我们的“冒险”——港珠澳大桥岛隧项目沉管隧道创新记

文/港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道设计分项负责人 林巍

预制好的“半刚性”沉管

“冒险”值得吗？

为了回答这个问题，讲一个7年建设的故事。

央视纪录片《辉煌中国》第一集开篇有一个长镜头。从珠海出发，在茫茫大海中前行20公里，来到一个小岛，从岛的中心潜入海底，在50米深的水里前行6公里，然后到达另一个小岛，眼前已是香港的大屿山。这就是港珠澳大桥。

港珠澳大桥西连珠海和澳门，东连香港，全长55公里。上述镜头经过的海中两个小岛与海底隧道就是岛隧工程，全长约7公里。这一段从长度上，只有整个港珠澳大桥长度的八分之一，却几乎包含了港珠澳大桥技术的所有难点。首先建造5.7公里长的沉管隧道，就要实现两个世界第一次和一个世界之最：世界第一次建设中国外海的沉管隧道、世界第一次建设深埋沉管隧道，以及世界最长的公路沉管隧道。

这意味着什么？2011年，中国交建拿到了岛隧工程的中标通知书。拿到通知书的那一天，就有一半的技术骨干离开了团队；2012年，开始进行施工方案研究。当施工方案拿出来以后，又有接近一半的技术骨干选择了离开；2013年，第一次沉管安装施工，原计划只要36个小时，但是实际上在海上连续工作了96个小时。第一次沉管安装结束后，又有一些工程师选择了离开。

选择留下来坚守的人，无疑是选择了冒险。

冒险的人在岛隧工程7年的建设中经历了什么？为了把工程做成，他们开展了140项试验，经历了28次台风侵袭、38次外海远征，2次安装被迫中止，停工100天。在大海中“冒险”，遇到了7次危机，所幸化险为夷，自此他们知道了一些闻所未闻的大海中的现象，比如河口羽、异常波、齿轮效应。

冒险的人收获了什么？这是另外一组数字：40项创新、540项专利、24个科技进步奖；144个集体、194名个人获得省里的表彰；23个集体、13名个人获得国家的表彰。工程建设期间，有80个国家的工程师与企业家专程来参观，每年的参观人数超过两万人次；媒体报道次数大约1200次。

通过前两段的数字比较，能否回答前文提出的问题：冒险值得吗？

然而，以上两组数字并不能回答这个问题。问及当年选择离开的同事，如果可以重新来一次，愿不愿意留下来一起冒险？答案很可能是否定的。所以，为了回答“冒险值不值得”这个问题，我们要问另外一个问题：冒险的本质是什么？或者说，当我们在冒险时，我们实际上是在做什么？

“冒险”的本质

以岛隧工程最终接头安装施工为例。

什么是最终接头？如同大型桥梁建设一样，最后存在一个合龙段。沉管隧道的合龙是在水下完成的，被称为“最终接头”。在世界范围内，岛隧工程用了一种新方法来施工最终接头，这个最终接头就好像一个“可折叠的沉管隧道”。和雨伞和帐篷一样，它在安装的时候，可以沿着隧道纵向利用机械自动展开。

为了开发这个新工艺，岛隧工程邀请各行各业的专家辨识出了400多项风险，并一一解决。但是由于这是一个全新的方案，施工中发生了很多令人心惊胆战的情况。其中的一些故事被记录在《桥梁产业资讯》2017年6月第29期中。

岛隧工程为什么要冒险发明这种新方法？因为之前的普遍做法就是把潜水员派到水底下去，当做工人使用，在水下用模板将两边的隧道连接，然后再在中间浇筑混凝土。而岛隧工程最终接头的水深近30米，如果遵循传统的、成熟的方法，需要让一群潜水员在深水中连续作业8个月。而在深水中，潜水员的生命仅靠一根连接到水面的“脐带”来维持。一旦海流超过预期，潜水员就会有生命危险。另外，伶仃洋交通繁忙，每天有超过4000艘船舶来往，8个月的海上施工时间对海上交通构成极大的威胁。所以，为了把海上施工的风险、海上交通船舶的风险、潜水员生命的风险降到最低，建设者宁愿选择冒险，创造一种新的工法。结果是，用这种新的方法，不但免除了大量的潜水作业，还将8个月的海上作业时间，缩短到1天。

于是，我们可以回答，冒险的本质是什么？对于桥梁工程师而言，冒险，就是为了将工程风险降到最低，将社会风险降到最低，将人的生命风险降到最低。冒险就是为了少冒险，冒险就是为了不冒险。

最终接头只是岛隧工程众多创新中的一个，目的是降低工程的工期风险、投资风险、安全风险、运营风险、环境风险。岛隧工程的建设者们宁愿冒险创新，打破常规设计和施工方案，通过冒险换来的结果是：4000名建设者、7年的工作、2500多天，无一人伤亡。此外，工程位于中国“海上大熊猫”中华白海豚的核心保护区。工程建设期间，白海豚的种群数量不但没有减少，反而增加了一倍。

所以，回到第一个问题，冒险，值得吗？如果我们冒险，是为了别人不冒险；如果我们冒险，是为了将来少冒险；如果我们冒险，是为了后来的人不冒险；冒险，是值得的。

怎样“冒险”？

接着刚才的故事。在最终接头安装完成以后，也就是2016年的5月，建设者们接到了一个挑战，要在隧道的两头的岛上盖两座房子。我们的建设者，从工人、到技术人员，到总工，在此项目之前都没有盖过房子，他们大多数时间都是在建设港口，他们是码头工人。他们敢冒险来亲自盖房子吗？而且，留给他们盖房子的时间，只有半年。结果是，他们选择了冒险，不但建成了房子，而且亲自装修了房子。我们把码头工人盖的房子叫做“码头房”。就在今年2月，完成了最后的装修。

岛隧工程的建设者，建造了在世界范围内独一无二的清水混凝土建筑群。清水混凝土，是不需要化妆的混凝土，是用混凝土的质地来表现混凝土美的混凝土。

码头工人盖房子时，他们的手上传阅着两本书，一本是《料理的神髓》，一本是《奇迹的苹果》。第一本书说怎样用最简单的食材，做出最好的料理，如果你能做到，你就能做出高质量的清水混凝土；第二本书讲的是，既然，苹果都可以用无农药的方法来种植，那么，一切皆有可能。

这是建设者冒险需要具备的第一个资质，开放的心态，一切皆有可能的自信。

“冒险”的自由

仅仅这样是不够的，还需要有另外一个重要的资质。再举一个例子，叫做“半刚性”结构的创新。问一个问题，什么样的人身体不容易受伤？

在读到这篇文章的时候，我们都不易受伤，因为没有意外发生。但是意外发生时，有两类人不易受伤：一类是刚强的人，他可以用自己的力量来抵抗外部的冲击；还有一类是柔韧的人，他可以避让危险。再问一个问题，有没有什么人，比这两种人还不容易受伤？

在港珠澳岛隧工程之前，世界上只有两种隧道结构，一种叫做整体式沉管，就像刚强的人，是美国工程师发明的，美国和日本一直用到今天；还有一种叫做节段式沉管，就好比柔韧的人，是荷兰工程师发明的，欧洲一直用到了今天。但是港珠澳大桥建设时，前文已述，这是世界上唯一的深埋沉管，隧道结构顶上的土荷载是常规工程的5倍，什么意思？就是下雪天，别人家的屋顶上落了一层厚厚的雪，而我们家的屋顶上落了一座雪山。我们家的屋顶能受得了吗？

如果我们按照美国工程师的发明来“盖房子”，经测算结果是这样的：隧道会开裂，海水将顺着裂缝进入，锈蚀钢筋。隧道120年的寿命可能不保。

如果按荷兰工程师的发明来“盖房子”，可转动的关节成了薄弱环节，在大荷载作用下容易破损，或者过大的张开导致隧道的漏水。

在这种情况下，总工程师提出了刚柔并济的结构概念。这种结构比以往的任何结构都要健壮。回到之前的问题，什么样的人抵抗风险的能力最强？那就是既刚强有力量、又柔韧的人。

半刚性沉管的结构道理就是利用拉力、受拉结构和摩擦力，在提高隧道的抗风险能力的同时（专业说法是健壮性或鲁棒性）保持隧道的整体性，以避免隧道漏水。

总工程师为了验证这个想法，花了半年的时间在全国各地做试验，又花了半年的时间邀请清华大学与同济大学等6家研究机构进行独立验证。在一年的论证过程中，“刚柔并济”结构提议一直被否决，直到一年以后，才终于得到认可。这个概念，颠覆了以往100年的沉管隧道任何一种结构形式。但是回过头来想，万一验证不成功呢？总工“冒险”的底气来自哪里？

实际上来自两方面，第一，想要做出这个判断，需要了解至少10门以上相关专业。第二，对两种已有的结构形式的领悟要比发明他们的美国工程师和荷兰工程师更加透彻。只有拥有了这样的知识体系与对现有技术状况的深刻理解，才能获得技术上的自由。而只有这种自由，才能够有底气指导工程认准方向，做一次彻底的“冒险”。

所以，冒险的第二个必备条件，是获得自由。这种自由可以是通过大量的、快速的学习来掌握一切冒险所需的知识，并且领悟这些知识背后的一切思想来获得的。只有拥有了思想上的自由，我们才可能拥有行动上的自由，我们才能获得冒险的入场券。

“为学日增，为道日损”

但是，当我们知道的越多，我们就可能越需要克服一个阻碍冒险的内因。我们需要消除“膝跳反射般”的思维。再举最后一个例子。在大海中怎样筑岛？

不严谨地讲，通常两步。首先，把海底的软泥、软土挖掉。然后，填上硬质的材料如砂和石。

但是，港珠澳大桥人工岛环境的软土很厚，达到30米，如果用常规的筑岛方法，预计最少也要花3年的时间，留给后面建设隧道的时间不够。还有一个问题是对水下软土的大体积开挖会对海洋的环境造成较大的影响，更何况这里是中华白海豚的核心居住区。

在这种情况下，当大多数工程师们都在思考着如何快速地挖掉软土或者改造软土，让软土变“硬土”的时候？总工却避免了这种“膝跳反射”的工程思维，他在思考工程能否与软土共存？能否尽可能地不动这30米厚的软土——这些软土可能是在过去200到300万年的时间中沉积而成的。最后，他想到，软土的软，可以是一把双刃剑，软土带来的“地基沉降”问题是工程需要避免的，但是软土具有像豆腐一样的易被插入的特点。所以，如果用50米高、22米直径、薄壁的钢圆筒插入软土，只要能插入大约30米，钢圆筒就可以在外海大风大浪的条件下，自立不倒。用60个钢圆筒可以围成一个岛，用120个可以围成两个岛。如同其它的“冒险”，这个构想的实现也充满了波折。但最终实现以后，结果是将3年的海上筑岛时间缩短到了8个月。

海上作业时间的大幅度缩减意味着成本的控制与可持续发展的贯彻，因为海上施工船舶的费用高，需要消耗燃油与排放。所以值得一提的是，虽然岛隧工程为了创新这个工法而做了大量的科研与试验，但是人工岛的建设费用仍然被控制在预算范围内。快速筑岛工法在港珠澳成功实施后，也引起了国内外其它工程的兴趣，目前国内已有项目比如深中通道正在沿用该技术。

说到这里，可以补充冒险的另外一个本质，也是冒险的价值，即走出一条新路。港珠澳大桥岛隧工程为世界工程同行们留下了一些技术新模板，比如沉管隧道组合基床、半刚性沉管管节、主动止水可折叠最终接头、深插钢大直径圆筒、记忆支座。

未来的“冒险”

建设者们虽然完成了港珠澳大桥的建设，但是冒险者的梦想才刚刚开始。著名的钱塘江大桥是我国第一次自主设计与建造的现代化桥梁。桥梁是为了跨越，桥梁的用材主要为了承载重量。试想，如果我们把桥梁浸入在水中，利用水天然的浮力来帮助承载重量，我们就有可能得到一个很经济的方案，还能够跨越前人无法跨越的、更深、更宽的峡湾。我们把这种悬浮在水中的桥梁称作悬浮隧道。世界上还没有一个国家的工程师敢冒险建造这样的隧道。也许有一天，悬浮隧道将是我们新的冒险。