港珠澳跨海大橋正在建設之中，它被認為是中國最重要的基礎設施工程項目，無論是技術還是政治意義都很重大。這座大橋將是連接內地和香港、澳門之間的第一座跨海大橋，始建于2009年12月，力爭在2016年完成。
港珠澳大橋開通后，機動車將從香港西南部的香港口岸人工島開始，通過12公里的連接線，穿越粵港分界線后，經東人工島的過渡，進入一段目前世界最長、雙向六車道的海底沉管隧道，水下穿行近6.7公里，隨后經西人工島進入23公里長的大橋，到達珠澳口岸人工島，然后分流到澳門或珠海。
大橋工程全部投資約為1100億元人民幣，是目前世界跨海大橋投資最大的工程。在2014年ENR（Engineering News Reports）全球承包商250強名單中，位列第四的中國交通建設股份有限公司為該項工程的主要承包商。 中國工程建設者們正在這片海域創建一項橫跨珠江三角洲的世紀工程——港珠澳大橋，它美麗的弧線將成為最受矚目和最上鏡的亮麗地標。
資料缺乏，工程領域相對陌生
港珠澳大橋工程中最具挑戰性的是沉管隧道工程。沉管隧道建設已有近100年的歷史，但是在本世紀之前，沉管隧道大多用于下水道、管線線路的鋪設，或者是跨江跨河的短距離施工。直到本世紀初，沉管隧道掀開了跨海隧道建設的新篇章。根據國際隧道協會1993年的報告，沉管隧道被定義為：是由若干預制沉管在水下對接沉放安裝，并使這些沉管的組合體成為連接兩端陸上交通的隧道。
世界第一座跨海沉管隧道建于1958年的古巴哈瓦那沉管隧道；之后有連接歐亞兩大洲的博斯普魯斯（Bosporus）海峽隧道，隧道底部最大水深約60米，是目前世界上最深的海底沉管隧道，其后是于2010年竣工的韓國釜山-巨濟海底隧道。
中國工程師們建設了世界上最多的大橋。根據維基百科統計，全球長度超過3000米的大橋共有938座，其中689個建在中國，占總數的73%；不僅如此，世界十個最長跨海大橋中的六座在中國，包括全長41.58公里的青島海灣大橋以及全長35.673公里的杭州灣大橋等。
中國工程師們雖然有建設跨江隧道的歷史，但直到2010年之前，他們對海底沉管隧道非常陌生，他們甚至只是在電視或者專業期刊上見到過海底沉管隧道建造的視頻與照片。中交港珠澳大橋島隧工程項目副總經理尹海卿說，“國外的施工乃至詳細的資料根本拿不到，我們僅在一本叫《隧道》（Journal of the tunnel）的期刊上看到過一篇介紹沉管制作的文章和照片，這就是我們認識海底隧道沉管的最初信息”。顯然，中國工程師們雖建造了世界最多的橋梁或者跨海大橋，但是他們沒有在開放海域建造深埋式沉管隧道的經驗。
穆勒（Casper Paludan-Müller）是丹麥科威公司（COWI）資深項目經理，他參與過丹麥與瑞典之間的厄勒海峽（Oresund Strait）沉管隧道和韓國釜山—巨濟的沉管隧道工程，該公司是港珠澳大橋島隧項目綜合橋隧連線的初步設計合作伙伴之一。談到港珠澳隧道工程非凡特征時穆勒說：“在珠江三角洲建造長達5.6公里、開挖基槽深達30多米的世界最長基槽最深的隧道，是前所未有的，工程難度直逼技術極限，這是一項破世界紀錄的工程。”
何謂世界級難題？
“工程難度直逼技術極限”何以見得？首先，港珠澳海底隧道有33個長180米、寬38米的巨型沉管，它們要被一節節地準確沉入海底近50米深已經挖好的基槽中。每一節沉管有8萬噸。8萬噸意味著什么？世界最大的美國“尼米茲”核動力航母滿載排水量為9.1萬噸，中國“遼寧”號航母滿載重量6.75萬噸，就是說，港珠澳大橋的海底隧道相當于放入33個航母重量的沉管。
穆勒告知：5.6公里的港珠澳海底隧道長度超過丹麥和瑞典之間的厄勒海峽沉管隧道段長度的60%，這條海底隧道只有3.51公里，是迄今海底隧道長度的紀錄保持者；而韓國釜山—巨濟隧道的長度只有3.24公里。
花田幸生（Hanada Yukio）是世界頂級隧道施工專家，他有35年隧道工程經驗，參與過厄勒海峽、博斯普魯斯以及釜山海底隧道的施工。他目前身份是港珠澳大橋島隧工程的技術顧問。
當談到港珠澳海底隧道與上述隧道的不同及困難所在時，花田說：“首先，隧道距離非常長，說明沉管數量多，如果時間允許安裝沒有問題，但是工程必須要在短期內完成。第二，這是中國建設的第一個沉管隧道，施工海域是世界上最繁忙的航道，每天有4000多艘通航船舶，所以設計管頂距離海面達29米，施工水深將近50米，而韓國釜山隧道也只有48米，水這么深，是非常困難的。”
港珠澳大橋是由粵、港、澳三地政府共同建設，工程受到香港、澳門以及廣東省政府的三方監管，而三方提出的施工質量標準不同。中交港珠澳大橋島隧工程項目副總經理羅冬介紹，香港遵循的是英國標準，澳門使用的是歐洲標準，我們執行的是中國標準，所以在大橋設計時我們遵循了“就高不就低”的最高標準。“英標建筑物使用壽命是120年以上，中國標準是100年，所以我們按照120年要求組織設計施工；高性能混凝土預制控裂的規范，歐洲標準是最高的，我們選擇了歐洲標準。而大型海底隧道，車道適型標準中國規范最高，我們選擇了中國標準，采用雙向六車道。”
當港珠澳大橋從一開始被稱為一項破紀錄的“世紀工程”的那天，就意味著實現工程鏈條的每個環節都將迎來挑戰，突破技術極限的未知在鏈條的每一環靜靜地等待著與工程師們的會面。
對氣象和水文條件要求嚴苛
長距離海底隧道位于大橋建設難度譜系的最上端，工程師們必須要對工程中不斷出現的一個又一個問題做出響應，他們幾乎在用全部的時間在尋找不同問題的解決方案，并為這些奔忙：穿梭在專業的研究所或者實驗室中，深化對操作對象的理解；調查失敗的原因、尋找更為完善的對策；通宵達旦地反復思考與探討，對關鍵的問題進行反復審慎的研究，聚集所能見到的方法、苦思冥想可能存在的訣竅和整合全球最好的施工設備，可行性研究、制訂實驗計劃、檢測結果、專家認證、投入施工。這就是工程師們的基本工作內容。當解決問題的知識邊界超越了土木工程范疇時，他們必須尋求多學科的專家以及調動多種科學手段共同尋求答案。
2014年8月18日傍晚，記者站在被前后八艘大馬力拖輪簇擁著的沉管上，這是港珠澳大橋33節沉管中的第十二節（E12），這個180米的標準沉管靜靜地浮在水面。在沉管的背后就是沉管預制廠所在的牛頭島，沉管與伶仃洋海面只有塢門相隔。此前，在“津安2號”、“津安3號”沉管安裝船組的提帶下，E12從深塢移出。依靠拖輪和錨纜把管節拖運到指定海域，向下沉放并實現與早前安裝好的E11對接。
沉管浮運和沉放是港珠澳大橋建設的核心環節，而浮運最大的限制因素是氣象和海流：它對所在海域氣象、海浪、海潮有苛刻的要求。據國家海洋環境預報中心總工程師王彰貴介紹，8萬噸沉管本身產生巨大的阻力，而10公分/每秒米的流水將對沉管產生很大的反作用力，浮運拖航掌控困難。必須在合適的天氣、海洋潮汐與海浪、海流的條件下才能施工，也就是要找到滿足兩個因素疊加形成的作業保障窗口期。而一個月僅有兩個短暫的“窗口期”。
國家海洋環境預報中心接受了中交港珠澳大橋島隧項目部的請求，承擔對接窗口保障系統的研制任務，他們要研發的這套系統發揮的作用與丹麥水利研究院（DHI）的系統毫無二致。在王彰貴看來，價格不是關鍵問題，他懷疑的是DHI做港珠澳沉管對接窗口保障的能力。“首先，數值預報包括海流、天氣和海浪三個系統，即便做了數值預報，實際上距離工程需要的精度還有一段距離。另外，做工程保障一定要熟悉氣象、水文條件，而DHI缺少施工海域歷史資料，即便出高價也不會賣給他們”，他說。
國家海洋環境預報中心承擔過“雪龍號”被困南極和“蛟龍號”下潛的保障工作。王彰貴說：為“雪龍號”和“蛟龍號”做保障比港珠澳大橋項目要容易得多，蛟龍號從3000-7000米的三次下潛都在一天內完成，只要考慮表面的氣壓條件就行了。承擔這么大工程的對接窗口保障我們也是第一次。
王彰貴介紹說，從“七五”計劃到“十二五”規劃，國家對海洋預報支持力度很大，每年有3000萬科技項目支撐。另外，每年還有4000萬元的重大行業專項項目，目前氣象與海洋預報使用的計算機是千萬億次級的，中國精細化氣象與海洋環境預報已經達到世界領先水平。
關乎死亡區域的誤差
1998年，日本投資博斯普魯斯跨海隧道工程，日本大成建設株式會社（Taisei）控制了設計施工團隊的75%，他們花費了兩年時間搭建了對黑海、土耳其和博斯普魯斯氣候系統的模型，并將此與隧道水流運動結合進行計算，實現對每個沉管安裝點水流活動的預測，準確率超過90%。而中國海洋環境預報中心為港珠澳大橋島隧項目對接窗口保障系統的預報精準度目標是100%。
“對一般預報而言，準確率達到70-80%就比較好了，有20-30%的誤差屬正常。但對港珠澳大橋島隧工程的保障，這個誤差值將是工程的死亡區域。我們的預報精確率必須要做到百分之百”，王彰貴說。而對林鳴來講，浪高增加0.1米或者水流流速每秒增加0.1-0.3公分都是關乎成敗的臨界點。
記者問林鳴：擔任現場總指揮感覺如何？他回答：像走鋼絲。“高空走鋼絲每一步都必須如第一步一樣謹慎，任何一步的失誤都會前功盡棄，導致毀滅性后果。而一旦走上去中途就沒有退路。安裝沉管也是如此，每一節沉管都不能出錯，每時每刻都是如履薄冰、如臨深淵。”
2013年5月6日，港珠澳大橋島隧工程計劃沉放海底隧道第一個沉管。林鳴拿到海浪預報數據：浪高0.9米，超過施工限值。他們在沉管出塢浮運安裝的決策上遲疑：造價昂貴的8萬噸沉管一旦出塢意味著沒有退路。而錯過窗口期，遇到大風浪產生的扭力轉向，會使混凝土沉管構件受到破壞，將導致整根沉管的報廢。
這是一次在信息對沖條件下的艱難決策：一個月兩次的窗口期為工程按時完工的硬約束；借鑒國外海底隧道沉管沉放水流及浪高的指標為參考值；考慮海浪預報有0.2米誤差允許值的范圍，林鳴果斷下決心，按照原計劃沉放。工程決策小組中的五個人，在《沉管出塢浮運安裝確認書》上簽下了自己的名字。第一節沉管的沉放順利完成。
之后，國家海洋環境預報中心為超越0.2米的預報誤差值進行了技術攻關，專門成立了保障團隊，請回已經退休的權威專家，收集風云衛星基礎數據和現場觀測數據，使用60萬億次計算機運算；每次預報前進行會商，校驗測量值與真實值之間的差異，最終解決了0.2米臨界值誤差的問題，創造了零誤差預報的奇跡。
“直逼技術極限”的挑戰
在東、西人工島之間的6.7公里，除人工島上建設的對接部分，隧道沉管長度達到5664米，從E9-E27作業水深為45-50米，基槽深度約為35-40米。2014年3月24日E10沉放，它將與早前的E9連接，在E9及之前的沉管屬于淺埋安裝。E10沉管水深43.5米，世界范圍內尚無深水深槽沉管施工經驗參考。
當項目進入未知領域，“直逼技術極限”的挑戰終于來了。沉管工程核心問題是密封不透水。在沉管接頭處有雙重防水裝置Omega密封和Gina止水帶，這是370毫米高的橡膠襯墊，與前一節沉管對接時，襯墊會被擠壓至190毫米。一個標準的沉管寬38米，對接精度的準確與否，直接關系到沉管水密的質量。當一個相當于航母重量的混凝土沉管沉放到50米深的海底基槽中后，如何與前一個沉管的止水帶精確對接，挑戰不言而喻。
有多少人看見過項目總經理是如何解決一個個具體問題的？自然科學對壓力有多項描述，包括氣體與液體對固體的壓力用“公斤”或“兆帕”反映恒定壓力的大小，而外部事物對人的壓力迄今為止沒有計量單位意義上的表達。擔任超巨型工程的最高決策者，他的神經元或者神經細胞所受到的外界作用力是多少，尚沒有科學的描述。因為他們的壓力對外行來說是完全不可見的。但是當你深入觀察時，這種壓力轉化為創造的過程，偶爾還是可見的。
E10沉放后工程師們發現：海底溝槽內洋流的變異帶來巨大的沖力，這意味著沉管的安裝操控更難掌控。林鳴和他的團隊要找到巨大沖力來自哪里。
劉曉東說：“E10之前沒有遇到過這種現象，我們一直在尋找原因。按照基本理論，水流原本應該是上層流速大，越往下流速越小，特別是深槽內還會有衰減才對。后來經過對水流數據的分析和進一步的觀測，我們發現了在某段時間槽底存在大流速的現象。”
“海中的眼睛”化解危機
如果工程是解決問題的，那工程中的每一個異象都會顯現出一系列問題，問題往往是以突變的方式到來。如何解決就是在創造一種解決方案，而工程中的任何一種新的解決方案產生后，如果也能被適用到其他工程，它就成了案例或者標準，也就成為一項技術。所謂新技術就是這樣被創造出來的。
7月2日，林鳴來到北京。在國家海洋環境預報中心，他希望海洋預報專家幫助分析產生的原因。林鳴很焦急，他希望找到答案以保證E11的順利沉放。
“這種現象叫海洋內波（Internal Wave），作為重要的海洋環境動力因子，是我們重點研究的領域”，王彰貴說。“當海水上下兩層因鹽度不一致的時候，并形成上面密度高，下面密度低的分層現象。首先，上層密度高處浮力比較大，而下層密度小的區域浮力也會變小，當船行駛至密度小的區域時浮力突然變小，船會向下沉，就像到懸崖一樣，這種海流現象叫內波。另外，內波會形成兩支流向正相反的內波流，這種內波產生的陣發性強流可高達1.5米/秒，猶如剪刀一般，破壞力極大。”
根據《解放軍報》的報道，今年春節期間，372潛艇在執行巡邏任務時駛進深海密度躍變層后，由于海水密度突然變小，壓力驟然變化，潛艇快速墜向3000多米深的海底“懸崖”。危急關頭，王紅理艇長指揮若定，精確完成一項項操作，3小時后潛艇恢復潛航能力。為此，中央軍委給王紅理、海軍給372潛艇記一等功。王彰貴說：“這類負密度梯度躍變層在淺海主要出現在北部近海，即粵東、粵西近海和瓊州海峽附近很小的海域，港珠澳項目遇到流速加快的現象，和內波有點類似。”
國家海洋環境預報中心保障項目組迅速調整人力物力，在沉管施工區域做深槽觀測研究，放置了多種海洋調查儀器，監測海流、波浪及鹽度變化的規律，目的是收集施工區的水文信息，提高沉管施工臨近期預報的準確率。同時提高了精細化預報水平，海面到施工海底每一米的海水流速，從原來每兩個小時的預報和實時監測，提升為一分鐘、五分鐘的預報。這個被稱之為“小窗口”的預報系統猶如一雙“海中的眼睛”，成功地避開了內波發生時段作業。
“在安裝E11時我們第一次嘗試這個系統，到了安裝E12的時候，系統逐步在完善。可以說，這個系統目前已經成熟。”劉曉東說。國家海洋環境預報中心研制的“大窗口”與“小窗口”保障系統的軟件，在總指揮林鳴眼中其市場價值巨大。
另一個支柱
就在同一天，林鳴拜訪了另一個機構——中國航空工業集團第304研究所，他希望得到沉管沉放“萬無一失保障系統”的另一個重要支撐。“我們已經進入深海作業，深水深槽內水流條件復雜，纜繩長度增加，剛度減少，沉管質量大、負浮力小，在水流作用下可能產生的運動會給沉管安裝帶來風險。有必要在沉管沉放過程中，對沉管運動姿態進行監測，你們能幫助我們監測沉管的姿態嗎？如果能，才能保證我們每個月的安裝”，林鳴詢問。
“沒有什么不能！” 304所副所長周自力說。“我們所是一個誕生于抗美援朝戰火中的致力于自主研發和用準確數據保障國防技術發展的基礎性研究機構，從事的計量測試技術領域研究，參與過各種國防重大項目，如神舟系列飛船、三代坦克、四代飛機、C919大飛機等，提供了準確的數據，保障了各項目的成功。我們一定要利用我所自主創新和動態測試的技術優勢，為保障沉管安裝成功對接進行技術攻關，為港珠澳大橋的建設盡微薄之力。”
據承擔這項任務的負責人邵新慧介紹，中國交通建設股份有限公司下屬的中交天津港灣工程研究院在5月份就與他們接洽，希望能夠提供“運動姿態跟蹤監測系統”的技術支撐。304所僅僅用了一個月就完成了實驗室驗證試驗、現場模擬運動的比對測量試驗、測試方案的設計與修改，初步驗證了測試方案的可行性。在林鳴離開304所的第四天，“港珠澳大橋島隧工程深槽區海流條件分析暨沉管對接作業窗口預報保障系統建設方案專家咨詢會”在珠海召開，測試方案通過了與會13位專家的評審，并確定馬上實施。
“由于E11沉管的作業窗口定為2014年7月21日，20日需開始浮運、17日沉管封門、14日要到現場安裝調試，時間非常緊迫。所領導大開綠燈，我們在5天時間內完成儀器采購、支架加工裝配以及測試系統搭建。7月13日凌晨3點，剛調試好的儀器被打包裝箱運往機場發貨運，并于當天夜里12點到珠海項目總部營地。第二天一大早乘交通船到桂山島沉管停泊地進行安裝調試。因為是首次安裝調試，在天津港灣工程研究院的工程師們的配合下，從下午2點半開始一直忙到晚上11點半，歷時9小時終于圓滿完成。”邵新慧說。
他們運用了空間對接運動姿態監測技術手段：“選出合適的傳感器，搭建六維測量系統，設計沉管姿態測量模型，編制適宜于現場快速濾波的計算軟件。對現場采集的信號進行分析，在沉管沉放不同的深度上利用邊界條件優化數值分析模型，計算沉管在不同水深及邊界條件下的固有模態頻率，再通過實測得到的流速、流速變化頻率等數據，對沉管施以外力計算其響應，以此為參考提取信號有效成分，獲得所需各方向的加速度、角度等物理量。測量系統所組成的超低頻慣導平臺側重于加速度測量，繼而求得管節運動的位移和角度”，邵新慧說。
7月20日晚上8點半，浮運船隊按時起航。21日下午2點半開始沉放。邵新慧負責沉管運動姿態情況的實時監測與匯報。在7個半小時的監測與預報的保障下，林鳴宣布沉放對接成功，304所成功地完成了首次任務。
而304所項目組不滿足于現狀，根據每次管節沉放綜合分析監測得到的加速度、角度、纜力、流速、海水密度等數據，正在逐步完善沉管數值模型分析，設計開發產品級的深水姿態監測平臺，以實現沉管安裝過程的自動化監測與報警。目前國內、國際上已有多條在規劃中的海底隧道，所以他的營運前景廣闊。邵新慧承認，這項研究成果還可以用于其它水下和太空中結構或物體的超低頻運動姿態測量。
到目前為止，304所甚至都沒有來得及與港珠澳大橋項目談及測試費用之事。周自力說：“我們是國家級的國防科研基地，我們代表的是行業國家的技術水平，我們追求的東西不是錢的問題，我們是把它當科學問題在研究，這是我們的價值追求。”
“之所以我們沒有花大價錢購買外國的軟件系統，這和國家整體科技實力的升級有很大關系，如果沒有強大的科研實力與平臺，只能受制于人。它是一個互相催生的過程，經濟與科技優勢催生了中國工程建設邁上一個新的臺階。同時，工程的需求也催生了海洋技術以及測量技術的發展”，尹海卿說。
港珠澳大橋工程展現了經濟與技術相互“泛現”的圖卷，讓人們有機會觀看到經濟與技術是如何相互表達的過程，以及經濟與技術創新的繁衍能力，因為它們比一個工程的作品更抽象。在這里，經濟成為新技術語言的表達，而經濟的鏡子則映射了新技術的出現。（21世紀經濟報道）
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