建筑结构丨中国超级工程创“现代七大奇迹”,大桥横跨伶仃洋让港珠澳不再叹零丁

摘要: 25年前的一个梦,由一国、两制、三岸一同实现

11-08 05:14 首页 建筑结构

1983年,香港建筑师兼地产大亨胡应湘先生做了一个梦。

他梦见自己开着私家车驶上大桥一路向西横跨伶仃洋,在桥的另一端他望见了富饶。

 

梦醒之后,他倍感真实,大胆地提出了连接香港与珠海的伶仃洋大桥方案。

可香港彼时仍是英人领地,山河破碎风飘絮,何以能过零丁洋。

 

建筑师兼地产大亨胡应湘先生


整整25年后,这个超级工程才终于再次敲定下来。

 

经历了可行性论证、融资方案分歧等等博弈后,这座“一国,两制,三地”的跨海大桥将要面临更加严峻的考验。

 

____________

 

这座55千米的世界最长跨海大桥将用掉50万吨钢材,耗费230万吨钢筋混凝土

这些材料是建造迪拜塔所用材料的8倍之多,但其建造难度却不止迪拜塔8倍。

 

高耸入云的迪拜塔


伶仃洋地处珠江入海口,是众多大型货轮航线上的必经之路。


在建造港珠澳大桥的过程当中,不仅仅要避开每天多达4000艘的海船。

还要保证建成之后能通行10吨级甚至30万吨级的货轮油轮。

 

珠江口伶仃洋遥感照片


工程师们还将面对各种工程以外的限制。

位于香港新界大屿山的香港国际机场为了安全考虑,不允许附近有超过88米高的建筑物存在。

 

而施工地区更是国家一级保护动物中华白海豚的重要栖息地。

 


这些条件的制约意味着这座将成为世界最长跨海大桥的超级工程绝不是大力出奇迹就能完成的。

如果非要用一个生动的比喻来形容,也许会是“猛男走钢丝”

 

中国的跨海大桥并不少,桥梁领域的工程技术水平也算得上是国际顶尖,但这样的挑战还是头一次见。

首先要解决的就是如何保证大桥不影响航道的船只通行。

 

曾经的世界最长跨海大桥——杭州湾大桥


伶仃洋海域靠近香港的方向有一个十分重要的深水航道,是大型运输船只在此唯一的通道。

目前这条航道的通航等级要求非常高,达到10万吨级,未来甚至会达到30吨级的水平。

 

如果按照传统的做法,想要让如此大的船只通行只能加高桥面,扩大跨径。

这种方案下,桥面的高度将超过80米,相当于26层楼的高度。

而桥塔的高度也要随之加高,达到夸张的200米以上。

 

杭州湾大桥就采用大跨径高桥面的方案


且不说在26层楼的高度驾驶会不会体验到云霄飞车的快感。

光是成本和施工难度就足以让人望而却步,更不用说附近香港机场的建筑高度要求了。

 

条条大路通罗马,既然往上发展行不通何不试试潜入深海。

一个最有想象力的方案被工程师们提出了——在海面以下修建一座超长的海底隧道。

 


中国的工程师们还从来没有在海上修建过如此大规模的海底隧道。

之前的云霄飞车方案再难也有先例可以借鉴,海底隧道的方案根本就没有任何参考。

 

在隧道施工开始之前,首先得找到合适的陆地作为出入口,首选当然是天然的岛屿。

但在这里并没有可用的天然岛屿,这也就意味着需要修建一座人工岛。

 


问题也接踵而至。

经过对海床的勘探,工程师发现海底的一层厚重淤泥成为了他们现阶段要面对的最大挑战。

 

这些像水豆腐一样的淤泥会让传统的常规建岛方案难以实施,用于填海的抛石或者沉箱都难以稳固。

如果靠蛮力将所有淤泥移除,那施工队所面对的将是800万立方米的量,足以堆砌3座胡夫金字塔。

 


短短一年的工期计划并不允许工程师们进行这样的操作,于是一个用巨型钢圆筒围岛的方案被提了出来。


简单来说就是用预先制好的钢材严严实实地先围出一片区域,再往中间填土填沙,淤泥再滑也不影响。

 


但还没开始施工,工程师们又不得不开始考虑下一个难题——阻水率

阻水率*对非专业人士而言可能比较陌生,这是桥梁设计过程中一个比较重要的指标。


不同的水域的标准有不同的要求。

港珠澳大桥横跨珠江口,对珠江的排洪纳潮有较大的影响,容易造成航道淤塞。

往严重了说甚至可能让伶仃洋变为一篇冲积平原。


*注:阻水率,定义为在设计水位条件下,桥梁阻水结构在垂直于水流方向上的投影面积与河道过水断面面积之比。


典型的冲积平原


阻水率的问题不仅仅对大桥的桥墩有限制,对这座规划中的人工岛也同样有限制。

直接的影响就是导致隧道不再能使用成熟的盾构技术,也就是常见的地铁隧道掘进方法。

因为盾构技术需要人工岛有超过一公里的长度,这会大大增加阻水率。

 

现在只有一种技术可供选择了:沉管隧道技术

长达6公里的沉管式隧道不仅是中国工程史上最难的,在世界上也未曾有过。

 

若方案通过,每节沉管将会长达180米,重量达到76000吨,相当于一艘航母!

 


如何建造像沉管这样的超级零件是接下来最让人头疼的问题。

 

由于完全没有经验,工程师们只好借助精准的德国工艺。

德国的团队曾建造了拥有欧洲最长海底隧道的厄勒海峡大桥,可以说是世界上在此领域经验最丰富的国家。

 

厄勒海峡大桥


他们找到了德国的桥梁专家,希望能得到一个满意的方案。

德国专家果然不负众望,带来了基于先前设计更精确的方案。

但更重要的是他们提供了完整的制造方案,一种快速拼接的模板方案,这才是中国工程师们最迫切需要的。

 

德国人的方案中提供了一套非常精密且高度自动化的设备,能大大提高生厂效率。

这对于要在一年半时间内造出所有预制沉管的工程计划来说,无疑是雪中送炭。

 


可是当工程师们听到德国团队的报价之后,瞬间就犯了难。

看来,有必要挑战一下自行研制这种高难度模板了。

 

工程师们足足花去了6个月的时间,终于研制出了不输德国设计的模板。

有了模板,沉管预制工厂就可以加班加点地制造出精度极高的沉管。

 


制造已经困难重重了,但安装的要求却更加苛刻。

预制的沉管将要在非常短的时间内全部安装完毕,以保证不影响航道船只的通行。

待安装完成后,便可以在水下完成对接等后续工作。

 

但67000吨重的体量容不得任何的闪失,一点发生事故不仅仅是损失几亿元那么简单。

所以就算是安装时用于牵引的钢缆也要经过半年多的实验室模拟才能够确定下来。

 


另一方面,桥塔的安装也可谓是困难重重。

根据航空部门的要求,由于离机场过近,航班频繁,在建设期间不允许有任何设备高度超过122米。

可是光是大桥的桥塔都已经高达120米了,区区两米的余量如何才能完成吊装?

 

最终的解决方案也颇具创造性。

工人们直接在地面上完成桥塔的组装,然后通过巨大的钢缆牵引,逐渐将桥塔从水平拉起至垂直。

从而省去了搭建吊塔的工作,也保证不违反航空部门的要求。

 


港珠澳大桥在工程设计上创下了多项世界纪录,人们关注于它的全桥长度、隧道长度等等直观的数据。

但却很容易忽略其他领先世界的地方。

 

港珠澳大桥的设计使用寿命长达120年,远超以往特大桥100年的设计寿命。

其中最重要的突破就是采用了全新的高性能混凝土,解决了海水腐蚀的问题。

 


除了寿命之外,港珠澳大桥也考虑了到当地每年超过200天的大风天气。

经过严格的风洞测试,它的设计承受风速高达16级,避免了塔科马海峡大桥悲剧的重演。

 

港珠澳大桥横跨三地,各地标准存在差异,团队一贯坚持以最高的标准要求自己。

再困难的超级工程也难不住中国的超级工程师团队。

 


目前,港珠澳大桥主体的建设已经基本进入尾声,计划在2017年内通车。

但这并不意味着结束,仅仅是中国大国重器复兴路上一个小小的里程碑。

 


未来,我们的超级团队将会将一个又一个异想天开的梦化为现实。


*参考资料

杨礼明. 高性能混凝土的化学腐蚀、盐结晶和应力腐蚀及其微结构演变规律[D].南京航空航天大学,2013.

陈韶章,苏宗贤,陈越. 港珠澳大桥沉管隧道新技术[J/OL]. 隧道建设,2015,35(05):396-403. 

王胜年,苏权科,范志宏,李全旺,周新刚,李克非. 港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计原则与方法[J]. 土木工程学报,2014,47(06):1-8. 

苏权科,谢红兵. 港珠澳大桥钢结构桥梁建设综述[J]. 中国公路学报,2016,29(12):1-9.

央视网. 《超级工程》第一集 港珠澳大桥. 魅力纪录, 20130304.

来源:SME。

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