港珠澳大桥之所以需要建造一条海底隧道，不仅因为伶仃洋通航繁忙，还由于海底隧道不会对环境产生影响。这条只有六公里的隧道使用了曾经较为罕见的“沉管法”，每一段隧道相当于两个泰塔尼克号的重量，花费了三年多的时间才将33个隧道段全部装入海底。这条海底隧道有什么特别之处？在建设过程中又面临了哪些难题？应该如何解决？
出品：格致论道讲坛
以下内容为港珠澳大桥岛隧工程高级工程师林巍演讲实录：
大家好，非常荣幸能和大家交流，今天我讲一讲建设港珠澳大桥背后的故事和体会。
首先带大家游览一下这个55公里的海景公路。我们从珠海出发，一路向东，在海面上行驶20公里，两边都是茫茫大海。然后我们来到一个很小的岛上，从岛的中心潜入海底，在水下50米，向前走6公里，从另外一头出来，再往前一点就看到香港的大屿山。
视频展示的是港珠澳大桥海中的主体工程，即下图的红色虚线部分，广州在地图的最上面。
我们经常讲到“粤港澳大湾区”，什么是湾区？湾区是一群或者一个被水体阻碍的城市。一个没有通道的湾区，就像一座没有电梯的高楼大厦。
自2018年10月份港珠澳大桥开始通车，如果大家要从珠海或澳门去香港，只要购买穿梭巴士票，花费半小时就可以走完这段路，而以前的路面交通需要花4小时左右的时间。
为什么要建海底隧道下图中黄色虚线部分表示，桥梁的中间有一段到海中间消失了，潜入到了海底，往前一段又露出了海面，中间隐藏的这一段就是海底隧道。问题来了，为什么要建造一条海底隧道？
主要有三个原因：第一，伶仃洋通航非常繁忙，这段正好是通航主航道，往来船舶多，体积大，建桥可能会阻碍船的通行。
第二，这个区域上方正好是香港机场的飞机起落区域，如果造桥，桥塔高度可达两、三百米，会影响飞机起落。
第三是环境问题。如果我们把大桥沿着长度方向从侧面剖开，就会发现，桥墩是在海水里的，每天潮水涨落时，桥墩会影响海水的交换，同时没入水中的人工岛也会带来这个影响。因为海底隧道在海床面之下，所以只有海底隧道不会产生影响。
十年前，我刚接触这座大桥的工作时，我们设计人员收到了一个10%的指标。在上图中桥梁的桥墩占用海水的面积，加上人工岛占用的海水面积，除以没有建造港珠澳大桥时的蓝色海水的总面积，不能大于10%，这样对生态的影响就会降到可以接受的程度。
这条隧道有什么不同这条长度仅6公里的隧道有什么特别？大家可能走过很多的隧道，认为所有的隧道基本上都是一样的，这么想没有错。
对于工程师来说，这条隧道的建设曾经是非常小众的，为什么？因为它是用一种较罕见的方法来建造的，叫“沉管法”。以下视频展示了海底隧道的建设过程。
我们把这条6公里长的隧道分成33段，在珠海的周边找一个小岛，在小岛的陆地上将隧道一段一段地造好。造好之后，再将每段运到港珠澳大桥的轴线上去，放到海底，第一段安装好后，第二段和第一段首尾相接，反复这样一个过程。
每一段隧道重多少？大概是76000吨，大家可能对数字不敏感，76000吨是什么概念？大概是2个泰坦尼克号的重量。这么重的东西没有任何设备能够搬运得动，怎么把它从海岛搬到大桥现场安装的地方？
作为工程师，我们借用了大自然的力量，用了一个简单原理——阿基米德原理。首先借用水的浮力让隧道段起浮，就有办法移动它了。
下图是两个已经做好的预制段，这个隧道由33段组成，这是其中的2个。我的设计工作是确保它浮得起来，而且不是随便浮起来，要怎么浮起来？要像我们在游泳池吸一口气的状态一样，刚刚好能浮起来一点的状态。
要达到这个状态，就要让这个76000吨的隧道预制段的重量基本等于它的浮力。浮力是什么？浮力是隧道段排除水的重量，浮力的计算道理很简单，我们初中时都学过阿基米德原理。
但是要使隧道段达到刚好浮起的状态需要考虑很多变量，如海水的密度。海水的密度和气温、海水里面的含沙量以及盐度有关系，这些又随季度变化而变化，我的计算要确保这33段每一段都能够浮起来，而且是刚刚好浮起来。
2013年5月，当第一段隧道在坞内灌水要浮起来时，我有些紧张，虽然觉得我的计算应该没错，但是那么大的东西到底能不能浮起来？值得欣慰的是，它确实浮起来了，而且是刚刚好浮起来一点点。
隧道段浮起来以后该怎么办？我们利用水的推力把隧道运输到工程现场，这么大的隧道是没有办法用人力来实现的。我们利用珠江口的涨潮带来的力，让隧道顺流漂下去，漂到隧道的地址，再进行后面的工作。
接下来就是往这个空心的隧道里面灌水，让它下沉，一段一段完成安装。这个过程花了多久？一共花了3年的时间，从2013年一直到2017年3月份。
为什么花这么长的时间？一方面是这个隧道的体量很大，隧道共六车道，三车道到香港，三车道到珠海、澳门。我们总共要浇筑大概100万方米混凝土，制造需要时间。
另一方面，我们安装隧道不是想装就装，而是要看天的脸色。在一年之中我们只能选择一些特定的月份才能出海，在特定的月份中我们又只能选择特定的几天，在大海最温和的时候才能做安装工作。
综上两个原因，我们一共花了3年多时间来把这33个隧道段全部装到海底。
最后的难题装到海底之后，这个隧道是不是就建设完成了？大家发挥一下想象力，每一段就像一个箱子，放一个，再放第二个，第二个箱子和第一个箱子首尾连接，第三个再和第二个首尾连接。
连接到最后会怎么样？一定会有一个缺口，工程师通常称它为“最终接头”。它的安装与之前的33个隧道段不同，之前都是单面对接，这个缺口是双面对接，而且是在水下完成。
最终接头的工作，是沉管法自发明至今始终都没很好解决的一个难题。以往最常见的做法是什么？就是派一群潜水员到水下去，潜水员在水下像工人一样辅助架立模板，把这个最后的缺口包起来，形成一个水密的空间，然后从里面抽水，水抽光后，再进入隧道里面浇筑混凝土。
但是，这种传统的做法，在伶仃洋的环境下不易实现。一是这里最终接头的水深大概是30米；二是这个地方的洋流复杂；三是海上交通很忙，如果我们用这种传统的方法，需要花大概6个月多的时间，才能够完成最后一小段的施工，给工程安全带来很大隐患。
所以，在这种背景下，我们开发了一种全新的方法来进行最后一段的施工，我把它叫做“折叠沉管”。我们把它做成一个整体，一次性放下去，这个结构就像雨伞一样，它可以沿着自己的两边纵向伸展开来，并与两边的隧道连接，这样整个港珠澳大桥就实现了贯通。
采用这种方法，我们把传统方法所需半年的海上作业时间缩短到了1天（理论上只需1天，实际因二次对接用了3天），不但保障了施工安全，也给隧道的永久质量带来了更大的保障。
创新意味着向未知迈进，当我们用一种新的方法来做一件事情的时候，我们就会遇到很多的挑战和问题。
我们工程师做一件事情只有一次机会，我们要不然就做成，要不然就失败。如果我们要用一种新的方法，必须要有很强的预见性，用我们的说法就是需要辨识风险。
最终接头部分的重量大概是6100吨，被一个起重船吊起来，再放到水里去，这一个步骤我们就辨识出了200多个风险点。
然后一个一个的确认是否有问题，如果有问题，我们就要优化方案直到没问题，没有问题我们也要确认确实没问题，全部确认了之后我们才能够施工。
我跟大家讲起重的这一段，也涉及到我的另一个工作，当把最后的这一块放到两边的已装好的隧道缝隙里的时候，问题来了，在这个动态的海洋环境下，最终接头会不会与两边的隧道相撞？
发现这个问题以后，我们去请教了很多科研单位和大学，但是，由于这个问题实在是太新，而且时间紧，一时间我们没有得到反馈。
作为这部分设计的主要负责人，我也一直在思考怎么样去论证这个问题，我去图书馆查了不少资料。
直到有一天，我找到一个非常古老的公式，伽利略提出来的“单摆公式”，伽利略坐在教堂里，看着教堂的灯可能是被风吹地在摆动，于是他就提出了单摆公式。
受到这个公式的启发，我和其他设计师结合海洋预报预测做了分析，我们做了一个计划，认为放下去的时候，即便是有海浪拍打，也一定不会撞。
这是什么道理？我跟大家通俗地解释，最终接头和它上面的锁链在一块，是个大摆体，我们把它想象成我们的大腿，相对于我们跑步或站着不动的时候，我们平时走路的时候会感觉更舒服。
为什么？因为我们的腿是有自己的节拍的，当我们走路的时候，我们的步频正好是和腿的节拍合拍，所以我们才会觉得走路舒服。这个最终接头的节拍是多少？我计算出来大概是200秒摆动一次，即200秒“走一步”。
而海浪的一个节拍是4到5秒，用一个4到5秒的节拍去拍一个200秒节拍的东西，不会产生共鸣，所以最终接头的摆动幅度是微小的，我们证明了不会相撞。
实际施工的时候，我们在这个最终接头里面放了两个仪器，仪器大概是类似放在导弹里的精密加速度仪，接头的运动被测量出来了，和我们的计算是比较吻合的，确实没有撞。
像前面所讲的问题在我们项目上有千千万万，我们的设计总负责人，他每周要工作70多个小时，审阅上万份的图纸，要确保设计的每个环节不出错误。
下面这位，他被称为“大国工匠”，他的工作就是拧螺丝，拧的上万颗螺丝，没有一颗出过问题，不给工程留任何隐患，也确保我们工程达到最高质量。我们还有4600多名像他这样的建设者，每个人都是把自己的工作做到极致。
对于沉管隧道这样小众的工程方法，有这样一个说法：“沉管隧道是什么？是充分借用大自然水之力的一种工程方法，借用水的浮力运输，借用水的重力下沉，借用水的推力连接。”
但是，水能载舟，亦能覆舟。我们说的这个方法，曾经是风险很大的，这就是为什么我们国家的桥梁可能是数以万计的，但是全世界的沉管隧道加起来也就两三百条。高风险是沉管隧道数量少的原因之一。
在港珠澳大桥的岛隧工程中，有这样一群人，每个人都把自己的工作做到极致，所以这个工程被称为四千多人集体走钢丝的工程。在工作中，我们建立了一个文化，叫“每一次都是第一次”。
我们做的每一件工作，都当作是我们做的第一件工作来做。我们不是去追寻着前人的方法来做——因为前人这么做，所以我们可以这么做，不是这样的，而是从本质上来思考这个问题。需求是什么？我们要达到什么样的境界？我们怎么样能做的更好？如何通过新方法去把它做的更好？
每一个人都这样去思考，再复杂的问题也能简化成一个个小问题。这些小问题通过我们集体中的每个人贡献的一点点力量，也都会迎刃而解。我们相信，只要我们每个人能够把每件平凡的事做好，最后就会成就一个不平凡的结果。
面向未来现在隧道已经通车，也得到了世界的认可，在国际上也获得了一些奖项，而且推进了沉管隧道这个行业的进步，沉管法变得不那么小众了。我们这群人接下来做什么？
伶仃洋在十几年前可能还被认为是不可能被跨越的一片海域，现在已经被港珠澳大桥征服了。但是，在我们国家以及国外的很多地方，还存在着更深、更宽的峡湾，至今都没有办法去跨越，即便是用我们工程师最先进的工程技术也无法跨越，这些地方我们以后该怎么去跨越？
有一个办法，就是建造“悬浮隧道”。为什么？我们从桥梁讲起，桥梁之所以能屹立不倒，是因为桥梁利用它自身的材料来承载。
设想一下，如果我们把桥梁反过来，或者说我们把桥梁安装到水底下去，借用水的浮力让桥梁承载，这样我们就会获得一个经济、可持续性、并可以跨越更广阔水域的一个通道方案。
悬浮隧道和沉管隧道有些像，但是至今为止，没有任何一个国家的工程师能够建造它。
19世纪时候英国建设了人类历史上第一条水底隧道，20世纪美国工程师建设了第一条沉管隧道。现在是21世纪，希望经由我们的努力，能由中国工程师来建造人类历史上第一条悬浮隧道，谢谢大家。
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