我們的“冒險”
——港珠澳大橋島隧項目沉管隧道創新記

文/港珠澳大橋島隧工程沉管隧道設計分項負責人 林巍

預制好的“半剛性”沉管

“冒險”值得嗎？

為了回答這個問題，講一個7年建設的故事。

央視紀錄片《輝煌中國》第一集開篇有一個長鏡頭。從珠海出發，在茫茫大海中前行20公里，來到一個小島，從島的中心潛入海底，在50米深的水里前行6公里，然后到達另一個小島，眼前已是香港的大嶼山。這就是港珠澳大橋。

港珠澳大橋西連珠海和澳門，東連香港，全長55公里。上述鏡頭經過的海中兩個小島與海底隧道就是島隧工程，全長約7公里。這一段從長度上，只有整個港珠澳大橋長度的八分之一，卻幾乎包含了港珠澳大橋技術的所有難點。首先建造5.7公里長的沉管隧道，就要實現兩個世界第一次和一個世界之最：世界第一次建設中國外海的沉管隧道、世界第一次建設深埋沉管隧道，以及世界最長的公路沉管隧道。

這意味著什么？2011年，中國交建拿到了島隧工程的中標通知書。拿到通知書的那一天，就有一半的技術骨干離開了團隊；2012年，開始進行施工方案研究。當施工方案拿出來以后，又有接近一半的技術骨干選擇了離開；2013年，第一次沉管安裝施工，原計劃只要36個小時，但是實際上在海上連續工作了96個小時。第一次沉管安裝結束后，又有一些工程師選擇了離開。

選擇留下來堅守的人，無疑是選擇了冒險。

冒險的人在島隧工程7年的建設中經歷了什么？為了把工程做成，他們開展了140項試驗，經歷了28次臺風侵襲、38次外海遠征，2次安裝被迫中止，停工100天。在大海中“冒險”，遇到了7次危機，所幸化險為夷，自此他們知道了一些聞所未聞的大海中的現象，比如河口羽、異常波、齒輪效應。

冒險的人收獲了什么？這是另外一組數字：40項創新、540項專利、24個科技進步獎；144個集體、194名個人獲得省里的表彰；23個集體、13名個人獲得國家的表彰。工程建設期間，有80個國家的工程師與企業家專程來參觀，每年的參觀人數超過兩萬人次；媒體報道次數大約1200次。

通過前兩段的數字比較，能否回答前文提出的問題：冒險值得嗎？

然而，以上兩組數字并不能回答這個問題。問及當年選擇離開的同事，如果可以重新來一次，愿不愿意留下來一起冒險？答案很可能是否定的。所以，為了回答“冒險值不值得”這個問題，我們要問另外一個問題：冒險的本質是什么？或者說，當我們在冒險時，我們實際上是在做什么？

“冒險”的本質

以島隧工程最終接頭安裝施工為例。

什么是最終接頭？如同大型橋梁建設一樣，最后存在一個合龍段。沉管隧道的合龍是在水下完成的，被稱為“最終接頭”。在世界范圍內，島隧工程用了一種新方法來施工最終接頭，這個最終接頭就好像一個“可折疊的沉管隧道”。和雨傘和帳篷一樣，它在安裝的時候，可以沿著隧道縱向利用機械自動展開。

為了開發這個新工藝，島隧工程邀請各行各業的專家辨識出了400多項風險，并一一解決。但是由于這是一個全新的方案，施工中發生了很多令人心驚膽戰的情況。其中的一些故事被記錄在《橋梁產業資訊》2017年6月第29期中。

島隧工程為什么要冒險發明這種新方法？因為之前的普遍做法就是把潛水員派到水底下去，當做工人使用，在水下用模板將兩邊的隧道連接，然后再在中間澆筑混凝土。而島隧工程最終接頭的水深近30米，如果遵循傳統的、成熟的方法，需要讓一群潛水員在深水中連續作業8個月。而在深水中，潛水員的生命僅靠一根連接到水面的“臍帶”來維持。一旦海流超過預期，潛水員就會有生命危險。另外，伶仃洋交通繁忙，每天有超過4000艘船舶來往，8個月的海上施工時間對海上交通構成極大的威脅。所以，為了把海上施工的風險、海上交通船舶的風險、潛水員生命的風險降到最低，建設者寧愿選擇冒險，創造一種新的工法。結果是，用這種新的方法，不但免除了大量的潛水作業，還將8個月的海上作業時間，縮短到1天。

于是，我們可以回答，冒險的本質是什么？對于橋梁工程師而言，冒險，就是為了將工程風險降到最低，將社會風險降到最低，將人的生命風險降到最低。冒險就是為了少冒險，冒險就是為了不冒險。

最終接頭只是島隧工程眾多創新中的一個，目的是降低工程的工期風險、投資風險、安全風險、運營風險、環境風險。島隧工程的建設者們寧愿冒險創新，打破常規設計和施工方案，通過冒險換來的結果是：4000名建設者、7年的工作、2500多天，無一人傷亡。此外，工程位于中國“海上大熊貓”中華白海豚的核心保護區。工程建設期間，白海豚的種群數量不但沒有減少，反而增加了一倍。

所以，回到第一個問題，冒險，值得嗎？如果我們冒險，是為了別人不冒險；如果我們冒險，是為了將來少冒險；如果我們冒險，是為了后來的人不冒險；冒險，是值得的。

怎樣“冒險”？

接著剛才的故事。在最終接頭安裝完成以后，也就是2016年的5月，建設者們接到了一個挑戰，要在隧道的兩頭的島上蓋兩座房子。我們的建設者，從工人、到技術人員，到總工，在此項目之前都沒有蓋過房子，他們大多數時間都是在建設港口，他們是碼頭工人。他們敢冒險來親自蓋房子嗎？而且，留給他們蓋房子的時間，只有半年。結果是，他們選擇了冒險，不但建成了房子，而且親自裝修了房子。我們把碼頭工人蓋的房子叫做“碼頭房”。就在今年2月，完成了最后的裝修。

島隧工程的建設者，建造了在世界范圍內獨一無二的清水混凝土建筑群。清水混凝土，是不需要化妝的混凝土，是用混凝土的質地來表現混凝土美的混凝土。

碼頭工人蓋房子時，他們的手上傳閱著兩本書，一本是《料理的神髓》，一本是《奇跡的蘋果》。第一本書說怎樣用最簡單的食材，做出最好的料理，如果你能做到，你就能做出高質量的清水混凝土；第二本書講的是，既然，蘋果都可以用無農藥的方法來種植，那么，一切皆有可能。

這是建設者冒險需要具備的第一個資質，開放的心態，一切皆有可能的自信。

“冒險”的自由

僅僅這樣是不夠的，還需要有另外一個重要的資質。再舉一個例子，叫做“半剛性”結構的創新。問一個問題，什么樣的人身體不容易受傷？

在讀到這篇文章的時候，我們都不易受傷，因為沒有意外發生。但是意外發生時，有兩類人不易受傷：一類是剛強的人，他可以用自己的力量來抵抗外部的沖擊；還有一類是柔韌的人，他可以避讓危險。再問一個問題，有沒有什么人，比這兩種人還不容易受傷？

在港珠澳島隧工程之前，世界上只有兩種隧道結構，一種叫做整體式沉管，就像剛強的人，是美國工程師發明的，美國和日本一直用到今天；還有一種叫做節段式沉管，就好比柔韌的人，是荷蘭工程師發明的，歐洲一直用到了今天。但是港珠澳大橋建設時，前文已述，這是世界上唯一的深埋沉管，隧道結構頂上的土荷載是常規工程的5倍，什么意思？就是下雪天，別人家的屋頂上落了一層厚厚的雪，而我們家的屋頂上落了一座雪山。我們家的屋頂能受得了嗎？

如果我們按照美國工程師的發明來“蓋房子”，經測算結果是這樣的：隧道會開裂，海水將順著裂縫進入，銹蝕鋼筋。隧道120年的壽命可能不保。

如果按荷蘭工程師的發明來“蓋房子”，可轉動的關節成了薄弱環節，在大荷載作用下容易破損，或者過大的張開導致隧道的漏水。

在這種情況下，總工程師提出了剛柔并濟的結構概念。這種結構比以往的任何結構都要健壯?；氐街暗膯栴}，什么樣的人抵抗風險的能力最強？那就是既剛強有力量、又柔韌的人。

半剛性沉管的結構道理就是利用拉力、受拉結構和摩擦力，在提高隧道的抗風險能力的同時（專業說法是健壯性或魯棒性）保持隧道的整體性，以避免隧道漏水。

總工程師為了驗證這個想法，花了半年的時間在全國各地做試驗，又花了半年的時間邀請清華大學與同濟大學等6家研究機構進行獨立驗證。在一年的論證過程中，“剛柔并濟”結構提議一直被否決，直到一年以后，才終于得到認可。這個概念，顛覆了以往100年的沉管隧道任何一種結構形式。但是回過頭來想，萬一驗證不成功呢？總工“冒險”的底氣來自哪里？

實際上來自兩方面，第一，想要做出這個判斷，需要了解至少10門以上相關專業。第二，對兩種已有的結構形式的領悟要比發明他們的美國工程師和荷蘭工程師更加透徹。只有擁有了這樣的知識體系與對現有技術狀況的深刻理解，才能獲得技術上的自由。而只有這種自由，才能夠有底氣指導工程認準方向，做一次徹底的“冒險”。

所以，冒險的第二個必備條件，是獲得自由。這種自由可以是通過大量的、快速的學習來掌握一切冒險所需的知識，并且領悟這些知識背后的一切思想來獲得的。只有擁有了思想上的自由，我們才可能擁有行動上的自由，我們才能獲得冒險的入場券。

“為學日增，為道日損”

但是，當我們知道的越多，我們就可能越需要克服一個阻礙冒險的內因。我們需要消除“膝跳反射般”的思維。再舉最后一個例子。在大海中怎樣筑島？

不嚴謹地講，通常兩步。首先，把海底的軟泥、軟土挖掉。然后，填上硬質的材料如砂和石。

但是，港珠澳大橋人工島環境的軟土很厚，達到30米，如果用常規的筑島方法，預計最少也要花3年的時間，留給后面建設隧道的時間不夠。還有一個問題是對水下軟土的大體積開挖會對海洋的環境造成較大的影響，更何況這里是中華白海豚的核心居住區。

在這種情況下，當大多數工程師們都在思考著如何快速地挖掉軟土或者改造軟土，讓軟土變“硬土”的時候？總工卻避免了這種“膝跳反射”的工程思維，他在思考工程能否與軟土共存？能否盡可能地不動這30米厚的軟土——這些軟土可能是在過去200到300萬年的時間中沉積而成的。最后，他想到，軟土的軟，可以是一把雙刃劍，軟土帶來的“地基沉降”問題是工程需要避免的，但是軟土具有像豆腐一樣的易被插入的特點。所以，如果用50米高、22米直徑、薄壁的鋼圓筒插入軟土，只要能插入大約30米，鋼圓筒就可以在外海大風大浪的條件下，自立不倒。用60個鋼圓筒可以圍成一個島，用120個可以圍成兩個島。如同其它的“冒險”，這個構想的實現也充滿了波折。但最終實現以后，結果是將3年的海上筑島時間縮短到了8個月。

海上作業時間的大幅度縮減意味著成本的控制與可持續發展的貫徹，因為海上施工船舶的費用高，需要消耗燃油與排放。所以值得一提的是，雖然島隧工程為了創新這個工法而做了大量的科研與試驗，但是人工島的建設費用仍然被控制在預算范圍內?？焖僦u工法在港珠澳成功實施后，也引起了國內外其它工程的興趣，目前國內已有項目比如深中通道正在沿用該技術。

說到這里，可以補充冒險的另外一個本質，也是冒險的價值，即走出一條新路。港珠澳大橋島隧工程為世界工程同行們留下了一些技術新模板，比如沉管隧道組合基床、半剛性沉管管節、主動止水可折疊最終接頭、深插鋼大直徑圓筒、記憶支座。

未來的“冒險”

建設者們雖然完成了港珠澳大橋的建設，但是冒險者的夢想才剛剛開始。著名的錢塘江大橋是我國第一次自主設計與建造的現代化橋梁。橋梁是為了跨越，橋梁的用材主要為了承載重量。試想，如果我們把橋梁浸入在水中，利用水天然的浮力來幫助承載重量，我們就有可能得到一個很經濟的方案，還能夠跨越前人無法跨越的、更深、更寬的峽灣。我們把這種懸浮在水中的橋梁稱作懸浮隧道。世界上還沒有一個國家的工程師敢冒險建造這樣的隧道。也許有一天，懸浮隧道將是我們新的冒險。