Budowa w Chinach najdłuższej na świecie drogowej przeprawy morskiej mostowo-tunelowej.
Wyrazem technicznych osiągnięć współczesnych Chin w dziedzinie inżynierii budowlanej są rekordowe w skali światowej liczne przedsięwzięcia, w tym: Zapora Trzech Przełomów na Jangcy, program odwrócenia wody z południa na północ, kolei dużych prędkości Pekin–Szanghaj, transmisja gazu naturalnego z zachodu na wschód oraz kolei Qinghai–Tybet. Do tych megaprzedsięwzięć dochodzi realizowana obecnie przez estuarium Rzeki Perłowej najdłuższa na świecie drogowa przeprawa morska mostowo–tunelowa Hongkong–Macao–Zhuhai (czyt. Czuhai) (mapa).
Mapa przeprawy mostowo-tunelowej przez deltę Rzeki Perłowej, łączącej Hongkong, Macao i Zhuhai, oraz układ komunikacyjny związany z przeprawą
Przeprawa połączy leżące wokół delty Rzeki Perłowej specjalne regiony administracyjne Chin: na wschodzie Hongkong, na zachodzie Macao i Zhuhai – znajdujący się w Chinach kontynentalnych, w Prowincji Guangdong, będącej południowym centrum ekonomicznym Chin. Estuarium Rzeki Perłowej przechodzi w Morze Południowochińskie. Po zbudowaniu przeprawy czas przejazdu z Hongkongu do Macao lub Zhuhai będzie skrócony z ponad trzech godzin do pół godziny.Propozycję zbudowania przeprawy wysunął w 1983 r. sir Gordon Wu, biznesmen z Hongkongu, wówczas administrowanego przez Brytyjczyków.
Aby zbudować przeprawę bez opóźnień, zdecydowano się na jej realizację w trybie „zaprojektuj i zbuduj”. Kontrakt na zbudowanie przeprawy został podpisany z konsorcjum prowadzonym przez China Communications Construction Co. Formalnie budowę rozpoczęto 15 grudnia 2009 r., a ma być zakończona w 2016 r.Przewiduje się, że jej koszt wyniesie 10,7 miliarda dolarów US.
Fot. 1 Hongkong, fot. © claudiozacc – Fotolia.com
Przeprawa będzie trasą ekspresową z dwiema jezdniami po trzy pasy ruchu. Będzie miała w planie kształt litery „Y” (wyprowadzonej z Hongkongu, rozwidlonej w kierunkach Macao i Zhuhai). Jej całkowita długość wyniesie prawie 50 km, z których 35 km zostanie zbudowanych w warunkach morskich. Całkowita długość konstrukcji mostowych wyniesie 38 km, a ich najdłuższego odcinka – 22,8 km. Przeprawa przekroczy cztery główne kanały nawigacyjne w delcie Rzeki Perłowej. Nad trzema zostaną zbudowane mosty o konstrukcji podwieszonej, pod czwartym – tunel zatapiany. Przęsła podwieszone będą miały rozpiętości od 280 do 460 m, a łączące je odcinki mostu belkowego – rozpiętości 75 i 110 m. Przęsła podwieszone umożliwią przepływanie pod przeprawą statków średniej wielkości, przęsła belkowe – małych jednostek pływających. Odcinek tunelowy dostosowano do żeglugi nad nim kontenerowców. Tunel będzie połączony z mostem na dwóch sztucznych wyspach. Długość tunelu z wyspami wyniesie 6,7 km.
Długość życia użytkowego przeprawy przyjęto na 120 lat. Jej obiekty będą wytrzymywały siłę tajfunów wiejących z prędkością przekraczającą 184 km/h, sztormów o sile 16o w skali Beauforta (185–201 km/h), trzęsień ziemi o sile 8o w skali Richtera i uderzenia statkiem o wyporności 300 000 dwt.
Prądy w estuarium Rzeki Perłowej wywołują nierównomierne osiadanie na jego dnie ilastych namułów rzecznych i morskich. Duże różnice miąższości osadów spowodowały, że głębokość wody w niektórych rejonach estuarium jest mniejsza niż 5 m, w innych – przekracza 20 m.
Fot. 2 Macao, © leungchopan – Fotolia.com
Tunel jest budowany pod dwoma głównymi, sąsiednimi kanałami nawigacyjnymi delty Rzeki Perłowej, które mają łączną szerokość 2810 m. Sztuczna wyspa, stanowiąca połączenie tunelu z mostem, ma długość 625 m, szerokość 160 m i powierzchnię 10 ha. Wyspy będą wykorzystane jako bazy zarządzania i utrzymania przeprawy, ratownictwa i turystyki oraz jako stanowiska kontroli granicznej między specjalnymi strefami ekonomicznymi Chin.
W ramach studiów wykonalności tunelu porównano rozwiązanie tunelu zatapianego z wierconym (metodą tarczową). Studia te obejmowały kilka aspektów, takich, jak: wpływy środowiskowe, ryzyko budowy, bezpieczeństwo użytkowania tunelu itp. Stwierdzono, że tunel wiercony musiałby mieć rekordową na świecie średnicę wewnętrzną 14,4 m. We wnioskach ze studiów zalecono tunel zatapiany.
Aby umożliwić dostęp kontenerowców o wyporności do 300 000 dwt do Hongkongu, tunel zaprojektowano na dużej głębokości – jego wierzch będzie 28 m poniżej poziomu wody w delcie. Wymaga to wybagrowania w jej dnie, wzdłuż trasy tunelu, ogromnego rowu o maksymalnej głębokości poniżej powierzchni wody w delcie około 40 m. W rowie są ustawiane i łączone prefabrykowane odcinki tunelu, a następnie zasypywane do poziomu naturalnego dna Delty.
Długość tunelu określono na podstawie specyficznych wymagań hydraulicznych, tak aby sztuczne wyspy nie zakłócały przepływów wody w estuarium. Dlatego przyjęto długość tunelu około 6 km, co czyni go najdłuższym na świecie tunelem zatapianym. Przekrój tunelu określono na podstawie wymagań użytkowych: koniecznej przestrzeni dla pojazdów oraz wyposażenia wentylacyjnego, elektrycznego i mechanicznego. Szerokość zewnętrzną tunelu przyjęto na 40 m, wysokość – 11,5 m, grubość ścian, płyty dolnej i stropowej – 1,5 m. Jest on budowany z 33 typowych odcinków. Każdy ma długość 180 m (33 x 180 m = 5940 m), masę 70 000 ton i zawiera 27 000 m3 betonu. Zatapiany odcinek tunelu jest składany z ośmiu prefabrykatów o długości 22,5 m (8 x 22,5 m =180 m).
Fot. 3 Młot wibracyjny „Octakong”
Ponieważ podłoże delty jest bardzo słabe, uznano za konieczne oparcie tunelu na kombinacji pali, ulepszonego gruntu i fundamentów bezpośrednich.
Sztuczne wyspy zaprojektowano otoczone grodzami z wbitych wibracyjnie rur stalowych o średnicy 22 m, wysokości 40,5 m i ciężarze 450 ton.Po wbiciu rury łączono z dwóch stron z sąsiednimi rurami „skrzydłami” – grodzicami stalowymi mającymi szerokość 11,3 m i wysokość 30,3 m. Roboty kafarowe trwały ogółem 14 miesięcy. Rury i przestrzenie pomiędzy nimi i skrzydłami wypełniono piaskiem, uzyskując ściany otaczające wyspy. Oceniono, że gdyby budowano grodzę metodą tradycyjną, trwałoby to około trzech lat. Wtedy trzeba by wykonać wzdłuż obwodów wysp komory cylindryczne z wbijanych stalowych grodzic i każdą komorę połączyć dwustronnie grodzi-cami z następną, aż do zbudowania grodzy wokół wyspy.
Grodza z wielkich, stalowych rur wbitych potężnym młotem wibracyjnym jest pomysłem holenderskiej firmy Allnamics Pile Testing Experts. Firma ta opracowała także projekt młota dostosowanego do warunków budowy grodzy w delcie Rzeki Perłowej. Młot wyprodukowano w USA. Nazwano go „Octakong” (fot. 3). W delcie po raz pierwszy na świecie zastosowano tę nową technologię. Młot zawiera osiem zsynchronizowanych, napędzanych hydraulicznie, głowic wibracyjnych, w każdej głowicy jest sześć, parami przeciwbieżnych, mas mimośrodowych (wibratorów), głowicę napędza silnik Diesla o mocy 1200 KM (łączny napęd młota 9600 KM). Młot działa z częstotliwością 23,3 Hz, amplituda drgań wynosi 25 mm, wywiera siłę zagłębiającą rurę 4000 ton, ma masę 502 ton. Bardzo korzystny efekt uzyskano, wykonując wiertłem lu-fowym w górnych płytach głowic wibracyjnych otwory dla przepływu cieczy napędzającej wibratory. Skrócono przez to elastyczne przewody głowicy, co zwiększyło ich trwałości (wskutek drgań są narażone na częste uszkodzenia). Rozwiązanie okazało się bardzo udane – nie stracono ani jednego dnia roboczego na naprawy młota.
Rury stalowe o średnicy 22 m zaczęto wbijać na początku 2010 r., zakończono 30 listopada 2011 r. Rury są największe z dotychczas wbitych na świecie.Przewiduje się, że opracowany sprzęt i innowacyjna technologia wbijania będą wykorzystywane w budowie grodzy innych obiektów inżynierskich oraz otworzą nowe możliwości rekultywacji lądu, budowy falochronów morskich i farm wiatrowych w morzu.
Tunel i sztuczne wyspy są uważane za najtrudniejszą część budowy przeprawy,gdyż oprócz tego, że znajdują się w skomplikowanym środowisku morskim, wymagały m.in:
– przemieszczenia dużych objętości piasku w morzu w celu wykonania sztucznych wysp, podwodnego rowu dla tunelu i jego zasypania,
– ulepszenia podłoża tunelu w dnie estuarium,
– wykonania bez rys skurczowych elementów betonowych tunelu o bardzo dużej objętości,
– sterowania zatapianiem ogromnych elementów tunelu, synchronizacji ich ustawiania w wykopie w dnie estuarium i szczelnego połączenia,
– wbicia stalowych rur o ogromnych średnicach,
– zbudowania w warunkach morskich, na miękko-plastycznym ile, sztucznych wysp,
– zbudowania przejść tunel–most oraz
– stosowania środków łagodzących wpływ budowy przeprawy na wrażliwe środowisko naturalne.
Fot. 4 Zhuhai (fot. Wikipedia)
Aby rozwiązać te problemy, opracowano wiele innowacyjnych systemów, technik i specjalistycznego sprzętu.
Jednym z największych wyzwań było wbijanie rur stalowych o średnicy 22 m i długości do 40,5 m w skomplikowanych warunkach gruntowych rejonu wyspy wschodniej(od strony Hongkongu). Przy wbijaniu rury o ogromnej średnicy warunki gruntowe z jednej jej strony mogą bardzo różnić się od warunków z drugiej strony. Niektóre rury były wbijane jedną stroną w grunt charakteryzowany SPT N > 47, natomiast drugą tylko N = 15. Ponadto gdy warstwy gruntu nie są poziome (co nie stwarza problemów przy wbijaniu pala o małym przekroju), przy wbijaniu rury o superwielkiej średnicy jedna strona rury bywa już zagłębiona kilka metrów w jakąś warstwę, zanim osiągnie ją druga strona rury. To ogromnie utrudnia pionowe wbijanie rury.
Budowa grodzy obu sztucznych wysp wymagała wbicia ogółem 134 rur o średnicy 22 m i 268 łączących je skrzydeł o szerokości 11,3 m. Po wypełnieniu piaskiem rur oraz przestrzeni pomiędzy nimi i skrzydłami zasypano piaskiem korpusy wysp otoczone grodzami.
Główny most przeprawy w estuarium Rzeki Perłowej został zlokalizowany w rejonie ochrony chińskiego białego delfina. Aby chronić delfiny, stosowano środki minimalizujące hałas oraz zanieczyszczenia wody i powietrza.Unikano spiętrzeń robót w okresach rozmnażania delfinów. Wokół obszarów robót palowych i pogłębiarskich stosowano strefy wyłączenia: wprowadzono ograniczenia dla roboczych jednostek pływających zmniejszające ich uciążliwość dla delfinów. Aby w czasie pogłębiania dna estuarium i zwałki urobku zminimalizować pogorszenie jakości wody, stosowano kurtyny pyłowe i technikę zamkniętych chwytaków, unikano wbijania udarowego i stosowano kurtyny „bąbelkowe” (uzyskiwane przez wtłaczanie sprężonego powietrza w perforowane rury ułożone na dnie estuarium), które chronią system sonaru nawigacyjnego delfinów przed zakłóceniami akustycznymi. Ponadto gdy w strefie robót znajdowały się delfiny, roboty były zatrzymywane do czasu ich odpłynięcia.
Zob. też:
http://www.roadtraffic-technology.com/projects/hk-zhuhai-macau/
http://www.apevibro.com/wordpress/2011/03/01/octakong-and-the-hong-kong-zhuhai-macau-bridge/
prof. inż. Andrzej Jarominiak
