本來無一物，何處惹塵埃。——慧能
每個在深圳拼搏的年輕人，都曾試過夜晚走出辦公樓。南山區更是如此。
在南山20萬名夜幕下歸家年輕人的身後，是20萬一平深圳灣的房價。
他們就如深圳灣內的潮水，當前浪紛紛退去後，永遠都有後浪奔湧而至。
新老交替。唯一不變的，是橫跨海岸的深圳灣大橋。
深圳灣大橋鳥瞰圖
深圳灣大橋橫跨后海灣，由香港流浮山一直延伸至深圳蛇口，全長約5。5公里。大橋於2003年正式開工，並於2007年完工。建成後，深圳灣大橋便持續承擔著連線深圳與香港兩地的使命。
大橋區域地理位置
深圳灣大橋從邊界線分隔為香港段和深圳段兩部分，長度分別為3。5公里和2公里。在大橋橫跨的海灣上，有兩條主要的通航航道。為了不影響船舶的通行，航道區域採用了斜拉橋的形式以避免設定橋墩。其餘部分則採用常規多跨混凝土高架橋的形式。
總體佈置形式
斜拉橋形式佈置以便船舶通行
在建成後的12年內，大橋穩固地屹立於海上。直到2019年2月。
01
鋼纜斷裂
2019年2月15日，一名工程師在普通的例行檢查中，發現香港段高架橋內一根鋼纜整根出現了斷裂。抽出後檢查，鋼纜斷裂位置受到了嚴重的鏽蝕影響。
斷裂的鋼纜被抽出檢查
斷裂的鋼纜嚴重鏽蝕
斷裂鋼纜被發現的位置如下圖所示。
斷裂鋼纜的位置
深圳灣大橋的高架橋橋面是單孔的梯形箱梁，箱梁設定有預應力鋼纜用於增強承載力。
單孔梯形箱梁示意照片
位於箱梁混凝土內部的鋼纜稱為“體內預應力鋼絞線”，用於承擔箱梁的自重以及施工過程中的荷載；位於箱梁外部的鋼纜稱為“體外預應力鋼絞線”，它們穿過箱梁中間的洞，透過錨固塊和轉向塊傳遞壓力，主要是用於承受風力與車輛的重量。
箱梁兩側各佈置有4根外部鋼纜，這次斷裂的是右邊的其中一根。
箱梁中斷裂的外部鋼纜
斷裂鋼纜的位置特寫
每根外部鋼纜都是由37束鋼絞線組成，每束鋼絞線又由7根線鋼絲絞合而成。這些鋼絞線被密封在一個外徑為160mm的高密度聚乙烯（HDPE）管道中，管道內用水泥漿填滿密封。
每束鋼絞線由7根線鋼絲絞合而成
單根外部鋼纜橫截面
這根鋼纜長度約280m，從大橋的P1橋墩一直延伸至P5橋墩。它就是在P5橋墩處的錨頭被發現斷裂的。
斷裂的鋼纜長度約280m
在縱斷面上，鋼纜呈折線型分佈。
斷裂鋼纜縱斷面呈折線型分佈
跨海大橋由於其重要性，工程上一般預留的富餘度都會很大。在這類地標性工程中出現鋼纜的整根斷裂，更是聞所未聞。
因此，在發現大橋鋼纜斷裂後，事故原因的調查也立即同步啟動了起來。
02
杳無音信的當事人
從前期設計一直到施工，任何一個階段的細節失誤，都有可能最終導致鋼纜的斷裂發生。沒有方向的調查無異於大海撈針。
由於事故過於不同尋常，首先懷疑的是施工過程中監管出現了問題，沒有對質量把好關。此時，找負責施工和現場監管人員瞭解情況是最直接的。於是，調查組訪問了負責鋼纜施工的專業施工分包，以便取得更多關於當年施工期間的現場實際情況和施工做法。
然而，專案開工距離現在已經過去了十幾年。
當時直接參與深圳灣大橋香港段專案的人員要麼已經退休，要麼已經離開公司，早已聯絡不上。調查組並未能收集到與斷裂鋼纜直接相關的第一手資料。
這條線索斷了之後，調查工作只能著重研究鋼纜的斷裂位置，看看能否找到新思路。
03
傾斜的破壞面
鋼纜被整根抽出來進行詳細觀察。
在P5橋墩處，斷裂的鋼纜大致呈一個傾斜的破壞面。在破壞面的上半部分，幾乎所有鋼絞線都出現了不同程度的鏽蝕；而破壞面的下半部分，則所有的鋼絞線都完好如新。
P5處的鋼纜呈一傾斜的破壞面
破壞面的上半部分，鋼絞線嚴重鏽蝕
鏽蝕的鋼絞線橫截面直徑已明顯縮小，部分已鏽蝕的斷口區域，甚至形成了鋒利的端部特徵。如果用放大鏡對斷口仔細觀察，可以發現斷口形狀是典型延性受拉破壞造成的“杯錐型”。
破壞的斷口呈現出杯錐型特徵
在自然界中，當物體受到的拉力過大時，會發生斷裂。對於不同的材料，主要可分為兩種形態的斷裂。
第一種稱為脆性斷裂，當拉力超過上限時，沒有任何徵兆，材料在短時間內就會分成兩半，如石頭，混凝土等材料。
石頭的斷裂往往是突然發生的
第二種稱為延性斷裂。當拉力超過上限時，材料並不會突然破壞，而是經過明顯的拉伸變形後才會失效。如平時吃的拉麵，就是具有超大延性的材料。
拉麵拉力超過上限後，出現大幅拉長變形
這兩種破壞的斷口特徵存在明顯的區別。脆性材料由於是突然發生斷裂，斷裂時發生的變形量很小，斷口一般呈粗糙的平面；延性材料在破壞過程則中出現了明顯變形，材料由於變形會導致橫截面的縮小，斷口表現出縮小的特徵。
延性破壞（左）與脆性破壞（右）的斷口特徵對比
可以看出，鋼纜“杯錐型”的斷口正是典型的延性破壞特徵。這個關鍵的細節起碼說明了兩個問題：一是鋼纜的材料直至破壞前都維持著良好的性質，鏽蝕並沒有引起鋼絞線發生脆化；二是鋼絞線確實是在均勻受拉的情況下斷裂的，並不是因為受力不均而出現剪下破壞。
透過這個發現，可以基本排除材料先天缺陷或受力不均的原因。鋼纜之所以出現斷裂，很大可能是長期鏽蝕下使鋼絞線截面不斷變小，最終導致截面的抗拉效能小於鋼纜受到的拉力。那麼，現在的重點問題集中在：
為什麼在水泥漿包裹下，鋼纜仍會出現鏽蝕？
04
奇怪的白色粉末
從斷裂鋼纜的內側面觀察，發現了鏽蝕的鋼絞線上不均勻地附著有一些白色粉末。經過化驗，這些都是水泥返鹼的產物。
鋼絞線上附著的白色粉末
返鹼是水泥水化產生的氫氧化鈣，隨著水分從內部遷移到表面，水分蒸發氫氧化鈣結晶析出形成的白斑。返鹼的形成有兩個主要條件：
（1）水分能遷移到水泥的表面；
（2）表面的水分有蒸發的條件。
如果鋼絞線完全被水泥漿密實包裹，是沒有辦法達成這兩個條件的。只有在鋼纜內部沒有完全被水泥漿填滿，又與外部空氣連通的情況下，返鹼才有發生的可能。
這個發現意味著，P5處的鋼纜施工時可能並沒有被水泥漿填滿，且沒有做好密封。
為了調查這個可能性，P1橋墩處沒有斷裂的鋼纜也被拆卸下來進行對比。與P5處的鋼纜僅有一些白色粉末不同，P1鋼纜37根鋼絞線都均勻地被白色膠凝體所包裹，這些都是凝固後的水泥漿體。鋼絞線也完全沒有出現鏽蝕。
P1橋墩處的鋼纜被白色膠凝體均勻包裹
05
空空如也的排氣管
被拆卸下來的P1處鋼纜，與P5位置鋼纜相同，位於大橋橋墩處，並設定有錨頭。錨頭主要作用是固定預應力張拉後的鋼纜。
錨頭詳細構造
值得注意的是，錨頭處設定有一根塑膠排氣管。這根管是灌水泥漿時的排氣管，用於排走HDPE管內的空氣，以令水泥漿內部不會殘留有氣泡。灌水泥漿時，如果觀察到有水泥漿從排氣管中流出，則證明水泥漿已經完全填滿。
把P1位置處鋼纜的排氣管拆出觀察，可以發現內部填有凝固的水泥漿體，這與P1鋼纜的鋼絞線完全被水泥漿體包裹的事實是一致的。
P1鋼纜錨頭，左上側的塑膠管即為排氣管
P1錨頭處的排氣管，內部有凝固水泥漿體
與之相反，P5錨頭處的排氣管則沒有發現凝固的水泥漿，僅在孔口發現一些殘餘的灰塵。
P5錨頭處的排氣管
P5錨頭排氣管沒有發現水泥漿，僅有一些殘灰
這是一個關鍵的發現。進一步驗證了P5鋼纜沒有完全被水泥漿填滿的猜想。
06
致命灰塵
排氣管的殘灰被提取樣本進行化學分析，以瞭解其物質組成。透過電子顯微鏡（SEM）與X射線能譜分析（EDAX），殘灰主要由兩部分物質組成。
電鏡與能譜分析
第一部分是灰塵和鐵粉的混合物，可能是鋼絞線安裝和施加預應力後，鋼絞線脫落下的產物。這種混合物在P5錨頭的喇叭口底部也找到了類似的物質。
錨頭喇叭口也找到了類似的殘灰
另一部分則是水泥漿，但是卻有很高的水灰比。這種高水灰比的水泥漿，應該是返鹼時水泥表面的泌水混合物。
多方面證據下，P5鋼纜處沒有填滿水泥漿的可能性越來越大。
之所以沒有填滿，關鍵就在排氣管和喇叭口發現的殘灰。
07
湧浪效應
為了進一步確認水泥為什麼沒有填滿鋼纜管道內部，需要先找到水泥漿是從哪裡注入鋼纜的。
對現場進行踏勘後，在鋼纜HPDE管道外表面上找到了水泥漿注入點的痕跡。透過對比施工方案，事發鋼纜的水泥漿注入點位於P2橋墩與P3橋墩之間的低點。也就是說，水泥漿從該位置處被注入，最後從錨頭處的排氣管排出，從而填滿整根鋼纜。
找到的水泥漿注入點痕跡
水泥漿注入點位置示意
在水泥漿被注入之前，要先完成以下幾道工序：
1
鋼纜施加預應力後，將錨頭處外伸的鋼絞線修剪整齊，並安裝一根小塑膠管作為灌漿時的排氣管。
2
錨頭外表面用水泥砂漿密封。
3
在錨頭處安裝保護帽，並將排氣管延長至保護帽的上開口。
4
往HDPE管道內注水。水壓試驗保持0。5MPa的壓力，以驗證整個管道的密封性，防止注漿時出現滲漏。
5
確認管道的密封性後，將管道內所有水排出。
完成以上5步之後，接下來就是正式注漿工作。在P2和P3之間的低點壓入水泥漿。水泥漿沿著管道透過P3，P4向P5移動。
正式注漿施工
將水泥漿從鋼纜低點壓入後，直到水泥漿從排氣孔排出並穩壓一段時間，管道內的注漿工作就算完成了。然而，根據之前調查的發現，事發鋼纜內部的注漿情況並未按預期發生。
實際上，當水泥漿漿體沿鋼纜管道流動，接近錨頭P5時，受沿途管道側壁阻力的影響，以及處於流動上升段，水泥漿的壓力沿管道逐漸下降。
水泥漿壓力在流往P5時逐漸下降
由於P5附近水泥漿壓力的下降，導致流動速度降低。然而，水泥漿壓入點的注漿壓力並不會因此降低，兩者之間的壓力差，使得在P5錨頭附近出現了湧浪效應。
海岸的湧浪現象
湧浪效應令P5錨頭處的空氣和水泥漿混合物產生震盪，捲起了喇叭口底部的殘灰，殘灰進而被衝進了塑膠排氣管，造成了排氣管的堵塞。這就是為什麼會在排氣管內找到屬於喇叭口底部的物質。
水泥漿在P5錨頭處的湧浪效應
距離P5錨頭處最近的出漿口位於橫隔梁外，在看到這個出漿口穩定流出漿液後，便誤以為水泥漿已經填滿了整個管道。最終，導致喇叭口位置處殘留下一個氣穴。氣穴與水泥漿的交介面，應該就是P5鋼纜傾斜的斷裂破壞面。這也是為什麼在鋼纜破壞面內部，會發現有水泥的返鹼。
殘留的氣穴
堵塞在排氣管的殘灰是致命的。如果殘灰顆粒再大一點，也許就不會衝進排氣管；如果顆粒再小一點，也許就能在壓力下直接衝出排氣管。
可惜，沒有如果。
08
事故原因推斷
如前面分析，在鋼纜管道內部注漿過程中，由於喇叭口底部的殘灰被衝進了排氣管造成堵塞，P5錨頭處的空氣未完全得到釋放，在施工結束後形成了殘留氣穴。
在空氣水泥漿表面泌水的作用下，未被水泥漿包裹的上部鋼絞線逐漸發生了鏽蝕。當鋼絞線鏽蝕到一定程度後，不斷縮小的截面再也無法承受拉力，最終引發了整體拉伸斷裂。
在空氣和水的作用下，鋼絞線嚴重鏽蝕，最終引發斷裂
另外，注漿點與錨頭的距離過遠則進一步助推了事故從偶然轉變為必然。
斷裂鋼纜長度約為280m，注漿點位於距錨頭P5約170m處。在注漿過程中，水泥漿需要透過具有多個曲率變化的折線型管道，從而更容易發生沿管道的壓力損失。如果距離沒那麼遠，或者管道不是折線型佈置，即使殘灰堵塞了排氣管，水泥漿的壓力沒有過多損失，可能就會有足夠的壓力把殘灰壓出排氣管，管道內的空氣就能得到完全釋放。
最終事故很可能就不會發生。
09
大橋結構的安全
在鋼纜斷裂後，調查組對高架橋的設計方案進行了全方位的稽核，包括所有計算分析和設計圖紙，以檢驗大橋的安全效能是否有受到明顯影響。
幸運的是，大橋的設計足夠保守。對於外部鋼纜，即使任意兩根鋼纜發生了斷裂，橋樑也不會發生整體倒塌。
這再一次說明了橋樑工程中冗餘度的重要性。
即使旁邊再斷一根鋼纜，橋樑也不會出現整體倒塌
10
後續
事故發生後，大橋高架段立即緊急封閉。
隨後一個月內，完成了斷裂鋼纜的更換。
