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世界级工程港珠澳大桥

发布时间:2013年11月22日 13:34 | 进入复兴论坛 | 来源:央视网 | 手机看新闻

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港珠澳大桥

港珠澳大桥

1.背景

2009年12月15日,港珠澳大桥正式开工建设,这项酝酿二十余年、寄予百年梦想的工程被人广泛关注,是因为它宏大的规模,更因为它独特的经济社会背景。

一座大桥,即将连接三座城市:香港、澳门、珠海。这三座城市有着不同故事和发展境界,同样有着进一步发展的要求。回归祖国以来,香港和澳门保持了持续的稳定和繁荣,香港成为了全球重要的金融、贸易与航运中心,澳门成为了著名的旅游、文化城市;改革开放30年来,珠海口两岸实现了长足的发展。它们组成的珠江三角洲成为了我国发展最快的改革开放先行地区和经济中心区域。它对周边地区发挥了至关重要的辐射带动作用。

但是,如何再更高层次上进一步发展,三座城市面临着不同的问题,珠三角整体发展也面临着结构调整的难题。作为发展龙头的香港面临越来越严重的土地和资源紧缺制约,沿着珠江东岸方向的产业转移已经基本到位,而且这个方向上的城市带也面需要优化产业结构,因此向珠江西岸寻求拓展和产业转移势在必行;澳门迫切需要连接珠海和香港之后以改变交通末端的状况,才能与香港形成更好的产业分工和社会格局;珠海也需要尽可能的缩短与港澳的时空距离,来在现有基础上实现更合理的发展,并带动珠江口西岸的发展。

在这个背景下,珠江口西岸5000平方公里的土地资源空间成为三座城市进一步发展的宝贵资源,也是珠三角发展调结构、上水平的宝贵资源。

改革开放以来,珠三角交通基础率先发展,为珠三角经济社会飞跃提供重要支撑。同时,珠三角在更高层次上继续发展对交通基础提出了更高的要求。新阶段和新形势就有新要求。一个例子是,自虎门大桥建成之后,珠三角就没有新的跨江通道建设,而这座大桥运输流量已经高度饱和。同样,广深高速公路高峰车流量达到了12万辆,大大超过了设计流量。

因此,珠三角需要港珠澳大桥来打通了区域经济发展的瓶颈。

港珠澳大桥的建成,珠江口两岸的时空观将彻底改变,实现1小时交通圈和经济圈。据有关专家介绍,跨珠江口还有数条通道正在前期筹划之中,这些通道将和港珠澳大桥将完善和优化珠三角的交通布局。珠三角有着广州深圳、香港、澳门、珠海五大机场,广州港、深圳港、香港港等三大港口,大桥将快速连接五大机场和三大港口地面交通,发挥联合协同作用。由此,珠三角的公、铁、空、航立体交通体系初具规模。

专家表示:“只有珠江口两岸一体化的基础上,珠三角才能真正形成世界高水平的经济带和城市圈、成为中国发展的主要一极。”

2.什么是世界级工程

可以这样描述港珠澳大桥:这是我国继三峡工程、青藏铁路、京沪高铁之后的又一个世界级基础工程。根据目前的投资估算,大桥工程投资超过700亿元,加上三地的配套建设,全部投资可能超过1000亿元。

港珠澳大桥总承包商中国交建董事长刘起涛说,港珠澳大桥是一个桥、岛、隧一体化的集群工程项目,其桥隧组合规模世界绝无仅有,技术标准世界最高。

工程包括三项内容:一是海中桥隧岛工程,二是香港、珠海和澳门三地人工岛口岸;三是香港、珠海、澳门三个城市的配套连接线。

其中,主体工程总长约29.6公里,采用桥岛隧组合,由5.3公里的隧道和22.9公里的跨海大桥组成。两个人工岛通过海底沉管隧道连接,人工岛与内陆通过桥梁连接。

其中,海底隧道是整个工程的关键。2009年12月,海底隧道方案采用沉管隧道方案,隧道埋深达30米,建成后将成为世界上最长的沉管隧道。

1995年前后,香港民间就有了修建连接珠海和香港的跨海大桥的声音,但当时存在技术和建设管理的诸多困难。2002年,香港特区政府提出建设连接香港和珠江西岸的通道。经过粤港澳三地政府一年多的讨论,共识逐渐形成,并得到了中央政府的支持。2003年8月4日,国务院正式批准三地政府开展港珠澳大桥前期工作,并同意粤、港、澳三地成立“港珠澳大桥前期工作协调小组”(以下简称协调小组),全面开展各项前期工作。

2004年8月,朱永灵放弃了广东省高速公路有限公司董事长的职务,来到港珠澳大桥前期工作协调小组办公室出任主任。2006年,受协调小组委托,中交公规院开始了大桥工程可行性研究工作为项目决策提供依据。

有一个令许多专家惊讶的细节,在通航孔桥梁的形式上,大桥办和设计团队在全世界范围内展开咨询,共提出100多个方案,这些方案都达到了相当高的水平。这是桥梁建设上是从未有过的,桥梁工程也会提出几个方案,但数量很少超过10个。一位桥梁专家说:“这甚至比方案竞赛还要充分。”

协调沟通粤港澳三地在许多重大问题上的不同意见,是最困难的工作。一份材料显示,口岸的位置、融资方案和比例、大桥线位、桥隧岛结合方案,是三地曾经出现重大分歧的四个问题。其中,融资问题是经历了数年的协商才解决的问题。香港和澳门希望BOT方式建设,数年的讨论之后,三方一度同意主体工程引入社会资本投资。直到2008年8月,在中央政府的推动下,大桥融资问题才得以解决。海中桥隧主体工程采用政府全额出资本金方式投资建设,该项目资本金总额为157.3亿元,资本金比例约为42%,项目资本金以外部分,由港粤澳三方共同组建的项目管理机构通过贷款解决。大桥建成后,实行收费还贷。港、粤、澳三地政府分别负责口岸及连接线的投资。另外,由于口岸及查验模式设计人工岛布局以及三地不同经济体制,成为最难解决的问题,直到2006年7月,在国务院港澳办协调下,三地同意采用“三地三检口岸”查验模式。

3.挑战

大桥初步设计总负责人、国家勘察设计大师、中交公规院副总经理孟凡超说:“港珠澳大桥地处台风、航运、海事安全、环保、景观、航空管制等诸多因素约束的伶仃洋区域,建设条件复杂,设计寿命120年,技术标准高,涵盖了交通行业内路、桥、隧、岛等各项工程,技术覆盖面广,建成后将成为世界上长度最长的沉管隧道、最长的跨海工程。深埋长距离海底隧道、软弱地基上的离岸人工岛建设在世界范围内都极具技术挑战。”

但孟凡超认为,目前国内已相继建成杭州湾大桥、上海长江越江隧桥等重大项目,在积累的工程经验基础上,我国已具有自主建设港珠澳大桥的能力。港珠澳大桥建设过程中将在我国已有大型交通基础设施建设经验基础上,充分吸收引进国际先进技术。大桥的建设将提升我国工程建设水平,促进相关产业科技进步。

据有关专家介绍, 从施工建设来看,港珠澳大桥工程有四个难点。一是安全问题,大桥经过珠江口几个主航道,还有许多非正式航道,每天有4000艘船舶通过,因此,需要确保工程建设和航运建设不会产生大的冲突。二是环保问题,大桥经过中华白鳍豚生态保护区,工程建设肯定会对白鳍豚产生影响,需要想方设法减小这种影响。三是水文环境问题,长期以来,珠江口形成了稳定的两河三滩水文环境,这是珠三角发展的根本基础之一,大桥建设不能改变这种稳定的水文环境。四是建设资源问题,珠三角工程建设原材料缺乏,因此需要新技术、新工艺缓解资源紧张局面。

4.四化理念

在这些背景条件下,完成工程建设需要创新的理念。设计团队提出了四化的理念,来指导工程设计,并把这种历年贯彻在工程建设的全过程。这个四化就是大型化、工厂化、标准化、装配化。

港珠澳大桥是一个规模空前的宏大工程,设计团队提出,把大桥的主体工程结构物化整为零,分解为大型构件,在陆地上预制。例如把非通航孔梁、桥墩、沉管隧道分解成不同的大尺寸构件,在陆地上预制,然后用大吨位的运输船运输到相应位置,最后用大型起重设备安装。其中,分解后的箱梁可以达到3000吨,180米长的沉管预制后排水量可以达到8万吨。这就是所谓的大型化。

所有的预制构件在陆地上预制,则是一种工厂化生产。孟凡超认为,这是充分依靠我国工业生产能力,把大桥建造向大桥制造的转变。与传统的现场浇注相比,工厂化是让预制构件处在一种工厂车间的生产状态,大大减少了环境对构件质量的影响,出厂的则成为了质量稳定的产品。同时,工厂化生产减少了海上现场浇注,因此显著减少了施工对生态环境的负面影响。与之对应的是,建设者的工作环境显著改善。而且,工厂化培养了专业化的作业队伍。“有人认为工厂化生产可能减少了农民工就业岗位,我们认为恰恰相反,这种方式是在稳定的生产线上培养了一大批专业工人。” 孟凡超说,“在施工现场,人们以后可能看不见那种千军万马热火朝天的场面,而只是一些大型船舶在运输、起重、安装。”

与工厂化匹配的是标准化。工厂车间生产的产品必然是标准化的。化整为零的港珠澳大桥有大量的相同构件,这些构件在工厂预制,采用统一的工艺,执行统一的标准,质量自然要稳定。

化整为零之后的大构件在工厂以标准化方式生产出来之后,需要装配、安装起来,这就是设计团队提出的装配化。孟凡超把这个过程比喻成搭积木。但这肯定是一个伟大的积木,因为国内最大、最先进的海上运输、起吊、疏浚设备将投入其中。

5.建设——第一战

2010年11月25日,中国交建与港珠澳大桥管理局签订合同,以设计施工总承包方式建设港珠澳大桥主体工程——岛隧工程,这是整个工程的核心。中国交建总工程师林鸣出任项目部总经理。

第一战是要以最快的速度在海中建起两个人工岛。

正式签订合同之前,林鸣和他的团队就开始思考深海筑岛的方案。一个基本的着眼点是,在深海筑岛,人工岛面积很小,这就要求尽量少用船舶、尽量简化工艺,这是传统的工艺难以实现的。而要实现环保、确保质量、确保工程进度,就要考虑大型化、标准化、预制化。

伶仃洋的气象、海况、中华白海豚保护、工期、质量、安全,考虑这些因素,传统工艺的施工风险难以让人放心。在一次技术交流会期间,一个大胆的构想突然闪过林总的脑海――用大直径钢圆筒围成人工岛。设计可行吗?林鸣随即掏出手机,向全国工程勘察设计大师王汝凯说出了自己的灵感,2009年,林鸣向王妆凯正式提出用钢圆筒做人工岛防护结构的方案。

几轮分析比选之后,方案最终敲定:大直径钢圆筒深入海底,快速形成人工岛,大大减少船机及海上作业的时间,大圆筒良好的稳定性和止水性能,为后续工作提供了一个稳定的环境。中交四航院开展了12个月的研究,完成了初步设计。

港珠澳大桥是一个国际级工程,吸引了世界著名公司参与竞标。在港珠澳大桥香港口岸人工岛工程中,日本一家企业向业主推荐了传统的钢板桩方案,也希望能在隧道人工岛中采用这种工艺。在投标中,中国交建拿出钢圆筒方案,让日本人非常惊讶,但是也带着怀疑,香港同行也在怀疑。

这是国际性的竞争。日本企业也是大牌公司,提出的方案也很先进,怀疑也很有道理。中交团队的信心来自于强大的钢结构制造、运输、振沉施工一体化能力,把钢结构制造、运输、安装、海洋工程装备与水工、疏浚结合起来,会对工程建设传统工艺起到创造性的推动作用。但是,加工制造出这些大块头、然后从生产基地运到现场、最后沉入海底,都需要新思路。

精细化勘察

把钢圆筒打入海底,首先需要摸清海底地质情况。同样,筑岛、海底沉管的安装,同样要搞清楚地层结构,精确了解海底的详细情况。这需要勘察先行。

翻开岛隧工程地质勘查图纸,密密麻麻的标注着170多个钻孔,400多个测试孔(CPTU孔)。每个孔都需要船舶驻位、钻探测试、取样分析等多个环节。只有这样,才能彻底了解港珠澳大桥所在海底的详细地质情况。2010年12月,勘察团队出海,高峰期超过20条船的勘察舰队,开展了岛隧工程的精细化勘察。

所有这些努力,核心是不扰动原土。也就是说,在钻探、取样、运输 、分析的全过程中,不能改变土质的分层分布等原来面貌,只有这样,才能精确了解地质情况。据项目负责人介绍,数据显示,对原样分析后,95%以上的原样土为一级不扰动样,远高于国内常规水上勘察结果。经专家评定,勘察质量达到了世界先进水平。

2011年1月,岛隧工程首批设计图提交纸。

中西合璧造“大锤”

钢圆筒直径22米,最高50.5米,共120个。把它们打入深海,需要足够能量的振动锤。设备选型是第一要务。在明确了振沉系统性能要求后,中交一航局向全球发出了联合开发振沉系统的邀请。

很快,美国APE公司、美国ICE公司、荷兰ICE公司和上海振中公司,四家振动锤巨头均提交了精细的实施方案。三轮分析过后,APE公司胜出。

这个前所未有的庞然大物,决不是简单的振动锤组拼,而是多项中美高端制造业优势融合。整个振沉系统中,振动锤、同步装置、动力站、液压油管、液压夹头等从美国引进,共振梁、吊架等由中国交通建设旗下上海振华重工制造。

APE公司总部位于美国华盛顿州西雅图。单台APE600液压振动锤已有工程应用,但采用8台APE600振动锤联动振沉超大型钢圆筒却是中国人的构想,这是首次,需要解决的关键问题就是多台振动锤的同步工作问题,即电气同步、液压同步和机械同步。

2009年4月12日,从美国发出的184吨的8台振动锤分21个集装箱陆续到达上海振华重工,振华重工也完成了其他设备。4月23日,振沉系统空载试振一次成功。

千里之外量身定做

钢圆筒的制作也在上海齐头并进。

6万吨钢材,要在7个月内完成加工、运输,需要强大的生产基地和运输能力,“放眼全球,能够做到这一点的企业也不多。” “以钢为纲”的振华重工得以大显身手。钢圆筒共有120个,西人工岛钢圆筒61个,东人工岛51个,都是超高超大。钢圆筒制作原理比较简单,把钢板处理成弧形,然后焊接成筒,就好像做木桶一样,再把一节节短筒焊接成长筒。

工艺难点在于焊接。短筒越多,焊缝就越多,焊接量就越大,工期紧张的情况下,质量控制难度就越大。振华重工的大型生产基地发挥了作用。

制作完成,需要从上海长兴岛基地运输到珠江口的工地,行程1600公里。7万吨的运输船,运送一个500吨的钢筒,似乎不是难题,习惯于远洋运输超大构件的振华船队并不担心完不成任务。第一次,一条大船装载着首个钢圆筒,和振沉动力系统也就是“大锤”,两条拖轮护航,船上由日本WINI公司每天两次提供气象导航信息,同时根据英国BMT公司提供的海区海浪谱数进行海运计算。5月7日,才顺利抵达珠海。

一船运一个,显然太慢,效率还必须提高。第二船装载了9个钢圆筒,总重4059吨,这一次走了68小时。

打下“定海神针”

5月15日,伶仃洋海面上, 1600吨起重船“振浮8号”吊着振沉系统和钢圆筒,在自主研发的“钢圆筒打设定位精度管理系统”的引导下,正确定位,完成入泥自沉后,随着 “开始振沉”指令的发出,中控计算机同时启动8台动力柜和8台振动锤,世界最大的振沉系统第一次开始负载运转。

水到渠成。10分钟,钢圆筒达到了入泥深度21米的设计标高,垂直度偏差控制在1/1000以上。这是一个世界纪录。大型船舶用在施工中,这是第一次,大家都不熟悉。指挥振沉的工程师孟凡利已经是水工工程老手,他也需要调整:“240米长、50米宽、8万吨、8米吃水的大船,从来没有在施工中用过的。以往施工中,运输船是辅助船舶,但这个大家伙到了现场,马上成为中心,传统意义上的主要施工船要围着它转,这就需要工艺的调整。”

抛锚就是个难题。运输船抛锚线,施工工区根据现场潮流等因素确定四个浮筒位置,运输船必须进驻到浮筒之间,并且四个角分别用三条缆绳与四个浮筒连接以固定轮船位置。

据振华重工项目经理姚正华介绍,看似简单的活,却是没有两三个小时拿不下来。他对第三船钢圆筒的驻位印象深刻。早上五点半,大船缓缓靠近浮筒,姚正华上起锚艇指挥驻位,但因潮水影响,大船无法顺利驶进四个浮筒内规定位置,只能调头重新来一次。第二次眼看着驻位成功,即将开始带缆系浮,却天公不作美,下起了瓢泼大雨。海面上一片迷茫,什么都看不见,无奈之下只能停止驻位,等待雨停。终于等到雨停,第三次的系浮驻位重新开始。这次终于顺利驻位成功也系浮成功。这时已经是晚上八点半了。

而直径22米、高40多米的钢圆筒,每一个都有一个规定位置,最终振沉位置的误差仅允许在10厘米,虽然是圆形,却不能转动一点圈,转动一点圈都有可能导致位置完全不符合要求。

9月11日,西人工岛钢圆筒合围,主体结构完成。珠江口开阔的海面上,61个巨大的钢圆筒插入水中,然后合围成一个蚝贝形的圆圈。串成这个项链的每一个“珠子”的技术参数是:钢圆筒,直径22米,最高超过50米,重500多吨。就体积而言,接近于一个完整的10多层楼房。

钢圆筒在上海长兴岛制作,批量海运到珠江口工地,最后用大型专用设备振沉至水下30多米。这是一种前所未有的工艺,其工艺设计、施工组织方案在今年4月下旬通过交通运输部专家组评审。

钢圆筒合围之后,岛内填入砂料并加固地基,圆筒外再用混凝土块体等加固防护,最后,坚实的人工岛“拔海而起”。两个人工岛通过海底沉管隧道连接,人工岛与内陆通过桥梁连接,这就是港珠澳大桥。人工岛是控制性工程之一。

以钢圆筒的方式在深海形成人工岛,是一种全新的工艺。传统的成岛工艺,或者通过连续的钢板桩围成,或者通过大型混凝土沉箱围成,或者大规模开挖换填构筑。中国交通建设股份有限公司总工程师、中国交通建设股份有限公司联合体港珠澳大桥工程岛隧项目部总经理林鸣表示:“用不同的工艺,都能实现成岛的目标,但钢圆筒工艺和传统工艺相比,效率不可同日而语。而且,前者在质量和环保方面更有优势。”

“如果按照传统的办法,我们的工程干不成。传统的方式可以完成任务,但工期就没了。所以当时一定要找一条出路,这是人工岛建设,一定要找一个出路,找一个快速建岛的出路。基于这个东西,我们想到钢圆筒,圆筒打完,把整个工程一分为二,里面是里面,外面是外面,平行的作业,尽快的形成。”林鸣说。

随着西人工岛主体合围,所有的怀疑变成了彻底叹服。一家国外咨询机构参观了钢圆筒的实施过程,他们的态度也是由怀疑到叹服,他们表示,成功应用这样的工艺,在世界范围内,只有中交能够做到这一点。

6.建设——第二战

“超级管”

制作33节钢筋混凝土管节,然后把它们按顺序安装到海底,最后连成为一个长管子,这是港珠澳大桥沉管隧道的基本原理。这似乎并非难事。

但是,这些管节超级大,重达7万多吨;安装这些管节要超级精确,误差控制在几厘米之内;连接这些管节要在10~45米的海底,要克服外海复杂多变的海流、波浪及台风等气候影响,要保证车辆安全通行120年。这便成为当今世界土木工程界最难的工程之一——港珠澳大桥岛隧工程。

此谓“超级管”。

“超级管”需要一座超级车间。从珠海香洲港出伶仃洋27公里,便是桂山岛。港珠澳大桥岛隧工程沉管预制厂坐落在桂山岛北端的牛头岛上,岛隧工程的核心组成部分——世界最大的沉管在这里的流水线上有序生产。

33个沉管,有28个标准管节,每个标准管节由8个长22.5米,宽38米,高11.4 米的管段连接组成,总长180米,总重约7万4千吨,称得上是由钢筋混凝土筑成的“航母”。

预制厂颠覆了项目副总经理吴凤亮这位教授级高级工程师对工程的印象:“教科书上将施工的特点描述为‘施工的流动性和工程项目的一次性’,而沉管预制厂体现的却是程序化、标准化、流水化生产。”

他说,采用工厂法预制沉管,是因为沉管预制自始至终是岛隧工程的关键,预制的速度决定了工程是否能够按期完工,预制的质量决定了工程是否成功。流水化、标准化恰恰是质量和效率的最大保障。

“超级管”需要一个超级车间

沉管预制厂最开始考虑的是干坞现浇。找个合适的地方挖坑建一个干坞,然后在里面现场浇筑,然后可以进水把沉管浮起来。

但是,干坞现浇的方式收环境干扰太大,风风雨雨,夏季炎热,冬天冷,对全部沉管的质量控制难度太大。林鸣就考虑,从百年大计的角度来看,最好采用工厂化浇筑,质量可控。工厂化的方式说着很简单,但是,操作起来难度太大。

“所以我们面临着一个选择。最后我们决定接受挑战,采用工厂法。这是我们总体上决定并提出来的方案。选择工厂法是我们把自己置于一个非常被动的境地,假如不成功的话怎么办?每个人都心里没底。”林鸣说。

一个巨大工厂,以流水线的方式生产8万吨的钢筋混凝土结构。如果一个环节出问题了,动不了、或者效率很低,那会对整个工程产生很大的影响。

林鸣说,当时他们压根不知道工厂法怎么做,没有人提供这方面的东西。他们唯一就看到一本杂志上几篇文章,“那些文章写得都很粗,没有具体的。”

为了确定混凝土输送系统,林鸣将近五个月就下不了决心。项目部团队一开始考虑想用皮带输送,林鸣就有些担心。后来大家都认为用皮带机输送混凝土。五个月的研究,“所有的人都认为就是要皮带输送,我是觉得皮带输送不行,我是希望用管道,不得不定的时候,大家讲民主决策,选择皮带输送。”林鸣说。

皮带输送全部做好了以后,开始做足尺模型浇筑。浇了五米这样的东西,做完以后把皮带输送做了一个检验和评估。

林鸣当机立断,立刻调整为管道输送混凝土。“我给大家说,马上把它废掉,重新调整为管道。”

其他人有没有同样的感受呢?一线员工不说,但是士气低弱,因为按照这样的效率未来的工作没法开展。后来用管道输送,大家看了第一次输送浇铸以后,心里马上就有底了。林鸣说,当他后来从营地坐船去工厂时,上岸时,预制厂的经理一起来迎接他。林鸣觉得这是一种肯定,这一次他们肯定是真心的来迎接他。后来林鸣通过班组的沟通,大家说现在有信心了。

这一调整也需要成本。皮带输送机是进口,全部推倒重来,成本很高。而且整个生产线要做这么大的调整,商务、技术都要进行调整。不过,果断的调整。调整以后把损失控制到最低,很快的速度,而且赶上后面的进度,创新之路绝非一帆风顺。林鸣说,后来这些沉管的顶推,基本上都是在磨合,都会有些大大小小的意外。“你知道我们那个大管节,七万吨顶推,第一个过去了,第二个花了将近一个月才顶到位,轨道变形,效率极其低,你知道那时候大家是什么感觉?我自己也感觉到很悲观,最不该发生的事发生了,你几万吨要真顶不动的时候你有什么办法?”

后来又找原因,又重新调整,这才做成功。后来就花了将近一个月的时间,顶了以后,然后再来研究下边的。研究了很多的方案。现场提出了一个解决方案,一实施,非常好。简单来说,就是在每个支撑沉管的千斤顶下面放一个滑板,滑板在轨道上滑行。“增加滑板和千斤顶的摩擦力,减小滑板和轨道接触面的摩擦力。 ”也就是说脚和鞋之间不能打滑,鞋和滑道之间必须很滑溜。原理很简单,但这是个8万吨的大家伙。 一小块滑板价格近千元,每次顶推都要用近600个,换滑板又会使流水线停滞。 工区找到了实用方法。首先,在支撑千斤顶下均匀地点些焊点,并把滑板与千斤顶接触的边缘挖个浅槽,让这些“铁脚”牢牢“踩”住滑板。其次,他们对四条轨道进行精确测量、细细打磨,让四条轨道平如镜面,在滑板的底部设计更多的进油槽和贮油孔,让润滑油能更好的渗入滑板底面。

林鸣说:“问题在哪里?人的认识不可能一步到位,一定有过程,对一些东西,当你没有经验的时候总会有困难。好就好在我们从根上还是有这个条件解决它的。所以说,当初确定这个工厂化预制,决策是很难的。这个压力是巨大的,做这个选择的压力,今天是成功了,如果不成功,中间一个环节都不能出问题。”

桂山岛北端人迹罕至。在这个孤岛上建厂并不容易。超级车间的核心是沉管预制钢结构厂房建设及配套生产设备安装、深水坞、浅水坞建设。

厂内设有两条沉管生产线,是港珠澳大桥大型配套临建工程,也是国内首次采用工厂流水线工艺预制沉管管节,工厂规模、设备配套标准在世界上也是绝无仅有。

建厂的条件与工程的要求仿佛针锋相对:孤岛作业,物资匮乏,作业面狭小,季候风影响大,而工厂结构复杂,标准要求高。

2010年12月,正是南国湿冷的冬季,中国交建建设者开始了土石方的开挖。“工期紧,机械设备上岛不方便,开挖方量大,我们必须日夜不停地赶工。”当时的技术员程博回忆说。

2012年2月4日,仅用了14个月,这座现代化、世界级的沉管预制厂从构想变为现实,开始承担起沉管管节的标准化生产任务。

沉管的存放、出运要通过大坞来实现。在高近16米,底长196米,宽203米,容水量132万方的深坞内,海水要在起伏中撼动最多时需要存放4个7万余吨的沉管,深坞周围的拦水坝上,十台卷扬机绞拖着直径4厘米的钢丝绳错落有致地相互交织,驱动坞门启闭、沉管横移和浮运出坞,实现沉管的“推陈出新”。

实现碧波压顶而滴水不漏,坞门结构及止水系统成为设计的头号难题。

深坞门长59米、宽25米、高29米、总重量达1.3万吨,需要反复起浮坐底,内外15米水位差作用下保证稳定与水密。设计团队反复比选,技术方案研讨会开了十几次,终于确定深坞浮坞门采用钢砼组合箱型浮坞门结构,坞门坐底基础采用具有导向和承压功能的坞口底板结构。止水系统的设计也是一波三折,整体方案就有三次重大调整。建设者们用特有的严谨和精细,避免了一个个可能存在的瑕疵。

2012年9月10日,深浅坞灌水234万方,15米的水头压力下,坞门稳如磐石。

超级车间在全球找装备

沉管预制必须挑战传统思维,将“傻大粗黑”的钢筋混凝土施工变成一项精雕细琢的精细活。

吴凤亮介绍说,外海深埋,沉管将承受巨大的水压,一个细小的裂缝就有可能导致严重的问题,因此,对沉管的质量要求极高。

大体量、严标准需要高端设备。项目部提出构想,与全球顶级设备制造商合作研究解决方案,进行设备研制或配置。于是,众多的国际元素、行业内顶端配置在这个超级车间汇集。

这里有着德国设计、振华重工制造的自动液压模板成套设备,瑞士设计制造的管节支撑和同步顶推设备,日本制造的钢筋加工设备和发电机组,德国及其国内独资公司联合提供的混凝土输送与布料设备。

制造超级管需要好模具。预制模板系统是岛隧工程的关键设备,这套结构复杂、精确度高的大家伙要重复上百次,要求肯定会很高。最后,沉管模板设计经验丰富的德国PREI公司负责设计,生产制造能力强大的上海振华重工制造。

传统的大型模板通常需要用对拉螺丝杆增加刚度,这会在管节上形成孔,预制完成后需要进行封堵。国外一家厂商已经瞄准港珠澳岛隧工程沉管预制,准备卖给项目部封堵沉管螺丝孔的材料,开价极高,但最终扑了个空。项目部提出,在传统隧道沉管模板的基础上进行改进,增加模板刚度,采用反力墙支撑,不再使用对拉螺丝杆,避免了中间留孔,提高了沉管的使用寿命。

模板系统设计完成后,国外厂商认为,这样先进的模板在中国肯定制造不出来。振华重工不负众望,以远低于德国制造商的价格制造出完全符合要求的模板系统。

2012年6月9日,港珠澳大桥岛隧工程沉管预制模板交接仪式在沉管预制厂举行,沉管的批量生产拉开序幕。

沉管每个节段的钢筋笼重约900吨,浇筑完成后总重9000吨,一节沉管浇筑完成后重约7万4千吨,要一步一步移到浅坞,可谓步履沉重。撼动条条“巨龙”的过程中,要保证混凝土构件不被损坏,沉管支撑与顶推系统至关重要,该系统是港珠澳大桥岛隧工程最为关键的专用设备之一。项目部通过国际招标选择与具有55年历史、40年构件平移施工经验的瑞士威胜利公司合作。

由于浇筑完成的管节重量远大于常规顶推构件,其顶推系统也极为复杂:四条轨道梁上铺滑移钢板,钢板上放置300余个自动调节高度的千斤顶,确保每个支撑千斤顶均匀受力。节段养护达到抗裂强度要求后,其重量就被转移至支撑千斤顶,随后拆模顶推。

2012年10月19日,首个沉管混凝土全部浇筑完毕、顶推到位,混凝土“航母”正式亮相。

完美的预制

首批沉管预制完成后,前来参观的专家、院士们有个共同的疑问:这么大体积混凝土,一条裂缝都看不到,这是怎么做到的?吴凤亮给出的答案是:能想到的我们都做到了,只要下决心认真做,就能够消灭裂缝。

在沉管预制过程中,从原材料入库到混凝土入模,整个过程对温度的控制做到了极致。料仓顶部有自动喷雾系统,根据料仓内温度自动进行喷雾降温;皮带输送到料斗的过程是全封闭的,避免了原料输送过程中的升温。预制厂还配备了制冰系统,根据季节的不同,在搅拌的过程中加冰降温,确保了入模温度低于28度的设计要求。管节浇筑完成后,养护棚喷雾系统开始发挥作用——在封闭的、可调节温度、湿度的环境里,控制混凝土的内外温差并保持湿度,降低混凝土出现裂缝的风险,使混凝土强度得到稳定增长。

标准管节预制完成后要从浅坞起浮横移至深坞,进行系泊降水、深坞寄存、二次舾装和浮运出坞,浮运出坞过程中还需启闭1万3千吨的沉箱坞门。这一系列“重量级”高难度动作,大象要跳出芭蕾舞,这真是个严峻的考验。项目部技术员戴双全和同事设计出绞拖、定位、系泊功能于一体的系泊绞缆系统,很好地解决了这一难题。

“这就像几个大力士一起来干穿针引线的活,绞拖时每个卷扬机的协调配合非常重要,必须保证缆绳受力均衡。”戴双全说。

2013 年1 月16 日上午8时,深浅坞系泊绞缆系统进入实战状态,首个沉管在缆绳的拖动下缓缓移动。两个小时后,管节移至深坞寄放区,首个沉管的横移和系泊施工顺利完成。

7.建设——第三战

大桥建设伊始,设计师和工程师们便开始了沉管浮运安装方案的具体论证。首节沉管浮运安装的根本目标是,把沉管从车间拉到海中,和已经浇筑在人工岛上的钢筋混凝土管节精确地对接起来。

工程师对“精确”二字的表述是:接头错位不得超过3厘米,沉管的“身位”与设计误差不超过5厘米,在12米的海底滴水不漏。

浮运安装是在外海千变万化的风、浪、流中进行,2011年,建设者正式策划和实施,开始在全球范围内整合优势资源。约束性的外因是风、浪、流三个自然条件,这需要深度分析并掌握其特性、提前预报;工具是能力强大的专用装备,这需要创造性地设计和制造;人用血肉之躯操控这些庞然大物,需要收发自如的控制系统,这需要集成创新。

专用装备——大块头才有大智慧

2013年5月2日,一个巨大的船机编队从伶仃洋桂山岛出发。这个“舰队”的主体是:巨大的沉管固定在两艘专用安装船上,由8艘大马力拖轮牵引,8艘锚艇陪伴左右,12艘海事船警戒护航。此外,一干辅助船舶做好配套服务。“舰队”总马力超过5万匹。

首次出海如临深渊,14公里水路,走了近13个小时。所到之处,广州港主航道封航。

沉放安装过程中,核心装备是两艘专用沉放安装船。中交联合体港珠澳大桥岛隧工程项目部副总经理关秋枫说:“这两艘船实质上类似于起重船,我们日常见到的起重船起吊装备在船上面把东西吊起来,这两艘沉放安装船起吊装置在船底下,就可以控制沉管下沉到海底、与浇筑在人工岛上的管节对接。”

安装船与管节通过吊索连接,并通过固定支座与管节接触,这样一来,两个大家伙就实现了半刚性连接,刚柔并济才能够确保在波浪和洋流中精确移动。

这两艘安装船是专为港珠澳大桥沉管隧道量身打造。关秋枫说:“我们根据沉管安装需求,提出了安装船的建造理念和总体设计,然后由振华重工来设计制造,海上起重船是它的强项。”

安装船从2012年3月开工建造,振华重工用6个月时间建造完成。随后,一航局进行了一系列的调试。5个月后,安装船具备了现场作业能力。

从2013年4月在开始,这两艘世界上最大最先进的“孪生”安装船便驶进沉管生产工厂,和沉管连接在了一起。5月6日,安装船用了一天的时间将沉管安放在指定位置。
中交联合体港珠澳大桥岛隧工程项目部常务副总工程师尹海卿说,沉管对接的精确度要求非常高,两边横向偏差要控制在2厘米之内,纵向偏差3 .5厘米之内,轴线偏差控制在5厘米之内。

沉管基本到位后,安装在沉管上的拉合系统开始发挥威力。也就是说,固定的西人工岛上的管节和从“车间”浮运入海的沉管首先实现牵手。

这套全新的拉合系统集成了位移传感器,在拉合千斤顶连接后,可以精确测量管节安装的距离。在沉管安装船上,工程师在安装船上远程控制拉合千斤顶拉合速度,千斤顶逐渐加力,沉管缓慢而精确地移动,最后和固定管节精确对接。

5月6日10点,一动一静两个管节在牵手之后实现深海之吻。

一个管节端面是一个平整精度毫米级的环状钢板圈,另一个管节端面是一个坚实耐用的特种橡胶圈,精确对接之后,巨大的水压将使一刚一柔两个管节严丝合缝地贴在一起。100多米长的钢端面的平面精度误差要控制在2毫米以内。在这个过程中,为使管节间的对接达到最好的效果,还要利用海水涨潮的压力,进行水压对接。

此外,还有一个精调系统,用于管节水力压接后二次精确调位。两个管节对接后,形成密闭系统,建设者通过人工岛上的固定管节打开沉管预设的操作门,安装上精调系统,在安装船的配合下,对沉管进一步微调,实现精度控制的“精益求精”。

所有这些专项系统全是通过全球资源集成实现首创,也是和全球顶级供应商合作来实现。“我们提出整体理念和需求,他们拿出方案,双方深入论证,最后确定具体方案。”关秋枫说。“港珠澳大桥岛隧工程的特殊性,决定了理念在我、思路在我,配套在全世界。”

小区域天气精确预报——选择良辰吉日

谋事在人成事在天,浮运安装是在千变万化的风、浪、流中进行,这是整个过程中根本性约束因素,因此,首次浮运安装要选一个风平浪静的好日子。为确保沉管安全,必须趁潮出运,一个月中满足施工作业窗口的好日子并不多。

中交联合体港珠澳大桥岛隧工程项目设计负责人刘晓东介绍说:从2011年开始,项目部就开始了当地气象、波浪、洋流的观测与预测分析研究,一方面,通过详细的观测积累基础数据,另一方面,通过与专业机构建立综合模型来对小区域短时段作业窗口实现精确预报。

这个专项研究叫做施工作业气象窗口精确预报,在北京设立一个研究工作组,在项目部设立一个现场工作组。

数据既来自于风云卫星数据基础,也包括现场长期的观测积累。远在北京的研究组动用了全国最大级别的超级计算机,建立预报模型;来自现场的数据则不断校验模型的可靠性。
与之同时,西人工岛岛头流场及对设计施工方案影响的研究也在深入。

刘晓东说:“人们对正常情况下海浪有着基本的认识,外海的潮流、波浪已足够复杂,但是人工岛形成以后,岛域附近的海流会发生突变,岛头处的海流变化更为复杂,这就对岛头沉管沉放安装的控制产生很大影响。”因此,项目部与专业机构对此进行了深入研究。

为控制沉管沉放后的差异沉降,天地同步。项目团队还集中研究地基土的力学行为、应力历史,需要深入地分析各种荷载条件下地基土的不同行为。例如,研究团队对土样进行了针对性的土工试验,被同济大学孙钧院士称为“教课书式的土工试验”。

刘晓东说:“这既有基础性的研究,让我们进一步了解土性的机理,也有应用性的研究,帮助我们不断优化设计方案及施工工艺、优化对接点地基结构。”

操控系统集成——用好大力神

设计师和工程师正在毫发不差地驱使数万吨的庞然大物。

关秋枫说:“作为核心的沉管,7万多吨,价值一亿多,超大又超级娇贵,就要用一个大船队来配合,这个船队有五六个系统、七八个核心设备,都是大家伙,要用好它们,我们必须要有系统管理。”

项目部建立了包括三层次的指挥系统。第一层是决策系统,林鸣、关秋枫、黄维民的三人团统一指挥协调,确定何时编队、何时封航、何时出海、何时安装。第二层是现场指挥系统,9名指挥船长,综合各种信息发出指令。第三层,具体操作层,操控各种船机设备。

浮运安装要在繁忙的广州港主航道中进行,与之平行的还有海事警戒系统,提供外部协调管理支撑。

软件、感应系统、测控、信息系统,所有这些构成了一个整体管理系统。指挥中枢的安装船上,有几十个显示屏,用工程师才能熟知的语言,精确地显示着沉管的身位,以及每一个相关设备的详细信息。这就把拖轮、锚艇的相关数据,航道、水深,沉管身位等数据整合到里面,集中显示出来,这样就能够实现精确操控。

关秋枫说:“这颠覆了传统的土木工程建设模式,或者说将土木工程提到了一个全新的高度。在茫茫大海指挥这样一套船机系统,恐怕是除海军舰队以外绝无仅有的实践。

4天的浮运安装只是第一次,未来两年中,这样的实践还要进行32次。

四次综合演练——确保首战首胜

第一次总是充满未知。项目部组织了4次沉管浮运模拟演练。

2013年1月29日,首次举演练以6 艘主拖轮拖带一艘甲板货驳模拟沉管和安装船组。演练发现,软件和硬件都需要进一步加强。一个月后,项目部组织第二次演练,主要针对逆流情况进行模拟,选择落潮期进行沉管在航道内纵拖、基槽内横拖及系泊区系泊演练。这一次演练之后,项目部增加了2艘拖轮,增加了各船舶之间的沟通协调,对浮运指挥系统进行完善,以确保在大区域内信息及时准确传递。

4月9日的第三次演练,加强了复杂工况下指挥和拖轮系统的协调性和熟练性。关秋枫说,演练发现指挥船长配备不足。“演练发现,船长要综合各种信息进行决策并发出指令,必须了解各条船的情况,坚持十几个小时可能会出问题,所以增加了指挥人员。”第三次演练又一次检查了浮运导航软件的稳定性、准确性。20天后,第四次演练船组总马力达到4.1万匹,这次演练解决了前三次演练中存在的遗留问题,确定了E1管节正式浮运最终方案。

首节沉管安装之前,关秋枫说:“如此大规模的沉管浮运安装,我们没有任何经验可以借鉴,只能通过反复试验、验证来积累。”

但是,模拟演练仍然无法预测所有的问题。因此,项目部把首节沉管浮运安装也视为一次试验。试验确实也出现了“小插曲”。

5月4日,当沉管沉放到海底基槽时,一个意外出现了,沉管下不去了,显然是基槽出现了新情况。潜水发现,海底预先铺设好的基槽比原来高了5厘米左右。4天前的测量现实,基槽没有问题,这是什么原因?原来,由于海底水流复杂,部分地方形成小漩涡,泥沙被带到基槽上。

针对沉放,项目部有这两套方案,一是沉管头先着陆,一是沉管尾先着陆。首节沉管最终选择沉管尾先着陆,安装的精度要更高一些。

厘米级的海底基础

首节沉管需要安放在海底基槽中,沉管能否精确安装到位,首要关键就是基础施工的质量,基础施工包括:首先海底挖掘基槽、然后抛夯厚2m的块石,再铺设1.3m厚碎石整平层。

首节沉管需要安放在海底基槽中,沉管能否精确安装到位,首要关键就是基槽挖掘的质量:足够精确。

深海开挖基槽,是一项在水下作业的“隐蔽工程”,需要挖泥船在“看不见”的海底作业,无法用“看得见”的方式去衡量和控制深度问题。

2011年4 月13日,广航局30 方抓斗船“金雄”开始了港珠澳岛隧工程第一节管节E1 段精挖,挖泥长李共平下放抓斗、挖泥、提升的过程中,船上加装的数十个与7台计算机相连接的传感器也在迅速运转。监视器上,也留下了抓斗下放轨迹和挖深数据。

这是港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道基槽实施精确疏浚的“第一抓”,也是李共平数不清的平凡一抓。每一抓的要求很简单,“下手”力度必须刚刚好,误差不能超过0.5米。

如何满足这个精度要求,在比对和试验后,广航局决定用国内自主设计建造的最大型抓斗式挖泥船“金雄”进行精挖。

“金雄”的抓斗重达110吨,斗身高近4 层楼,巨大的抓斗张开时最大宽度可达9米,一斗下去,30方的斗容量可以把一个10平方的房间都填满泥。可以想象,“金雄”的这只“巨手”只要伸到海底随便一抓,都很可能会出现一两米的误差。

 “我们用的是庞然大物,干的是‘海底绣花’的细活儿。这好比6、7级大风下,让一个干惯了重活儿的粗汉,在黑灯瞎火中拿着1 斤重的粗针,在一块巴掌大的布上熟悉地绣出各种精致的花草鱼虫,且不能出现任何闪失。”中交广航局总工程师、岛隧工程疏浚分项Ⅳ工区经理曹湘波形象地描绘出“海底绣花”的作业难度。

如何才能让“金雄”这个粗汉干好绣花细活儿?关键是要让它变得更聪明和灵活些。也就是说,要通过一些技术性改造,为“金雄”装上“慧眼”,同时还要让它的“大脑”更聪明,能灵活地指挥“大手”干活儿,这样才能彻底解决“金雄”深海作业“看得见”、“控得住”、“测得出”这三大作业难题。

2011年以来,广航局先后投入了巨资对“金雄”、“广州号”和“捷龙”等一批参与沉管隧道基槽施工的作业船舶进行了技改。“金雄精挖直接数字控制系统”(简称DDS)的研发和设备改造就是其中重要一项。

正是有了这些先进的计算机软件和设备,“金雄”才能收发自如。

“绣花”效果如何?“目前全世界最先进的10 项测量技术和设备,有一半都应用在岛隧工程基槽开挖检测中!”广航局勘察测量分公司总经理高耿明说。

2011 年5月4 日,西人工岛基槽开挖及沉管隧道基槽E1 管节段精挖通过验收。

15米海底的2厘米精度

挖出基槽后,泥土基槽显然不能让数万吨的沉管稳卧海底。因此,先要抛填块石,然后铺上碎石。前者要求坚实、不出现沉降,后者要求平整、高差不超过4厘米。
在挖泥船挖出的基槽上,5个月后,一航局开始用块石铺设隧道基槽。关键问题依然是精度控制。

建设者用抛石船向基槽精确抛石后,用噪音较小的液压锤夯实,然后铺上碎石垫层,这样就能保证沉管能够受力均匀的着床。

但是,在西人工岛岛头附近,用于铺垫碎石的大型设备施展不开,就需要人工来铺设。于是,20多名潜水员潜入15米的水底,在块石夯平的基础上铺设5道钢轨。这些钢轨就成为基槽平整度的标尺,首先要保证自身的平整精度。因此,潜水员在水底铺设,水面上的测量人员则进行布点控制。潜水作业人员在15米水深处,利用不同厚度的调节钢板,将导轨调整到设计要求的高程内。

2013年3月17日,导轨到位后,作业船通过吊筐向基床上输送碎石,潜水员再次入水,沿着导轨推动刮道来精确整平碎石。

22名山东大汉分成11组,轮换下水,他们戴上全套防护装置,还得背着一百多斤的铅块,才能潜入14米水下。然后这是异常昂贵和艰苦的作业方式,2500平方米的碎石,高低误差不得超过4厘米。

16天后,他们用双手完成了异常艰苦海底作业。期间,整平队队长张建军还要经受巨大心灵痛苦:他的双亲猝然离世。张建军咬紧牙关、镇静处理,没有让工期延误一天。

2013年4月16日,岛隧工程E1管节基床整平工作顺利完成,标志着首节管节正式具备“着床”条件。

基础设计的持续创新

在工程师们实现这4厘米精度的背后,也包含着设计师们的创新追求。

刘晓东说,港珠澳大桥5664米的沉管隧道基础设计需克服多个难题,为满足未来伶仃西和铜鼓两条航道规划的30万吨级油轮的通行要求,沉管基础最深处位于海平面下达45米,运营期由基槽内深厚回淤质引起的附加荷载远超过世界范围内既有沉管隧道,开辟了深埋情况下修建沉管隧道的先例。

首节沉管要和人工岛暗埋段精确对接,人工岛基础与隧道基础需要协调,但人工岛与首节管节荷载差异大、施工时间差异长,岸域条件差别大,沉管管节部分深埋、部分出露海床,这要求基础设计要充分考虑其中的种种矛盾。

仅仅在这一个点上,设计师一次次提出方案,论证后又一次次被推翻。目的只有一个:更准确、更可靠。

招标基础方案采用桩基础与换填砂方案,桩基础包括有嵌岩的钻孔灌注桩、钢管支撑桩、钢管减沉桩。投标阶段,中交联合体从确保安全出发,提出优化方案,仅采用了桩基础与碎石垫层组合方案,通过配置桩参数,实现纵横向的沉降控制协调合理。

这一优化主要是想让沉管基床能够刚柔并济,但显然存在难点。刘晓东收到过韩国同行的邮件:提了十几个问题,然后问中国设计师是否考虑到这些问题。但是邮件并没有给出问题的解决办法。刘晓东知道这是人家在考自己,但这也逼着他的团队不断地深入研究。

项目团队一方面进行理论分析,同时在现场展开原位试验,试验主要在两个方面展开,一项是海上现场钢管桩试桩试验,另一项是碎石垫层典型物理模型系列试验。
试验发现桩基与带垄碎石层组合的基础构造方案存在着高风险,这一发现给项目部及基础设计组每个人以沉重打击,世界级工程、各界关注、工期紧迫,如何才能在短时间内找到一个可以替代的稳妥方案?

“充满荆棘、骑虎难下。”这是当时的写照。

面对困难,项目部及设计组内部解放与统一思想,分头行动,在最短的时间内在数个可用方案中创造性地提出并确定两套备用方案,方案一是对原方案进行一些调整,改变桩基与碎石垄布置、增加注浆工艺;方案二是保留原方案的碎石垫层设置,并将人工岛岛壁下已使用的挤密砂桩方案移植到隧道,形成组合构造的基础方案。

一名外国专家对项目部提出的方案给予坚决地否定:“你的方案根本不可能实施,我永远反对这个方案,我也永远不后悔我曾经这么说。”设计团队把这个反对视为深入研究的动力,在一系列的研究、试验、模拟、现场试验之后,外国专家折服了。

“解放思想、勇于突破”,这是设计团队的心路历程。

经过多次专项技术讨论会与专家咨询会后,2012年4月16日,方案二作为施工方案被确定下来。

8.建设——第四战

1.

一个180米长的标准沉管,由8个管节拼接、由钢绞线串起来,可以做个不确切的比喻——串糖葫芦。在浮运安装中,这8个小管节组成一个刚性整体。安放到位后,剪短钢绞线,整个沉管隧道就是一个柔性整体。8个一串,就是为了尽量提高效率。

目前,安装的5个管节都是采用这样的方式来安装。根据国外的经验,国外的专家也是这样认为,这是一个正确的选择。

有一天,剪断还是不剪断这个钢绞线,突然变成了大问题。

在既有的实践和理论看来,沉管隧道分两种,一种叫刚性结构隧道,也就是整个隧道用一个或者为数不多的整体性大管节组成;一种叫柔性结构隧道,整个隧道用很多个小管节拼接起来。

刚性结构的优点是,一个整体结构不用担心漏水,但是缺点也很明显,如果出现沉降,大体积沉管受力不均匀有可能出大问题。举个例子,一个1吨重的东西十几个个人可以抬着,如果四五个人突然撒手,其他的人肯定会受不了。

柔性结构的特点是能够应对一定范围的不均匀沉降,但是因为管节多,在水底安装的工作就会很多,而且防止漏水的工作量和难度都很大。也就是说关节越多,效率越低,质量隐患就会越多。

于是,2009年,初步设计选择了这样的方案,5公里多的港珠澳大桥沉管隧道最初被设计为一个柔性结构体。一串糖葫芦安装到位之后,会剪短那个竹签。8个小管节被海水挤在一起,依靠海水压力,它们就能密闭起来,把海水挡在外面。管节之间有一定的摩擦力,能够保证它们不会错位。

但是,既有的理论和过去的实践突然被卡住了。2012年11月,在详细的施工设计中,一个致命的问题出现了,在40米的海底,沉管沉受着巨大的压力,管节之间可能会错位。项目部把180米标准管节之间的接头称为大接头,组成标准管节的小管节之间的接头叫小接头。尹海卿说,大接头小接头都存在这样的问题。

整个隧道在纵横两个方向上的地质并非均匀。管节左边和右边的地质不一样、承载力也不一样,这个180米跟下一个180米之间地质不一样、承载力也不一样。如果两个管节之间有不均匀沉降的存在,它们的接头会张开。这样一来,关节之间可能会出现错位。“摩擦力不够了,管节就会错位、漏水;或者两个管节之间出现张口,就会有大问题。” 尹海卿说。用更专业的术语来说,就是管节之间的剪力不够了。

林鸣说,既有的实践中,沉管都是用在浅埋长隧道中,也被证明了柔性沉管隧道显著的优势;出现问题,是因为港珠澳大桥隧道是一个深埋隧道。这一浅一深,原来不是量变,而是质变。浅埋沉管隧道不存在这个问题,它自身要轻一些,收到的压力也小、沉降就小,依靠管节之间的摩擦力就可以解决问题。在地基刚度下面,一吨跟十吨出现的情况是不一样的。

这需要林鸣和他的团队找到新路子。世界范围内的实践和理论只有两个,一刚一柔。林鸣说:“大家很痛苦,几乎都绝望了。”因为毕竟不能把柔性的沉管变成刚性的沉管。

2.

无路可走,林鸣提出了介于刚柔之间的半刚性结构。也就是保留小管节之间的钢绞线,甚至加强小管节之间的连接,这样就能容许一个标准管节有一定的变形,但这个变形会收到约束。

理论上是否行的通?2012年12月,在几个专门的基础实验之后,项目部正式提交报告,提出半刚性管节优化方案。听到半刚性结构,外国专家愤怒了:“你们有没有研究过沉管理论?”林鸣说,第一次提出这个概念,马上被外国专家批得体无完肤。外国专家毫不掩饰表达了他们的反对:“没有经验,你们有什么资格来创造一个新的结构?”

尹海卿说,我们的提法和欧洲传统的节段式管节的受力理论不符合。外国专家认为我们这个概念就是错误的,不成立。外国专家的看法是,设计节段式管节的目的就是要它具有柔性,你现在要增加剪力让它更具刚性,那你干脆做刚性了。“国际上通常就是这两种方法柔性管节和刚性管节,有着不同的计算机理和设计方法。他们的理论就是这样子,要么柔性要么刚性,不存在半柔半刚的说法。”

他们的实践和理论中,要么是柔性要么是刚性,不存在半刚性的问题。

实践上能否行得通?这个“半刚性”概念的出炉其实很痛苦,林鸣说:“我们内部也算不过去,整个团队信心不足,很多人说估计不行的。”

林鸣的信心和决策根据是什么?“首先,我这是被现实困难逼的没有办法的办法,因为是深埋承管,不管是刚性是柔性都有巨大的现实困难,必须要找一个半刚性的出路。”

尹海卿做了一个比喻,用一根橡皮筋串起一串积木,如果是柔性结构,橡皮筋就很细很有弹性;刚性结构就好比是橡皮筋变成钢筋,一点都不能变。半刚性介于这两者之间,我这个节段之间允许你变一下,有一定的张开,但是我这个张开是有控制的。同时我还是拉着,不能给它无限的来变形。同时,保持它始终在两个节段段面之间有一定的压力,使得摩擦力能够发挥作用,来保持相对不错位。

当然,用柔性的方案,也就是用更多的小管节来连接成整个隧道。但是在既有的合同工期范围内根本无法完成工程。

需要有人站出来,林鸣说:“我跟大家讲,如果这个不行的话,我们宁可不干。因为我采取别的形式,我们会完蛋的,我们是对历史不负责任。一定要坚持,哪怕得罪任何人、任何权威我们都要坚持。我们有大量的实验,我们认为这是解决港珠澳深埋沉管的一条科学的出路。”

从2013年开始,林鸣组织了5个平行的模拟实验。“当时我们也不敢判断我们的这个东西,我们只有把国内国外对岩土、水土、结构理解最深刻的团队找出来做模拟实验。同济大学两个团队、清华大学一个团队,还有一家日本公司、几乎设计了日本国内所有沉管隧道的公司,中交内部的公规院和四航院组成一个项目组。这五个很牛的团队背靠背做模拟试验。”

7月份, 5个背靠背小组模拟计算有了结论,都是支持这个半刚性结构是成立的。尹海卿说,五个模拟计算是收敛的,误差在20%以内。

林鸣有了信心。“对于这样一个非常复杂的东西,我让这么多单位同步去计算,我们将结构分析介绍之后,他们回去以后分头按照各自的理解去做模型计算。这几家单位算出来的东西,都是支持半刚性结构是成立的。如果你是一个错误的判断,5个计算结论一定是五花八门的,可能方向都是反的。但是如果是一个正确的东西它一定要收敛的。”

2013年9月19日,在交通运输部一个高规格的专家论证会议上,专家最后统一了“半刚性结构”方案。对林鸣来说提出半刚性的概念,似乎就是一个灵感、一个瞬间的创造。但是这是多少个通宵和数不清的讨论之后迸发的灵感。

林鸣说:“前期参与的国内国外专家都感觉到,其实这个地方是由风险的,现在我么遇到这个问题了,如果我们不调整优化,那风险太大了,这就逼着我们去研究。这个过程当中痛苦,大家几乎就绝望了,突然找到一个出路,问题迎刃而解。这可能就叫灵感。”

这一灵感将在第九节沉管的安装中体现。

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