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港珠澳大桥通车了,它都用到了哪些顶尖科技?

港珠澳大桥通车了,它都用到了哪些顶尖科技?

本文转自网易新闻,作者:须臾千秋,清华大学土木工程博士。


今天港珠澳大桥正式通车了。


它连接了珠江口东岸的香港和珠江口西岸的珠海、澳门,将整个珠三角的经济融为一体。它全长55公里,是世界上最长的跨海大桥,没有之一。其著名的沉管隧道长达6.75公里,是全球最长的公路沉管隧道和全球唯一的深埋沉管隧道……


从筹备到建成,港珠澳大桥建设历时14年,过程中攻克了无数个世界级难题,打破了无数个世界纪录,是当之无愧的世纪工程。在它建成通车的历史性时刻,让我们共同回顾港珠澳大桥的那些惊世骇俗之处。


一、有桥有隧,大桥为何如此设计?


港珠澳大桥并不是一座严格意义上的“桥”,而是一个桥梁与隧道的组合体。整个工程在海中全长35公里,其中有29公里是桥,6公里则是隧道。在桥梁与隧道之间,通过珠江口伶仃洋南北两侧的两个离岸人工岛进行连接,而港珠澳大桥的难度也正来源于此。


那么,港珠澳大桥究竟为什么要设计成这样呢?


(港珠澳大桥的桥隧转换人工岛)


这主要是考虑到了船只的通航问题。


广州港是世界著名的繁忙大港,每天都有上万艘船只穿过港珠澳大桥所处的伶仃洋进出广州港,其中不乏有许多万吨巨轮。这些巨轮体积大、吃水深,如果大桥全部修建成水面以上的桥,那么这些船只很难从桥下通行,还容易与桥墩相撞。因此,必须有一段净空的航道供巨轮通行,也就是必须有一段海底隧道。


然而海底隧道的建设成本惊人。如果整个35公里的公路全部修成隧道,不仅经济上不可接受,消防、运行等等问题都难以解决。因此,半桥半隧成为了一种现实可行的方案。


(轮船撞桥是一类非常严重的事故)


桥隧转换的关键在于人工岛。修建人工岛可不仅仅是用海底的泥沙堆砌一座岛出来,这座岛必须能够对抗方向不定的洋流和海风。如果没有结实的加固,必然一冲即散。


港珠澳大桥人工岛的造价高达131亿元,为了保持稳固,工程采用了120个直径22米的钢圆筒围成人工岛的岛壁,单体重达500吨,其施工工法和八锤联动液压振动锤为世界首创。


(人工岛外围的圆筒就是岛屿的围束)


在海洋中填岛,如何将原来位置的海水排干是一个大问题。工程采用了局部开挖换填、井点降水联合堆载的全新施工方案,不仅加速了固结,而且减少了工程后的残余沉降,保障了安全。


在稳固的地基支撑下,建成的人工岛标高达到5米,能够抵抗珠江口300年一遇的洪潮。它不仅承担了桥隧转换的功能,而且还将成为港珠澳三地的交通衔接中心,两地对关口岸也设置在岛上。


人工岛集交通、管理、服务、救援及观光功能于一体,岛上还设计了中华白海豚观赏区和海上观景平台。


(人工岛的平面布置)


二、构件全部标准化生产,保障大桥质量


港珠澳大桥的设计使用寿命长达120年,这意味着在一个多世纪的时间里,大桥的核心结构,尤其是6.7公里长的沉管隧道不能出现丝毫的质量问题。


(港珠澳大桥的沉管)


大桥的隧道由33节沉管连接而成,每节标准沉管段长180米,宽38米,高11.4米,排水量7.8万吨,相当于一艘满载的辽宁号航母。每节沉管的内部由超过40万根近一万吨的钢筋和7万吨混凝土组成。


这么大的沉管,施工方必须保证误差在0.5毫米以下。为了保证精度,工人们需要亲身钻进壁厚仅1.5米的钢筋笼里,把近100根注浆管的安装效果一一检查到位,确保每一个焊接位置的密闭性能。


(建设中的沉管)


如此巨大的沉管,还要保证极其苛刻的误差限度,因此它的运输过程中不允许丝毫差池。


它不能远距离运输,更不可能在陆地上建好再辗转进入海中。因此,在距离大桥不远处的桂山牛头岛,专门建设了一座沉管管节预制工厂,采用最先进的工厂流水线生产这33段管节。


(沉管预制厂设置在一座小岛上)


按照工艺流程,180米长的管节会被分为8段22.5米长的节段逐段预制、逐段顶推直到全部浇筑完毕,再整体顶推至坞区,进行临时预应力索张拉,让这八个节段形成密闭的整体。随后,工程师们会将它的两端封闭,让它像一艘船一样漂浮起来,牵引到安装位置。


(预制构件小岛上的坞区)


要让一个桥段在海面上移动,需要8艘拖轮带缆共同发力,提供5000多吨的力量。如此巨大的“航母”在拖航过程中姿态难以控制,管节系泊的每一次带缆都要经受流速、流向的影响,桥段无论是移动还是对接难度都极高。


此外,施工还要面临来自台风、季风等复杂的气象水文环境带来的挑战。珠江口洋流复杂,桥段的安装还要经受水流的干扰。为了实现精准安装,工程首次应用了深水无人沉放对接测控系统,对桥段的安装位置和进度进行了精密的测量和控制。


港珠澳大桥的沉管隧道,是世界岛隧工程历史上首个真正意义上的外海深水安装沉管隧道,具有划时代的意义。


三、海底沉管隧道如何保证120年滴水不漏?


混凝土是一种脆性材料,抗压能力很强,但受到拉力就很容易开裂。在陆地上,绝大多数的混凝土都是带裂缝工作的,并不影响结构的性能。


但在海洋工程,尤其是海底隧道中,这样的裂缝是不可以存在的。一旦产生裂缝,含盐的海水就会渗入混凝土内部进一步腐蚀钢筋和混凝土,进而扩大裂缝,最终导致漏水,乃至产生结构安全问题。


因此,沉管隧道使用了一种抗渗性能很强的混凝土,它的微观结构非常致密,有害离子很难直接渗入。隧道壁内部的钢筋笼也十分密集,配筋率远超一般的建筑结构,这些密布的钢筋起到了极强的约束作用,严格限制了混凝土的宏观开裂以及微观裂缝的扩展。


(沉管隧道内部的钢筋笼)


为了避免沉管段之间的缝隙发生漏水,在沉管的节段和节段之间,还设置有一层厚厚的橡胶垫来弥合缝隙。在沉管内部沿纵向设置有许多贯通的预应力钢筋,当预应力钢筋张拉后,它们就像是一束强力橡皮筋,将沉管紧紧地绑扎在一起,不留一丝缝隙。这样,沉管内部与外部就被严格地隔离开来。


然而,海洋中的环境并非一成不变,纷乱错杂的洋流、变化的海底地质环境仍然可能会对沉管隧道造成破坏。为了保护沉管的稳定性,海底隧道的大部分都是被掩埋在伶仃洋的淤泥之中的。


在施工中,工程部先将海底深厚而松软的淤泥清理到了一边,并在沉管的基床底部铺设2-3米厚的块石,制成一种坚固的复合地基。它可以让沉管的沉降值缩小到10厘米以内,杜绝因海底沉降导致的渗水。


在沉管铺设好之后,还要在两侧及上部回填碎石。之前被清到一边的淤泥也会很快随着洋流重新淤积到隧道上方,对隧道形成保护。这样一来,海中的风浪就完全侵蚀不到隧道了。


四、地处南海,大桥如何抵抗海洋侵蚀?


水下的部分解决了,水上的29公里桥梁还要面对严酷多变的环境。


港珠澳大桥地处中国南海,这里风高浪急,每年要刮两场以上的台风。还有阳光的暴晒、海浪的侵蚀……港珠澳大桥可是要用120年的大工程,如果任由这些小问题日积月累,最终会成为大问题。


(海洋环境示意图,受害最严重的是飞沫区)


海洋环境之所以对建筑物的伤害巨大,最重要的是因为其干湿交替的环境。


完全浸没在海水中的结构如隧道、桥墩基础受到的腐蚀作用反而不强,而桥梁的主体部分则直接暴露在空气中的飞沫区,虽然很少能直接接触到海水,但大量的海水飞沫裹挟着盐分冲击结构,结构表面一会儿干一会儿湿,每颗小飞沫还都携带着海水中的有害离子粘在上面。


这些有害离子会在混凝土内部产生结晶,让混凝土劣化、钢筋锈蚀。折腾不了几年,大桥的路面就会变成豆腐渣。


(腐蚀严重的桥墩)


面对如此恶劣的海洋环境,工程师们进行了数百组室内模拟实验,以及室外高温稳定性及低温疲劳试验,获得了上万个测试数据,最终敲定了SMA(沥青玛蹄脂碎石混合料)+后浇筑式沥青混凝土组合铺装结构体系的钢桥面铺装设计方案。


工程还首次提出了GMA浇筑式沥青新技术,兼具温度稳定性与耐腐蚀能力。为了保障其中重要的集料生产,施工方还专门为港珠澳大桥打造了最先进、标准最高的高精尖集料工厂——中山集料厂。


与120年寿命的大桥主体结构不同,路面由于直接暴露在海风与烈日下,且要承受车辆碾过的反复荷载,需要经常更换,为了保证路面的质量,它的服役期被严格限制在15年以内。


结语


港珠澳大桥的总投资超过1000亿元,据估算,如果仅靠收取过桥费,它需要几十乃至上百年才能收回成本。然而,港珠澳大桥将珠江口两岸的城市连为一体,通车后,从香港开车去澳门只需30分钟,大大促成了珠三角经济的一体化,其社会价值是无法估量的。


本文转自网易新闻,作者:须臾千秋,清华大学土木工程博士。

*文章为作者独立观点,不代表虎嗅网立场
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