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「基建狂魔」再現 港珠澳大橋科技元素盤點

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被戲稱為「基建狂魔」的中國大陸,近年在基礎建設領域展現出令世人折服的能量。隨著港珠澳大橋開通,伶仃洋增添了一道優美風景,這座連接香港、澳門和中國內地城市珠海的55公里長的跨海大橋,猶如一條彩線畫出優雅弧線,綿亙伸向遠方。

作為人類建設史上迄今為止里程最長、投資最多、施工難度最大、設計使用壽命最長的跨海公路橋梁,港珠澳大橋才剛正式亮相,就迎來全球各色挑剔目光的審閱。美國《時代》雜誌網站一段長約56秒的航拍影片即向世人展示港珠澳大橋沿線的風光,美國《工程新聞紀錄》(Engineering News-Record)也授予港珠澳大橋「2018年度全球最佳橋隧項目獎」。

儘管有香港觀察人士將這耗資約200億美元的專案稱為「大白象工程」,認為這種「硬融合」是大陸進一步削弱香港「高度自治」及自由的一步,且從設計之初就引發許多環保人士的批評,但從專業建築科學的角度來看,港珠澳大橋確實已經成為中國大陸在基建領域達到新高度的象徵。

最具挑戰性的工程
此前,中國大陸已建造世界最大跨度公鐵懸索橋——五峰山長江特大橋,其荷載和設計時速世界第一;世界最長高鐵橋——丹昆特大橋,全長164.85公里;世界最高大橋——滬昆高速公路的貴州北盤江大橋;創下7項「世界第一」的湖南宜章赤石大橋;創下4項「世界之最」的湖南矮寨大橋……另外,世界跨度最大的公路鐵路兩用大橋——滬通長江大橋,以及主橋設置雙層雙向10車道、世界上通行能力最大的武漢楊泗港長江大橋,均預計於2019年建成。

近年,中國大陸建設杭州灣跨海大橋、膠州灣跨海大橋等一批大型跨海大橋,如今港珠澳大橋的開通,更被認為具有里程碑意義,是中國從橋梁大國走向橋梁強國的里程碑。港珠澳大橋是集橋島隧於一體的跨海集群超級工程,它是世界公認的修建技術難度最大的大橋之一,由橋、島、隧道和粵港澳連接線組成,全長55公里的跨海公路橋梁,其中主體工程「海中橋隧」長度即超過35公里,主橋從西端珠海拱北對開的人工島,伸展至東端接近粵港分界線的東人工島。

港珠澳大橋號稱可抗16級颱風、8級地震,被譽為「當今世界最具挑戰性的工程」、「橋梁界的『聖母峰』」,英國《衛報》更是將其評為「新的世界七大奇蹟」之一。2018年9月,在強度為17級的超強颱風「山竹」以最高時速240公里強風考驗下,港珠澳大橋主體橋梁、海底隧道、人工島,以及橋面護攔、路燈等,都挺過來了。據稱,大橋可承受時速432公里的風速,遠超過目前香港曾經歷過的所有颱風。

中國大陸的交通習慣是行車靠右,香港、澳門則是靠左,輿論曾因此一度出現「港珠澳大橋恐成廢橋」的聲音。其實,橋梁設計之初已考慮到此問題,參考了英法海底隧道對左、右駕車變換行駛方式的解決辦法,港珠澳大橋在大陸上橋的入口採用「右上左落」的車輛安排,從大陸內地往香港方向上橋所有車輛遵循靠右行駛原則,當車輛行駛到「觀景山隧道」和「機場隧道」時,透過交流道自然轉換成靠左行駛;而從港澳方向上橋的車輛在上橋之初遵循靠左行駛原則,當通過上述兩個地點時透過交流道自然轉換成靠右行駛。

最長的跨海大橋:東西橫跨55公里,比新加坡國土寬度還長,是世界最長的跨海大橋。

最長的鋼鐵大橋:有15公里是全鋼結構鋼箱梁,是世界最長的鋼鐵大橋。

最重的鋼結構橋梁:主體橋梁總用鋼量達到42萬噸,相當於10座鳥巢體育館或60座艾菲爾鐵塔。

最長的海底隧道:沉管隧道全長6.7公里。

最深的沉管隧道:海底隧道最深48公尺,世界沉管隧道最深很少超過45公尺。

最大的沉管:沉管隧道由33個巨型混凝土管節組成,每個管節長180公尺、寬38公尺、高11.4公尺,重量達8萬噸。

最精準的深海對接,:沉管在海平面以下13公尺至48公尺不等的深度進行海底無人對接,對接誤差控制在2公分以內。

最大斷面的公路隧道:珠海連接線的核心控制性工程——拱北隧道,雙向六車道,全長2,741公尺,是世界上最大斷面的公路隧道。

被嘲笑聲逼出技術優勢
一項工程若是初面世即被稱為破紀錄的「世紀工程」,也便意味著其工程鏈條的每個環節都會迎來大挑戰。施工9年、耗資千億元人民幣以上的港珠澳大橋受地質結構複雜、施工環境惡劣、技術標準高、環保要求高等多重考驗,從開工建設到完工通車,一路走來面臨著諸多超乎想像的困難與挑戰。

作為大橋控制性工程的島隧工程,也是整個建設中最核心的部分,需要建設兩座面積各10萬平方公尺的人工島和一條6.7公里的海底沉管隧道,實現橋梁與隧道的轉換。

港珠澳大橋人工島是中國大陸首座在外海修建的多功能大型橋隧人工島,採用多項當今世界最先進的人工島施工技術,具有旅遊觀光及大橋管理維護功能,也是大橋的顯著地標。離岸人工島具有為海中隧道和橋梁的轉換銜接提供「轉換器」的作用,昔日國際上通行的技術方案無外乎以傳統拋石填海的方法,以建成兩個10萬平方公尺的人工島,但這會造成工期長,水路交通堵塞,且需開挖800萬立方公尺的海底淤泥。據估算,挖掘量相當於堆砌三座古夫金字塔。面對以上問題,設計與施工團隊想到一個「快速成島」的方法,即將一組巨型鋼筒直接插入並固定在海床上,然後再填砂形成人工島。

造橋填海所用的逾百個鋼筒直徑22公尺、高50多公尺,其截面面積相當於一個籃球場,高度相當於18層樓,體積近一架A380空中巴士。在上海完成製造後,經海路運至香港,於海中逐一豎立,深插入海床面以下約30公尺處,從無到有,形成人工島。海外專家預計要兩三年工期才能完成的人工島,實際上施工團隊最後僅費時7個月。

港珠澳大橋島隧工程在沉管結構、製造工藝、接頭方案、隧道形式方面實現了「四大創新」,同時在深水基礎施工技術、外海沉管安裝成套技術等方面取得突破,曾進行140項試驗,歷經28次颱風侵襲,遭遇7次如河口羽(當潮流在河口進退時,因垂向和橫向剪切所形成的特殊水體)、異常波等危機,擁有40項創新和540項專利。

建「海底隧道」最驚險的一環,是外海沉管隧道的修建。如此大型的島隧工程,並無先例可循。2007年,建案之初,工程團隊赴南韓,擬近距離考察已建成的巨加大橋設備,卻被回絕;與荷蘭一家全球最頂尖的隧道沉管公司洽談合作,對方開出1.5億歐元的天價,當時相當於人民幣15億元,工程團隊提出想用3億元人民幣買一套藍圖,也被荷蘭公司斷然拒絕。

師夷長技的想法被澆滅後,只能走上自主克服之路。透過科研攻關,團隊掌握具有智財權的外海沉管安裝成套技術:並創造如下的世界紀錄:一年安裝10節沉管、221天完成兩島築島的世界紀錄、沉管隧道100%不漏水、澆築百萬方混凝土無一裂縫以及沉管隧道最終接頭安裝精度達毫米級的世界紀錄。

於水下近50公尺處建造的6.7公里長沉管隧道由33個巨型混凝土管節組成,每個管節長180公尺,重達8萬噸,意味著大橋海底隧道放入了相當於33艘航母重量的沉管。在外海沉管隧道的修建過程中,最難的是需從工廠將單個8萬噸重的沉管船運到施工地點,再精準沉放到海底指定位置,並與之前的沉管對接,「每一次都需要幾百人共同的力量」,每一節沉管都很難做到一次安裝成功,「命最苦」的是第15節沉管(E15),經歷兩次被拖回工廠,第三次浮運後才完成安裝。

港珠澳大橋設計使用壽命120年,打破中國大陸建造大橋的「百年慣例」。考慮到橋墩長期接觸海水、位於珠江出海口須接受颱風考驗、每天車來車往鋼材要有極好的抗疲勞性能以及防震需求等,所用鋼材在力學性能、抗震性能、抗疲勞性能和工藝連接性這四方面,都須符合極高要求。

港珠澳大橋在施工過程中經歷過無數的困難,最終都「化險為夷」,中國的工程專家也在過程中得到鍛錬。對於港珠澳大橋島隧工程總工程師林鳴來說,港珠澳大橋的建設,硬生生把他「逼」成島隧工程的世界級高手。大橋開通後,林鳴坦言,接下來主要是培養年輕人,教他們做「懸浮隧道」,去挑戰世界上更困難的工程,將來運用到更寬的峽灣、跨越更深的水域。

台海大橋或能成真

港珠澳大橋的正式通車,增加人們對「台海大橋」的想像,也讓台灣海峽跨海大橋究竟能否興建與何時實現,又成為兩岸三地的熱門話題。

台灣海峽以風大、浪大、流速大著稱,自然環境複雜,水域內多有淺灘、溝谷、海島礁石,水團和海水流系多,地質結構比港珠澳大橋所處的伶仃洋遠為複雜,作為國際水域,重要性也非伶仃洋可比。一直以來,風高浪急的海峽隔開兩岸,書寫無數先人從唐山過台灣求生的悲壯故事,內戰的悲劇,更造成兩岸分治的無奈事實。

呈北窄南寬形狀的台灣海峽最窄處,是台灣白沙岬與福建平潭島這段海域,兩地中間相隔約130公里,若直達台北,約170公里左右。中國大陸對於基建領域的雄心,以及在港珠澳大橋建設所積累的經驗,很可能會再投射在台灣海峽。對此,港珠澳大橋主體工程設計負責人孟凡超曾表示,開建台海大橋「既遙遠又不遙遠」,根據大陸目前的經濟實力、造橋技術水準以及工程材料水準,對建造台灣海峽跨海大橋是有信心的,經濟、技術不是問題,關鍵在於兩岸關係的走向,以及解決兩岸關係問題的時機。

孟凡超透露,對於台海大橋的主題,兩岸至少已開過10次研討會,第11次研討會已於2018年9月在福建省召開。按照專家的設計,從大陸到台灣大致有三條線路,一是北線,即平潭到新竹;二是中線,即莆田到台中;三是南線,即廈門到高雄。北線跨海線路較短,水深50公尺至60公尺,但不超過80公尺,為淺海地區,為跨越海峽的橋梁工程提供實施可能,畢竟英吉利海峽等其他海峽都有跨海隧道或者橋梁。

台灣海峽地處地緣政治戰略要點,台海大橋的建設,不僅挑戰著兩岸橋梁建設者的科技智慧,更挑戰著兩岸政治家和人民的政治智慧,同時還將觸發日本、南韓等鄰國的敏感神經,引發國際關注,也正因如此,其意義分外重大。台海大橋如能建成,必將成為兩岸走出歷史悲情、走向新未來的最好象徵。

本文來源:《多維TW》月刊037期