深中通道:难度最高的“跨海大动脉”
作者 李明子
发表于 2024年3月
深中通道(2023年9月)。图/视觉中国

3月3日17时,在伶仃洋水面下三十多米的深中通道海底沉管隧道內,压路机轰鸣不断,隧道沥青路面下面层首件段施工顺利完成,标志着项目全线路面施工转入冲刺阶段。历时8年建设的深中通道,将于2024年6月具备通车条件。

深中通道全长24公里,集“桥、岛、隧、水下互通”于一体,投资约为446.9亿元。设计速度为100公里/小时,双向八车道,是当前世界上综合建设难度最高的跨海集群工程。

从更高的视角俯瞰,深中通道北距虎门大桥30公里,南距港珠澳大桥31公里,是粤港澳大湾区“A”字形交通主骨架的关键“一横”。2024年建成通车后,中山至深圳车程将从一个半小时缩短至半小时左右,成为连通珠江口两岸城市群的交通大动脉。

深中通道刷新了多项世界之最:世界最高通航净空的海中大桥,世界跨径最大的全离岸海中钢箱梁悬索桥,世界最高抗风等级钢箱梁悬索桥,世界最大体量海中锚碇,世界首例双向八车道钢壳混凝土沉管隧道,世界上最长、最宽的海底钢壳混凝土沉管隧道……作为“基建狂魔”,中国的建设团队仍然面临种种工程挑战,如何破解多项“全球首次”难题?正式通车后,大湾区“1小时生活圈”是否能加速形成?

 “世界首例”背后

从珠江口西岸的马鞍岛登上深中通道,沿着17公里的海上桥梁蜿蜒向东,直达一座菱形人工岛,前路突然“消失”。从空中俯瞰,这座如海上风筝一样的西人工岛东侧海面,是来往货船进出深圳港的必经航道,再向东则是深圳宝安国际机场,水域上方,平均每一分钟就有一架飞机起降。

通航需求叠加航空限高,修建海底隧道成了深中通道在西人工岛东侧海域的唯一选择。工程建成后,日通车量预计将达到10万车次,为此,海底隧道采用了双向8车道的技术标准。港珠澳大桥被誉为现代世界七大工程奇迹之一,而深中通道的沉管隧道比它还宽出两车道。

“海底隧道宽度增加1/3,顶板受力将增加约70%。”中交公路规划设计院有限公司隧道事业部总工程师黄清飞先后参与了港珠澳大桥和深中通道的设计建造。换句话说,同等条件下,隧道宽度增加,其自重和受力面积也随之增加,更易发生弯曲变形。

由此引发的问题是,在深中通道项目上,港珠澳大桥隧道采用的钢筋混凝土沉管结构不再适用。黄清飞对《中国新闻周刊》解释说,按传统结构,钢筋配置数量非常多,既影响混凝土浇筑质量,给后期运营带来渗漏水等隐患,还会增加自重和体积,给预制管节的运输和沉放增加了难度。

工程师们决定采用另一种钢壳混凝土结构。“最大的挑战是没有前例可供参照,这意味着风险未知。”黄清飞介绍。所谓沉管,是用混凝土或钢材建成的巨大中空管道,将其置入海底后连接形成隧道,汽车便可在其中通行。具体到钢壳混凝土结构,之前只有日本的两条长约几百米的隧道用过,而深中通道沉管隧道长达6.8公里,由32个管节及1个最终接头组成,标准宽度46米,异形管节最宽处55.46米,无疑对沉管承载能力提出了更高的要求。

2017年,深中通道初步设计获得交通运输部批复后,黄清飞曾跟随团队到国外调研学习沉管隧道建设,但对方既不让靠近,也不准许拍照,可借鉴内容极少。公开出版资料可用来参考,但作为设计依据还远远不够。黄清飞回忆,出国调研前,深中通道管理中心已经开始组织产学研联合攻关。

在一系列关键技术清单中,钢壳混凝土沉管隧道结构的合理构造研究被放在了优先位置。管节在水下完成对接,最终成型尺寸需达到毫米级精度,才能保证结构不漏水等最基本要求。然而,混凝土这种材料在浇筑过程中放热明显,导致浇筑过程中膨胀,浇灌结束后收缩。材料本身的特性决定形变几乎没办法消除,而这只是影响沉管尺寸的众多因素之一。

海底隧道百年寿命的秘诀也藏在改进后的混凝土中。深中通道标准沉管的钢壳内部被划分成2255个相互独立且封闭的隔舱,就像一个放大的“冰格”,特殊结构导致其无法通过振捣方式将混凝土填充密实,一旦产生脱空,将导致不可挽回的后果。

2023年6月8日,“一航津安1”号沉管运输安装一体船将E23管节和最终接头浮运至安装现场。
2022年7月22日,在“一航津安1”号沉管运输安装一体船挂载的E19沉管上,测绘团队负责人(左一)为潜水员讲解拆解水下双目摄影定位设备的注意事项。
2023年1月30日,中交四航局珠海牛头岛沉管智慧工厂,深中通道海底隧道最后一个管节(非标准管节、含最终接头)。本版图/新华

“在封闭隔舱里实现混凝土填充密实性是世界性难题,设计单位和施工单位此前都没有经验,大家就联合设计。”深中通道管理中心副总工程师陈越记得,当时还做出了两个1:1模型,仅试验就用掉几千吨钢材,不断优化结构和材料性能,最终研发出的自密实混凝土无需振捣,在重力作用下,凭借自身优良流动性便能填充钢壳内部。

长达4 年的“产学研用”联合攻关基本集齐了国内相关领域的顶尖科研力量,组织了近百组模型试验,对钢壳混凝土组合结构的受力机理及设计方法进行了系统性试验研究。最终,钢壳混凝土沉管隧道设计方法及合理关键构造被创造性提出,并形成技术标准,填补了国内技术空白。

大型工程推动技术研发的同时,也要综合考虑运输建造等现实成本。黄清飞告诉《中国新闻周刊》,尽管钢壳混凝土结构的用钢量更高,价格更贵,但整体较传统构造更轻便,这样在运输沉放过程中,航道和基槽可少挖约1500万立方米淤泥,节省成本,同时节约工期,提高效率。

2018年刚结束港珠澳大桥项目的建设工作,53岁的陈越无缝对接到深中通道项目,当时他最担心的就是管节浮运问题。首节沉管E1长123.5米、宽46米、高10.6米,仅钢壳就重达8000多吨,浇筑完成后,重量约6万吨,排水量如同一艘中型航空母舰。仅靠人造设备无法托运,必须借助水的浮力。

本文刊登于《中国新闻周刊》2024年9期
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