港珠澳大橋沉管隧道世界首創(chuàng)“半剛性”結(jié)構(gòu) 剛?cè)岵?jì)的工程哲學(xué)

文 / 米金升 任明朝

港珠澳大橋沉管隧道世界首創(chuàng)“半剛性”結(jié)構(gòu) 剛?cè)岵?jì)的工程哲學(xué)

文 / 米金升 任明朝

為預(yù)制好的“半剛性”沉管，陳向陽攝

在工廠標(biāo)準(zhǔn)化制作一個(gè)個(gè)混凝土的管子，然后把幾個(gè)管子拼接、通過鋼絞線連接起來，組成一個(gè)整體，再經(jīng)過海上運(yùn)輸并安裝到海底，次第對(duì)接起來，就形成了一個(gè)海底隧道。這是沉管隧道的基本原理。

但是，這些管節(jié)不是我們?nèi)粘＝佑|的普通管子，而是截面相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)大小，類似于一個(gè)60層樓房，重約8萬噸的超級(jí)巨無霸；安裝這些管節(jié)要超級(jí)精確，誤差控制以厘米為單位；這些管節(jié)要在40多米的海底，保證雙向六車道的車輛安全通行120年。這便是當(dāng)今世界土木工程界最難的工程之一——港珠澳大橋島隧工程。

小顧慮變成了大問題

2009年，在國(guó)外專家的建議下，港珠澳大橋工程中5公里多的沉管隧道初步設(shè)計(jì)就選擇了柔性結(jié)構(gòu)方案：整個(gè)隧道由33個(gè)大管子對(duì)接而成，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的大管子由8個(gè)22.5米長(zhǎng)的小管節(jié)拼接、由鋼絞線串起來；在浮運(yùn)安裝中，這8個(gè)小管節(jié)組成一個(gè)整體；安放到位后，剪斷鋼絞線，整個(gè)沉管隧道就是一個(gè)柔性整體。8個(gè)一串，就是為了盡量提高效率。

小管節(jié)依靠海水壓力實(shí)現(xiàn)密閉，并在管節(jié)間設(shè)置止水橡膠把海水擋在外面，管節(jié)之間設(shè)置剪力鍵，能夠保證它們不會(huì)錯(cuò)位。

這好像一串糖葫蘆，安裝到位之后，再剪

斷那個(gè)竹簽。

這是中國(guó)人第一次大規(guī)模采用沉管方式建設(shè)海底隧道，而歐洲和日本的工程師在沉管隧道建設(shè)方面已經(jīng)擁有多年的施工經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累。毫無疑問，港珠澳大橋需要借鑒國(guó)外的成熟理念。因此，在前期初步設(shè)計(jì)中，港珠澳大橋隧道采用成熟的方案，是一個(gè)正確的選擇。

其基本理念是，每一個(gè)管節(jié)之間沒有連接，如果地基發(fā)生不均勻沉降，沉管就能夠很好地“追隨”地基而適當(dāng)?shù)某两怠?/p>

有一天，剪斷還是不剪斷這個(gè)鋼絞線，突然變成了大問題。

2011年年底，在沉管隧道的施工設(shè)計(jì)過程中，項(xiàng)目部意識(shí)到，在40米的海底，沉管承受著巨大的壓力，當(dāng)?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降時(shí)，管節(jié)之間可能產(chǎn)生錯(cuò)位。

隨著工作的推進(jìn)，這一風(fēng)險(xiǎn)越來越大。2012年年底，中交建設(shè)者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，潛在的風(fēng)險(xiǎn)已迫在眉睫，如不及時(shí)調(diào)整沉管結(jié)構(gòu)，有可能會(huì)對(duì)沉管120年的使用壽命產(chǎn)生致命的影響。

項(xiàng)目部把180米標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)之間的接頭稱為大接頭，組成標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的小管節(jié)之間的接頭叫小接頭。中交港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目部副總經(jīng)理尹海卿說，按照這個(gè)思路，他們感覺到，大接頭小接頭都將出現(xiàn)錯(cuò)位的可能。

在這個(gè)過程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)梳理了沉管隧道的發(fā)展。從既有實(shí)踐和理論看來，沉管隧道分兩種，一種叫剛性結(jié)構(gòu)隧道，也就是整個(gè)隧道用一個(gè)或者為數(shù)不多的整體性大管節(jié)組成；一種叫柔性結(jié)構(gòu)隧道，整個(gè)隧道用很多個(gè)管節(jié)拼接起來。

剛性結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，整體結(jié)構(gòu)不用擔(dān)心漏水，但是缺點(diǎn)也很明顯，如果出現(xiàn)沉降，大體積沉管受力不均勻有可能出大問題。舉個(gè)例子，一個(gè)1噸重的東西十幾個(gè)人可以抬著，如果四五個(gè)人突然撒手，其他人肯定會(huì)受不了。

柔性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是受力比較均勻，能夠應(yīng)對(duì)一定范圍的不均勻沉降。盡可能用更多的小管節(jié)串成一個(gè)大管節(jié)，能夠大大提高制作、運(yùn)輸、安裝的效率。

歐洲專家對(duì)柔性結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)情有獨(dú)鐘。港珠澳大橋的中國(guó)設(shè)計(jì)師為什么會(huì)心存顧慮呢？

中國(guó)交建總工程師、中交港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目部總經(jīng)理林鳴說，既有的實(shí)踐中，柔性結(jié)構(gòu)沉管都是用在淺埋長(zhǎng)隧道中，而港珠澳大橋隧道是一個(gè)深埋隧道。大多數(shù)沉管要安裝在30到40多米的海底。

這一淺一深，原來不是量變，而是質(zhì)變。淺埋沉管隧道受到的壓力小、沉降就小。接頭的防錯(cuò)位能力較容易滿足要求，深埋隧道就根本不一樣了。

整個(gè)隧道在縱橫兩個(gè)方向上的地質(zhì)并非均勻。管節(jié)左邊和右邊的地質(zhì)不一樣、承載力也不一樣，這個(gè)180米跟下一個(gè)180米之間地質(zhì)不一樣、承載力也不一樣。如果兩個(gè)管節(jié)之間有不均勻沉降的存在，它們的接頭會(huì)張開或錯(cuò)位?！翱辜裟芰Σ粔蛄?，管節(jié)就會(huì)錯(cuò)位、漏水；或者兩個(gè)管節(jié)之間出現(xiàn)張口，就會(huì)有大問題?！币Ｇ湔f。用更專業(yè)的術(shù)語來說，就是管節(jié)之間的抗剪能力不夠了。

尹海卿表示，原來的初步設(shè)計(jì)考慮到這個(gè)問題，也有擔(dān)心，希望通過充分應(yīng)用剪力鍵來應(yīng)對(duì)。但是到了深水段，計(jì)算發(fā)現(xiàn)這個(gè)力太小了。大接頭之間原來有一個(gè)類似接榫的東西，專業(yè)術(shù)語叫混凝土剪力鍵，把這個(gè)東西加強(qiáng)之后，剪力還是不夠。

曾經(jīng)的擔(dān)憂變成了最為棘手的現(xiàn)實(shí)。

近兩年時(shí)間的設(shè)計(jì)研究，變成了沒完沒了的糾結(jié)。

林鳴說：“為什么糾結(jié)？我們根據(jù)自己的一些經(jīng)驗(yàn)判斷，在特定外部條件下，沉管應(yīng)該是怎樣的變化趨勢(shì)。但是我們又明顯感覺到，如果按照既有方案，對(duì)沉管的計(jì)算分析結(jié)果不能反映它的結(jié)構(gòu)行為變化?！睂I(yè)術(shù)語說：模型試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)行為不符合。

也就是說，沿著柔性沉管的理論方向，承建這一宏大工程的設(shè)計(jì)師和工程師感覺到風(fēng)險(xiǎn)越來越大。如果變更設(shè)計(jì)方案，把柔性的沉管變成剛性的沉管， 5公里多的隧道就要由更多的管子對(duì)接而成。

對(duì)接次數(shù)越多，工期就會(huì)越長(zhǎng)。全球矚目的超級(jí)工程能容忍工期大幅延長(zhǎng)嗎？?jī)砂度刈罹呋盍Φ慕?jīng)濟(jì)區(qū)有耐心長(zhǎng)久等待嗎？而且，前期所有工程建設(shè)，都是按照柔性沉管結(jié)構(gòu)來推進(jìn)，能否對(duì)基本思路進(jìn)行顛覆性調(diào)整呢？

這是中國(guó)人第一次大規(guī)模采用沉管方式建設(shè)海底隧道，而歐洲和日本的工程師在沉管隧道建設(shè)方面已經(jīng)擁有多年的施工經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累。毫無疑問，港珠澳大橋需要借鑒國(guó)外的成熟理念。因此，在前期初步設(shè)計(jì)中，港珠澳大橋隧道采用成熟的方案，是一個(gè)正確的選擇。

絕對(duì)不能。這就需要林鳴和他的團(tuán)隊(duì)找到新路子。世界范圍內(nèi)的實(shí)踐和理論只有兩個(gè)，一剛一柔。林鳴說：“大家很痛苦，幾乎都絕望了。”

剛?cè)岵?jì)的靈感

無數(shù)個(gè)通宵討論還是沒有突破口。2012年9月的一個(gè)早晨，港珠澳大橋設(shè)計(jì)總負(fù)責(zé)人、中交港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目部副總經(jīng)理劉曉東收到了林鳴的短信：“是不是可以研究一下半剛性的概念？ ”

這是劉曉東永遠(yuǎn)難忘的一個(gè)短信。它是一個(gè)靈感的火花，卻點(diǎn)亮了整個(gè)團(tuán)隊(duì)的天空。剛?cè)嶂g，是一種工程哲學(xué)的境界。

林鳴提出的半剛性結(jié)構(gòu)，就是保留甚至強(qiáng)化串起小管節(jié)之間的鋼絞線，加強(qiáng)小管節(jié)之間的連接，這樣就能容許180米長(zhǎng)各標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的22 . 5米節(jié)段間可以有一定的變形，但這個(gè)變形會(huì)受到約束。

林鳴的依據(jù)是：考慮到半剛性以后，計(jì)算和反應(yīng)相匹配了?！耙簿褪俏覀兊挠?jì)算模型跟結(jié)構(gòu)行為協(xié)調(diào)了。沒有半剛性之前怎么計(jì)算也不能解釋這個(gè)現(xiàn)象，計(jì)算結(jié)構(gòu)的一些趨勢(shì)，跟合理的理解匹配不起來。 ”

2012年10月，上海有一個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議，林鳴和劉曉東專程向清華大學(xué)宋二祥和同濟(jì)大學(xué)徐偉兩位教授請(qǐng)教半剛性的概念是否成立，得到了初步的理論支持。

這還需要實(shí)驗(yàn)來證明，也需要得到經(jīng)驗(yàn)豐富的國(guó)外咨詢團(tuán)隊(duì)的肯定。

沉管-雙向六車道

2012年12月，在幾個(gè)專門的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之后，項(xiàng)目部正式提交報(bào)告，提出半剛性管節(jié)優(yōu)化方案。

聽到半剛性結(jié)構(gòu)，外國(guó)專家發(fā)出強(qiáng)烈的反對(duì)，國(guó)外的實(shí)踐和理論都沒有這個(gè)東西。不應(yīng)該脫離傳統(tǒng)理論，再創(chuàng)造一個(gè)新的結(jié)構(gòu)。

主管技術(shù)的尹海卿理解外國(guó)專家的感受：國(guó)際上，沉管的實(shí)踐和理論就是分為柔性結(jié)構(gòu)和剛性結(jié)構(gòu)，分別有著不同的計(jì)算機(jī)理和設(shè)計(jì)方法，并不存在半剛性的問題。歐洲和日本都有著許多使用剛性或柔性結(jié)構(gòu)的成功經(jīng)驗(yàn)，這已經(jīng)成為他們建設(shè)的固有模式，兩種結(jié)構(gòu)必然二選其一，沒有其他出路。在他們看來，設(shè)計(jì)節(jié)段式管節(jié)的目的就是要它具有柔性，現(xiàn)在要增加剪力讓它更具剛性，那干脆做剛性了。

林鳴提出“半剛性結(jié)構(gòu)”構(gòu)想的依據(jù)是什么？“首先，我這是被現(xiàn)實(shí)困難逼得沒有辦法的辦法，因?yàn)槭巧盥癯凉?，不管是剛性還是柔性都有巨大的現(xiàn)實(shí)困難，必須要找一個(gè)新的出路。經(jīng)過多日的思索，一個(gè)全新的概念——半剛性突然出現(xiàn)在我的腦海里。 ”

他說，剛性就是整體管，柔性全部是散的，半剛性就是保留一部分預(yù)應(yīng)力，讓它在海底既能夠適應(yīng)一定的變形，同時(shí)又可以對(duì)它進(jìn)行控制。

劉曉東用積木做了一個(gè)比喻，剛性結(jié)構(gòu)就好比是長(zhǎng)條的積木，柔性結(jié)構(gòu)就好似由樂高小積木拼接的積木條，半剛性結(jié)構(gòu)則是用一根橡皮筋串起拼接的樂高小積木。在地基發(fā)生不均勻沉降時(shí)，長(zhǎng)條的積木有可能影響結(jié)構(gòu)，拼接的樂高小積木有可能產(chǎn)生錯(cuò)位，但串起拼接的樂高小積木因橡皮筋的彈性，積木之間允許有一定的張開，而且這個(gè)張開是有控制的，不能無限變形，同時(shí)，保持始終在積木之間有一定的壓力，使得摩擦力能夠發(fā)揮作用，保持相對(duì)不錯(cuò)位。

艱難的選擇

從2013年開始，林鳴組織了5個(gè)平行的模擬實(shí)驗(yàn)。“當(dāng)時(shí)我們也不敢作出判斷，只好把國(guó)內(nèi)國(guó)外對(duì)巖土、水土、結(jié)構(gòu)理解最深刻的團(tuán)

隊(duì)找出來做模擬實(shí)驗(yàn)。我們提出概念后，分別讓同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)、一家?guī)缀踉O(shè)計(jì)了日本國(guó)內(nèi)所有沉管隧道的日本公司團(tuán)隊(duì)、中交公規(guī)院和中交四航院共5個(gè)團(tuán)隊(duì)，按照各自的理解背靠背做模擬實(shí)驗(yàn)、去計(jì)算?！?/p>

沉管安裝船

“是不是可以研究一下半剛性的概念？ ”這是劉曉東永遠(yuǎn)難忘的一個(gè)短信。它是一個(gè)靈感的火花，卻點(diǎn)亮了整個(gè)團(tuán)隊(duì)的天空。

2013年4月，就沉管結(jié)構(gòu)優(yōu)化召開第一次專家會(huì)，外國(guó)咨詢團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的專家會(huì)明確表示反對(duì)半剛性結(jié)構(gòu)的概念。

這時(shí)，需要有人站出來。林鳴說：“如果我們采取別的形式，工程可能會(huì)出大問題，那我們就是對(duì)歷史沒盡到責(zé)任。我們有大量的實(shí)驗(yàn)證明這是解決港珠澳深埋沉管的一條科學(xué)的出路。所以要堅(jiān)持?！?/p>

此時(shí)，中交二航局副總工程師翟世鴻帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在武漢進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)，試圖從根本上去摸清這個(gè)結(jié)構(gòu)概念的機(jī)理。

工程建設(shè)正在全面推進(jìn)，從2003年5月開始，沉管已經(jīng)由淺入深安裝了5個(gè)管節(jié)。而這5個(gè)基本上是淺埋，符合柔性結(jié)構(gòu)的原理。剪斷還是不剪斷沉管管節(jié)之間的鋼絞線，并不是決定性的問題。但是，從后續(xù)沉管安裝開始，必須做出決斷。2013年7月，5個(gè)背靠背小組模擬計(jì)算有了結(jié)論，半剛性結(jié)構(gòu)是成立的。尹海卿說，5個(gè)模擬計(jì)算是接近的，誤差在20 %以內(nèi)。

在7月的又一次專家論證會(huì)上，項(xiàng)目部對(duì)疑問一一給予解釋，但是反對(duì)的意見仍然是壓倒性的。

林鳴反而更加堅(jiān)定。“對(duì)于這樣一個(gè)非常復(fù)雜的東西，我讓這么多單位同步去計(jì)算，我們將結(jié)構(gòu)分析介紹之后，他們分頭按照各自的理解去做模型計(jì)算。這幾家單位算出來的結(jié)果，都支持半剛性結(jié)構(gòu)是成立的。如果你是一個(gè)錯(cuò)誤的判斷，5個(gè)計(jì)算結(jié)論一定是五花八門的，可能方向都是反的。但是如果是一個(gè)正確的東西，它一定具有趨同性?！?/p>

在與外國(guó)專家進(jìn)行細(xì)致而深入的交流中，劉曉東更堅(jiān)定了信心，因?yàn)閷?duì)方的每一個(gè)問題他都能從實(shí)驗(yàn)?zāi)酥翙C(jī)理上給予解釋。2013年8月中旬，港珠澳大橋管理局組織了一個(gè)高規(guī)格專家論證會(huì)議，交通運(yùn)輸部?jī)晌桓辈块L(zhǎng)、三位總工程師以及四位院士出席。大橋管理局希望專家論證會(huì)作出科學(xué)的決策，為今后的施工提供最終答案。項(xiàng)目部也堅(jiān)信專家論證會(huì)得到正確的結(jié)論，林鳴說：“國(guó)家專家委員制度有著足夠的科學(xué)性，我們相信專家會(huì)根據(jù)自己的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行分析并作出科學(xué)判斷。”

專家們對(duì)5個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了反復(fù)論證。2013年8月14日下午，得出最后結(jié)論：支持“半剛性結(jié)構(gòu)”方案。87歲的兩院院士孫鈞說，對(duì)新的東西要理性判斷，外國(guó)成熟的經(jīng)驗(yàn)也不能完全套用，有5家機(jī)構(gòu)的計(jì)算支持，說明這個(gè)方案是可行的。

隨后的一年里，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將“半剛性結(jié)構(gòu)”從構(gòu)想變成了可實(shí)現(xiàn)的藍(lán)圖。

在“半剛性結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)理念下，港珠澳大橋的沉管安裝有序推進(jìn)。到2014年7月，已有11節(jié)沉管到位，隧道總長(zhǎng)達(dá)到1845米。根據(jù)檢測(cè)，所有數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)預(yù)期。這是一個(gè)良好的開端，港珠澳大橋島隧項(xiàng)目部對(duì)“半剛性”結(jié)構(gòu)的探索和完善仍在繼續(xù)。