港珠澳大桥沉管隧道世界首创“半刚性”结构 刚柔并济的工程哲学

文 / 米金升 任明朝

港珠澳大桥沉管隧道世界首创“半刚性”结构 刚柔并济的工程哲学

文 / 米金升 任明朝

为预制好的“半刚性”沉管，陈向阳摄

在工厂标准化制作一个个混凝土的管子，然后把几个管子拼接、通过钢绞线连接起来，组成一个整体，再经过海上运输并安装到海底，次第对接起来，就形成了一个海底隧道。这是沉管隧道的基本原理。

但是，这些管节不是我们日常接触的普通管子，而是截面相当于一个网球场大小，类似于一个60层楼房，重约8万吨的超级巨无霸；安装这些管节要超级精确，误差控制以厘米为单位；这些管节要在40多米的海底，保证双向六车道的车辆安全通行120年。这便是当今世界土木工程界最难的工程之一——港珠澳大桥岛隧工程。

小顾虑变成了大问题

2009年，在国外专家的建议下，港珠澳大桥工程中5公里多的沉管隧道初步设计就选择了柔性结构方案：整个隧道由33个大管子对接而成，一个标准的大管子由8个22.5米长的小管节拼接、由钢绞线串起来；在浮运安装中，这8个小管节组成一个整体；安放到位后，剪断钢绞线，整个沉管隧道就是一个柔性整体。8个一串，就是为了尽量提高效率。

小管节依靠海水压力实现密闭，并在管节间设置止水橡胶把海水挡在外面，管节之间设置剪力键，能够保证它们不会错位。

这好像一串糖葫芦，安装到位之后，再剪

断那个竹签。

这是中国人第一次大规模采用沉管方式建设海底隧道，而欧洲和日本的工程师在沉管隧道建设方面已经拥有多年的施工经验和技术积累。毫无疑问，港珠澳大桥需要借鉴国外的成熟理念。因此，在前期初步设计中，港珠澳大桥隧道采用成熟的方案，是一个正确的选择。

其基本理念是，每一个管节之间没有连接，如果地基发生不均匀沉降，沉管就能够很好地“追随”地基而适当的沉降。

有一天，剪断还是不剪断这个钢绞线，突然变成了大问题。

2011年年底，在沉管隧道的施工设计过程中，项目部意识到，在40米的海底，沉管承受着巨大的压力，当地基发生不均匀沉降时，管节之间可能产生错位。

随着工作的推进，这一风险越来越大。2012年年底，中交建设者在实践中发现，潜在的风险已迫在眉睫，如不及时调整沉管结构，有可能会对沉管120年的使用寿命产生致命的影响。

项目部把180米标准管节之间的接头称为大接头，组成标准管节的小管节之间的接头叫小接头。中交港珠澳大桥岛隧工程项目部副总经理尹海卿说，按照这个思路，他们感觉到，大接头小接头都将出现错位的可能。

在这个过程中，设计团队系统梳理了沉管隧道的发展。从既有实践和理论看来，沉管隧道分两种，一种叫刚性结构隧道，也就是整个隧道用一个或者为数不多的整体性大管节组成；一种叫柔性结构隧道，整个隧道用很多个管节拼接起来。

刚性结构的优点是，整体结构不用担心漏水，但是缺点也很明显，如果出现沉降，大体积沉管受力不均匀有可能出大问题。举个例子，一个1吨重的东西十几个人可以抬着，如果四五个人突然撒手，其他人肯定会受不了。

柔性结构的特点是受力比较均匀，能够应对一定范围的不均匀沉降。尽可能用更多的小管节串成一个大管节，能够大大提高制作、运输、安装的效率。

欧洲专家对柔性结构的优点情有独钟。港珠澳大桥的中国设计师为什么会心存顾虑呢？

中国交建总工程师、中交港珠澳大桥岛隧工程项目部总经理林鸣说，既有的实践中，柔性结构沉管都是用在浅埋长隧道中，而港珠澳大桥隧道是一个深埋隧道。大多数沉管要安装在30到40多米的海底。

这一浅一深，原来不是量变，而是质变。浅埋沉管隧道受到的压力小、沉降就小。接头的防错位能力较容易满足要求，深埋隧道就根本不一样了。

整个隧道在纵横两个方向上的地质并非均匀。管节左边和右边的地质不一样、承载力也不一样，这个180米跟下一个180米之间地质不一样、承载力也不一样。如果两个管节之间有不均匀沉降的存在，它们的接头会张开或错位。“抗剪能力不够了，管节就会错位、漏水；或者两个管节之间出现张口，就会有大问题。”尹海卿说。用更专业的术语来说，就是管节之间的抗剪能力不够了。

尹海卿表示，原来的初步设计考虑到这个问题，也有担心，希望通过充分应用剪力键来应对。但是到了深水段，计算发现这个力太小了。大接头之间原来有一个类似接榫的东西，专业术语叫混凝土剪力键，把这个东西加强之后，剪力还是不够。

曾经的担忧变成了最为棘手的现实。

近两年时间的设计研究，变成了没完没了的纠结。

林鸣说：“为什么纠结？我们根据自己的一些经验判断，在特定外部条件下，沉管应该是怎样的变化趋势。但是我们又明显感觉到，如果按照既有方案，对沉管的计算分析结果不能反映它的结构行为变化。”专业术语说：模型试验和结构行为不符合。

也就是说，沿着柔性沉管的理论方向，承建这一宏大工程的设计师和工程师感觉到风险越来越大。如果变更设计方案，把柔性的沉管变成刚性的沉管， 5公里多的隧道就要由更多的管子对接而成。

对接次数越多，工期就会越长。全球瞩目的超级工程能容忍工期大幅延长吗？两岸三地最具活力的经济区有耐心长久等待吗？而且，前期所有工程建设，都是按照柔性沉管结构来推进，能否对基本思路进行颠覆性调整呢？

这是中国人第一次大规模采用沉管方式建设海底隧道，而欧洲和日本的工程师在沉管隧道建设方面已经拥有多年的施工经验和技术积累。毫无疑问，港珠澳大桥需要借鉴国外的成熟理念。因此，在前期初步设计中，港珠澳大桥隧道采用成熟的方案，是一个正确的选择。

绝对不能。这就需要林鸣和他的团队找到新路子。世界范围内的实践和理论只有两个，一刚一柔。林鸣说：“大家很痛苦，几乎都绝望了。”

刚柔并济的灵感

无数个通宵讨论还是没有突破口。2012年9月的一个早晨，港珠澳大桥设计总负责人、中交港珠澳大桥岛隧工程项目部副总经理刘晓东收到了林鸣的短信：“是不是可以研究一下半刚性的概念？ ”

这是刘晓东永远难忘的一个短信。它是一个灵感的火花，却点亮了整个团队的天空。刚柔之间，是一种工程哲学的境界。

林鸣提出的半刚性结构，就是保留甚至强化串起小管节之间的钢绞线，加强小管节之间的连接，这样就能容许180米长各标准管节的22 . 5米节段间可以有一定的变形，但这个变形会受到约束。

林鸣的依据是：考虑到半刚性以后，计算和反应相匹配了。“也就是我们的计算模型跟结构行为协调了。没有半刚性之前怎么计算也不能解释这个现象，计算结构的一些趋势，跟合理的理解匹配不起来。 ”

2012年10月，上海有一个学术会议，林鸣和刘晓东专程向清华大学宋二祥和同济大学徐伟两位教授请教半刚性的概念是否成立，得到了初步的理论支持。

这还需要实验来证明，也需要得到经验丰富的国外咨询团队的肯定。

沉管-双向六车道

2012年12月，在几个专门的基础实验之后，项目部正式提交报告，提出半刚性管节优化方案。

听到半刚性结构，外国专家发出强烈的反对，国外的实践和理论都没有这个东西。不应该脱离传统理论，再创造一个新的结构。

主管技术的尹海卿理解外国专家的感受：国际上，沉管的实践和理论就是分为柔性结构和刚性结构，分别有着不同的计算机理和设计方法，并不存在半刚性的问题。欧洲和日本都有着许多使用刚性或柔性结构的成功经验，这已经成为他们建设的固有模式，两种结构必然二选其一，没有其他出路。在他们看来，设计节段式管节的目的就是要它具有柔性，现在要增加剪力让它更具刚性，那干脆做刚性了。

林鸣提出“半刚性结构”构想的依据是什么？“首先，我这是被现实困难逼得没有办法的办法，因为是深埋沉管，不管是刚性还是柔性都有巨大的现实困难，必须要找一个新的出路。经过多日的思索，一个全新的概念——半刚性突然出现在我的脑海里。 ”

他说，刚性就是整体管，柔性全部是散的，半刚性就是保留一部分预应力，让它在海底既能够适应一定的变形，同时又可以对它进行控制。

刘晓东用积木做了一个比喻，刚性结构就好比是长条的积木，柔性结构就好似由乐高小积木拼接的积木条，半刚性结构则是用一根橡皮筋串起拼接的乐高小积木。在地基发生不均匀沉降时，长条的积木有可能影响结构，拼接的乐高小积木有可能产生错位，但串起拼接的乐高小积木因橡皮筋的弹性，积木之间允许有一定的张开，而且这个张开是有控制的，不能无限变形，同时，保持始终在积木之间有一定的压力，使得摩擦力能够发挥作用，保持相对不错位。

艰难的选择

从2013年开始，林鸣组织了5个平行的模拟实验。“当时我们也不敢作出判断，只好把国内国外对岩土、水土、结构理解最深刻的团

队找出来做模拟实验。我们提出概念后，分别让同济大学团队、清华大学团队、一家几乎设计了日本国内所有沉管隧道的日本公司团队、中交公规院和中交四航院共5个团队，按照各自的理解背靠背做模拟实验、去计算。”

沉管安装船

“是不是可以研究一下半刚性的概念？ ”这是刘晓东永远难忘的一个短信。它是一个灵感的火花，却点亮了整个团队的天空。

2013年4月，就沉管结构优化召开第一次专家会，外国咨询团队主导的专家会明确表示反对半刚性结构的概念。

这时，需要有人站出来。林鸣说：“如果我们采取别的形式，工程可能会出大问题，那我们就是对历史没尽到责任。我们有大量的实验证明这是解决港珠澳深埋沉管的一条科学的出路。所以要坚持。”

此时，中交二航局副总工程师翟世鸿带领团队在武汉进一步开展实验，试图从根本上去摸清这个结构概念的机理。

工程建设正在全面推进，从2003年5月开始，沉管已经由浅入深安装了5个管节。而这5个基本上是浅埋，符合柔性结构的原理。剪断还是不剪断沉管管节之间的钢绞线，并不是决定性的问题。但是，从后续沉管安装开始，必须做出决断。2013年7月，5个背靠背小组模拟计算有了结论，半刚性结构是成立的。尹海卿说，5个模拟计算是接近的，误差在20 %以内。

在7月的又一次专家论证会上，项目部对疑问一一给予解释，但是反对的意见仍然是压倒性的。

林鸣反而更加坚定。“对于这样一个非常复杂的东西，我让这么多单位同步去计算，我们将结构分析介绍之后，他们分头按照各自的理解去做模型计算。这几家单位算出来的结果，都支持半刚性结构是成立的。如果你是一个错误的判断，5个计算结论一定是五花八门的，可能方向都是反的。但是如果是一个正确的东西，它一定具有趋同性。”

在与外国专家进行细致而深入的交流中，刘晓东更坚定了信心，因为对方的每一个问题他都能从实验乃至机理上给予解释。2013年8月中旬，港珠澳大桥管理局组织了一个高规格专家论证会议，交通运输部两位副部长、三位总工程师以及四位院士出席。大桥管理局希望专家论证会作出科学的决策，为今后的施工提供最终答案。项目部也坚信专家论证会得到正确的结论，林鸣说：“国家专家委员制度有着足够的科学性，我们相信专家会根据自己的专业知识进行分析并作出科学判断。”

专家们对5个实验团队的数据进行了反复论证。2013年8月14日下午，得出最后结论：支持“半刚性结构”方案。87岁的两院院士孙钧说，对新的东西要理性判断，外国成熟的经验也不能完全套用，有5家机构的计算支持，说明这个方案是可行的。

随后的一年里，设计团队将“半刚性结构”从构想变成了可实现的蓝图。

在“半刚性结构”的设计理念下，港珠澳大桥的沉管安装有序推进。到2014年7月，已有11节沉管到位，隧道总长达到1845米。根据检测，所有数据符合设计预期。这是一个良好的开端，港珠澳大桥岛隧项目部对“半刚性”结构的探索和完善仍在继续。