深中通道是一個世界級“橋、島、隧、水下互通”集群工程，擁有超寬特長鋼殼混凝土沉管隧道、海中超大跨徑懸索橋、海中人工島以及深圳機(jī)場水下互通立交等重點(diǎn)構(gòu)筑物。深中通道的建設(shè)，不僅要克服復(fù)雜的海床環(huán)境，超長的跨海距離，還得應(yīng)對惡劣的自然環(huán)境。這些特點(diǎn)匯集，注定了它是一個史無前例的工程。

由2002年開展深圳至中山公鐵通道走廊研究開始，歷經(jīng)15年艱辛論證與準(zhǔn)備，深中通道于2017年全線開工建設(shè)。隨著先行工程西人工島基礎(chǔ)打好，深中通道各個重點(diǎn)構(gòu)筑物的神秘面紗慢慢被揭開。

島 西人工島快速成島，如何做到的?

西人工島是如何快速成島的呢?

海床地質(zhì)情況比港珠澳大橋更惡劣

深中通道西人工島的筑島結(jié)構(gòu)與港珠澳大橋人工島的一樣，都是采用“鋼圓筒圍島”。在港珠澳大橋人工島建設(shè)的時候，工程師對筑島海底15米至20米厚的淤泥層做了一個形象的比喻——“水豆腐”。在“水豆腐”上筑島，如果用常規(guī)的拋石斜坡堤或者重力式沉箱結(jié)構(gòu)的話，拋石、沉箱一旦落到“水豆腐”上，就會滑出去，固定不了。

“鋼圓筒圍島計(jì)劃，用57個直徑28米的巨型鋼圓筒，直接固定在海床上，然后在中間填沙形成人工島。這個巧妙的方法，很快就能形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。”中交一航局深中通道西人工島項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人徐波表示，鋼圓筒圍島的施工結(jié)構(gòu)，既避免了復(fù)雜海床結(jié)構(gòu)對施工造成困難，對海洋環(huán)境的污染也是最小的。

然而，西人工島的海底勘探工作完成后，給中交一航局施工團(tuán)隊(duì)帶來了難題。“這里的海床結(jié)構(gòu)不僅有厚厚的淤泥，而且表面凹凸不平，有些地方很硬、有些地方很軟。”徐波表示，以前這里是采海砂的地方，海底遺留眾多深淺不一的采砂坑，地質(zhì)條件比港珠澳大橋人工島的施工條件更惡劣。這塊凹凸不平、軟硬不一的“水豆腐”，在振沉過程很容易造成鋼圓筒位置出現(xiàn)偏差，無法保證精準(zhǔn)地到達(dá)設(shè)計(jì)預(yù)定的位置。

用“攪拌機(jī)”把“水豆腐”攪松拌勻

地質(zhì)問題一天不解決，鋼圓筒振沉就無法施工。徐波指了指停泊在鋼圓筒振沉施工現(xiàn)場的DSM船(水下深層攪拌船)說，它是解決西人工島地質(zhì)問題的功臣，現(xiàn)場施工人員習(xí)慣稱之為“沙樁6號”。“這條船本來是為香港機(jī)場施工準(zhǔn)備的，主要作用是把軟土硬化加固處理。我們運(yùn)用反向思維，把它應(yīng)用于硬泥變軟。”

DSM船上有三根標(biāo)志性的圓筒，如果說DSM船是一臺巨大的攪拌機(jī)的話，這三根管就相當(dāng)于攪拌機(jī)的攪拌鉆頭。“這三根管在海底，沿著將要振沉的鋼圓筒壁的位置，用鉆機(jī)深入砂層，人工注入泥漿作為砂礫間的‘潤滑劑’并攪拌，使施工區(qū)域地質(zhì)更加柔軟，讓鋼圓筒更容易穿透硬質(zhì)砂層。”徐波說，地質(zhì)問題是西人工島施工的最大難點(diǎn)，DSM船施工技術(shù)的應(yīng)用，對水下密實(shí)砂層進(jìn)行預(yù)處理，使得振沉?xí)r水下地層巖土性質(zhì)相對較均勻，便于鋼圓筒平整精確地振沉至設(shè)計(jì)位置。

“13號強(qiáng)臺風(fēng)‘天鴿’襲擊過后，我們對每個筒進(jìn)行測量，位置幾乎紋絲不動，說明了鋼圓筒的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性都經(jīng)受住了考驗(yàn)，這種施工方式可行性也得到了很好的證明。”徐波表示，中交一航局已對DSM船施工技術(shù)申請了專利，這項(xiàng)技術(shù)使得鋼圓筒快速成島施工的應(yīng)用范圍更廣了，有助于以后的推廣應(yīng)用。

“天下第一錘”助力成島

“看到抓住鋼圓筒的黃色抓手了嗎?那是我們公司研發(fā)的十二錘聯(lián)動振動錘組。”徐波說，就是這組“天下第一錘”把57個平均重量超600噸的鋼圓筒成功打入海底。

“相較于港珠澳大橋，深中通道鋼圓筒更長的直徑，意味著更大的體積與重量，振沉作業(yè)所需要的動力勢必更強(qiáng)。”在接駁船船長駕駛室內(nèi)，徐波隨手拿一個礦泉水瓶與一桶方便面進(jìn)行對比，“這就是港珠澳大橋使用的鋼圓筒與深中通道西人工島鋼圓筒在體量的不同。”

實(shí)際上，早在港珠澳大橋收尾階段，關(guān)于振動錘組改造事宜就被提上了日程。徐波介紹說，為保證鋼圓筒打設(shè)順利，項(xiàng)目在原有的“八錘聯(lián)動錘組”技術(shù)基礎(chǔ)上，選用集震力更大的12臺進(jìn)口APE600型液壓振動錘聯(lián)動方案來實(shí)施振沉。

“單個錘從美國購買，但12個錘怎樣組裝起來，怎么按預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同作業(yè)完成施工，是我們自己研發(fā)的。”徐波說，“例如在振沉?xí)r，設(shè)備受力不均衡，會產(chǎn)生輕微的抖動。在十二錘聯(lián)動錘組的設(shè)計(jì)與制造中，我們對之前發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了系統(tǒng)梳理。”

從“八錘聯(lián)動錘組”到“十二錘聯(lián)動錘組”，振動錘結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新優(yōu)化改造。改造完成后，不僅在振沉力量上有了跨越式升級，最大的施重力達(dá)到5900噸，稱為“天下第一錘”當(dāng)之無愧。

隧道 世界首例特長隧道，如何設(shè)計(jì)的?

深中通道管理中心副主任、總工程師宋神友，在手下工程師心目中是大神級的人物。他參與了深中通道項(xiàng)目設(shè)計(jì)的全過程，每當(dāng)設(shè)計(jì)遇到瓶頸、受到質(zhì)疑的時候，他總能提出可行性的解決方案力挽狂瀾，推動項(xiàng)目前進(jìn)。宋神友認(rèn)為，深中通道的各個重點(diǎn)構(gòu)筑物中，6.8公里的特長雙向八車道海底鋼殼混凝土沉管隧道是最具技術(shù)創(chuàng)新性的。

隧道設(shè)計(jì)出動駕駛模擬器收集數(shù)據(jù)

這條雙向八車道的海底鋼殼混凝土沉管隧道具有五大技術(shù)難點(diǎn)，分別是超寬、變寬、深埋、回淤量大、挖砂坑區(qū)域地質(zhì)條件差。其中“超寬”很好理解，雙向八車道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，管節(jié)斷面寬度46米，為世界第一；而“變寬”，指的是隧道內(nèi)部有615米的變寬段，在這里將增加4條匝道形成水下互通立交，這意味著雙向八車道在這里變?yōu)殡p向十二車道，隧道內(nèi)多次分合流，行車安全性問題突出。

隧道內(nèi)部的設(shè)計(jì)互通立交，在設(shè)計(jì)階段就遭遇巨大的困難。

第一個“攔路虎”就是視距。“平常我們開車走互通立交橋，視野是很開闊的，坐在駕駛位置能連續(xù)看到前面的景觀和障礙物。但在隧道里面駕駛，司機(jī)視線是受限制的，看不到遠(yuǎn)處的來車。”宋神友表示，匝道往哪個方向延伸最佳、怎樣設(shè)計(jì)保障行車順暢、安全?這些都是在設(shè)計(jì)階段工程師難以逾越的難題。

怎么解決這個問題呢?宋神友和他的團(tuán)隊(duì)想到了使用駕駛自由模擬器的方法。這是一種類似虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)(VR)，工程師在一個駕駛模擬器模擬行車，體驗(yàn)虛擬的行車環(huán)境，收集視距的相關(guān)數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)提供支撐。

165米長鋼殼混凝土沉管全球首次采用

長6.8公里的雙向八車道海底隧道，采用怎樣的施工方法和結(jié)構(gòu)進(jìn)行建設(shè)?深中通道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過反復(fù)的比選，最終確定采用鋼殼混凝土沉管結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有適應(yīng)建設(shè)超寬、深埋、變寬等建設(shè)條件，承載能力、抗裂性能好，耐久性有保障，對海洋環(huán)境影響較小等優(yōu)勢。

但是，雙向八車道海底沉管隧道世界上沒有先例，創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)方式鋼殼混凝土沉管，每個標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的尺寸為46*10.6 *165米，為全球首次采用，存在極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。據(jù)介紹，深中通道鋼殼混凝土沉管隧道合計(jì)32個管節(jié)，每個標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長約165米，用鋼量超過30萬噸，體量巨大。

宋神友說，由于面臨超寬、變寬、深埋、地層差異大、加淤強(qiáng)度大等復(fù)雜建設(shè)條件，隧道的鋼殼混凝土管節(jié)構(gòu)件尺寸大大超出了既有國外工程案例的經(jīng)驗(yàn)范圍。

宋神友說，目前國內(nèi)尚缺乏成套的鋼殼混凝土沉管隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，因此從結(jié)構(gòu)理論、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方法、材料、工藝、裝備等方面都需要開展一系列的科技攻關(guān)。

“預(yù)期成果是，我們將研發(fā)一種新型沉管隧道結(jié)構(gòu)型式，填補(bǔ)國內(nèi)鋼殼混凝土沉管技術(shù)空白，形成國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。”宋神友說。

橋 海上超高橋面伶仃航道橋，將如何建設(shè)?

深中通道項(xiàng)目由東往西，重點(diǎn)構(gòu)筑物分別為東人工島、機(jī)場互通、海底隧道、西人工島、伶仃航道橋、萬頃沙互通、橫門東航道橋、橫門互通。由此可以看出，靠近中山這邊的西側(cè)，建設(shè)施工以橋梁為主。其中，主跨1666米的海上超高橋面懸索橋——伶仃航道橋，在國內(nèi)并沒有先例，類似的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)少，海中深水錨碇建設(shè)、超高橋面的抗風(fēng)安全問題存在較大技術(shù)挑戰(zhàn)，目前仍處于施工設(shè)計(jì)階段。

伶仃航道橋的設(shè)計(jì)，受到防空限高和通航的限制。寶安機(jī)場決定了伶仃航道橋橋塔的高度以及施工裝備的高度;需要穿越兩條出海航道，伶仃洋航道和礬石水道，通航等級高，決定了伶仃航道橋的凈高。

“伶仃航道橋主橋的橋面達(dá)90米，主橋超高橋面將成為全球最高的海中大橋。”宋神友說，這個高度相當(dāng)于30層高樓，這意味著伶仃航道橋建成后，司機(jī)可以駕駛車輛體驗(yàn)30層高樓上高速疾馳的感覺。“珠三角是臺風(fēng)多發(fā)的區(qū)域，我們正在進(jìn)行橋梁的抗風(fēng)性能試驗(yàn)。”

伶仃航道橋?qū)⒉捎檬裁唇Y(jié)構(gòu)呢?宋神友表示，伶仃航道橋?qū)⑹且蛔T塔式懸索橋，兩座橋塔像兩道門一樣分別矗立在主跨兩側(cè)。記者采訪了解到，今年年初公布的深中通道設(shè)計(jì)方案競賽第一名的設(shè)計(jì)稿中，伶仃航道橋是一座獨(dú)柱塔式懸索橋，后來根據(jù)設(shè)計(jì)要求，目前已經(jīng)調(diào)整了設(shè)計(jì)方案，改為門塔式懸索橋。

宋神友說：“中山境內(nèi)現(xiàn)階段還沒有懸索橋，但是這種結(jié)構(gòu)的橋珠三角的市民都很熟悉。目前珠江東西岸唯一的連接通道虎門大橋就是一座懸索橋。”

深中通道項(xiàng)目檔案

深圳至中山跨江通道位于珠江三角洲核心區(qū)域，北距虎門大橋約30km，南距港珠澳大橋約38km，是集“橋、島、隧、水下互通”于一體的世界級集群工程。項(xiàng)目采用東隧西橋方案，路線起自廣深沿江高速機(jī)場互通立交，通過廣深沿江高速二期東接機(jī)荷高速，向西跨越珠江口，在中山市馬鞍島登陸，與在建的中開高速對接，通過連接線實(shí)現(xiàn)在深圳、中山及廣州南沙登陸。項(xiàng)目全長約24km，，主要由長6.8km的特長海底鋼殼混凝土沉管隧道、主跨1666m伶仃洋大橋、主跨580m橫門大橋、長約13km非通航孔橋、東、西人工島以及深圳機(jī)場樞紐(地下部分)、萬頃沙(部分工程)、橫門樞紐(部分工程)3處互通立交、1處綜合管理處、1處養(yǎng)護(hù)救援區(qū)等關(guān)鍵構(gòu)造物組成。采用設(shè)計(jì)速度100km/h的雙向8車道高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目概算總額約446.9億元，計(jì)劃于2024年建成通車。