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水滴石不穿
——港珠澳大桥海底隧道是如何防水的?

鹤运

2017年3月7日,万众瞩目的港珠澳大桥海底隧道完成了最后一个管节的安装,意味着这个“世纪工程”打赢沉管安装的“收官之战”。这条5.6千米的海底隧道,在攻破重重技术难关之后,保证了40米水压下的“滴水不漏”,打破了世界纪录。

水底的沉管隧道与常见的山区隧道不同:山区隧道只要“钻洞”,一边钻一边做支护结构;而海底隧道是将预先制作好的隧道结构沉到水下,并在水下安装。

沉管隧道一般是由一节节的钢筋混凝土管子拼接起来的。港珠澳大桥海底隧道是先在工厂把8个22.5米长的小段(专业术语叫“节段”)拼接成180米的大段(“管节”),然后拖到海面上,在预定的位置沉放,最终33个管节在海底连成一个整体。

需要补充说明的是,港珠澳隧道首末两端的管节只有6个节段。隧道两端是两个人工填筑的小岛,在岛上完成海上大桥到海底隧道的接驳。

掩埋于伶仃洋的淤泥中,“任尔东西南北风”

提起海底隧道,很多人都会产生这样的疑问——隧道如长龙般卧在海底,经受海浪日复一日的冲刷,隧道真的就不漏水吗?

实际上“海浪冲刷”的问题只存在于人工岛附近的隧道浅埋段,隧道大部分都掩埋于伶仃洋的淤泥之中。由于周围环境和水陆空交通的要求,港珠澳大桥岛隧工程成了世界上第一个也是唯一的深埋沉管隧道。

港珠澳大桥海底施工时首先会清理海底深厚的淤泥,并对隧道下方的地基做处理。然后沉放隧道管节,并在两侧和上部回填碎石,短期内碎石可以减弱海浪的袭扰。完工后,“随波逐流”的淤泥很快就会重新“淤”到隧道上方。即使在大风大浪之中,隧道也能在淤泥的怀抱里“安眠”。

虽然说无惧风浪,但另外一个问题来了——常年的海水浸泡,而且还要忍受海底那么高的水压。古巴的哈瓦那海湾隧道,就是预制混凝土管节的沉管隧道,曾经出现过开裂导致的漏水事故,裂缝处渗水速度达40升每小时。

这么长的隧道要做成“百年工程”,任务十分艰巨,但港珠澳大桥从工程设计到材料选择再到施工管理和施工工艺,都做到了极致。在海底复杂荷载的作用下,有3种情况最有可能导致隧道漏水,港珠澳隧道也都一一做好了防范。

裂缝要不得——混凝土“百炼成砼”

港珠澳大桥的每个节段都是钢筋混凝土做的巨型结构。港珠澳大桥海底沉管隧道全长5664米,由33节沉管组成,单个标准管节长达180米,重约8万吨。负责项目建设的中交港珠澳大桥岛隧工程师曾这样形容:每个管节使用近9000吨钢筋,相当于搭建一座埃菲尔铁塔的用量。

混凝土是一种脆性材料,它在受力状态下容易开裂,抗压不抗拉。正是由于混凝土的这一特性,工程师常常将混凝土与钢筋组合起来,在结构的受压区发挥混凝土的作用,在结构的受拉区发挥钢筋的作用。

民用建筑中的混凝土结构都是允许带裂缝工作的,大家经过混凝土天桥下时可以抬头看一看,桥下一般都布满了裂缝,混凝土裂了钢筋才能发挥出更大的作用。

混凝土结构常常带裂缝工作,图为某桥底板

在山里面打隧道,挖洞之后做支护和衬砌,支护结构和衬砌也是会带裂缝工作的,所以隧道的漏水也不可避免。山区隧道的工程师能想得开——漏水就漏水呗,少量的渗漏不影响安全。

但是海底隧道更加特殊,一方面产生裂缝后,含盐的海水渗透可能会加速钢筋的锈蚀,另一方面渗水也会威胁到隧道内的电子设备,甚至影响司机的情绪。

所以,海底隧道对混凝土提出了更高的要求:

一是强度要满足要求,各种常见的受力情况(荷载组合)下,隧道结构混凝土的最大拉力不能超过混凝土的抗拉强度;

二是混凝土要有耐久性,在使用期内保持其性能;

三是满足施工要求,若混凝土流动性差,会容易出现浇注不密实的情况,产生缺陷。

制作混凝土并不仅仅是简单地把原料混合在一起,原料的比例直接决定了混凝土性能。而某些性能往往是此消彼长的,技术人员要调配出合适的比例,满足所有的要求,一定要经历千百次的试验。

人们常说“百炼成钢”,而在港珠澳大桥的建造过程中,则是“百炼成砼”。砼(tóng)是混凝土的简称,牛头山岛上看似简单的混凝土,浸透了工程技术人员挥洒的汗水。而且,混凝土还很敏感和“调皮”,在浇注完成后还需在严格的养护条件下保养1个月左右。

对混凝土质量的控制可以确保每一个节段不开裂从而完成好自己的使命,而节段与节段之间的空隙也得保证滴水不漏。

橡胶止水带——防止节段与节段间产生裂缝

隧道的结构编号和美剧正好是反的,美剧第2季第3集叫S2E3,而隧道中第2个管节第3个节段叫E2S3。一个管节的8个节段分别是S1~S8,它们之间若不做处理,直接硬碰硬地接触,稍有受力就易张开。

所以,我们的工程师在两个节段硬碰硬的地方垫上一层橡胶,称其为“止水带”。不过,光有止水带是不行的。医生给人打绷带,并不是把绷带松松地缠起来,而是紧紧地裹起来。所以还需要很多预应力钢筋把这8个节段串起来,然后把钢筋张拉得很紧,这样相邻两个节段就挤在了一起,它们之间的橡胶也压得很紧。

Gina止水带——避免管节与管节之间产生裂缝

8个节段组成管节,管节被一节一节地拖到预定位置并下沉,最终在水下组合到一起才形成整个隧道。管节和管节之间的接触在水下完成,难度非常之高,专家说这甚至是比“嫦娥”和“天宫”对接难度还要大的“深海之吻”。

管节之间的连接至关重要,这里工程师们则使用了一种更大的橡胶止水带:Gina止水带。其橡胶块头大,压缩后变形也很大。

连接区域止水的唯一要求就是压紧压紧再压紧!这里使用了一种特殊的技术——“水力压接”。对接前,新来的管节两侧都有水压力;对接后,抽掉中间的水,新来的管节就被牢牢地压住了!

对流体压强有所了解的人不难理解这个物理过程,这就是工程师的智慧,借助水的力量,成就大自然的鬼斧神工。

水力压接过程

使用止水带是国内外广泛采用经过检验的方案,但这并不意味着使用橡胶止水带产品就可以保证隧道安全。在工程设计阶段,摆在设计人员面前的是更具体的问题,例如选用什么样的结构形式才能让结构的受力和变形都在容许范围之内、怎样尽可能提高隧道的安全性、现有的施工技术能否保证隧道在水下顺利对接等等。

总之,沉管隧道的铺设是一项了不起的大工程。 q3hrxIukyJ0ZJt9MaXsya7LR/gBc/z2rWFBLnCXlGRT2xrhmFdeOr5O9iqQDs8fM

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