文 / 米金升 任明朝

港珠澳大橋沉管隧道世界首創(chuàng)“半剛性”結構 剛柔并濟的工程哲學

文 / 米金升 任明朝

為預制好的“半剛性”沉管，陳向陽攝

在工廠標準化制作一個個混凝土的管子，然后把幾個管子拼接、通過鋼絞線連接起來，組成一個整體，再經(jīng)過海上運輸并安裝到海底，次第對接起來，就形成了一個海底隧道。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，而是截面相當于一個網(wǎng)球場大小，類似于一個60層樓房，重約8萬噸的超級巨無霸；安裝這些管節(jié)要超級精確，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計就選擇了柔性結構方案：整個隧道由33個大管子對接而成，一個標準的大管子由8個22.5米長的小管節(jié)拼接、由鋼絞線串起來；在浮運安裝中，這8個小管節(jié)組成一個整體；安放到位后，剪斷鋼絞線，整個沉管隧道就是一個柔性整體。8個一串，就是為了盡量提高效率。

小管節(jié)依靠海水壓力實現(xiàn)密閉，并在管節(jié)間設置止水橡膠把海水擋在外面，管節(jié)之間設置剪力鍵，能夠保證它們不會錯位。

這好像一串糖葫蘆，安裝到位之后，再剪

斷那個竹簽。

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

其基本理念是，每一個管節(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?shù)某两怠?/p>

有一天，剪斷還是不剪斷這個鋼絞線，突然變成了大問題。

2011年年底，在沉管隧道的施工設計過程中，項目部意識到，在40米的海底，沉管承受著巨大的壓力，當?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降時，管節(jié)之間可能產(chǎn)生錯位。

隨著工作的推進，這一風險越來越大。2012年年底，中交建設者在實踐中發(fā)現(xiàn)，潛在的風險已迫在眉睫，如不及時調整沉管結構，有可能會對沉管120年的使用壽命產(chǎn)生致命的影響。

項目部把180米標準管節(jié)之間的接頭稱為大接頭，組成標準管節(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目部副總經(jīng)理尹海卿說，按照這個思路，他們感覺到，大接頭小接頭都將出現(xiàn)錯位的可能。

在這個過程中，設計團隊系統(tǒng)梳理了沉管隧道的發(fā)展。從既有實踐和理論看來，沉管隧道分兩種，一種叫剛性結構隧道，也就是整個隧道用一個或者為數(shù)不多的整體性大管節(jié)組成；一種叫柔性結構隧道，整個隧道用很多個管節(jié)拼接起來。

剛性結構的優(yōu)點是，整體結構不用擔心漏水，但是缺點也很明顯，如果出現(xiàn)沉降，大體積沉管受力不均勻有可能出大問題。舉個例子，一個1噸重的東西十幾個人可以抬著，如果四五個人突然撒手，其他人肯定會受不了。

柔性結構的特點是受力比較均勻，能夠應對一定范圍的不均勻沉降。盡可能用更多的小管節(jié)串成一個大管節(jié)，能夠大大提高制作、運輸、安裝的效率。

歐洲專家對柔性結構的優(yōu)點情有獨鐘。港珠澳大橋的中國設計師為什么會心存顧慮呢？

中國交建總工程師、中交港珠澳大橋島隧工程項目部總經(jīng)理林鳴說，既有的實踐中，柔性結構沉管都是用在淺埋長隧道中，而港珠澳大橋隧道是一個深埋隧道。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，而是質變。淺埋沉管隧道受到的壓力小、沉降就小。接頭的防錯位能力較容易滿足要求，深埋隧道就根本不一樣了。

整個隧道在縱橫兩個方向上的地質并非均勻。管節(jié)左邊和右邊的地質不一樣、承載力也不一樣，這個180米跟下一個180米之間地質不一樣、承載力也不一樣。如果兩個管節(jié)之間有不均勻沉降的存在，它們的接頭會張開或錯位?！翱辜裟芰Σ粔蛄?，管節(jié)就會錯位、漏水；或者兩個管節(jié)之間出現(xiàn)張口，就會有大問題。”尹海卿說。用更專業(yè)的術語來說，就是管節(jié)之間的抗剪能力不夠了。

尹海卿表示，原來的初步設計考慮到這個問題，也有擔心，希望通過充分應用剪力鍵來應對。但是到了深水段，計算發(fā)現(xiàn)這個力太小了。大接頭之間原來有一個類似接榫的東西，專業(yè)術語叫混凝土剪力鍵，把這個東西加強之后，剪力還是不夠。

曾經(jīng)的擔憂變成了最為棘手的現(xiàn)實。

近兩年時間的設計研究，變成了沒完沒了的糾結。

林鳴說：“為什么糾結？我們根據(jù)自己的一些經(jīng)驗判斷，在特定外部條件下，沉管應該是怎樣的變化趨勢。但是我們又明顯感覺到，如果按照既有方案，對沉管的計算分析結果不能反映它的結構行為變化?！睂I(yè)術語說：模型試驗和結構行為不符合。

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計師和工程師感覺到風險越來越大。如果變更設計方案，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接而成。

對接次數(shù)越多，工期就會越長。全球矚目的超級工程能容忍工期大幅延長嗎？兩岸三地最具活力的經(jīng)濟區(qū)有耐心長久等待嗎？而且，前期所有工程建設，都是按照柔性沉管結構來推進，能否對基本思路進行顛覆性調整呢？

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

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

剛柔并濟的靈感

無數(shù)個通宵討論還是沒有突破口。2012年9月的一個早晨，港珠澳大橋設計總負責人、中交港珠澳大橋島隧工程項目部副總經(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？ ”

這是劉曉東永遠難忘的一個短信。它是一個靈感的火花，卻點亮了整個團隊的天空。剛柔之間，是一種工程哲學的境界。

林鳴提出的半剛性結構，就是保留甚至強化串起小管節(jié)之間的鋼絞線，加強小管節(jié)之間的連接，這樣就能容許180米長各標準管節(jié)的22 . 5米節(jié)段間可以有一定的變形，但這個變形會受到約束。

林鳴的依據(jù)是：考慮到半剛性以后，計算和反應相匹配了?！耙簿褪俏覀兊挠嬎隳Ｐ透Y構行為協(xié)調了。沒有半剛性之前怎么計算也不能解釋這個現(xiàn)象，計算結構的一些趨勢，跟合理的理解匹配不起來。 ”

2012年10月，上海有一個學術會議，林鳴和劉曉東專程向清華大學宋二祥和同濟大學徐偉兩位教授請教半剛性的概念是否成立，得到了初步的理論支持。

這還需要實驗來證明，也需要得到經(jīng)驗豐富的國外咨詢團隊的肯定。

沉管-雙向六車道

2012年12月，在幾個專門的基礎實驗之后，項目部正式提交報告，提出半剛性管節(jié)優(yōu)化方案。

聽到半剛性結構，外國專家發(fā)出強烈的反對，國外的實踐和理論都沒有這個東西。不應該脫離傳統(tǒng)理論，再創(chuàng)造一個新的結構。

主管技術的尹海卿理解外國專家的感受：國際上，沉管的實踐和理論就是分為柔性結構和剛性結構，分別有著不同的計算機理和設計方法，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構的成功經(jīng)驗，這已經(jīng)成為他們建設的固有模式，兩種結構必然二選其一，沒有其他出路。在他們看來，設計節(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“半剛性結構”構想的依據(jù)是什么？“首先，我這是被現(xiàn)實困難逼得沒有辦法的辦法，因為是深埋沉管，不管是剛性還是柔性都有巨大的現(xiàn)實困難，必須要找一個新的出路。經(jīng)過多日的思索，一個全新的概念——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應力，讓它在海底既能夠適應一定的變形，同時又可以對它進行控制。

劉曉東用積木做了一個比喻，剛性結構就好比是長條的積木，柔性結構就好似由樂高小積木拼接的積木條，半剛性結構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，長條的積木有可能影響結構，拼接的樂高小積木有可能產(chǎn)生錯位，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，而且這個張開是有控制的，不能無限變形，同時，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，保持相對不錯位。

艱難的選擇

從2013年開始，林鳴組織了5個平行的模擬實驗。“當時我們也不敢作出判斷，只好把國內(nèi)國外對巖土、水土、結構理解最深刻的團

隊找出來做模擬實驗。我們提出概念后，分別讓同濟大學團隊、清華大學團隊、一家?guī)缀踉O計了日本國內(nèi)所有沉管隧道的日本公司團隊、中交公規(guī)院和中交四航院共5個團隊，按照各自的理解背靠背做模擬實驗、去計算。”

沉管安裝船

“是不是可以研究一下半剛性的概念？ ”這是劉曉東永遠難忘的一個短信。它是一個靈感的火花，卻點亮了整個團隊的天空。

2013年4月，就沉管結構優(yōu)化召開第一次專家會，外國咨詢團隊主導的專家會明確表示反對半剛性結構的概念。

這時，需要有人站出來。林鳴說：“如果我們采取別的形式，工程可能會出大問題，那我們就是對歷史沒盡到責任。我們有大量的實驗證明這是解決港珠澳深埋沉管的一條科學的出路。所以要堅持。”

此時，中交二航局副總工程師翟世鴻帶領團隊在武漢進一步開展實驗，試圖從根本上去摸清這個結構概念的機理。

工程建設正在全面推進，從2003年5月開始，沉管已經(jīng)由淺入深安裝了5個管節(jié)。而這5個基本上是淺埋，符合柔性結構的原理。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個背靠背小組模擬計算有了結論，半剛性結構是成立的。尹海卿說，5個模擬計算是接近的，誤差在20 %以內(nèi)。

在7月的又一次專家論證會上，項目部對疑問一一給予解釋，但是反對的意見仍然是壓倒性的。

林鳴反而更加堅定。“對于這樣一個非常復雜的東西，我讓這么多單位同步去計算，我們將結構分析介紹之后，他們分頭按照各自的理解去做模型計算。這幾家單位算出來的結果，都支持半剛性結構是成立的。如果你是一個錯誤的判斷，5個計算結論一定是五花八門的，可能方向都是反的。但是如果是一個正確的東西，它一定具有趨同性?！?/p>

在與外國專家進行細致而深入的交流中，劉曉東更堅定了信心，因為對方的每一個問題他都能從實驗乃至機理上給予解釋。2013年8月中旬，港珠澳大橋管理局組織了一個高規(guī)格專家論證會議，交通運輸部兩位副部長、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作出科學的決策，為今后的施工提供最終答案。項目部也堅信專家論證會得到正確的結論，林鳴說：“國家專家委員制度有著足夠的科學性，我們相信專家會根據(jù)自己的專業(yè)知識進行分析并作出科學判斷?！?/p>

專家們對5個實驗團隊的數(shù)據(jù)進行了反復論證。2013年8月14日下午，得出最后結論：支持“半剛性結構”方案。87歲的兩院院士孫鈞說，對新的東西要理性判斷，外國成熟的經(jīng)驗也不能完全套用，有5家機構的計算支持，說明這個方案是可行的。

隨后的一年里，設計團隊將“半剛性結構”從構想變成了可實現(xiàn)的藍圖。

在“半剛性結構”的設計理念下，港珠澳大橋的沉管安裝有序推進。到2014年7月，已有11節(jié)沉管到位，隧道總長達到1845米。根據(jù)檢測，所有數(shù)據(jù)符合設計預期。這是一個良好的開端，港珠澳大橋島隧項目部對“半剛性”結構的探索和完善仍在繼續(xù)。