水滴石不穿——港珠澳大桥海底隧道是如何防水的？

出品| 网易新闻学院

作者| 鹤运，清华大学土木工程系博士研究生

文末有彩蛋！！！

2017年3月7日，万众瞩目的港珠澳大桥海底隧道完成了最后一个管节的安装，意味着这个“世纪工程”打赢沉管安装的“收官之战”。这条5.6公里的海底隧道，在攻破重重技术难关之后，保证了40米水压下的“滴水不漏”，打破了世界纪录。

港珠澳大桥示意图，大桥中段的隧道是建设中难度最高的部分

水底的沉管隧道与常见的山区隧道不同：山区隧道只要“钻洞”，一边钻一边做支护结构；而海底隧道是将预先制作好隧道结构，沉到水下，并在水下安装。

沉管隧道一般是由一节节的钢筋混凝土管子拼接起来的。港珠澳大桥海底隧道是先把8个22.5m长的小段（专业术语叫“节段”）拼接成180m的大段（“管节”），然后在工厂把8个节段用钢筋串成一个整体的管节，再拖到海面上，在预定的沉放位置使下沉，最终33个管节在海底连成一个整体。

需要补充说明的是，港珠澳隧道首末两端的管节只有6个节段。隧道两端是两个人工填筑的小岛，在岛上完成海上大桥到海底隧道的接驳。

掩埋于伶仃洋的淤泥中，“任尔东西南北风”

提起海底隧道，很多人都会产生这样的疑问——隧道如长龙般卧在海底，经受海浪日复一日的冲刷，隧道真的就不漏水吗？

实际上“海浪冲刷”的问题只存在于人工岛附近的隧道浅埋段，隧道大部分都掩埋于伶仃洋的淤泥之中。由于周围环境和水陆空交通的要求，港珠澳大桥岛隧工程成为了世界上第一个也是唯一的深埋沉管隧道。

可能你的想象中的海底隧道是这样的：

但其实它是这样的：

港珠澳大桥海底对到施工时首先会清理海底深厚的淤泥，并对隧道下方的地基做处理。然后沉放隧道管节，并在两侧和上部回填碎石，短期内碎石可以减弱海浪的袭扰。完工后，“随波逐流”的淤泥很快就会重新“淤”到隧道上方。即使在大风大浪之中，隧道也能在淤泥的怀抱里安眠。

虽然说无惧风浪，但另外一个问题来了——常年的海水浸泡，而且还要忍受海底那么高的水压。古巴的Havana's Bay隧道，就是预制混凝土管节的沉管隧道，曾经出现过开裂导致的漏水事故，裂缝处渗水速度达每小时40升。

这么长的隧道要做成“百年工程”，任务十分艰巨，但在“中国建造”中，没有什么不可能——从工程设计到材料选择再到施工管理和施工工艺，它都做到了极致。

在海底复杂荷载的作用下，有三种情况最有可能导致隧道漏水，港珠澳隧道都一一做好了防范。

裂缝要不得——混凝土“百炼成砼”

港珠澳大桥的每个节段都是钢筋混凝土做的巨型结构。港珠澳大桥海底沉管隧道全长5664米，由33节沉管组成，单个标准管节长达180米，重约8万吨。负责项目建设的中交港珠澳大桥岛隧工程师曾这样形容：每个管节使用近9000吨钢筋，相当于搭建一座埃菲尔铁塔的用量。

混凝土是一种脆性材料，它在受力状态下容易开裂，抗压不抗拉。正是由于混凝土的这一特性，工程师常常将混凝土与钢筋组合起来，在结构的受压区发挥混凝土的作用，在结构的受拉区发挥钢筋的作用。

民用建筑中的混凝土结构都是允许带裂缝工作的，大家经过混凝土天桥下时可以抬头看一看，桥下一般都布满了裂缝，混凝土裂了钢筋才能发挥出更大的作用。

图：混凝土结构常常带裂缝工作，图为某桥底板

在山里面打隧道，挖洞之后做支护和衬砌，支护结构和衬砌也是会带裂缝工作的，所以隧道的漏水也不可避免。山区隧道的工程师能想得开——漏水就漏水呗，少量的渗漏不影响安全。

但是海底隧道更加特殊，一方面产生裂缝后，含盐的海水渗透可能会加速钢筋的锈蚀，另一方面渗水也会威胁到隧道内的电子设备，甚至影响司机的情绪。

所以，海底隧道对混凝土提出了更高的要求：

一是强度要满足要求，各种常见的受力情况（荷载组合）下，隧道结构混凝土的最大拉力不能超过混凝土的抗拉强度；

二是混凝土有耐久性，在使用期内保持其性能；

三是满足施工要求，若混凝土流动性很差，很容易出现浇注不密实的情况，产生缺陷。

制作混凝土并不仅仅是简单地把原料混合在一起，原料的比例直接决定了混凝土性能。而某些性能往往是此消彼长的，技术人员要调配出合适的比例，满足所有的要求，一定要经历千百次的试验。

在港珠澳大桥岛隧工程沉管预制厂内，两节180米长的管节预制完成

人们常说“百炼成钢”，而在港珠澳过程中，我们“百炼成砼”（砼tóng：人工石，混凝土的简称），牛头山岛上看似简单的混凝土，浸透了工程技术人员挥洒的汗水。

而且，混凝土还很敏感和“调皮”，在浇注完成后还需在严格的养护条件下保养一个月左右。真可谓“杨家有砼初长成，养在深闺人未识”。

隧道设计方案

“深海之吻”——不能硬碰硬

对混凝土质量的控制可以确保每一个节段完成好自己的使命：不开裂，而节段与节段之间的空隙也得保证滴水不漏。

橡胶止水带——防止节段与节段间产生裂缝

隧道的结构编号和美剧正好是反的，美剧第二季第三集叫S2E3，而隧道中第二个管节第三个节段叫E2S3。一个管节的8个节段大概结构如下图所示，八个节段分别是S1~S8。他们之间若不做处理，可是硬碰硬地接触的，稍有受力就易张开。

图：管节的立面图和平面图

所以，我们的工程师在两个节段硬碰硬的地方垫上一层橡胶，这一层我们称其为“止水带”。不过，光有止水带是不行的。医生给人打绷带，并不是把绷带松松地缠起来，而是紧紧地裹起来，要给力！像下图一样，我们用很多预应力钢筋把这8个节段串起来，然后把钢筋张拉得很紧，这样相邻两个节段就挤在了一起，他们之间的橡胶也压得很紧。

图：管节中张拉预应力钢筋示意图

Gina止水带——避免管节与管节之间产生裂缝

8个节段组成管节，管节被一节一节地拖到预定位置并下沉，最终在水下组合到一起才形成整个隧道。管节和管节之间的接触在水下完成，难度非常之高，专家说这甚至是比“嫦娥”和“天宫”对接难度还要大的“深海之吻”。

管节之间的连接至关重要，这里工程师们则使用了一种更大的橡胶止水带：Gina止水带。橡胶块头大，压缩后变形也很大：

图：Gina止水带压缩示意图

挤压的过程让我不禁想起了可爱的娘口三三：

图：娘口三三脸压在玻璃上

连接区域止水的唯一的要求就是：压紧压紧再压紧！管节在水下压紧使用了一种特殊的技术——“水力压接”。 对接前，新来的管节两侧都有水压力；对接后，抽掉中间的水，新来的管节就被牢牢地压住了！

对流体压强有所了解的人不难理解这个物理过程，这就是工程师的智慧吧，借助水的力量，成就大自然的鬼斧神工。

图：水力压接过程

使用止水带是国内外广泛采用已经过检验的方案，但这并不意味着使用橡胶止水带产品就可以保证隧道安全。在工程设计阶段，摆在设计人员面前的是更具体的问题：选用什么样的结构形式才能让结构的受力和变形都在容许范围之内？怎样尽可能提高隧道的安全性？现有的施工技术能否保证隧道在水下顺利对接，在施工中精确复现图纸上的设计？

欲知后事请听下回分解。

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编辑| 于冉帝