港珠澳大桥岛隧工程建设背景、历程、特性及意义*

肖 珈

(中国科学院大学 人文学院,北京 100049)

港珠澳大桥是中国继三峡工程、青藏铁路、南水北调等工程之后又一重大基础设施项目.它东连香港,西接珠海、澳门,是集桥、岛、隧为一体的超大型跨海通道.岛隧工程是由中国交通建设股份有限公司联合体承建的大桥工程的施工控制性工程,由沉管隧道与东、西两座人工岛组成.其中沉管隧道是目前世界上综合难度最大的沉管隧道之一,它起于伶仃洋粤港分界线,沿23DY锚地北侧向西,穿越珠江口铜鼓航道、伶仃西航道,止于西人工岛结合部非通航孔桥西端,全长7440.546 m.

1 港珠澳大桥岛隧工程建设缘起

1.1 港珠澳大桥工程建设背景

自20世纪80年代起,政府通过构建香港、澳门与内地之间的交通运输体系,尤其是打通香港同广东省珠江三角洲东岸的陆路交通联系后,进一步巩固与推动了香港同珠江三角洲地区经济的互联互通.然而香港与珠江西岸在交通联系上却未能得到改善,薄弱的交通联系始终对大珠江三角洲社会经济发展产生不利影响.1983年,香港合和实业有限公司主席胡应湘先生率先提出修建跨越伶仃洋、连通东西两岸跨海大桥的构想.此后,中国各界人士又先后提出了数十种有关跨海大桥的建议与方案.改革开放后,广东省在占据毗邻港澳、华侨众多的优势的同时,积极引进外资和技术,社会经济得以飞速发展,其中,珠江三角洲地区的经济实力提升最为迅速.但是香港与珠江西岸交通联系薄弱的问题一直没能得到改善,这大大削弱了珠江西岸地区的发展,使其一直落后于珠江东岸地区.

到了20世纪90年代中期,珠海与香港为改善两地交通联系薄弱的状况,曾商议修建伶仃洋跨海大桥.1997年12月,原国家计委(现中华人民共和国国家发展和改革委员会)批准伶仃洋大桥项目建议书.然而,伶仃洋跨海大桥迫于多方面原因而未能开展工程建设.

随着香港、澳门回归祖国,为进一步推动大珠江三角洲区域贸易往来、协同发展,香港、澳门同内地有关方面就连接三地跨海大桥的修建再次提议.港珠澳大桥跨越伶仃洋海域,直接将香港、澳门与珠海相连,构建出一条贯通珠江三角洲乃至粤西地区直通香港最便捷的陆路通道.港珠澳大桥不仅完善了交通运输网络体系,促进粤港澳三地的经济贸易往来,而且对整个大珠江三角洲巩固与发展国际综合竞争力发挥了积极作用.中央政府与香港、澳门特别行政区政府及有关部门对大桥构建的提议高度重视且给予认可.

2003年7月,由国家发展和改革委员会与香港特别行政区政府共同委托完成的《香港与珠江西岸交通联系研究》[1]报告中,研究证实港珠澳大桥对大珠江三角洲地区有重大政治、经济意义.

2003年7月31日,第四次内地与香港大型基础设施协作会议在京召开,粤港澳及其他与会代表再次确认建设港珠澳大桥的必要性及迫切性.同时,与会代表一致认为港珠澳大桥的建设将为珠江三角洲地区产生更多的社会经济效益,该工程项目应及早规划进行.

2003年8月4日,国务院正式批准粤港澳三地政府对港珠澳大桥前期工作的筹备,并同意三地成立“港珠澳大桥前期工作协调小组”,全面开展各项前期工作.

2005年4月,国家发展和改革委员会在珠海召开港珠澳大桥桥位技术方案论证会议.来自内地、香港特别行政区和澳门特别行政区的技术专家就港珠澳大桥走线方案进行评审与论证.最终,论证会专家组推荐采用北线桥隧方案.有关意见已得到协调小组的认同.

2008年12月,《港珠澳大桥工程可行性报告》通过专家初审并上报到国家发展和改革委员会.2009年10月28日,国家发展和改革委员会对《港珠澳大桥可行性研究报告》进行批复,批复中明确表示,该大桥东接香港特别行政区,西接广东省(珠海市)和澳门特别行政区.工程包括三项内容:一是海中桥隧工程;二是香港、珠海和澳门三地口岸;三是香港、珠海、澳门三地连接线.[2]口岸采用“三地三检”模式,分别由各方建设、各自独立管辖.海中桥隧工程起自香港大屿山,经香港革域,穿越珠江口铜鼓航道、伶仃西航道、青州航道、九洲航道,止于珠澳口岸人工岛,全长约35.6 km,主体工程采用桥隧组合方案,且隧道两端各设置一个海中人工岛.

根据国务院批准的可行性研究报告,港珠澳大桥施工工期约为6年.工程全部投资估算为729.4亿元,海中桥隧主体工程估算投资347.2亿元,采用政府还贷公路模式,资本金总额为157.3亿元,其中内地出资70亿元,香港特区政府出资67.5亿元,澳门特区政府出资19.8亿元;资本金以外部分,由项目法人通过银行贷款解决.

2009年12月15日,港珠澳大桥工程在广东珠海正式开工.时任中共中央政治局常委、国务院副总理李克强,时任中共广东省委书记汪洋,广东省原省长黄华华以及时任澳门特首何厚铧等出席了大桥的开工仪式.上午10时,时任中共中央政治局常委、国务院副总理李克强向世界宣布了港珠澳大桥启程开工.[3]开工指令下达后珠海拱北湾的粤航津038号抓斗船将挖爪深入海底,港珠澳大桥珠澳口岸人工岛填海工程随即开工.[4]

2010年,随着港珠澳大桥开工建设的不断深入,国务院印发关于落实《政府工作报告》重点工作部门分工的意见中第九条第五十三款明确表示,要认真实施珠江三角洲地区改革发展规划纲要,积极推进港珠澳大桥等大型跨境基础设施建设和珠海横琴岛开发,深化粤港澳合作,密切内地与港澳的经济联系.[5]同时交由港澳办、发展改革委、财政部、商务部、人民银行等多个政府部门负责该项工作落实,并相应给予政策、资金支持.

1.2 港珠澳大桥岛隧工程建设背景

港澳珠大桥所面临的是空前的工程技术挑战、严苛的环境保护要求与巨大的施工建设风险.其最初的设计方案并非建设人工岛与隧道,而是以全线跨海大桥的工程形式跨越伶仃洋海域.然而,当工程建设者在前期进行工程可行性研究与实际勘察后发现,全线建设桥梁的方案必须放弃,因为伶仃洋海域的施工难度远非跨海桥梁工程所能胜任.

一方面,工程建设者要保证通航条件.伶仃洋海域靠近香港方向有一个重要的深水航道,即伶仃洋航道,它是中国乃至全球最重要的贸易航道.考虑到珠三角地区社会经济的长远发展,港珠澳大桥的建设需为航运发展留有充分的发展空间.据估算,铜鼓航道和伶仃洋西航道的通航规模为满足30万吨级的船舶,其通航孔运输船舶和工程船舶的通航净空高度为62～75 m,船舶宽度为40～141 m,对应的通航孔净空宽度应为1000～1500 m.[6]若满足伶仃洋航道的通航条件势必会修高大桥桥面与桥塔.无疑,这样修建桥梁不仅危害到行车安全,而且会徒增施工风险.此外,还有一个通航约束条件,就是航空限高要求.伶仃洋主航道距离香港大屿山国际机场仅5 km左右,这里航班密集,在其飞行航线上是不容许任何超过88 m的工程构筑物矗立,[7]这让修建跨海大桥的方案再次陷入困境.

另一方面,伶仃洋海域还是一个极为复杂的施工作业场域.伶仃洋是典型的弱洋流海域,其湾型呈喇叭状,东岸多湾,西岸多滩,[8]每年从珠江口夹杂着大量的泥沙涌入海洋.为避免因泥沙阻挡、沉积而阻塞伶仃洋航道,使其成为冲积平原,根据珠江水利委员会的要求,大桥总阻水率不得超过10%.[9]因而,在修建跨海大桥的过程中要减少桥墩对泥沙的阻挡与沉积.此外,珠江口还是一个复杂地质的河口.河口处覆盖层厚度大,覆盖物复杂,经勘查后得知最上面是淤泥,淤泥下是淤泥质的黏土,下层是粉质黏土,最下面则是沙.[10]如若在这里开展桥梁施工作业,就无法确保桩基的稳定性,更无法对整座大桥的工程安全予以保障.

考虑到伶仃洋航道的特殊自然条件与通航需要,工程设计师最后提出一个大胆的工程设计思想,即以桥隧工程结合的跨海通道形式解决这一难题.隧道工程建设包括盾构、沉管等很多工法可以实施.麻烦的是,这里还栖居着中国一级保护动物中华白海豚,其自然保护区位于珠江口伶仃洋中部偏东水域,东边界与粤港水域边界线重叠,东北部边界与香港沙洲-龙鼓洲海岸公园的西边界相衔接,[11]所以隧道工程建设所采用的工法必须要满足严苛的生态环境保护要求.在优选港珠澳大桥主航道海底隧道方案时,盾构法与沉管法在技术、环保、通航和经济等方面都能满足一定的要求,而沉管法在此处施工有着更为明显的优势.其一,海底隧道勘察初步表明,基岩面起伏变化很大,而且基岩风化程度变化很大.结合工程地质与海域水文条件,沉管法有较强的地质适应性.其二,鉴于沉管隧道海底掩埋深度浅、建设长度短的工程特点,沉管隧道在施工风险上可控性更强.其三,沉管隧道建设不需要很长的引桥,对人工岛及其斜坡段阻水作用影响小,对防洪、纳潮不会产生不利影响.其四,就工期而言,沉管隧道方案比盾构隧道方案缩短工期约10个月,可降低工程运营管理成本.

最终,岛隧工程选择采用沉管隧道方案开展深水隧道施工,并在桥梁与隧道的衔接处修建人工岛.港珠澳大桥岛隧工程项目随即进入工程前期筹备工作.

2 港珠澳大桥岛隧工程建设历程

2.1 建设前期准备

2010年1月19日,港珠澳大桥岛隧工程投标步入工程前期筹备工作.2010年11月2日,港珠澳大桥主体工程技术设计得到交通运输部批复后,中交港珠澳大桥项目工作领导小组第一批人员进驻珠海.11月10日,负责前期勘察的106人及35台勘察设备进入场地,并开展前期勘察工作.11月25日,中交股份联合体港珠澳大桥岛隧工程项目第一次生产调度会召开,时任港珠澳大桥管理局朱永灵局长,港珠澳大桥岛隧工程监理项目部胡昌炳总监出席会议,中交股份联合体港珠澳大桥岛隧工程项目总经理部主要领导及中交公路规划设计院有限公司、COWIA/S(丹麦科威国际咨询公司)、ARUP奥雅纳工程顾问、上海市隧道工程轨道交通设计研究院、中交第一航务工程勘察设计院有限公司、中交第四航务工程勘察设计院有限公司、中交上海航道勘察设计研究院有限公司、中交第一航务工程局有限公司、中交第二航务工程局有限公司、中交第三航务工程局有限公司、中交第四航务工程局有限公司、中交上海航道局有限公司等单位负责港珠澳大桥项目相关工区的项目经理、常务副经理、总工程师参加了会议.会上对前期工作做以整体工作调度及安排.

2010年12月21日港珠澳大桥专责小组召开的第三次会议中,港珠澳大桥管理局局长朱永灵同中国交通建设股份有限公司联合体代表中国交通建设股份有限公司总裁刘起涛共同签署港珠澳大桥岛隧工程设计施工总承包合同.岛隧工程中标价131亿元人民币,是港珠澳大桥最为核心、关键的工程.随上百名管理人员及施工设备陆续进场,标志着岛隧工程开工前的各项准备工作已基本就绪.

2011年1月4日上午,港珠澳大桥岛隧工程在中交广州航道局有限公司耙吸船“广州号”上举行动工仪式,[12]标志正式开启岛隧工程项目建设阶段.

2.2 人工岛及沉管隧道工程建设

2.2.1 人工岛建设

人工岛的基本功能是实现海上桥梁与隧道的连接,同时为了满足大桥运营管理需要,在人工岛上还设置了办公管理、紧急救援、运行养护等功能区域.两座人工岛长度设计为625 m,结合流线型平面设计、岛隧结合构造需要及总体岛形需要合理取定岛宽及平面形状.人工岛的主题以生态为理念、海文化为背景的“蚝贝岛”,人工岛在造型上充分的吸收了蚝贝的造型,采用曲线和椭圆的岛型,形似海中的蚝贝,使岛型与环境协调,赋予工程浪漫与和谐(图1、图2).

由于两座人工岛地处白海豚栖息地——伶仃洋航道附近,为节省工期、控制施工船舶数量、保障施工安全,保护生态环境,岛隧工程首次应用了大直径钢圆筒深插快速成岛技术.[13]这一施工技术不同于传统的围海填岛方式,其技术原理是通过采用八锤联动液压振动锤组对巨大钢圆筒进行振沉,围成人工岛设计轮廓.随后,在钢圆筒之间插入弧形钢板副格,形成稳定的岛壁维护止水结构.最后应用先进的挤密砂桩技术填筑人工岛施工材料,并修建岛上建筑物.

2010年5月15日,港珠澳大桥岛隧工程西人工岛首个钢圆筒顺利振沉,[14]标志着大桥岛隧工程人工岛围护结构正式开始.同年9月11日9时12分,西人工岛顺利成岛.随着西人工岛建设的初步完成,东人工岛于2011年9月22日首个钢圆筒振沉,[15]同年12月21日,东人工岛主体岛壁结构钢圆筒振沉告竣.[16]东西双岛的建设成功实现了 “当年动工、当年成岛”的目标,并取得钢圆筒体量、高度、垂直精度、八锤联动、万吨轮运载、日沉3筒等多项世界第一.[17]2017年年末,港珠澳大桥东西人工岛通过设备调试后全面告竣,成为伶仃洋上“最美地标”.[18]

图1 西人工岛整体效果图Fig.1 Overall effect picture of Western Artificial Island

图2 东人工岛整体效果图Fig.2 Overall effect picture of Eastern Artificial Island

2.2.2 沉管隧道建设

港珠澳大桥沉管隧道是当今世界最长的公路沉管隧道,也是世界唯一深埋沉管隧道,同时还是中国第一条外海沉管隧道,其工程规模和技术难度位居世界同类工程前列.[19]沉管隧道主要可以分为三大工程建造工作:第一是管节的预制;第二是航道的疏浚;第三是管节的安装.沉管隧道并非简单的工程部件,它体积巨大,通过统一预制,达到符合工程安装标准,保障工程安全.在桂山岛,岛隧工程建设厂房统一对沉管管节进行预制.每个管节长22.5 m,宽37.95 m,高11.4 m,管壁最厚度达1.5 m,重量可达9000 t,采用两孔一管廊截面形式,沉管内由两个三车通道和两个工程通道组成.航道疏浚主要是为沉管隧道安装前清理水下淤泥,并挖好安装槽,铺设地基,在沉管隧道下沉至水底部时,将其固定在海槽处,且不会出现偏离.管节的安装有较为复杂的施工过程,它包括管节出坞、浮运、系泊、沉放准备、绞移、管节沉放、管节对接、管节压载、开人孔门、贯通测量等一系列施工程序.工程安装后期对管节进行跟踪监测,以确保沉管隧道安装到位不会出现位移.

表1 沉管隧道各个管节安装的起止时间用时① 沉管隧道的安装时间为笔者根据沉管隧道施工情况进行汇总而得.Tab.1 The starting and ending time of each pipe section of Immersed Tunnel

基于表1所列沉管隧道施工管节安装时间,并结合实际的工程施工条件,对以上沉管管节安装时间①为简明说明其安装过程,笔者仅统计沉管管节安装到结束的时间,以便查看.进行简要解析.第一,沉管隧道管节正常在水文条件、气象条件适合安装的窗口期内可每月开展一节沉管管节安装工作,如E12、E13、E14.但如若遇到强对流天气、台风等气象约束条件以及白海豚繁殖季节等环保制约条件,两根沉管管节安装时间会间隔时间较长,如E16、E19.

第二,E15沉管隧道安装耗时最长,前后共计156天,历经三次浮运、两次回拖.之所以安装困难,是因为在沉管基床上出现异常回淤现象.回拖E15沉管,对于工程项目而言虽然会带来一定的经济损失,但是若在回淤情况下贸然安装,将给沉管隧道工程带来风险,一旦发生工程事故,沉管隧道不仅要损失上亿元,而且将堵塞航道影响珠江口的航运.为保障工程安全,工程施工过程中发生的前两次回淤均选择回拖处理.回拖后,工程项目进行技术攻关,在查明异常回淤原因后,协调解决回淤问题.E15管节于第三次安装成功.

第三,E29、E30的安装在E31、E32、E33之后,这是因为E31、E32、E33管节为直线段管节,而E29、E30两根管节是曲线段管节,考虑到技术难度等原因,在安装顺序上做以调整.

第四,最终接头重达6000 t,它不同于普通的沉管管节,而是像“楔子”一样将海底隧道连为一体.最终接头的安装较为关键,它直接关系到整条沉管隧道的管节连接的畅通性与防水性.

最终接头安装结束后,施工工人们对最终接头与沉管隧道连接处进行了高精焊接,港珠澳大桥海底隧道最终于2017年5月25日实现合拢,并在后续施工作业中完成管节内部各类设施的建造,如路面铺装等建造工作.作为大桥的控制性工程,岛隧工程克服了施工作业中台风、冬季季风、强对流、大雾天气等恶劣环境的影响,[20]规避了密集通航情况下的施工作业风险,减少了对中华白海豚保护区及海洋环境的危害,实现了隧道合拢贯通,创造了世界工程史上的奇迹.最终建成了两个外海人工岛和一条6.7 km的沉管隧道.

3 港珠澳大桥岛隧工程建设特性

3.1 社会关注度高

港珠澳大桥是粤港澳三地、珠江三角洲新的发展动力,对发展物流业与旅游业也发挥着积极作用.而岛隧工程作为大桥的控制性工程,工程建设期间不仅克服了恶劣的气象条件、孤岛海上作业风险,而且其创新的多项工程技术与施工工艺达到了世界最高水准.自设计、建设以来,岛隧工程就受到了国内外、业内外的广泛关注.

3.2 粤港澳三地共建共管

港珠澳大桥岛隧工程是粤港澳三地共建共管的工程建设项目.由于粤港澳三地在工程设计、建设上所施行的标准有所差异,因而在工程决策、设计、建设、运行管理上都需三地沟通协调,这同时增加了工程建设的难度.岛隧工程结合三地的实际情况,在工程设计与建设中权衡每一个细节.这里最为典型的就是岛隧工程在东人工岛为车辆通行位置变化所设计施工的车辆转换通道.

3.3 设计施工总承包的管理模式

由于岛隧工程是目前世界范围内综合技术难度最大的工程之一.因而由中国具有设计、施工综合管理能力的大型基建集团牵头组建中外合作联合体,联合体成员包括具有同类工程经验的国外设计合作方及施工管理顾问.这种模式较好地融合了两方面的优势:中国大型骨干企业具备统筹设计、施工,有效整合有利资源的能力及经验;国际合作方可带来国际先进的理念、技术和管理经验,发挥国际化优势.通过有效地融合设计及充分发挥各施工方的优势,以解决技术、质量、进度等难题.

3.4 生态保护要求严格

岛隧工程涉及穿越伶仃航道的海底沉管隧道及隧道两端的人工岛.而海底沉管隧道的走线及施工水域正是国家一级野生保护动物中华白海豚的分布区,所以施工场域也会经过珠江口中华白海豚国家自然保护区的核心区,生态保护要求严格.因而在岛隧工程建设中,项目施工单位采取包括创新工程技术,制定并实行中华白海豚保护管理制度等一系列预防保护措施.

3.5 施工作业环境复杂

岛隧工程地处伶仃洋外海,施工海域气候条件恶劣,夏季时常台风、雷暴雨等灾害天气频发,冬季又受季风气候影响,项目施工期间受气候及天气影响明显,对施工作业设定了巨大考验.特别是主体建筑施工期间,起重吊装、高大支架搭设作业频繁,均受到大风天气影响.同时,岛隧工程是典型的孤岛施工,施工水域位于伶仃洋海域,离岸约17海里,施工区域属于典型离岸孤岛作业,施工人员、施工设备以及施工用材均依赖水上运输,生产组织较为困难.

4 港珠澳大桥岛隧工程建设意义

4.1 满足大桥建设要求

港珠澳大桥的建设是完善国家高速公路网建设的关键工程.政府所构建的大珠江三角洲地区便捷交通网络,不仅满足三地不断增长的跨界交通需求,而且促进港澳经济持续繁荣和稳定发展,同时加速推进珠江三角洲西部地区社会经济发展,优化形成粤、港、澳经济一体化,并巩固提升大珠江三角洲的国际综合竞争力.而在工程方案方面,由于受香港大屿山国际机场航空限高、桥位区通航密度大、航道等级高等多种限制要求,导致初期的建设方案一再搁置而无法实施.最终采用桥、岛、隧组合方案.岛隧工程的建设充分满足了大桥建设要求.

4.2 实现大桥运行维护功能

岛隧工程是港珠澳大桥主体工程的一个重要工程标段,所建设的沉管隧道、两座人工岛是实现大桥主体运行功能的重要连接枢纽.[21]同时,两座人工岛还兼具大桥管理、服务、救援和观光功能.西人工岛主要满足大桥运营管理功能,东人工岛则以旅游开发功能为主.此外,两座人工岛均设置码头及直升机停机坪,满足紧急情况救援需要.综上,岛隧工程的建设实现了大桥运行维护功能.

4.3 推动工程技术创新

工程中的专利和知识产权是衡量工程创新的内在标志.[22]港珠澳大桥岛隧工程在科研试验的保障下,项目共计有六大技术创新,分别是大直径深插钢圆筒快速成岛技术、复合地基加组合基床的隧道基础形式、半刚性沉管新结构、沉管工厂法预制新工艺、外海沉管安装成套技术、整体式主动止水最终接头新工法.项目共申报537项专利,已获得专利授权340项,其中国际专利2项.获得省部级特等奖2项,省部级一等奖9项.此外,还获得国际工程3项大奖,分别是2018年度“ENR全球最佳桥隧工程项目奖”、2018年度“国际隧协重大工程奖”和2018英国“NCE年度隧道工程奖”.

5 结语

岛隧工程的建设是基于港珠澳大桥连通粤港澳三地的交通运行与地区经济发展需要.工程建设通过技术创新等措施,克服海上孤岛作业风险、生态环境保护限制、复杂通航环境等施工困境.不仅充分满足了大桥整体的建设需要,而且满足大桥综合管理、运营维护、旅游观光等方面需求.