关西国际机场背后的宏伟愿景
关西国际机场（KIX）位于日本大阪湾的两座人工岛上，是20世纪后期最雄心勃勃、造价最高的土木工程项目之一。机场于1994年启用，旨在缓解大阪被陆地包围的伊丹机场的拥堵，并尽量减少对市民的噪声污染。其离岸选址、创新设计和先进技术，使其在运营效率、建筑设计和行李处理方面赢得国际赞誉。然而，在备受称赞的表象之下，关西机场面临着一个持续存在、甚至可能威胁其存续的挑战：它正缓慢沉入海中。
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为何要在海上建机场？
到20世纪60年代，大阪的快速城市扩张已使机场几乎没有扩建空间。由于四周环山且开发密集，这座城市唯一可行的解决方案就是在近海建设机场。经过二十年的规划，工程于1987年开工。项目需要建造两座大型人工岛，以长达11公里的海堤加以保护，并通过一座造价十亿美元的桥梁与本土相连。计入扩建和通胀因素后，项目总成本当时高达140亿美元，相当于如今近400亿美元。
机场的离岸选址有几项优势：
- 无需搬迁居民，也不必因噪声污染向他们提供补偿。
- 机场可全天24小时运行，不会打扰城市居民。
- 为创新工程设计提供了从零开始的空间。
然而，在海湾松软的冲积黏土海床上填海造地，也带来了独特且持续存在的风险。
不可能的工程：关西机场如何建成
关西机场下方的海床由松散的黏土和淤泥构成，这些材料在压力下会像吸饱水的海绵一样变形。为打造稳固地基，工程师采取了以下措施：
- 在黏土海床上铺设五英尺厚的沙层。
- 安装220万根垂直砂桩（排水砂井），每根直径近16英寸，以加快排水和土壤固结。
- 填入超过2亿立方米的材料，包括从海湾疏浚出的土方、采石场石料和外运土方。
- 用4.8万个混凝土块和碎石建造海堤，并将其固定在数百吨重的钢制沉箱上。
每一阶段的填筑完成后，工程都会暂停，以便新填土层沉降和压实。目标是确保人工岛最终稳定在海平面以上至少13英尺处，这是海堤一旦决口时防止洪水淹没所需的最低高度。
为应对不可避免的地基沉降，建筑师伦佐·皮亚诺设计的航站楼建在900个液压千斤顶上。这些千斤顶可以调节，以补偿不均匀沉降；跑道则铺设了柔性沥青，以吸收地面变化，避免开裂。
下沉问题：速度和程度都超出预期
尽管规划周密，机场下沉的速度和程度仍远远超过最初估计。工程师预测，人工岛将在50年内沉降约8米（26英尺）。但实际上，到1990年，第一座岛已下沉27英尺，而机场甚至还未启用。自1994年以来，关西机场总计下沉约38英尺（11.5米）；自填海工程开始以来，第二座岛的部分区域下沉超过57英尺（17.5米）。
近期数据显示，地基沉降速度正在放缓，目前年均不到10厘米（4英寸）。不过，下沉并不均匀。有些区域下沉速度快于其他区域，造成工程上的难题，需要持续监测和调整。例如，航站楼中央区域被认为比外围下沉得更快。
关西机场为何下沉？
主要原因在于海床的组成。机场下方的冲积黏土压缩性很强，而且能够留存水分。人工岛的巨大重量加上去后，黏土中的水被挤出，土层随之压实，地表也就下沉了。虽然工程中安装了排水砂井来加快这一过程，但开工时黏土尚未完全固结，因此沉降仍在持续，且并不均匀。
其他促成因素包括：
- 填充材料的体积和重量极大，远超机场建筑物或飞机的重量。
- 早期工程模型低估了沉降速度。
- 海床仍在自然压实，这一过程可能持续数十年甚至数百年。
工程解决方案与持续维护
为确保关西机场继续运营，工程师采取了一系列减缓措施：
- 航站楼下方的液压千斤顶可定期调节，以保持地面平整。
- 柔性沥青跑道可根据需要重新铺设和找平。
- 机场已投入超过1.5亿美元，加高并加固海堤，以防洪水侵袭。
- 持续监测两座岛上数十个位置的地基沉降情况。
尽管采取了这些措施，维护机场的成本和复杂程度仍然很高。液压千斤顶每两年检查和调节一次。经历重大洪灾后，海堤又加高了2.7米。然而，一些工程师预测，到2056年，机场部分区域可能会降至海平面高度，尤其是在当前趋势持续且没有进一步干预的情况下。
自然灾害：台风与地震
关西机场位于大阪湾，面临极端天气和地震风险。1995年，机场在破坏力巨大的神户地震中仅受轻微损伤，展现了其坚固的设计。不过，2018年9月，25年来袭击日本的最强台风“飞燕”冲垮海堤并淹没跑道，导致5000人滞留，机场停运两周。这场灾害暴露出一个严重的设计缺陷：包括灾害应对中心和变电站在内的关键设施位于地下室，很快就被洪水淹没。
此后，当局进一步投入资金加高海堤并加强应急准备，包括定期为员工开展地震和海啸演练。尽管如此，机场仍容易受到未来风暴以及气候变化引发的海平面上升影响。
经济与战略重要性
尽管面临诸多挑战，关西国际机场仍是日本经济和全球互联互通的重要枢纽。全日空、日本航空和日本货物航空等大型航空公司以此为基地，将大阪与25个国家的91座城市连接起来。2024年，机场接待旅客超过3000万人次；预计它还将在即将举行的2025年大阪世博会上发挥重要作用，为该地区迎来数百万额外访客。
机场持续运营对日本西部的旅游、商业和物流至关重要。其成功也为全球类似项目提供了借鉴，包括香港、新加坡和迪拜那些建在填海土地上的机场。
大型基建项目的启示
关西机场的经历为未来的基础设施项目，尤其是涉及填海造地的项目，提供了重要经验：
- 在开工前留出更长时间让土壤沉降，可减少长期地基下沉。
- 先进的建模和监测对于预测并应对不均匀沉降至关重要。
- 设计和维护方案必须将气候变化和海平面上升纳入考量。
- 应急设施应设在地面以上，以避免遭受洪水风险。
明治大学城市规划与政策学名誉教授市川宏雄回顾了这一项目留下的经验：
当时要为大阪建造第二座机场，可选方案寥寥无几。本土几乎没有足够空间开展大型建设项目，而且附近居民会受到噪声和深夜航班的影响，因此最终决定在近海建设。
他补充说，尽管项目中出现了一些失误，但它为类似开发项目提供了宝贵经验。例如，名古屋附近的中部国际机场受益于改进后的工程技术，地基沉降问题就较少。
关西机场能否保住？
工程师和机场管理部门仍持谨慎乐观态度。下沉速度已经放缓，持续投入维护并升级基础设施，也让机场得以保持运营和安全。未来计划包括：
- 进一步加固海堤和地基。
- 升级液压稳定系统。
- 探索海床加固技术。
- 将扩建或升级附近机场作为备用方案。
不过，所有这些方案都面临巨大的资金和后勤挑战。维持关西机场不被海水淹没的成本最终可能超过其带来的收益，尤其是在气候变化加剧极端天气和海平面上升风险的情况下。
更广泛的影响：对全球基础设施的警示
关西国际机场的故事并非个例。随着世界各地的城市通过填海造地解决用地紧张问题，在不稳定地基上建设的风险正日益显现。香港、新加坡和马尔代夫的机场也面临类似挑战；随着气候变化加速，关西机场的经验越来越值得借鉴。
对旅客和航空公司而言，这一状况凸显了制定应急预案和增强基础设施韧性的重要性。对工程师和政策制定者来说，它表明设计必须立足可持续发展、着眼长远，并将自然风险和人为风险都纳入考量。
总结
- 关西国际机场是享誉全球的工程奇迹，建于大阪湾的两座人工岛上。
- 自1994年启用以来，机场已下沉约38英尺，远超最初预测。
- 沉降源于岛下松软冲积黏土的压缩，并受到填充材料巨大重量的加剧影响。
- 工程师采用液压千斤顶、柔性跑道和加高海堤等措施应对下沉，但维护成本高、难度大。
- 2018年台风“飞燕”等自然灾害暴露了机场设计和选址方面的薄弱环节。
- 尽管面临这些挑战，关西机场仍是日本经济和国际旅行的重要枢纽。
- 机场的经历为未来基础设施项目，尤其是涉及填海造地和气候韧性的项目，提供了关键经验。
- 未来数十年，要让关西机场继续运营，仍需持续监测、工程创新和大量投资。
