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在港珠澳大桥工作的那十年,我在海底修隧道

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出品:“SELF格致论道讲坛”公众号(ID:SELFtalks),作者:林巍,港珠澳大桥岛隧工程高级工程师。


“每一个人都这样去思考,再复杂的问题也能简化成一个个小问题。这些小问题通过我们集体中的每个人贡献的一点点力量,也都会迎刃而解。所以我们相信,只要我们每个人能够把每件平凡的事做好,最后就会成就一个不平凡的结果。”


大家下午好,非常荣幸能和大家交流,我讲一讲港珠澳大桥背后的故事和体会。


首先带大家游览一下这个55公里的海景公路。我们从珠海出发,一路向东,在海面上行驶20公里,两边都是茫茫大海,然后我们来到一个很小的岛上。我们从岛的中心潜入海底,在水下50米,向前走六公里的距离,从另外一头出来,再往前一点就看到香港的大屿山。

 

刚才走的这一段就是就港珠澳大桥海中的主体工程,也就是下图中红色部分,广州在地图的最上面。


港珠澳大桥示意图


经常讲到“粤港澳大湾区”,什么是湾区?湾区就是一群或者一个被水体阻碍的城市,一个没有通道的湾区,就像一座没有电梯的高楼大厦。


港珠澳大桥2018年10月份开始通车以后,大家可以从珠海或澳门到香港,只要购买穿梭巴士票,花半小时就可以走完这段路,而以前的路面交通需要花4小时左右时间。

 

为什么建海底隧道


我们走进一点看,就注意到,桥梁的中间有一段,到海中间就消失了,潜入到海底,往前一段又露出了海面,中间隐藏的这一段就是海底隧道。问题来了,为什么要建造一条海底隧道?

 

港珠澳大桥示意图


主要有三个原因:第一,伶仃洋通航非常繁忙,这段正好是通航主航道,往来船舶多,而且未来会有很大的船从这过,如果建桥,桥就可能阻碍船的通行;

 

第二,这个区域的上方正好是香港机场的飞机起落,如果造桥,桥塔高度可达两、三百米,会影响飞机起落;

 

第三个原因是环境上的考虑,也是我十年前参与的一个工作,如果我们把大桥沿着长度方向从侧面剖开,就会发现,桥墩是在海水里的,每天潮水涨落时,桥墩影响海水的交换,同样的,没入水中的人工岛也带来这个影响,只有海底隧道是没有产生影响的。因为海底隧道是在海床面之下。

 

港珠澳大桥侧剖示意图


十年前,我刚接触这座大桥的工作的时候,我们设计人员收到了一个10%的指标,意思是,桥梁的桥墩在这张图里占用海水的面积,加上人工岛占用的海水面积,除以没有建造港珠澳大桥时的蓝色海水的总面积,不能大于10%,这样对生态的影响就会降到可以接受的程度。

 

这条隧道有什么不同


接下来的问题是,这条长度仅六公里的隧道,有什么特别?我相信对大家来说,走过很多的隧道,所有的隧道基本上都是一样的,这么想没有错。

 

对于工程师来说,这条隧道的建设曾经是非常小众的,为什么?因为它是用一种较罕见的方法来建造的,叫“沉管法”。以下视频展示了海底隧道的建设过程。




我们把这条六公里长的隧道分成三十三段,再在珠海的周边找一个小岛,在小岛的陆地上将隧道一段一段地造好。


造好之后,再将每段运到港珠澳大桥的轴线上去,放到海底,第一段安装好后,第二段和第一段首尾相接,反复这样一个过程。


每一段隧道重多少?大概是76000吨,大家对数字可能不敏感,76000吨什么概念?大概是2个泰坦尼克号的重量。这么重的东西,是没有任何设备能够搬运得动的,所以问大家一个问题,怎么把它从海岛上搬到大桥的现场安装的地方?

 

作为工程师,我们借用了大自然的力量,用了一个简单原理,阿基米德原理,首先借用水的浮力让隧道段起浮,就有办法移动它了,这也是我五年前作为设计师的一个工作。

 

下图是两个已经做好的预制段,这个隧道由33段组成,这是其中的两个,我的设计工作就确保它浮得起来,而且,不是随便浮起来,要怎么浮起来?要像我们在游泳池吸一口气的状态一样,刚刚好能浮起来一点,要的就是这个状态。


海底隧道预制段

 

要达到这个状态,就是要让这个76000吨的隧道预制段的重量基本等于它的浮力。浮力是什么?浮力是隧道段排除水的重量,浮力的计算道理很简单,我们初中时学过。


但是要考虑很多变化,如混凝土密度,混凝土中的石头子的密度,钢筋的布置,混凝土浇筑时模板的变形,海水的密度,海水的密度又和气温和海水里面的含沙量以及盐度有关系,这些又随季度变化而变化,我的计算要确保这33段每一段都能够浮起来,而且是刚刚好浮起来。


2013年5月,当第一段隧道要浮起来时,在坞内灌水的时候,我有些紧张,虽然觉得我的计算应该没错,但是那么大的东西到底能不能浮起来呢?欣慰的是,它确实浮起来了,而且是刚刚好浮起来一点点。

 

浮起来的隧道段


接下来的问题是,浮起来以后怎么办?我们再利用水的推力把它运输到工程的现场,因为这么大的一个东西,是没有办法用人力来实现的,我们利用珠江口的涨潮,就是利用潮水的力,让这个大东西顺流漂下去,漂到隧道的地址,再进行后面的工作。

 

运输隧道段


下面一步就是往这个空心的隧道里面灌水,让它下沉,这样一段一段地就完成了安装,这个过程花了多久?一共花了3年的时间,从2013年一直做到2017年3月份。

 

为什么花这么长的时间?一个是这个隧道的体量很大,隧道是六车道的,三车道到香港,三车道到珠海、澳门。我们总共大概要浇筑100万方混凝土,制造需要时间;

 

另一个原因是,我们的安装隧道不是想装就装,而是要看天的脸色。在一年之中我们只能选择一些特定的月份才能出海,在特定的月份中,我们只能选择特定的几天,在大海最温和的时候,才能做安装的工作。综上两个原因,我们一共花了三年多时间来把这三十三个隧道段全部装到了海底。

 

最后的难题


装到海底之后,这个隧道是不是就成了?大家发挥一下想象力,每一段就像一个箱子,放一个,再放第二个,第二个箱子和第一个箱子首尾连接,第三个再和第二个首尾连接。


连接到最后会怎么样?一定会有一个缺口,这个缺口在工程师口中叫做“最终接头”,它的安装与之前的三十三个隧道段不同,因为之前的都是单面对接,而这个缺口是要双面对接,而且是在水下完成。

 

最终接头示意图


最终接头示意图


最终接头的工作,是沉管法自发明至今始终都没很好解决的一个难题。以往最常见的做法是什么?就是派一群潜水员到水下去,潜水员在水下像工人一样辅助架立模板,把这个最后的缺口包起来,形成一个水密的空间,然后从里面抽水,水抽光后,再进去隧道里面浇筑混凝土。

 

但是,这种传统的做法,在伶仃洋的环境下不易实现。一是因为这里的最终接头的水深大概是30米;二是因为这个地方的洋流复杂;三是海上交通很忙,如果我们用这种传统的方法,需要花大概6个月多的时间,才能够完成这最后一小段的施工,给工程安全带来很大隐患。

 

所以,在这种背景下,我们开发了一种全新的方法来施工最后一段,我把它叫做“折叠沉管”。我们把它做成一个整体,一次性的放下去,这个结构就像一个雨伞一样,它可以沿着自己的两边纵向伸展开来,并与两边的隧道连接,这样整个港珠澳大桥就实现了贯通。

 

“折叠沉管”方法解决最终接头问题


采用这种方法,我们把传统方法所需的半年的海上作业时间缩短到了1天(备注:理论上只需1天,实际因二次对接用了3天),不但保障了施工安全,也给隧道的永久质量带来了更大的保障。

 

创新意味着向未知迈进,当我们用一种新的方法来做一件事情的时候,我们就会遇到很多的挑战,遇到很多的问题。


因为我们工程师做一件事情只有一次机会,我们要不然就做成,要不然就做失败。如果我们要用一种新的方法,我们必须要有很强的预见性,预见性用我们的说法,就是需要辨识风险。

 

下图是施工时候的一张照片,最终接头是中间白色的部分,重量大概是6100吨,被一个起重船吊起来,然后再放到水里去,就只这个步骤,我们辨识出了200多个风险点。


施工照片


然后一个一个的确认是否问题,有问题的我们就优化方案直到没问题,没有问题的我们也要确认确实没问题,全部确认了以后我们才能够施工。

 

施工示意图


我跟大家讲起重的这一段,也涉及到我的一个工作,当把最后的这一块放到两边的已装好的隧道缝隙里的时候,问题来了,在这个动态的海洋环境下,最终接头会不会与两边的隧道相撞?

 

发现这个问题以后,我们去请教了很多科研单位和大学,但是,由于这个问题实在是太新,而且时间紧,一时间我们没有得到反馈。

 

作为这部分设计的主要负责人,我也一直在思考怎么样去论证这个问题,我去图书馆查了不少资料。一天,我找到一个非常古老的公式,应该是伽利略提出来的“单摆公式”,伽利略坐在教堂里,看着教堂的灯可能是被风吹地在摆动,于是他就提出了单摆公式。

 

受到这个公式的启发,我和其他设计师结合海洋预报预测做了分析,我们做了一个计划,认为放下去的时候,即便是有海浪拍打,也一定不会撞。

 

这是什么道理?我跟大家通俗地解释,最终接头和它上面的锁链在一块,是个大摆体,我们把它想象成我们的大腿,我们平时走路的时候,相对于我们跑步或站着不动的时候,会感觉更舒服。

 

为什么?因为我们的腿是有自己的节拍的,当我们走路的时候,我们的步频正好是和腿的节拍合拍,所以我们才会觉得走路舒服。这个最终接头的节拍是多少?我计算出来大概是200秒摆动一次,即200秒“走一步”。


而海浪的一个节拍是4到5秒,用一个4到5秒的节拍去拍一个200秒节拍的东西,不会产生共鸣,所以最终接头的摆动幅度是微小的,就这样,我们证明了不会撞。

 

后来实际施工的时候,在这个最终接头里面放了两个仪器,仪器大概是类似放在导弹里的精密加速度仪,它的运动被测量出来了,和我们的计算是比较吻合的,确实没有撞。

 

刚才跟大家分享了我十年前,五年前,两年前的三件工作。在我们项目上像这样的问题,有千千万万,我跟大家介绍一下我们的设计总负责人,他每周要工作70多个小时,审阅上万份的图纸,要确保设计的每个环节不出错误。

 

设计总负责人


还有这位被称为“大国工匠”,他的工作就是拧螺丝,拧的上万颗螺丝,没有一个出过问题,这样就给工程不留任何隐患,也确保我们工程最高质量,还有4600多名像他们这样的建设者,每个人都是把自己的工作做到极致。


 “大国工匠”


建设者


对于沉管隧道这样小众的工程方法,有这样一个说法:“沉管隧道是什么?是充分借用大自然水之力的一种工程方法,借用水的浮力运输,借用水的重力下沉,借用水的推力连接。”

 

但是,水能载舟、亦能覆舟,所以我们说的这个方法,曾经是风险很大的,这就是为什么我们国家的桥梁可能是数以万计的,但是全世界的沉管隧道加起来也就两三百条。高风险是沉管隧道数量少的原因之一。

 

但是,在港珠澳大桥的岛隧工程,有这样一群人,每个人都把自己的工作做到极致,所以这个工程被称为四千多人集体走钢丝的工程。在工作中,我们建立了一个文化,叫“每一次都是第一次”。

 

什么意思?我们做的每一件工作,都当作是我们做的第一件工作来做,我们不是去追寻着前人的方法来做——因为前人这么做,所以我们可以这么做,不是这样的。

 

而是从本质上来思考这个问题,需求是什么,我们要达到什么样的境界,我们怎么样能做的更好,如何通过新方法去把它做的更好。


每一个人都这样去思考,再复杂的问题也能简化成一个个小问题。这些小问题通过我们集体中的每个人贡献的一点点力量,也都会迎刃而解。所以我们相信,只要我们每个人能够把每件平凡的事做好,最后就会成就一个不平凡的结果。

 

面向未来


隧道现在已经通车了,也得到了世界的认可,在国际上也获得了一些奖项,而且推进了沉管隧道这个行业的进步,沉管法变得不那么小众了。下面的问题是,我们这群人接下来做什么?

 

伶仃洋在十几年前可能还被认为是不可能被跨越的一片海域,现在已经被港珠澳大桥征服了,但是,在我们国家以及国外的很多地方,还存在着更深、更宽的峡湾,至今都没有办法去跨越,即便是用我们工程师最先进的工程技术也无法跨越,这些地方我们以后该怎么去跨越?

 

有一个办法,就是建造“悬浮隧道”。为什么?我们从桥梁讲起,桥梁之所以能屹立不倒,是因为桥梁利用它自身的材料来承载。


悬浮隧道示意图


设想一下,如果我们把桥梁反过来,或者说我们把桥梁按到水底下去,借用水的浮力让桥梁承载,这样我们就会获得一个经济、可持续性、并可以跨越更广阔水域的一个通道方案。

 

悬浮隧道和沉管隧道有些像,但是至今为止,没有任何一个国家的工程师能够建造它。对于我们隧道工程师来说,19世纪时候英国建设了人类历史上第一条水底隧道,20世纪美国工程师建设了第一条沉管隧道。


现在是21世纪,希望经由我们的努力,能由中国工程师来建造人类历史上第一条悬浮隧道,谢谢大家。


本文出品自“SELF格致论道讲坛”公众号(SELFtalks),转载请注明公众号出处,未经授权不得转载。

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