港珠澳大桥通车了，它都用到了哪些顶尖科技？

本文转自网易新闻，作者：须臾千秋，清华大学土木工程博士。

今天港珠澳大桥正式通车了。

它连接了珠江口东岸的香港和珠江口西岸的珠海、澳门，将整个珠三角的经济融为一体。它全长55公里，是世界上最长的跨海大桥，没有之一。其著名的沉管隧道长达6.75公里，是全球最长的公路沉管隧道和全球唯一的深埋沉管隧道……

从筹备到建成，港珠澳大桥建设历时14年，过程中攻克了无数个世界级难题，打破了无数个世界纪录，是当之无愧的世纪工程。在它建成通车的历史性时刻，让我们共同回顾港珠澳大桥的那些惊世骇俗之处。

一、有桥有隧，大桥为何如此设计？

港珠澳大桥并不是一座严格意义上的“桥”，而是一个桥梁与隧道的组合体。整个工程在海中全长35公里，其中有29公里是桥，6公里则是隧道。在桥梁与隧道之间，通过珠江口伶仃洋南北两侧的两个离岸人工岛进行连接，而港珠澳大桥的难度也正来源于此。

那么，港珠澳大桥究竟为什么要设计成这样呢？

（港珠澳大桥的桥隧转换人工岛）

这主要是考虑到了船只的通航问题。

广州港是世界著名的繁忙大港，每天都有上万艘船只穿过港珠澳大桥所处的伶仃洋进出广州港，其中不乏有许多万吨巨轮。这些巨轮体积大、吃水深，如果大桥全部修建成水面以上的桥，那么这些船只很难从桥下通行，还容易与桥墩相撞。因此，必须有一段净空的航道供巨轮通行，也就是必须有一段海底隧道。

然而海底隧道的建设成本惊人。如果整个35公里的公路全部修成隧道，不仅经济上不可接受，消防、运行等等问题都难以解决。因此，半桥半隧成为了一种现实可行的方案。

（轮船撞桥是一类非常严重的事故）

桥隧转换的关键在于人工岛。修建人工岛可不仅仅是用海底的泥沙堆砌一座岛出来，这座岛必须能够对抗方向不定的洋流和海风。如果没有结实的加固，必然一冲即散。

港珠澳大桥人工岛的造价高达131亿元，为了保持稳固，工程采用了120个直径22米的钢圆筒围成人工岛的岛壁，单体重达500吨，其施工工法和八锤联动液压振动锤为世界首创。

（人工岛外围的圆筒就是岛屿的围束）

在海洋中填岛，如何将原来位置的海水排干是一个大问题。工程采用了局部开挖换填、井点降水联合堆载的全新施工方案，不仅加速了固结，而且减少了工程后的残余沉降，保障了安全。

在稳固的地基支撑下，建成的人工岛标高达到5米，能够抵抗珠江口300年一遇的洪潮。它不仅承担了桥隧转换的功能，而且还将成为港珠澳三地的交通衔接中心，两地对关口岸也设置在岛上。

人工岛集交通、管理、服务、救援及观光功能于一体，岛上还设计了中华白海豚观赏区和海上观景平台。

（人工岛的平面布置）

二、构件全部标准化生产，保障大桥质量

港珠澳大桥的设计使用寿命长达120年，这意味着在一个多世纪的时间里，大桥的核心结构，尤其是6.7公里长的沉管隧道不能出现丝毫的质量问题。

（港珠澳大桥的沉管）

大桥的隧道由33节沉管连接而成，每节标准沉管段长180米，宽38米，高11.4米，排水量7.8万吨，相当于一艘满载的辽宁号航母。每节沉管的内部由超过40万根近一万吨的钢筋和7万吨混凝土组成。

这么大的沉管，施工方必须保证误差在0.5毫米以下。为了保证精度，工人们需要亲身钻进壁厚仅1.5米的钢筋笼里，把近100根注浆管的安装效果一一检查到位，确保每一个焊接位置的密闭性能。

（建设中的沉管）

如此巨大的沉管，还要保证极其苛刻的误差限度，因此它的运输过程中不允许丝毫差池。

它不能远距离运输，更不可能在陆地上建好再辗转进入海中。因此，在距离大桥不远处的桂山牛头岛，专门建设了一座沉管管节预制工厂，采用最先进的工厂流水线生产这33段管节。

（沉管预制厂设置在一座小岛上）

按照工艺流程，180米长的管节会被分为8段22.5米长的节段逐段预制、逐段顶推直到全部浇筑完毕，再整体顶推至坞区，进行临时预应力索张拉，让这八个节段形成密闭的整体。随后，工程师们会将它的两端封闭，让它像一艘船一样漂浮起来，牵引到安装位置。

（预制构件小岛上的坞区）

要让一个桥段在海面上移动，需要8艘拖轮带缆共同发力，提供5000多吨的力量。如此巨大的“航母”在拖航过程中姿态难以控制，管节系泊的每一次带缆都要经受流速、流向的影响，桥段无论是移动还是对接难度都极高。

此外，施工还要面临来自台风、季风等复杂的气象水文环境带来的挑战。珠江口洋流复杂，桥段的安装还要经受水流的干扰。为了实现精准安装，工程首次应用了深水无人沉放对接测控系统，对桥段的安装位置和进度进行了精密的测量和控制。

港珠澳大桥的沉管隧道，是世界岛隧工程历史上首个真正意义上的外海深水安装沉管隧道，具有划时代的意义。

三、海底沉管隧道如何保证120年滴水不漏？

混凝土是一种脆性材料，抗压能力很强，但受到拉力就很容易开裂。在陆地上，绝大多数的混凝土都是带裂缝工作的，并不影响结构的性能。

但在海洋工程，尤其是海底隧道中，这样的裂缝是不可以存在的。一旦产生裂缝，含盐的海水就会渗入混凝土内部进一步腐蚀钢筋和混凝土，进而扩大裂缝，最终导致漏水，乃至产生结构安全问题。

因此，沉管隧道使用了一种抗渗性能很强的混凝土，它的微观结构非常致密，有害离子很难直接渗入。隧道壁内部的钢筋笼也十分密集，配筋率远超一般的建筑结构，这些密布的钢筋起到了极强的约束作用，严格限制了混凝土的宏观开裂以及微观裂缝的扩展。

（沉管隧道内部的钢筋笼）

为了避免沉管段之间的缝隙发生漏水，在沉管的节段和节段之间，还设置有一层厚厚的橡胶垫来弥合缝隙。在沉管内部沿纵向设置有许多贯通的预应力钢筋，当预应力钢筋张拉后，它们就像是一束强力橡皮筋，将沉管紧紧地绑扎在一起，不留一丝缝隙。这样，沉管内部与外部就被严格地隔离开来。

然而，海洋中的环境并非一成不变，纷乱错杂的洋流、变化的海底地质环境仍然可能会对沉管隧道造成破坏。为了保护沉管的稳定性，海底隧道的大部分都是被掩埋在伶仃洋的淤泥之中的。

在施工中，工程部先将海底深厚而松软的淤泥清理到了一边，并在沉管的基床底部铺设2-3米厚的块石，制成一种坚固的复合地基。它可以让沉管的沉降值缩小到10厘米以内，杜绝因海底沉降导致的渗水。

在沉管铺设好之后，还要在两侧及上部回填碎石。之前被清到一边的淤泥也会很快随着洋流重新淤积到隧道上方，对隧道形成保护。这样一来，海中的风浪就完全侵蚀不到隧道了。

四、地处南海，大桥如何抵抗海洋侵蚀？

水下的部分解决了，水上的29公里桥梁还要面对严酷多变的环境。

港珠澳大桥地处中国南海，这里风高浪急，每年要刮两场以上的台风。还有阳光的暴晒、海浪的侵蚀……港珠澳大桥可是要用120年的大工程，如果任由这些小问题日积月累，最终会成为大问题。

（海洋环境示意图，受害最严重的是飞沫区）

海洋环境之所以对建筑物的伤害巨大，最重要的是因为其干湿交替的环境。

完全浸没在海水中的结构如隧道、桥墩基础受到的腐蚀作用反而不强，而桥梁的主体部分则直接暴露在空气中的飞沫区，虽然很少能直接接触到海水，但大量的海水飞沫裹挟着盐分冲击结构，结构表面一会儿干一会儿湿，每颗小飞沫还都携带着海水中的有害离子粘在上面。

这些有害离子会在混凝土内部产生结晶，让混凝土劣化、钢筋锈蚀。折腾不了几年，大桥的路面就会变成豆腐渣。

（腐蚀严重的桥墩）

面对如此恶劣的海洋环境，工程师们进行了数百组室内模拟实验，以及室外高温稳定性及低温疲劳试验，获得了上万个测试数据，最终敲定了SMA（沥青玛蹄脂碎石混合料）+后浇筑式沥青混凝土组合铺装结构体系的钢桥面铺装设计方案。

工程还首次提出了GMA浇筑式沥青新技术，兼具温度稳定性与耐腐蚀能力。为了保障其中重要的集料生产，施工方还专门为港珠澳大桥打造了最先进、标准最高的高精尖集料工厂——中山集料厂。

与120年寿命的大桥主体结构不同，路面由于直接暴露在海风与烈日下，且要承受车辆碾过的反复荷载，需要经常更换，为了保证路面的质量，它的服役期被严格限制在15年以内。

结语

港珠澳大桥的总投资超过1000亿元，据估算，如果仅靠收取过桥费，它需要几十乃至上百年才能收回成本。然而，港珠澳大桥将珠江口两岸的城市连为一体，通车后，从香港开车去澳门只需30分钟，大大促成了珠三角经济的一体化，其社会价值是无法估量的。

本文转自网易新闻，作者：须臾千秋，清华大学土木工程博士。