书城自然科学海洋之门:海岸与海湾
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第4章 繁忙的海上通道(3)

东海大桥工程是我国第一座真正意义上的跨海大桥。东海大桥全长约32.5千米,其中陆上段约3.7千米。大桥按双向六车道加紧急停车带的高速公路标准设计,桥宽31.5米,分上、下行双幅桥面,双向6车道,设计车速每小时80千米,设计荷载按集装箱重车密排进行校验,可抗12级台风、7级烈度地震,设计基准期为100年。大桥全线按高速公路标准设计,设计基准期为100年。大桥的最大主航通孔,离海面净高达40米,相当于10层楼高,可满足万吨级货轮的通航要求。东海大桥工程2002年6月26日正式开工建设,历经35个月的艰苦施工,于2005年5月25日实现结构贯通。工程最大的奇迹在于建设速度——在风高浪急的外海,运用高效、科学的施工技术,实现大桥贯通仅用3年!东海大桥以“东海长虹”为创意理念,宛如我国东海上一道亮丽的彩虹。大桥色彩是大桥外观形象及展示桥梁个性的直接表现,采用白色、浅灰色作为大桥的主色调,使其与环境和谐统一。

4. 建造中的珠港澳大桥

珠港澳大桥是一座连接香港、珠海和澳门的巨大桥梁,在促进香港、澳门和珠江三角洲西岸地区经济上的进一步发展具有重要的策略意义。珠港澳大桥主体建造工程于2009年12月15日开工建设,以期于2015~2016年完成,大桥投资超700亿元,约需6年建成。珠港澳大桥跨海逾35千米,相当于9座深圳湾公路大桥,大桥将建6千米多长的海底隧道,施工难度世界第一;珠港澳大桥建成后,使用寿命长达120年,可以抗击8级地震。

珠港澳大桥的四个亮点:

(1) 宏伟壮观。据大桥工程可行性研究报告指出,珠港澳大桥将成为世界瞩目的宏伟工程。计划单列5000万元作为景观工程费,珠江口将增添一道令世人叹为观止的亮丽风景线!

(2) 斜拉桥索塔造型像钻石。珠港澳大桥主桥净跨幅度最大的青洲航道区段,大桥工程可行性研究报告推荐采用主跨“双塔双索面钢箱梁斜拉桥”,将成为大桥主桥型最突出的外貌。该斜拉桥的整体造型及断面形式除了满足抗风、抗震等高要求外,还将充分考虑景观效果,暂推荐采用钻石型索塔,总高170.69米。

(3) 人工岛设平台观赏海景。人工岛将成为集交通、管理、服务、救援和观光功能于一体的综合运营中心,除了岛上构筑物的造型美观外,还将重视岛区范围内的绿化工程,在海景较美的地方设置观景平台。珠海作为中国有名的蚝贝类产销基地,人工岛设计也可望采取蚝壳的特色造型。同时,大桥隧道出入口亦将进行景观美化。

(4) 设立白海豚观赏区。 珠港澳大桥将穿越中华白海豚保护区,为提高游客对白海豚的保护意识,大桥离岸人工岛或沿线适当的地方,有望在面向白海豚繁殖区域设白海豚雕塑,或者将白海豚形象在大桥工程部分造型中得以体现,并设立白海豚观赏景区。

海底隧道

海底隧道是为解决横跨海峡、海湾之间的交通,又不妨碍船舶通航,而建在海底之下供人员及车辆通行的地下建筑物。目前,全世界建成和计划建造的海底隧道共计20多条,主要分布在日本、美国和西欧,较著名的海底隧道有青函海底隧道、英吉利海底隧道、日韩海底隧道、墨西拿海峡的悬浮式海底隧道。

1. 青函海底隧道

这是当今世界上最早建成的海底隧道,全长达53.85千米,其中在海底有23.3千米。主隧道直径11米、高9米,铺设2条铁路,另有2条用于后勤供应的辅助隧道。青函海底隧道自1964年正式开工,到1987年通车时,共挖出砂石1.01×107立方米,用去钢材1.68×105吨,水泥2.9×105吨,总投资37亿美元,每千米造价7000万美元,人称“世纪性的大工程”。隧道建成之后,使北海道与本州之间的交通不再受恶劣气候的影响,大大缩短了日本首都东京到北海道首府扎晃的乘车时间,由16小时50分钟缩短到5小时40分钟。

2. 英吉利海底隧道

这是一条连接英国和欧洲大陆的海底隧道。该工程于1987年11月开工,1994年5月正式建成通车,1994年11月14日“欧洲之星”高速火车正式投入商业运行。该隧道由2条直径各为7.6米的火车隧道和1条直径为4.8米的服务隧道组成,全长53千米,其中38千米在海底40米深的岩层中穿行,13千米为两岸坡道,耗资96亿美元。峻工后,从伦敦到巴黎间的行程由5小时缩短为3小时,每年客流量为8430万人次,货运量为1.32×107吨。

英吉利海底隧道堪称本世纪的最大工程,它的建成将使英伦三岛与欧洲大陆分割的历史成为过去,这极大地促进了英法两国的经济发展。

3.香港海底隧道

香港海底隧道于1969年9月1日动工,1972年8月2日通车,耗资港币3.2亿港元。隧道全长1.86千米,车速限制70千米/小时。跨越维多利亚港,将九龙半岛和香港岛两岸独立的道路网络连接起来。海底隧道南端出入口位于奇力岛,位于香港岛东区,北端出入口位于红磡以西,亦是填海所得来的。收费广场位于红磡出口,共有16个收费亭,其中10个为人手收费亭,2个为专利巴士专用的快易通自动缴费亭,而余下4个为快易通专用的自动缴费亭。

香港海底隧道是世界上最繁忙的4线行车隧道之一,也是香港最繁忙、使用率最高的道路。其双线双程行车的旧式设计,使隧道的行车流量早在通车10年后就已经饱和,往港岛方向几乎每日上下午繁忙时间(尤其是早上8时至10时)都会出现交通堵塞。因此,除隧道收费外,由1984年6月1日起,当局向所有车辆征收隧道税,希望减低流量,但成效甚微。该隧道以“建造、营运、移转”形式兴建,专营权在1999年8月31日届满,现已交还香港政府管理。

红隧九龙入口位于港铁红磡站旁,由于东铁线不能直接过海,不少乘客会在港铁红磡站下车,前往红隧收费广场的巴士站再转乘过海巴士,特别在早上上班时间,过海隧道巴士站经常挤满乘客,排队上车的人龙有时更长至连接港铁红磡站的天桥。为此,巴士公司由1991年6月19日起,开通在早上繁忙时间由红隧收费广场前往上环的301号线以疏导乘客。

虽然先后有东区海底隧道及西区海底隧道通车分流,但由于两隧收费高昂,且地理位置又不及红隧方便,故红隧堵塞的情况不但未有改善,而且日益恶化,尤其在周末及假日前夕,有时到凌晨仍可见到车龙。2005年,平均每日行车量达121700架次,相比其设计用量80000架次超出很多。因此,政府有需要加快研究兴建香港第四条过海隧道的可行性。

近年,香港运输署在香港海底隧道及其余两条海底隧道安装了行车时间监察系统,并在香港及九龙通往隧道的主要道路设置行车时间显示板,显示经三条隧道过海的预计行车时间,以方便驾驶人士选择使用最方便的海底隧道及行车路线。

4.厦门海底隧道

2009年11月5日,中国大陆第一条海底隧道——厦门翔安海底隧道历时4年多的建设,终于全线贯通。该隧道全长8.695千米,隧道最深在海平面下约70米,由我国自主设计、施工。设计使用寿命100年,抗腐蚀、抗渗水度均为最高等级,能抵抗8级地震。

厦门翔安海底隧道的贯通对于探索适合我国国情的海底隧道建造技术和类似工程的动工兴建,具有里程碑式的意义。

翔安隧道是国内第一条大断面海底隧道,也是厦门有史以来规模最大的一个交通基础设施工程。隧道起自厦门岛五通,接厦门岛内仙岳路和环岛公路,以海底钻爆法暗挖隧道方式穿越厦门东侧海域,止于翔安区西滨。工程全长8.695千米,其中海底隧道长约6.05千米,跨越海域约4.2千米,其规模与难度都堪称世界级海底隧道工程。从翔安海底隧道中开挖、弃运土石方约235万立方米,几乎可以将埃及大金字塔塞满。支护用锚杆、钢架、钢筋网、衬砌钢筋等钢材约5万吨,相当于7座巴黎埃菲尔铁塔。

翔安隧道工程解决了隧道建设的三大难题:

海底风化槽即风化的土层,含水就成了烂泥层。烂泥没有任何支撑物,施工风险大,翔安隧道需穿越4条这样的风化深槽,3条隧道共需穿越12次。翔安隧道施工采用了全断面帷幕注浆技术,即先向烂泥中注射快干水泥浆,待土层固化后再开挖,成功攻克这一世界性隧道难题。

富水透水沙层通俗地说就是海边的浅滩,与烂泥一样,支撑性也很差。施工人员先通过地下连续墙,将海水与施工区域阻隔,然后在阻隔地带打了近200多口井,进行“井点降水”,不但加强了土层的支撑性,而且也阻绝海水,使隧道顺利开挖。

全强风化地层翔安隧道两端陆域部分是在全强风化地层下挖隧道。全强风化土层,通俗讲就是泥土。泥土缺乏足够支撑力,塌方风险大。工程人员在主隧道将大断面分解成若干个小断面依序进行挖掘与支护,松软土层的压力得以分解。

海底管道

海底管道是海洋石油开发不可缺少的工程。海上油气田的油、气、水,当输送量达到一定程度时,采用海底管道输送是一种安全、经济、可靠的方式。投产以后,可以不受气候和天气的影响,连续不断地一直运行下去,是海上油气田的大动脉和生命线。当然,海里铺设管道,比在陆地铺设管道要复杂得多,费用也高得多,有投资高、风险大、效率高、技术复杂的特点。

实际使用的海底管道,是一个系统工程,包括铺在海底的管道部分、管道立管部分及附属构件部分。

按输送介质的不同,海底管道分为输油管道、输气管道、输水管道、油气混输管道和输送液化石油气、液化天然气,以及输送煤浆、矿物浆海底管道。

海底管道按其作用分为两类:一类是涉及海洋石油开发用海底管道,包括油田内平台间的管道,各油田间的管道和油田登陆管道。另一类是海上通往卸油终端的管道。终端有卸油码头或单点系泊转油站。

立管是海底管道系统一个重要组成部分,是海底管道与平台或其他生产设备之间的管路,其底部在海底的膨胀弯也属于立管的一部分。有的立管设在结构内部,受保护的条件好;有的设在结构外部,如导管架上设的立管,属外部立管,受环境荷载,如风浪、海冰的直接作用。在冰区的立管,需要特殊加强。现在,渤海通常采用的做法是在立管外加一层厚壁的抗冰护管。这是一种经济又简单的做法。

海底管道铺设好之后,要长期在海里运行工作,管道的内外表面腐蚀,将严重影响使用寿命和生产安全,而且管道维修工作是极其困难的。因此,做好管道防腐工作显得异常重要。通常,管道防腐采用表层涂层和阴极保护联合作用的办法。涂层时要确定涂料种类和涂层厚度。阴极保护有两种办法,一种是用牺牲阳极,一种是外加电流。目前使用牺牲阳极的较多。阴极保护要根据保护电位、保护面积及保护时间来确定阳极块的大小、分布和保护电流的大小。

1. 海底管道施工

施工分两个环节,一是陆上预制管段并组装,二是海上铺设安装。在预制场对钢管进行外形、精度、质量检验合格后,焊接成适合铺设的管段长度。同时,在陆地做好防腐处理。海上铺设一般有铺管船法、海底拖管法和浮运法。

海底铺设的管道,基本都要埋设,因为管道在海底长期经受波浪、海流的作用,容易产生冲刷、淘空,对管道强度、稳定产生不利影响,除此之外,航运、抛锚、渔业生产也容易对裸露的管道造成破坏。因此,管道埋入海底以下安全性能好。管道埋设分为先挖沟和后挖沟。管道未放入海里之前,按预定路线把沟挖好,然后把管放入沟内叫先挖沟施工。管道放入海里后顺着管道挖沟叫后挖沟施工。挖沟的方法有专用挖沟设备挖沟和高压水冲挖沟、挖泥船挖沟和爆破挖沟等多种方法。目前国内海底管道埋入海底多数是1.5米左右。管道放入沟里后还要把沟回填,有的回填沙石、土料,有的靠海洋动力作用自然回填。

2. 国内外现状及今后发展方向

我国海底管道建设起步较晚,这和海洋油气开发起步晚也有关系。1973年,首次在山东黄岛铺设三条输油管道,水深12米,输送胜利油田原油。1985年,在渤海埕北油田铺设了1.6千米输油管道。随后,在渤海北部用铺管船铺设了20多条输油和输气管道。在渤海南部胜利油田浅海铺设了50多条输油和注水管道。近几年,在广东惠州及茂名,在南海、东海都铺设了多条管道。

世界上出现海底管道最早是在20世纪50年代。那时,海上油田离岸较近,为了解决海上储油和运输问题,为了不受海上风浪的影响,人们想到用海底管道这一工程措施,以缩短油田与大陆间的距离,方便生产操作。从那时以后的时间内,在北海、墨西哥湾、马拉开波湖、波斯湾、库克湾等海域,都铺设了纵横交错的海底管道。而且铺设技术也得到很大提高。据1990~1995年的不完全统计,全世界已铺设21806千米管道,其中亚洲5579千米。据第十四届世界石油大会论文集报道,从北海通往比利时的海上天然气管道,直径1016毫米,沿途水深80米,两清管站间的距离为815千米,是世界之最。据报道,世界上最深的海底管道在墨西哥湾铺设,直径324毫米,水深达830米。目前,还在向更深的水域发展。

现在,海底管道建设在世界上正蓬勃发展着,在工艺技术、内力计算、环境条件、施工方式方法、检测手段、登陆问题、防腐方式、管道材料等方面不断涌现出新技术新方法,从而加速了海底管道的发展应用。

海底管道技术有现实意义的问题有以下方面:

目前输油海底管道都是双层管保温结构。作为保温护套采用的外管,约占总用钢量的2/3。因此,研究采用单层管,去掉外管,有实际意义,可节省大量钢材,也给施工带来很大方便。这里,研究保温防水新材料是关键问题。1999年6月,在胜利油用浅海区,试验铺设了一条长880米、直径150毫米单层输油管道,用在两座采油平台之间。

大口径(70厘米以上)海底管道的应用。现实中,有时大口径海底管道是经济合理的。但这种管道实施还不多,还有些技术难题需攻关研究。

海底管道检测方法及仪表的研究还应继续加强。这不但与本行业的技术有关,还与电子、机械行业有关,需协同研究。

到目前为止,我国还没有关于海底管道的国家规范,只是有等同采用的外国规范和行业规范。因此,应该既有符合国际通则又有结合中国实际情况的国家规范。