[中配]日本浮動機場的工程奇蹟與挑戰

日本著名的浮動機場 關西機場正在緩緩下沉 對於聰明的日本工程師來說 這並不是大問題 如果左側下沉得比右側快 你能猜到這個航站樓會發生什麼嗎 問題是 他們如何能避免這場災難呢 解決方案 將整個航站樓懸掛在可拆卸的支柱上 你現在看到解決方案了嗎 使用液壓千斤頂 只需抬升左側的支柱 但你注意到 在這個操作過程中 樓梯的困境了嗎 實際上 幾年後 日本工程師不得不添加額外的樓梯 來填補縫隙 升起後 工人們立即擰緊螺栓 這座現代工程奇蹟 每年在海裡下沉6釐米 儘管如此 政府在2007年 建造了另一個島嶼跑道 每年沉降21釐米 他們為什麼要大舉投資一個 將慢慢被海洋吞沒的設施呢 答案 在海底的橫截面中 你注意到這裡有一條微弱的沙子紋路嗎 這是一種叫做沙排水的智能工程技術 機場本該坐落的海牀上 覆蓋著一層厚厚的軟濕黏土 想象一下 在一個像濕海綿一樣的海牀上 建造一個大型機場 這就是日本關西國際機場面臨的挑戰 它將會在幾十年內不均勻下沉 計劃是將泥土中的水擠出 第一步是在海牀上增加一層沙子 接下來 工程師們在海底鑽了數千個孔 這些孔也填上了沙子 最終整個機場的重量 將會落在這個沙土結構上 你能想象那時會發生什麼嗎 機場的重量擠出黏土中的水 這些水被沙堆吸收 排出黏土並增強其強度 實際上 關西海牀的土壤特性很有趣 這是由黏土和沙層混合而成 深度超過30米 工程師們想預測 當機場的巨大重量施加在土層上時 土壤複合材料會下沉多少 問題在於 這一沉降過程需要多年才能完成 這裡有三種情況 首先當沉降完成時 人工島的高度遠高於海平面 一個愉快局面 在第二種情況下 一旦沉降完成 島嶼位於海平面以下 這很難修復 現在討論最壞的情況 如果土壤沉降始終不穩定怎麼辦 預測沉降量對岩土工程師來說 是一個巨大的挑戰 他們需要開發特殊設備和實驗 來回答這個難題 不同的團體有不同的答案 最被接受的答案是下沉19英尺 接受這個答案後 工程師們繼續推進項目 如果這個答案被證明是錯誤的 機場將陷入絕境 現有的關西機場 即宜丹機場 正變得過於擁擠 需求超出負荷 而且它位於一個住宅區的中央 沒有擴展空間 居民們被不斷的噴氣發動機噪音煩擾 為關西建設一座新機場 是唯一的選項 而對於土地來說 唯一的選擇就是在海上建造 記住 日本人口密集 從土地擁有者手中獲取土地並非易事 在海洋中 你不必擔心這些問題 顯然在傾倒大量土壤之前 工程師們需要準備一個海堤 關西地區常遭受強颱風和暴風天氣 簡單的海堤設計一定會失敗 這是日本工程師們選擇的設計 它看起來像海洋中的一座山 要架設和保持這座山的良好穩定性 需要一個抓地力強的基礎 水下潛水員執行了這一最關鍵最精細的任務 他們首先在沙層上方的海底 佈置了護岸石 記住 這是一項危及生命的工作 離海岸三英里的海底洋流強勁且不可預測 底層像是整個海堤的穩定基礎 接下來是下層土堆和上層土堆的施工 一旦這些土堆準備好 他們便添加了護岸石 最後成千上萬的四角石塊被傾倒在這層石材鑲嵌上 外部可見的海堤是在這之後建成的 四組體能夠消散海浪的能量 保護海堤 花費了兩年半的時間完成 要建造海堤的角落 必須首先進行鋼質艙石的打樁 現在工程師們面前有一項艱鉅的任務 他們需要用土填充海堤 超過一億八千萬立方米的填土材料並非來自海牀 它是從周邊的關西地區的三座山中開採而來的 主要在神戶和淡路地區 實際上他們搬動了整座山來創造這個島嶼 這是一個經過深思熟慮的選擇 這些山脈中的岩石和風化花崗巖質量極高且一致性良好 這對為機場創建一個穩定可預測的基礎至關重要 在山上巨型挖掘機挖掘出岩石和土壤 請注意這些山脈靠近海洋 當局介紹了填土作業的英雄 巨大的渤船 通過使用長長的傳送帶 卡車將泥土裝滿了渤船 然後渤船開始了近28公里的漫長旅程 渤船進入了海堤的範圍 渤船傾倒土方的方式一氣呵成 真是令人驚嘆 事實上這些並不是普通的渤船 它們的底部有大型門稱為漏斗 可以打開以釋放貨物採用底部傾斜設計 這一對渤船每天24小時 不間斷地運營了幾年 進行了數千次航行 在島嶼完工的同時 另一個至關重要的項目也在進行中 那就是連接島嶼與大陸的橋樑建設 你可以看到許多樁子被打入海底 這些樁是橋的支柱 橋墩必須固定在這些樁上 巨型浮動起重機完成了這項艱鉅的任務 一旦這項工作完成 巨大的鋼槽架就由起重機送達 並安裝在橋墩之間 你可能注意到 這些體架採用了雙層設計 底層是火車 頂層是汽車通行 更有趣的是 這些皮架的連接處是靈活的 使它們免受致命的海洋海流和風的影響 接下來 工程師們必須規劃航站樓 基於模型的實驗揭示了另一個令人擔憂的事實 為了理解它及其解決方案 我們需要對微型液壓千斤頂進行CNC加工 看它們多美 網站JLCCNC幫助我們進行了這個實驗 它們擁有超過600臺4軸和全5軸功能的數控機牀 完成CAD模型後 您只需指定材料並下訂單 如果模型出現任何問題 JLCCNC的專家團隊將幫助您糾正問題 我下單一週後收到了這個盒子 看看加工的質量 看到這個活塞順利地進入氣缸 真讓人感到滿足 這是我們開發的實驗裝置 航站樓的問題在於液的重量超過了主建築 我們在航站樓下方使用了軟土 讓我們在沉降幾個小時後檢查一下這棟建築 你可以清楚地看到建築所經歷的變形 實際上這種過度的變形會導致航站樓開裂 液壓千斤頂升降就是這裡的解決方案 現在是時候介紹在支柱間製造的JLCCNC液壓千斤頂了 一個支柱需要一對千斤頂 它們只需要鬆開螺母 假設左翼下沉了10毫米 工程師們應該將支柱抬升正好10毫米嗎 在提升操作過程中 你可能會注意 由於千斤頂的反作用力 基礎會略微下沉 所以實際上我們得提升超過10毫米 這是一項完全由計算機控制的操作 傳感器持續監測航站樓的沉降情況 一旦提升完成 工人就會插入支撐板 液壓千斤頂可以被拆除 一切似乎都按計劃順利進行 但是日本工程師們發現了一個驚人的問題 在短短幾個月內 這座人工島已經下沉了27英尺 記住預測僅僅是19英尺 在27英尺時沉降並沒有停止 這座島每個月下沉兩英寸 沒有專家知道下沉什麼時候會停止 或者它是否會停止 這一消息震驚了日本和全球工程界 大部分媒體將這個項目 稱為歷史上最大的工程失誤 連關西機場的總裁都辭職了 他們只有一個解決方案 倒更多的土 工人們在島上傾倒了額外11.5英尺的土 他們還使用了所有可用的壓石技術 下沉沒有停止 但工程師們希望這額外的高度 能讓機場在未來許多年內 保持在海平面以上 工程師們現在必須專注於航站樓的建築部分 關西機場的航站樓呈現獨特的環形結構 這個設計背後的質囊是著名建築師倫佐·皮亞諾 圓環形狀的一大好處 是它為空中交通管制塔 提供了無遮擋的視線 航站樓的屋頂中間最高 逐漸向兩端彎曲 這種微妙的曲線確保了指揮員 能夠清晰地看到整個跑道 及所有飛機的動態 類空氣動力學的環形屋頂曲線 也有助於在廣闊的航站樓內 實現自然通風 建築一側的大型管道向上吹送空氣 然後沿著天花板的自然曲線流動 這股氣流隨後通過另一側的進氣口被收集 這個系統省去了複雜的懸掛空氣管道網絡 倫佐·皮亞諾的最大成就是 設計了一座更輕的航站樓 航站樓不再使用厚重堅固的混凝土牆 和低矮的天花板 而是依賴顯露的鋼結構骨架 它使用了一種複雜的 複雜的 起架系統 輕便 卻極其堅固的三角框架支撐著 長達1.7公里的巨大屋頂 這種方法提供了必要的強度 而不需要傳統建築的龐大體積 顯然較重的建築會導致更快更嚴重的下沉 又出現一個問題了 這個更輕的航站樓實際上漂浮在島上 由於建築更輕 它下沉的速度不會像島嶼那樣快 如果這樣繼續下去 機場的基礎最終將暴露出來 為了使建築和島嶼以相同的速度下沉 工程師們不得不在基礎上 添加一層厚厚的鐵礦石 有了這些巧妙的預防措施 航站樓的建設順利推進 最終在1994年 這一人造奇蹟正式啟用 1995年1月17日 日本的關西地區遭遇了毀滅性的阪神大地震 這場7.3級地震造成了毀滅性的損失 奪去了數千條生命 關西國際機場以顯著的韌性 經受住了強烈的震動 這座航站樓設計採用了創新的滑動接頭 和其他抗震特徵 未出現重大結構損傷 甚至玻璃面板也完好無損 連接人工島與大陸的通道橋 也保持了正常運作 機場最顯著的影響是跑道上出現了小裂縫 這歸因於填海土地的土壤液化 在地震後的關鍵時刻和幾天裡 關西國際機場轉變為災難救援行動的重要樞紐 由於許多道路和港口嚴重受損 機場成為接收和分發緊急物資 醫療設備和人員的主要通道 機場的卓越表現 有力地證明瞭日本先進的工程技術和建築規範 關西的浮動機場成為了一項工程奇蹟和開創性的成功 到21世紀初 原始的單跑道島已經達到了其容量極限 當局規劃了第二座島嶼和跑道 並於2007年投入使用 這些島嶼的下沉速度多年來有所減緩 第一座島嶼目前以每年6釐米的速度下沉 自1994年機場開業以來 它已經下沉了令人震驚的3.84米 第二個島嶼正以每年21釐米的速度更快地下沉 該島目前官方海拔為5米 一項2015年的工程研究提出了一個嚴峻的時間表 預測到2067年或更早 第一座島嶼可能會達到海平面 同一研究對第二個島嶼在2058到2100年之間的命運 做出了類似的預測 這些預測是基於軟黏土海牀持續壓縮的基礎上 值得注意的是這些預測仍然存在爭論 一些日本工程師認為 這些時間表並沒有充分考慮到 正在進行的廣泛減緩措施 機場管理部門在減緩下沉和保護設施方面投入了大量資金