港珠澳大桥标注中国工程建设新高度

从开工那一刻起,港珠澳大桥就在连续创造“世界之最”。这座东连香港,西接澳门、珠海的跨海大桥,全长超过50公里,是继三峡工程、青藏铁路之后,我国又一重大基础设施项目,也是中国桥梁建筑史上技术最复杂、环保要求最高、建设标准最高的“超级工程”。

港珠澳大桥设计施工中,全长超过7公里的岛隧工程是整个项目的控制性工程,负责这一工程设计施工的是中国交通建设集团。7年里,岛隧工程项目总工程师林鸣带领几千人团队,相继突破了深埋沉管、快速成岛、隧道基础、外海深槽安装等一系列世界难题,为中国工程建设标注了全新的高度。

在海底铺上“席梦思”

“虽然有建设跨江隧道的历史,然而,来港珠澳之前,我们对海底沉管隧道十分陌生,能找到的资料只有薄薄的一本书,零星见过几张沉管隧道施工的现场图片。”中交港珠澳大桥岛隧工程项目副总工程师高纪兵说。

根据设计,大桥隧道工程要在伶仃洋海面40多米深处开挖一条5664米的海底隧道基槽,海下最大挖深达48.5米,误差不超过0.5米。由于港珠澳大桥地质环境是厚软土地基,且厚度在30~50米,这使得沉管基础沉降控制变得非常困难。

“沉管隧道为什么漏水?归结到底,都是基础出了问题。”林鸣解释说,近8万吨重的沉管铺在上面,基础如果做不好,后果不堪设想。

经过无数次工法比选、理论计算和试验验证,大桥的工程师们创新一种新的复合地基+组合基床的基础方案,在沟槽的基床底部加铺一层2至3米的大块石并夯平,其上再用碎石整平。工程师们笑称,这是给海底沉管铺上“席梦思”。

为了铺好“席梦思”,今年39岁的工程师冀晋和他的抛石夯平班组在“振驳28”号抛石夯平船上整整奋战了43个月、1291天。洋流、台风、回淤、设备损坏,甚至船上极度单调枯燥的生活,都给他们带来极大的挑战。2016年1月25日,冀晋他们最终完成了世界上首例深海基床块石抛填和夯平工程。

事实证明,整个岛隧工程中,运用组合基床的部分,隧道的沉降都控制在5厘米以内,这比合同约定20厘米的沉降标准超出数倍。

33根沉管连结滴水不漏

根据设计方案,港珠澳大桥海底沉管隧道由33根巨型沉管组成,每节管道长180米,宽37.95米,高11.4米,单节重约8万吨。这些沉管采用工厂法预先制成,为此,大桥建设者用14个月在外海荒岛建成了世界最大的沉管预制厂,并创下了浇筑百万方混凝土无一裂缝的世界奇迹。

把跟航母一样重的沉管浮运至施工现场,并准确沉放在海地50米深已经铺好的基床上并与前一个沉管实施精确对接,其难度和挑战可想而知。

负责沉管浮运安装施工的岛隧项目副总工程师王强说,风向浪高、海底洋流、泥沙、海水密度,每一个参数的变化都会直接影响沉管对接。

即使在世界范围内,沉管隧道尚没有100%不漏水的纪录。然而,港珠澳大桥隧道在世界范围类似机构中,第一次做到了滴水不漏。

在沉管对接过程中,最终接头无疑是“画龙点睛”的一笔,负责最终接头设计的工程师李毅告诉记者,为了实现毫米级的精度要求,他们用了3年时间,从方案的提出、细化、完成,“做到每一个参数能说得清楚”。

今年5月2日22时许,经过10余小时的吊装,重达6000吨的最终接头像“楔子”一样被精确安装在海底28米深的E29和E30两节沉管之间,将海底隧道连为一体。从2013年5月第一节沉管安装完成,历时4年,大桥建设者先后攻克深水深槽、大径流、强回淤、曲线段等世界难题,创造了“一年十节”的中国速度。

逼出来的创新

沉管隧道被定义为浅埋隧道,沉管回填及覆土厚度约在两米,为满足伶仃洋海域水运要求,港珠澳大桥隧道沉管需埋到海床以下20多米。

然而,自1928年人类工程史上修建第一条钢筋混凝土沉管隧道以来,沉管制作的“工具箱”里只有刚性和柔性两种方法。港珠澳大桥岛隧工程总设计师刘晓东介绍说,“刚性结构好比一块长条积木,而柔性结构好比乐高小块积木拼接的积木条”。工程师们通过大量计算分析发现,在20多米的覆盖层下,采用传统的刚性或柔性结构体系,沉管结构安全都得不到保障。

2012年11月17日凌晨,刘晓东收到林鸣的一条短信:“尝试研究一下半刚性。”他所提出的半刚性结构设想,是保留甚至强化串起小管节之间的钢绞线,加强小管节之间的连接,使180米长、由8个小节段连接而成的标准管节的变形受到更大的约束,增强深埋沉管的防错位能力。

设计团队用30多天完成《半刚性沉管结构方案设计与研究报告》,为了证明“半刚性”结构,工程师们又邀请国内外6家专业研究机构进行“背对背”的分析计算,从模型试验及原理上验证“半刚性”结构。最终,这一创新结构设计得到各方一致认可。

经过两年努力,总长5.6公里,由33节、每节重7万多吨的沉管连结而成的港珠澳大桥海底隧道沉管部分全线贯通,大桥建设者用最低的花费,把“半刚性”结构由构想变成现实。

“中国工程师的创新是被逼出来的,甚至是痛苦的”,回忆那一段煎熬的日子,林鸣感慨道,大桥设计之初,他们曾与一家掌握沉管隧道施工核心技术的外国公司商谈合作,这家公司开出的咨询费高达1.5亿欧元,并且,施工过程及时间节点均由对方掌控。

外国公司的技术保护、技术壁垒与技术歧视,激发了中国工程师自主创新的决心。在港珠澳大桥岛隧工程建设过程中,新技术创新有64项,包括深埋沉管、快速成岛、隧道基础、工厂法预制沉管、外海深槽沉管安装等一系列工程难题,为世界海底隧道工程技术提供了新知识与新样本。