港珠澳大桥的沉管隧道深埋外海海底，其长度和埋置深度达到世界上目前最长、最深的规模，为了确保这项国家重点工程的顺利实施，施工部门委托同济大学承担其设计文件的复核、审查，并完成相应的关键技术科研任务。徐伟团队承担了这项科研任务，同济的院士孙钧担任了这项科研任务的指导工作。

沉管预制作业

为何委托同济？原来，巨大沉管的深水安装是一道难题，荷兰一家世界著名隧道沉管公司曾同意派出26个专家提供技术咨询，咨询费开价1.5亿欧元，当时相当于15亿元人民币。当时，这家荷兰公司表示，衷心地祝福中国人能够自己研发这套系统。但是，“如果一旦不成功，再找我们时就不是这个价钱了。”中方决定争一口气，找自己的专家解决，最终任务落到了同济身上。于是，2012年开始，往返于工地、会议室就成为同济专家的常态，参加施工方案技术审查、研讨，孙钧已耄耋古稀，但提出意见和技术方案，条条精湛、丝丝入扣；团队成员对包括修改细则等等，知无不言，言无不尽，对世界级工程负责是大家扛在肩上的光荣责任，徐伟介绍。

沉管安放，最后一节最难。难在哪？徐伟为记者画了一张图，说海底隧道呈坡度较缓的弧形，就像一张弓的弓背，全长约6公里的港珠澳大桥海底隧道由33节巨型管节对接安装而成，包括28节直线段管节和5节曲线段管节，从东西人工岛两端相对安装。海底隧道的合龙口是保证港珠澳大桥海底隧道全线成功安装的最后一道关口，该管节的安装施工作业空间最小，龙口水流最急，对接位置的精度要求最高。该管节的顺利沉放安装施工完成，奠定了港珠澳沉管隧道施工成功的基础。白云教授研发的接头红外探水系统，解决了人进不了接头部分和二十四小时全天候监测的难题，获得了国家发明专利。

中交港珠澳大桥岛隧工程项目总经理林鸣告诉媒体：“整个沉管隧道的施工安装过程，就是彰显国力的过程，我们运用了很多大国重器装备，集成了很多跨行业跨领域的技术，应该为我们的同事点赞，更应该为我们的国家点赞。”大桥隧道建设中，同济孙钧院士和白云教授等十余次赶赴港珠澳大桥指挥部“望闻问切”。“每次看到同济大学的老院士坐在那里，我的心里就定定的，”林鸣说。