港珠澳大橋正式通車了，它連接了珠江口東岸的香港和珠江口西岸的珠海、澳門，將整個珠三角的經濟融為一體。它全長55公里，是世界上最長的跨海大橋，沒有之一。其著名的沉管隧道長達6.75公里，是全球最長的公路沉管隧道和全球唯一的深埋沉管隧道……
從籌備到建成，港珠澳大橋建設历時14年，過程中攻克了無數個世界級難題，打破了無數個世界紀錄，是當之無愧的世紀工程。在它建成通車的历史性時刻，讓我們共同回顧港珠澳大橋的那些驚世駭俗之處。
一、有橋有隧，大橋為何如此設計？
港珠澳大橋並不是一座嚴格意義上的“橋”，而是一個橋梁與隧道的組合體。整個工程在海中全長35公里，其中有29公里是橋，6公里則是隧道。在橋梁與隧道之間，通過珠江口伶仃洋南北兩側的兩個離岸人工島進行連接，而港珠澳大橋的難度也正來源于此。
那麼，港珠澳大橋究竟為什麼要設計成這樣呢？
（港珠澳大橋的橋隧轉換人工島）
這主要是考慮到了船只的通航問題。
廣州港是世界著名的繁忙大港，每天都有上萬艘船只穿過港珠澳大橋所處的伶仃洋進出廣州港，其中不乏有許多萬噸巨輪。這些巨輪體積大、吃水深，如果大橋全部修建成水面以上的橋，那麼這些船只很難從橋下通行，還容易與橋墩相撞。因此，必須有一段淨空的航道供巨輪通行，也就是必須有一段海底隧道。
然而海底隧道的建設成本驚人。如果整個35公里的公路全部修成隧道，不僅經濟上不可接受，消防、運行等等問題都難以解決。因此，半橋半隧成為了一種現實可行的方案。
（輪船撞橋是一類非常嚴重的事故）
橋隧轉換的關鍵在于人工島。修建人工島可不僅僅是用海底的泥沙堆砌一座島出來，這座島必須能夠對抗方向不定的洋流和海風。如果沒有結實的加固，必然一沖即散。
港珠澳大橋人工島的造價高達131億元，為了保持穩固，工程采用了120個直徑22米的鋼圓筒圍成人工島的島壁，單體重達500噸，其施工工法和八錘聯動液壓振動錘為世界首創。
（人工島外圍的圓筒就是島嶼的圍束）
在海洋中填島，如何將原來位置的海水排干是一個大問題。工程采用了局部開挖換填、井點降水聯合堆載的全新施工方案，不僅加速了固結，而且減少了工程後的殘余沉降，保障了安全。
在穩固的地基支撐下，建成的人工島標高達到5米，能夠抵抗珠江口300年一遇的洪潮。它不僅承擔了橋隧轉換的功能，而且還將成為港珠澳三地的交通銜接中心，兩地對關口岸也設置在島上。
人工島集交通、管理、服務、救援及觀光功能于一體，島上還設計了中華白海豚觀賞區和海上觀景平台。
（人工島的平面布置）
二、構件全部標准化生產，保障大橋質量
港珠澳大橋的設計使用壽命長達120年，這意味著在一個多世紀的時間里，大橋的核心結構，尤其是6.7公里長的沉管隧道不能出現絲毫的質量問題。
（港珠澳大橋的沉管）
大橋的隧道由33節沉管連接而成，每節標准沉管段長180米，寬38米，高11.4米，排水量7.8萬噸，相當于一艘滿載的遼寧號航母。每節沉管的內部由超過40萬根近一萬噸的鋼筋和7萬噸混凝土組成。
這麼大的沉管，施工方必須保證誤差在0.5毫米以下。為了保證精度，工人們需要親身鑽進壁厚僅1.5米的鋼筋籠里，把近100根注漿管的安裝效果一一檢查到位，確保每一個焊接位置的密閉性能。
（建設中的沉管）
如此巨大的沉管，還要保證極其苛刻的誤差限度，因此它的運輸過程中不允許絲毫差池。
它不能遠距離運輸，更不可能在陸地上建好再輾轉進入海中。因此，在距離大橋不遠處的桂山牛頭島，專門建設了一座沉管管節預制工廠，采用最先進的工廠流水線生產這33段管節。
（沉管預制廠設置在一座小島上）
按照工藝流程，180米長的管節會被分為8段22.5米長的節段逐段預制、逐段頂推直到全部澆築完畢，再整體頂推至塢區，進行臨時預應力索張拉，讓這八個節段形成密閉的整體。隨後，工程师們會將它的兩端封閉，讓它像一艘船一樣漂浮起來，牽引到安裝位置。
（預制構件小島上的塢區）
要讓一個橋段在海面上移動，需要8艘拖輪带纜共同发力，提供5000多噸的力量。如此巨大的“航母”在拖航過程中姿態難以控制，管節系泊的每一次带纜都要經受流速、流向的影響，橋段無論是移動還是對接難度都極高。
此外，施工還要面臨來自台風、季風等复雜的氣象水文環境带來的挑戰。珠江口洋流复雜，橋段的安裝還要經受水流的干擾。為了實現精准安裝，工程首次應用了深水無人沉放對接測控系統，對橋段的安裝位置和進度進行了精密的測量和控制。
港珠澳大橋的沉管隧道，是世界島隧工程历史上首個真正意義上的外海深水安裝沉管隧道，具有劃時代的意義。
三、海底沉管隧道如何保證120年滴水不漏？
混凝土是一種脆性材料，抗壓能力很強，但受到拉力就很容易開裂。在陸地上，絕大多數的混凝土都是带裂縫工作的，並不影響結構的性能。
但在海洋工程，尤其是海底隧道中，這樣的裂縫是不可以存在的。一旦產生裂縫，含鹽的海水就會滲入混凝土內部進一步腐蝕鋼筋和混凝土，進而擴大裂縫，最終導致漏水，乃至產生結構安全問題。
因此，沉管隧道使用了一種抗滲性能很強的混凝土，它的微觀結構非常致密，有害離子很難直接滲入。隧道壁內部的鋼筋籠也十分密集，配筋率遠超一般的建築結構，這些密布的鋼筋起到了極強的約束作用，嚴格限制了混凝土的宏觀開裂以及微觀裂縫的擴展。
（沉管隧道內部的鋼筋籠）
為了避免沉管段之間的縫隙发生漏水，在沉管的節段和節段之間，還設置有一層厚厚的橡膠墊來彌合縫隙。在沉管內部沿縱向設置有許多貫通的預應力鋼筋，當預應力鋼筋張拉後，它們就像是一束強力橡皮筋，將沉管緊緊地綁紮在一起，不留一絲縫隙。這樣，沉管內部與外部就被嚴格地隔離開來。
然而，海洋中的環境並非一成不變，紛亂錯雜的洋流、變化的海底地質環境仍然可能會對沉管隧道造成破壞。為了保護沉管的穩定性，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，工程部先將海底深厚而松軟的淤泥清理到了一邊，並在沉管的基床底部鋪設2-3米厚的塊石，制成一種堅固的复合地基。它可以讓沉管的沉降值縮小到10厘米以內，杜絕因海底沉降導致的滲水。
在沉管鋪設好之後，還要在兩側及上部回填碎石。之前被清到一邊的淤泥也會很快隨著洋流重新淤積到隧道上方，對隧道形成保護。這樣一來，海中的風浪就完全侵蝕不到隧道了。
四、地處南海，大橋如何抵抗海洋侵蝕？
水下的部分解決了，水上的29公里橋梁還要面對嚴酷多變的環境。
港珠澳大橋地處中國南海，這里風高浪急，每年要刮兩場以上的台風。還有陽光的暴曬、海浪的侵蝕……港珠澳大橋可是要用120年的大工程，如果任由這些小問題日積月累，最終會成為大問題。
（海洋環境示意圖，受害最嚴重的是飛沫區）
海洋環境之所以對建築物的傷害巨大，最重要的是因為其干濕交替的環境。
完全浸沒在海水中的結構如隧道、橋墩基礎受到的腐蝕作用反而不強，而橋梁的主體部分則直接暴露在空氣中的飛沫區，雖然很少能直接接觸到海水，但大量的海水飛沫裹挾著鹽分沖擊結構，結構表面一會兒干一會兒濕，每顆小飛沫還都攜带著海水中的有害離子粘在上面。
這些有害離子會在混凝土內部產生結晶，讓混凝土劣化、鋼筋鏽蝕。折騰不了几年，大橋的路面就會變成豆腐渣。
（腐蝕嚴重的橋墩）
面對如此惡劣的海洋環境，工程师們進行了數百組室內模擬實驗，以及室外高溫穩定性及低溫疲勞試驗，獲得了上萬個測試數據，最終敲定了SMA（瀝青瑪蹄脂碎石混合料）+後澆築式瀝青混凝土組合鋪裝結構體系的鋼橋面鋪裝設計方案。
工程還首次提出了GMA澆築式瀝青新技術，兼具溫度穩定性與耐腐蝕能力。為了保障其中重要的集料生產，施工方還專門為港珠澳大橋打造了最先進、標准最高的高精尖集料工廠——中山集料廠。
與120年壽命的大橋主體結構不同，路面由于直接暴露在海風與烈日下，且要承受車輛碾過的反复荷載，需要經常更換，為了保證路面的質量，它的服役期被嚴格限制在15年以內。
結語
港珠澳大橋的總投資超過1000億元，據估算，如果僅靠收取過橋費，它需要几十乃至上百年才能收回成本。然而，港珠澳大橋將珠江口兩岸的城市連為一體，通車後，從香港開車去澳門只需30分鐘，大大促成了珠三角經濟的一體化，其社會價值是無法估量的。
本文轉自網易新聞，作者：須臾千秋，清華大學土木工程博士。
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