行業(yè)資訊科技日?qǐng)?bào)：兩島一隧道，跨越伶仃洋——“超級(jí)工程”港珠澳大橋的創(chuàng)新力量（下）
“人工島+海底隧道”的設(shè)計(jì)，目前世界上只有丹麥、瑞典間的厄勒海峽大橋等少數(shù)案例，中方能借鑒的資料非常少。建港珠澳大橋，為什么一定要修海底隧道？港珠澳管理局工程管理部部長(zhǎng)李江告訴記者，大橋位于的伶仃洋海域，是繁忙的港口、航線(xiàn)，為了不影響香港、澳門(mén)的機(jī)場(chǎng)航線(xiàn)、珠江口航道，并且考慮到控制珠江阻水率等多方面需求，建海上隧道成為必然選擇。
從“航母”出港，到海底“穿針”
修隧道，常用的方法是使用盾構(gòu)機(jī)，然而這項(xiàng)相對(duì)更成熟的技術(shù)在港珠澳大橋這里卻行不通。“我們?cè)O(shè)計(jì)的海底公路隧道，因?yàn)榭紤]到雙向行車(chē)，寬度要達(dá)到37.95米，而采用盾構(gòu)技術(shù)挖隧道，單一直徑最多只能達(dá)到15米左右。另一方面，盾構(gòu)鉆探設(shè)備一旦遇到硬石卡在海里，取出時(shí)可能破壞海洋環(huán)境。而且，最先進(jìn)的盾構(gòu)技術(shù)在德國(guó)，用盾構(gòu)，就意味著我們必須受制于人。”
根據(jù)伶仃洋海域“厚軟基”“大回淤”的實(shí)際情況，工程團(tuán)隊(duì)決定采用沉管法。李江告訴記者，所謂“沉管”，就是將隧道分成若干個(gè)預(yù)制段，在工廠(chǎng)中制好后分別浮運(yùn)到海面上，一個(gè)接一個(gè)地沉放安裝在已疏浚好的基槽內(nèi)。
“在教科書(shū)上，沉管隧道是被定義為淺埋隧道，這種方法較多應(yīng)用于城市隧道建設(shè)，目前世界上在水下建沉管隧道的，多數(shù)都只在河床下兩三米，在外海水深45米槽深30多米的地方做沉管隧道，國(guó)內(nèi)外尚屬首次。”
全長(zhǎng)5.6公里的沉管隧道被分成33個(gè)管節(jié)，每個(gè)管節(jié)長(zhǎng)180米，高11.4米，寬37.95米，排水量達(dá)到7.2萬(wàn)噸，相當(dāng)于一艘巨型航母。這些體量龐大的沉管，是如何被制造出來(lái)的？在牛頭島的沉管預(yù)制廠(chǎng)里，記者親身感受了一把“巨型流水線(xiàn)”的工作流程。
成噸的鋼筋根據(jù)彎曲、筆直等形狀進(jìn)行分類(lèi)加工，再通過(guò)起重機(jī)被調(diào)往綁扎區(qū)組成“骨架”，經(jīng)傳輸軌道頂推到混凝土灌澆區(qū)按模板灌澆。港珠澳大橋管理局總工辦主任陳越告訴記者，相當(dāng)于航母噸位的管節(jié)，在澆筑完畢后，會(huì)被整體頂推到一個(gè)淺塢內(nèi)，關(guān)閉塢門(mén)，向塢內(nèi)灌水，浮力作用下沉管被拖移到了側(cè)面的深塢。類(lèi)似船舶過(guò)船閘一樣，排水開(kāi)門(mén)，“航母”被纜繩牽引到塢口，浮運(yùn)到沉放地點(diǎn)，注水之后，它會(huì)像潛水艇一樣沉入海底。
這是國(guó)內(nèi)首次、世界上第二次采用工廠(chǎng)流水線(xiàn)預(yù)制沉管管節(jié)，預(yù)制廠(chǎng)的規(guī)模、預(yù)制管節(jié)的尺寸，均屬世界之最。重8萬(wàn)噸、長(zhǎng)180米的沉管，要浮運(yùn)七八海里，下沉到40多米的海底精確對(duì)接。工程團(tuán)隊(duì)將沉放管節(jié)形象地比作“海上穿針”，“而且是在惡劣環(huán)境中穿針”。
這項(xiàng)工程的技術(shù)難點(diǎn)在于，外海的氣象和環(huán)境條件等影響因素非常復(fù)雜，如何基于現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行集成創(chuàng)新，確定海上復(fù)雜條件下不同沉放階段的測(cè)量定位方法、建立滿(mǎn)足工程精度要求的管節(jié)沉放測(cè)量定位體系，是項(xiàng)目的技術(shù)難點(diǎn)。
依托科技支撐計(jì)劃中的“外海厚軟基大回淤超長(zhǎng)沉管隧道設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目，對(duì)長(zhǎng)大管節(jié)海上寄放、浮運(yùn)和沉放施工的技術(shù)難題開(kāi)展攻關(guān)。此后的一年多時(shí)間里，工程團(tuán)隊(duì)結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新了包括外海浮運(yùn)和沉放過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力、穩(wěn)定性分析及氣象窗口預(yù)報(bào)與穩(wěn)定性控制技術(shù)，復(fù)雜水流波浪條件下管節(jié)沉放過(guò)程測(cè)量定位體系，長(zhǎng)大管節(jié)海上寄放、浮運(yùn)河沉放的施工工藝等新技術(shù)。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還以沉管隧道基礎(chǔ)、抗震、接頭、管節(jié)的浮運(yùn)與沉放、深水碎石整平等相關(guān)課題研究成果為基礎(chǔ)，編寫(xiě)了沉管隧道的設(shè)計(jì)與施工指南，為以后的工程提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
截至2016年7月13日，海底隧道最后一節(jié)直線(xiàn)段管節(jié)成功安裝，僅剩的5節(jié)曲線(xiàn)段管節(jié)預(yù)計(jì)將很快全部安裝完畢，屆時(shí)，工程的難點(diǎn)項(xiàng)目海底隧道將實(shí)現(xiàn)貫通。
海上波濤滾滾，隧道滴水不漏
想要讓6.7公里長(zhǎng)的沉管隧道，在海底“不滲不漏”，33個(gè)管節(jié)之間的銜接尤為關(guān)鍵。滿(mǎn)足120年設(shè)計(jì)使用壽命的沉管隧道OMEGA止水帶，就是保證管節(jié)銜接“不滲不漏”的核心，這個(gè)產(chǎn)品，也是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在科技計(jì)劃的支持下，自主創(chuàng)新的結(jié)晶。
止水帶，相當(dāng)于管節(jié)之間的“接合部”。“就像一個(gè)‘大膠圈’，兩節(jié)沉管完成對(duì)接之后，要在止水帶之間做抽真空處理，以作水力壓接。”港珠澳管理局總工辦副主任柴瑞向記者解釋。
高水壓下的止水帶設(shè)計(jì)，此前這項(xiàng)技術(shù)一直被荷蘭某公司壟斷。高昂的價(jià)格、僅100年的使用壽命，無(wú)法滿(mǎn)足工程120年使用壽命的基本需求。
“為了不受制于人、節(jié)約成本，我們決定自主研發(fā)掌握這項(xiàng)技術(shù)。”南車(chē)集團(tuán)湖南株洲時(shí)代新材料科技有限公司和中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司共同承擔(dān)起這項(xiàng)艱巨任務(wù)。
柴瑞告訴記者，科研攻關(guān)的難點(diǎn)之一在于選擇什么樣的橡膠材料。目前國(guó)內(nèi)外用于止水帶產(chǎn)品的橡膠材料，主要有天然橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠、三元乙丙橡膠幾種。選擇哪種更合適？通過(guò)大量的對(duì)比試驗(yàn)和可靠性分析計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)終于確定，氯丁橡膠的綜合性能最佳，研發(fā)出符合高水壓下120年使用壽命要求的高性能橡膠材料OMEGA止水帶，經(jīng)驗(yàn)證，其材料性能要優(yōu)于國(guó)外同類(lèi)材料。
在課題的研究成果驗(yàn)收會(huì)上，這項(xiàng)“填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白”的成果被與會(huì)專(zhuān)家給予了高度評(píng)價(jià)：“成本低，質(zhì)量好，目前已經(jīng)成功應(yīng)用于我國(guó)的隧道，能保障接頭性能。這在國(guó)內(nèi)是首創(chuàng)，在全世界也處于先進(jìn)水平。”
止水帶的技術(shù)突破并非個(gè)案，在科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目的牽引下，一個(gè)個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)始終走在自力更生的創(chuàng)新之路上。世界最大尺寸的高阻尼橡膠隔震支座，支座承載力約3000噸；厚度僅有380微米的長(zhǎng)效防腐涂層，比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)縮小了1/3；自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)，能承受40多米深的水下復(fù)雜環(huán)境的荷載，保證120年不被海水中氯離子滲透腐蝕……一個(gè)又一個(gè)建橋過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)在產(chǎn)學(xué)研結(jié)合中被中國(guó)人自主攻下。2015年12月11日，科技部在珠海組織專(zhuān)家對(duì)“港珠澳大橋跨海集群工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范項(xiàng)目”進(jìn)行總驗(yàn)收，14位專(zhuān)家組成員一致對(duì)項(xiàng)目給予了高度評(píng)價(jià)：技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先。
“科研支撐計(jì)劃的實(shí)施，充分突出了企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新中的主體作用，鼓勵(lì)企業(yè)、高等院校和研究機(jī)構(gòu)之間的合作創(chuàng)新，由企業(yè)牽頭或有企業(yè)參與，聯(lián)合研發(fā)了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新產(chǎn)品。”科技部有關(guān)負(fù)責(zé)人這樣評(píng)價(jià)。
發(fā)表于《科技日?qǐng)?bào)》8月28日頭版
