在杭州灣建跨海大橋，如何克服錢塘江大潮影響？

出品| 網易新聞

作者| 鶴運，土木工程博士

　　2008年5月1日，在北京奧運會前夕，當時世界上最長的跨海大橋——杭州灣跨海大橋建成通車。

　　今年，杭州灣大橋即將迎來自己的十歲生日。十年來，幾經風雨洗禮，杭州灣大橋依然屹立在水中，庇護來往車輛。要做到這一點真的不容易。

　　（杭州灣跨海大橋地圖）

　　杭州灣大橋的先天條件非常差：在其立足的地下，杭州灣有深厚的淤泥層，南岸腐殖質灘涂地下甚至還有沼氣；而且，這片海域也不寧靜，杭州灣與亞馬遜河口、恆河河口並稱為世界三大強潮灣，風高浪急，亂流沙涌，一年中，超過7級以上大風天有9個多月，颱風的最大風速每秒50米，可瞬間掀翻千噸大船，真可謂「屋漏偏遭連夜雨」。

　　在如此複雜的環境中修建這麼長的橋，如何確保橋的安全和行車安全？我們一起來看一看。

（一）杭州灣猶如豆腐腦，建橋打樁最長達30層樓高

　　工程中有一句話叫「基礎不牢，地動山搖」，強調的是構築物的地基和基礎的重要性。

　　杭州灣大橋位於錢塘江出海口，數千年來錢塘江的淤積物覆蓋在這片海域的底部，形成了豆腐腦一樣鬆軟、易滑、承載力低的厚軟土層。能支撐起大橋的「持力層」則位於軟土層的下方。

　　（杭州灣大橋地址剖面圖，軟土層厚度達幾十米）

　　這種情況下，必須將大橋的基礎——一根根樁插入下部持力層中，最長的一根樁竟然長達90米，有30層樓那麼高。要知道，杭州灣的水深才只有10米左右。

　　單根樁的直徑為1.5~1.6米，在樁裡面，這已經是很粗的了，但仍然只有長度的六十分之一，和筷子的比例基本相當！

　　這些樁有一個響亮的名字：大直徑超長鋼管樁。

　　能否順利、精準地把樁做出來，成為工程的控制因素。

　　海上打樁的一個難點是定位難，速度慢，按原有的人工測量和人工定位技術，每天最多只能完成四五根樁，而且還要看天吃飯，天氣不好時無法施工，2002年下半年只打了351根。後來大橋施工方下定決心，在國內率先使用GPS定位，一邊進行施工操作，一邊根據實時位置調整施工過程，對樁進行糾偏，大大提高了效率，每天最多可完成五十多根。

　　（杭州灣大橋第一根樁成功完成）

（二）大橋經過沼氣區，修橋要想不擾動氣體首先得放氣

　　除此之外，更具挑戰性的是：大橋經過的部分地區，土層中存在囊狀淺層天然氣（沼氣），局部含氣量和壓力較大。施工中如果擾動了這些氣體，氣體移動過程中將會讓海底淤泥層產生不可預知的大變形，從而影響進一步施工（大橋建成後，氣體的影響可以忽略）。

　　另外，如果氣體從海底逸出，碰上海面上的作業船隻，還有可能發生爆炸，引火燒身。

　　天然氣的問題，對於國內土木工程界而言，可謂是聞所未聞的。

　　幸運的是，石油行業對此有較多經驗，一次跨學科的思維碰撞讓土木工程師們學到了石油專家的寶貴經驗，經驗總結成四個字：「主動放氣」。在打樁前，先主動引導氣體逸出，隨後再施工，從而解決了這一難題。

（三）跨海大橋上兩樣東西怕風吹，一個是橋另一個是車

　　地下的問題解決了，地上的問題緊隨而至。

　　大橋通車之後，有一則非常有趣的新聞，「少數司機上杭州灣大橋心發慌」，擔心「車會不會被大風掀起掉進海里？」新聞中說，這是由於司機們第一次長時間在海上開車，難免有心理恐慌。

　　其實，司機們的擔心是客觀存在的。

　　在跨海大橋上，有兩樣東西怕「大風吹」，一是橋，二是車。風還能把橋吹倒？這事兒在美國就發生過，1940年11月7日塔科馬海峽大橋因「風振」（風引起的共振）垮塌。為了保證行車安全，中國的專家們可費了一番腦筋。

　　（美國塔科馬海峽大橋被風吹垮）

　　統計數據顯示，大橋年平均大風日數為11到17天，極大風速可達32米每秒，相當於十一級風，為保證設計有所富餘，在設計時取基準風速49米每秒。專家們在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室進行了風洞試驗。

　　試驗表明，大橋所使用的結構形式（雙塔斜索麵鋼箱梁斜拉橋體系）能夠保證其抗風性能在極端條件下也能安全聳立，而不會出現塔科馬大橋渦激振動的悲劇。

　　（風洞試驗模型）

　　橋上過大的橫風，對汽車特別是高大車輛影響顯著。

　　有學者使用先進的數值方法，考慮風速、車流、橋樑共同作用，建立了複雜系統的模型，對有風時的事故率進行了分析。一個有趣的現象是，吹來的風可以分解成兩個方向，一個垂直於行車方向，另一個偏向於行車方向。

　　後者的大小既取決於風的大小，也取決於車速，逆風行駛的車發生事故的概率更高。計算顯示，大風時，以120公里時速行駛的車的整體安全行車概率約為89%，這個概率是無法接受的。那麼，只能關閉大橋或者給汽車限速了嗎？

　　科學家們提供了第三種思路：給橋面「減風」。

　　嚴密的科學計算顯示，使用透風率70%的風障，即可在同樣的情況下把安全概率提升至99.78%！十一級暴風對車的影響也只相當於八級大風。

　　（杭州灣跨海大橋遠景）

　　雖然，現階段仍然會在大風天氣限速限流，但是科學家給的這個「定心丸」著實讓我們放心了不少。

結語

　　杭州灣大橋北起嘉興，南至寧波慈溪，全長36公里，它的建成讓寧波到上海間的車程縮短了120餘公里，也大大緩解了圍繞杭州灣的杭甬高速公路的壓力。

　　李白《古風·秦皇按寶劍》中說，秦始皇為了向東看日出，勞民傷財建設跨海大橋，最終未能成功，「逐日巡海右，驅石駕滄津；征卒空九宇，作橋傷萬人。」

　　而今，我們的技術和實力已經可以讓普通人享受到這樣的便捷，輕易看到秦始皇都未能見到的場景，波濤碧浪，謁橋觀海。怎麼樣，要不要來一場說走就走的旅行？

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編輯| 史文慧