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


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