港珠澳大桥的深海隧道工程探秘-【新闻】

港珠澳大桥的深海隧道工程探秘

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2013年1月18日，桂山岛一个工厂内，总面积4万多平方米、高出海平面10多米的深浅坞中蓄了30米深的海水，储水量相当于450多个标准游泳池。足有航母大小的两个“沉管”，浮在水面。

这两个沉管是港珠澳大桥海底隧道的一部分。港珠澳大桥全长5 6 6 4米的海底隧道，建好后是双向六车道的公路隧道，将由33节的钢筋混凝土结构的沉管对接而成，“是世界上最大的海底沉管隧道”。在沉管的中间，将来的通风、照明设施以及管线等都已经预先安装好。等待海上天气适合作业的时侯出海、沉底、对接。

珠江口的伶仃洋上，蔚蓝的海面颇为平静，每天数千艘轮船从这里穿梭往返，在这世界最为繁忙的航道上，这个跨越世纪的“超级工程”港珠澳大桥正在紧张地施工中。大桥的深海隧道对接，是整个工程最难的部分，也是当今世界上最难的海底隧道工程，被称之与神九与天空一号太空对接比肩的“深海之吻”。整个“深海之吻”对接在环境复杂的海底进行，受多种环境介质影响，共需对接33次，耗时3年，“堪称马拉松赛跑”。

陆上建好“隧道”水下“拼装”港珠澳大桥海底隧道将由33节钢筋混凝土结构的沉管对接而成。33节的沉管隧道，采用的是工厂化标准预制的生产方式，全部在距施工海域7海里外的珠海桂山岛上完成，然后从海上浮运到施工现场，再沉入海底对接。

2013年1月22日，大桥岛隧工程中的西人工岛上，岛隧结合部的基坑正式蓄水，也已经浮在预制厂的深坞中，只要符合施工天气条件的日子一到，沉管就将出海展开海底对接。

沉管预制由工厂化标准生产，使用钢筋相当于埃菲尔铁塔。沉管分为八段浇筑，为防止开裂，要千方百计“消暑降温”和“保湿护肤”。在预制厂里，为了让身躯如此庞大的沉管顺利完成浇筑，每节180米长的沉管又分成8个管节，每个管节长22.5米。每个管节的接口处都采用凹凸槽的设计，一个管节凸出的地方，将与另外一个管节凹下的地方咬合，保证管节拉合后不脱落。在每个管节之间，都采用止水带，以防止海水渗漏。

8个22.5米长的管节预制好之后，接下来就是做出海的准备工作了，它们将按顺序依次排列成一个沉管，连接好后推到浅坞，就像船只造好之后进入船坞。在这75000吨重的沉管下面，是预先安装好的256个液压千斤顶，其中192个千斤顶每个的设计承重是500吨，实际可以承重900吨，它们的责任是将这个庞然大物托起地面，另外64个千斤顶，负责将沉管往前推，项目部的工作人员管这个过程为“顶推”。

沉管进入浅坞之后，将在这里安装压载水系统，沉管的内部会分割成6个水箱，6个水箱之间留有空隙，并以水管相连接，沉管在海上的时侯，就要靠往水箱里灌水和排水来控制沉管的浮和沉。

在沉管的中间，将来的通风、照明设施以及管线等都要预先安装好。安装好设备之后，就往浅坞里灌水，沉管将浮出水面15厘米左右，这时的沉管，就像一艘巨大的潜艇一样，顶部还留有出入口，工作人员可通过这个出入口进入沉管内部检查。

工作人员介绍，沉管会在浅坞停留十天半个月的时间，沉管有没有出现裂缝?接口处会不会渗水?这些重要的检测也在这里完成。工作人员通过加压泵向水里加压，以检测止水带抗水压的情况。

提前一年多预测天气找“窗口”海上的气候条件，很大程度上决定了浮运和对接的成败。一年多前就与国家海洋局海洋环境预报中心合作，做精细化、小区域的海洋环境预报，每天坚持监测预报，花费达3000万元，只为每个沉管找两三天的作业时间。

“所有的准备工作做好之后，沉管在什么时侯出海还要"靠天吃饭"，海上的气象条件很大程度上决定了浮运和对接的成功与否。”相关技术负责人说，沉管安装作业必须选择一个风浪比较小的天气，“我们称之为气象窗口”。“气象窗口”对海上的气象条件有严格的要求，比如水流速度要在每秒0.6-1.3米之间，风力要小于7级，能见度要达到1公里以上等。要选择这样一个“气象窗口”，并不是那么容易的事情，要建立在长期的气象观测和预报基础上，由于“气象窗口”比较难确定，33个沉管要全部完成对接，就需要花费3年多的时间。

为了准确预报沉管出海的“气象窗口”，中交联合体港珠澳大桥岛隧工程项目总经理部花费3000万元，与国家海洋局海洋环境预报中心以及中国科学院南海研究所合作，从2011年5月份开始就在做海上气象的研究，从2012年1月开始做预报至今。国家海洋局海洋环境预报中心有两名工作人员专门住在珠海的工地，在施工的海域，工作人员布置了四个波浪、海流观测浮标，以及水文、气象观测站，每天24小时不间断观测海流和波浪，数据实时传送到位于珠海淇澳桥头的工程项目部后，再发送至北京的国家海洋局海洋环境预报中心，由海洋环境预报中心在北京利用超级计算机进行模式计算，数值计算结果再经过现场保障子系统进行现场预报，预报的结果将在网上实时发布，工作人员可以随时查看。

这个属于精细化、小区域的海洋环境预报。之所以提早那么多做气象预报，是要从一个长期的趋势中预测，尽量提高预报的精确度。在做沉管出海的总体决策之前，必须做到7-10天的中长期预报，出坞准备时，要做3-5天的短期精确预报，而对作业时机的选择，则需要做24-48小时的精细化预报。

在海底打地基创下多个世界之最在40多米深的海底，挖一条误差不能超过2厘米的基槽，就像在海底“绣花”。为使沉管安装之后减少沉降，要在基槽打五六万根的挤密砂桩，直径1.2米的砂桩直抵20多米深处的硬土层。

港珠澳大桥海底隧道巨大的沉管，是铺设在完全软土的海底，对地基的处理是一个世界级的难题，一旦地基不结实，后果将不堪设想。“这里的海底表面淤泥含水量高达50%-60%，石头抛上去基本都陷在泥汤里。”中交股份联合体港珠澳大桥岛隧工程项目常务副总工程师尹海卿说。

为了做好海底隧道的地基，首先要在伶仃洋40多米深开挖一条海底隧道基槽，这样的深度好比位于一栋商业楼-16层的地下车库，“打个比方，坐电梯下去都要一两分钟的时间”。基槽通过人操纵抓斗船上的操作手柄完成，船上安装的110吨重抓斗有近四层楼高，张开时最大的宽度可达到9米，一抓就是30立方米的泥。在看不见的水底环境中，要求这只巨手“下手”的力度必须刚刚好，误差不能超过0.5米，这样的精挖误差创造了世界之最。

施工海域底下的地质条件非常复杂，港珠澳大桥整条海底沉管隧道基槽，并不如人们想象中那样位于同一水平面上，而是整体呈一个“锅底形”。

唐少鸣，是中交广航局一位具有多年丰富抓斗船施工管理经验的资深船长，在这个工程中承担隧道基槽精挖，他坦言自己“经常紧张得睡不好觉”。“我们用的是庞然大物，干的是"海底绣花"的细活，这好比是让一个干惯了重活的粗汉，在黑灯瞎火中拿着1斤重的粗针，在一块巴掌大的布上熟悉地绣出各种精致的花草鱼虫，且不能出现任何闪失!”中交广航局总工程师、中交港珠澳大桥岛隧工程工区(疏浚分项工程)项目经理曹湘波形象地比喻了海底绣花的作业难度。

为了让“粗汉”干好这个细活，中交广船局研发了自动化操控的系统，挖泥手只要在挖泥室的操作控制面板输入挖深数据，就能准确地控制挖泥过程，监控人员也能通过传感器和监视器及时获取抓斗的挖泥轨迹，并能准确地检测出抓斗船下放的实时数据。广航局勘察测量分公司总经理高耿明介绍，目前全世界最先进的10项测量技术和设备，有一半都应用在岛隧工程基槽开挖检测中。

基槽的开挖只是第一步，在软得像豆腐一般的海底淤泥中，除了堆载预压和铺设块石，工程人员还想出了一个办法，在基槽中打挤密砂桩。工程项目副总工程师翟世鸿介绍，每根砂桩直径有1.2米，整条海底隧道基槽要打五六万根的砂桩，这些砂桩最深的打到海底20多米，直抵坚固的硬土层。“如此大规模使用水下挤密砂桩技术，在国内并还没有先例，即使在世界上也是罕见的。”

在沉管隧道安装之前，还要在挖好的基槽中做碎石基床基础，即要在40米深的海底，铺设一条42米宽、30厘米厚平坦的“石褥子”，每个石子的直径大约2-6厘米，而这条“石褥子”的平整度误差要控制在4厘米以内。“在海浪中摇晃的船只，根本没办法做出这么小的误差。”翟世鸿介绍，为了这道工序，项目部专门委托上海一家企业开发了一艘全球最大的碎石整平船，相当于一个海上的固定钻井平台，不受风浪的影响，碎石通过导管抵达基槽。

完成33次对接需耗时3年春节过后，一旦找到合适的“时间窗口”，堪称世界最大难度的“深海之吻”就将开始，沉管在海平面以下13米至44米不等的水深处无人对接。对接在环境复杂的海底进行，受多种环境介质影响，共需对接33次，耗时3年。沉管隧道施工的海域，是广州港、深圳港的轮船必经之地，世界上最繁忙的水域之一。

2013年1月22日，在港珠澳大桥岛隧工程西人工岛，这个由61个巨大的钢圆筒围起来的人岛上，工程车正忙着将东边三个钢圆筒内的泥沙挖走，然后将钢圆筒切割移走，海水灌入了人工岛与隧道结合部的基坑，西人工岛浇筑好的隧道结构也就打开了“入海口”，这就是隧道沉管对接的起点，正等待与浮运过来的首节沉管对接。春节过后，一旦找到合适的“时间窗口”，堪称世界最大难度的“深海之吻”就将开始。而在西人工岛7海里处的桂山岛沉管预制厂，两个沉管也已经漂浮在30米水深的深坞中，等待它们出海的一刻。

作为国内首次外海作业的深海隧道，要顺利完成它的对接，还有一个个世界级的难题挡在前面。“神九与天空一号的对接，被人们称为太空之吻，而我们这个深海之吻，难度可以与之并论，甚至会更难。”项目部副总工程师刘亚平说。

在沉管出海浮运之前，每个沉管都要与两艘船相连接，这两艘船被称之为“沉放驳”，类似于门字造型的沉放驳，一前一后将沉管卡在门字的中间。沉放驳将是沉管浮运和海底对接的指挥和操控中枢，对水下无人对接系统的指令，都将从这里发出，这里的每一个键盘和按钮，都直接与海底的沉管相联系。

据介绍，沉管浮运的时侯，要控制其在事先挖好的一条约240米宽的水槽内前进，“有些地方海水太浅，并不满足沉管的吃水深度。”6艘各具有6000匹拖力的大马力拖轮拖着“没有动力的航母”，一旦用的力不对而偏离这个航道，沉管就会搁浅在海上。为了控制沉管不偏离航道，项目部专门为浮运开发了软件在沉放驳的控制系统就能显示沉管与航道的相对位置。

按照珠江口海域的水流方向，沉管在浮运的过程中，是逆水流的方向而行，因此非常缓慢，7海里的距离要花上四五个小时。沉管开始是纵向而行，到了沉放对接附近海域的时侯，这个巨无霸就要在海里调转90度，逆海流而将其行进方向改为横向。“受力面一下子增加了4倍”，翟世鸿说，这是在浮运过程中难度最大的一个环节，为了保证这个时侯沉管不偏离位置和搁浅，还要增加2艘拖轮，并通过绞动缆绳来控制沉管的状态，“航母大小的沉管一旦失去控制，就会像脱缰的野马在海里四处冲撞，这个状况是无论如何也不能让它出现的。”

施工人员最担心的是发生断缆。”翟世鸿介绍，为防万一，每艘船都有两根缆绳与之相连，一根受力一根备用，所使用的尼龙缆，也绝非一般的尼龙绳，而是高强度工业专用的尼龙缆，柔韧性要比钢缆好很多。

海底无人对接靠声纳保证对齐深海对接难度堪比太空对接。海面抛锚固定，通过遥控注、排水控制沉管浮沉，收放24条缆绳控制沉管方向和状态，声纳系统测相对位置，数控拉合系统对接，人只在控制室的键盘和按钮上完成操作。

沉管坐着大马力拖船的“八抬大轿”抵达施工海域后，就跟船舶停靠一样，24个巨大的锚抛向海底，每12个锚与一艘沉放驳相连，与锚相连的缆绳先接到绞缆的卷扬机上，卷扬机全部安装在沉放驳上面，通过导缆器再将缆绳与沉管连接起来。24个锚都抛完之后，沉管就已经稳稳地固定在海面上了。

在密封的沉管内部，有预先安装好的6个压载水箱，在沉放驳上的工作人员，通过遥控的方式向沉管的压载水箱注水和排水，调节沉管在水中浮沉和姿态，往压载水箱注水之后，沉管开始缓缓往下沉。另外，在沉放驳的控制控制室内，工作人员通过收、放不同的缆绳来控制沉管的位置。

国内首次使用的这套深水无人沉放对接系统，由遥控压载系统、精确声纳测控系统、数控拉合系统和数字化集成控制系统组成，这些系统分别与日本、挪威、德国、法国和瑞士等国的公司合作研发，前三者是水下的定位系统，由数字化集成控制系统来控制。

在沉管下沉的过程中，声纳测控系统通过安装在船上的送波器发送声波，水下沉管上的应答器接收，测得两点之间的距离，控制系统通过距离和角度计算，得到已安沉管和待安沉管的三维方向的相对位置，声纳系统测得沉管位置之后，工作人员在沉放驳上收放缆绳来不断调整沉管的相对位置。

沉管对接后还有工作要做沉管连接处橡胶止水带要可用120年，对接误差控制在2厘米以内。除了止水外，港珠澳大桥隧道考虑到上方还有条30万吨级的航道，埋得最深的地方达到40多米，这也是世界级的挑战。

在每个沉管的横截面四周，都安装有巨大的GIN A橡胶止水带，相当于一个大的胶圈。两节沉管拉合到一定程度后，胶圈形成了一个密封的状态，这时侯将两个管节封闭门之间的水和空气抽掉，形成了一个真空的空腔，海水巨大的压力将会推动待接沉管往前压，使橡胶止水带充分压缩，从而完成了两个沉管的对接。“天然橡胶的抗老化能力是很强的，我们根据在相同环境下的试验，沉管之间的橡胶止水带在海底有120年的使用寿命。”相关负责人解释说。

沉管对接后，刚沉放的沉管轴心可能还会有些偏移，在沉管接口内侧的两边，一共装有22台500吨千斤顶，一共可以提供11000吨的顶推力对沉管做精确的调整，使沉管左右对接的误差小于2厘米。

沉管完全到位之后，就是以混凝土和碎石等对沉管外回填，一个沉管从深坞出来到完成对接，必须24小时不间断施工，在要两天左右才能完成。按照工程计划，沉管将从人工岛上的现浇筑段开始向东逐段安装对接，直到第29段，与从东人工岛逐段对接过来的第30段合龙，形成海底沉管隧道。三年之后，33个沉管完成对接，一条双向六车道，5664米长的海底隧道就形成了。

沉管为什么能浮起来?

中交联合体港珠澳大桥岛隧工程项目总经理部副总工程师翟世鸿介绍，“当沉管隧道浮在水中的时候，每一节的排水量约75000吨，比辽宁号航母的排水量还要大，辽宁号满载的情况下排水量也只有67500吨。”排水量多大就可以产生多大的浮力，沉管两端封闭后排水量是75000吨，也就是说足以让它自己浮起来，不用借助其他浮力。

隧道如何与桥梁连接?

在隧道的两边，是东、西人工岛完成隧道与桥梁的连接，目前两个人工岛均已建成。

这两个扇贝形的人工岛，由120个巨大的钢圆筒围成，东、西分别59和60个，钢圆筒高度40.5米至50.5米不等，直径22米，用激震力达4000吨的八个液压锤“敲”进30多米深的海底，然后再往围好的地方填砂成岛。在人工岛的外围，建一层石头结构的斜坡护围，形成人工岛的防护堤，即使将来钢圆筒被海水腐蚀掉以后，也不会影响整个人工岛的安全。

“传统的方法是将土石方沉入抛入海底堆积成岛，钢圆筒沉岛的方式更环保，挖泥也少，成岛速度更快。”项目副总工程师翟世鸿说。

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