行業(yè)資訊編者按：10月8日，超級工程港珠澳大橋海底隧道完成了首節(jié)曲線段沉管E 33的安裝，這是從東人工島安裝的第一節(jié)沉管。至此，港珠澳大橋海底隧道實現(xiàn)了與東人工島的成功對接。這是全世界首個工廠化預制的曲線段沉管，外海安裝毫無經(jīng)驗可循，中國交建港珠澳大橋島隧項目團隊自主創(chuàng)新，攻堅克難，經(jīng)過近兩年的籌劃，1年的科研，半年多的施工準備，成功攻克了曲線段沉管安裝的世界級難題。
E33沉管浮運拖航中
10月8日，港珠澳大橋島隧工程E33沉管安裝到位。
這項工程的基本概念是，在珠江口構筑兩個人工島，然后在這兩個人工島之間，用33個巨大的混凝土管子，次第對接起來形成一個近6公里的海底隧道。兩個人工島分別向東西兩個方向通過橋梁連接陸地。
此次安裝的E33沉管，是從東人工島出發(fā)的第一個大管子。海底隧道實現(xiàn)了與東人工島的成功對接。此前，中國交建項目團隊已經(jīng)從西人工島出發(fā)，依次安裝了28節(jié)沉管。也就是說，海底隧道有4860米已經(jīng)貫通。最深處，在海底40多米。
為了這節(jié)沉管的安裝，中國交建港珠澳大橋島隧項目經(jīng)過近兩年的籌劃，1年的科研，半年多的施工準備。
為什么要從東島開始安裝
港珠澳大橋海底隧道由33節(jié)巨型沉管拼接而成，全長5664米，第1節(jié)沉管與西人工島相連接，E33沉管接東人工島。2013年5月，沉管從西往東依次安裝，到今年7月，中國交建建設者完成了28節(jié)沉管安裝。那為什么不緊接著安裝第29節(jié)沉管呢？
每一節(jié)沉管高度有11.4米，考慮到沉管傾斜、波浪等因素，浮運過程必須要求水深超過14米。如果按照順序依次對接，在第29節(jié)沉管安裝完成后，第30節(jié)沉管必須從第29節(jié)沉管頂上經(jīng)過。而第29沉管頂上水深只有14米，非常接近沉管浮運要求的極限值，這樣就會存在擱淺或碰撞的極大隱患。因而，選擇安全的方式就需要從E 33沉管倒著由東向西安裝后面五節(jié)沉管。
2013年5月3日，港珠澳大橋島隧工程第1節(jié)沉管和西人工島精準對接。12米的海底，這個重5.4萬噸、長135米、寬38米、高11米的超大鋼筋混凝土沉管，與一個已經(jīng)澆筑在人工島中的鋼筋混凝土管節(jié)嚴絲合縫地對接在了一起。
第1節(jié)沉管安裝，中國交建項目團隊在海上連續(xù)工作了96個小時。這96個小時中，安裝團隊絕大多數(shù)成員幾乎沒有休息。巨大的壓力，讓總指揮、中國交建總工程師、中國交建港珠澳大橋島隧項目總經(jīng)理林鳴甚至沒時間打個盹。
為什么？因為這是中國土木工程界第一次組織外海大型深水沉管隧道施工，第1節(jié)是第一次中的第一次。
三年后，他們要再一次面對巨大沉管和人工島的精準對接。過往的經(jīng)驗難道不能讓他們胸有成竹？
中國交建港珠澳大橋島隧項目部副總經(jīng)理尹海卿說：“第1節(jié)沉管和西人工島的對接安裝，我們花了96個小時取得了成功，但安裝過程讓我們以最直接的方式體驗到了沉管安裝的巨大風險，安裝后的評估也讓我們意識到沉管隧道安裝還有很多沒有完全認知到的領域。 ”因此，在E33沉管和東人工島的精準安裝對接中，他們必須充分考慮所有的風險并提出預案，補齊認識短板。
更重要的是，第1節(jié)沉管和E33沉管從結構本身都有著巨大的差異，東西兩個人工島和沉管對接的水文環(huán)境有著巨大的差異。所有的工作需要根據(jù)這兩個差異來分頭展開。
曲線段沉管
在兩年時間里，沿著全面創(chuàng)新的邏輯，針對5節(jié)近800多米的曲線段沉管攻關，中國交建項目團隊艱難地推進。
沉管隧道在世界各地已有廣泛應用。但是，由于周圍環(huán)境和水陸空交通的要求，港珠澳大橋島隧工程成為了世界上第一個深埋沉管隧道。為確保工程120年壽命，所有沉管在一個巨大的工廠制造。
尹海卿說，沉管工廠預制在全球已有很多先例，但是E33沉管是世界上第一個采用工廠預制法的曲線沉管。最難的問題是，彎曲的8萬噸沉管如何頂推、拖運，最后實現(xiàn)安裝。
8萬噸的巨大沉管，在工廠預制過程中，通過192個千斤頂頂起來放在四條軌道上面；制成后，通過千斤頂沿著軌道頂推出車間，并通過浮力進入一個巨大的水塢。曲線沉管是一個重心偏移的結構，預制過程中，頂推力的控制難度很大。首先在頂?shù)倪^程中，不同位置的千斤頂?shù)淖饔昧Σ灰粯樱ㄟ^不斷地設計驗證千斤頂?shù)淖饔昧Γ瑏泶_保沉管保持在一個水平狀態(tài)。“如果某個地方頂力超過或者不足，就會造成沉管重心的偏移，反過來其他地方會形成超負荷或者作用力不夠。”尹海卿說。
在推動沉管移出工廠的過程中，推力的控制也是個難題。“如果是個直線管節(jié)，我們只要保持兩邊的推力平衡，就可以讓它沿著軌道直線前進。但是現(xiàn)在我們要讓這個曲線管節(jié)沿著直線前進，兩邊的推力就不能相等，要找到這個平衡作用力就很難。”尹海卿表示。如果是很小的構件，找一個支撐點拉著它往前走就可以了，但這是個8萬噸的大家伙，根本沒法通過一個點或者一個千斤頂讓它動起來。多個千斤頂?shù)膮f(xié)調(diào)就是個復雜的問題。
尹海卿反復在講沉管的“姿態(tài)”，這意味著什么？8萬噸、180米的沉管，在整個浮運安裝過程中，最理想的姿態(tài)是橫平豎直，也就是能夠保持水平狀態(tài)、沿著直線行走。但這是一個重心偏移的結構，在水中漂浮就完全可能出現(xiàn)傾斜、蛇行。為了確保浮在水中，還要通過在沉管內(nèi)部加水或者減水的方式來控制。一旦加了水，重心會更加不穩(wěn)定。在海底安裝對接，對沉管“姿態(tài)”的控制精度要求是厘米級。所有這些，都需要從理論到試驗到實踐的全流程論證。
早在兩年前，設計團隊就開始了曲線段沉管的研究計算。設計師呂勇剛博士表示，我們圍繞這個曲線沉管組織了5個專題，一次次論證、一次次調(diào)整，持續(xù)了兩年多。在他看來，沉管預制的精度控制是個大難題。呂勇剛說：“180米長的沉管由8個小節(jié)組成，每個小節(jié)之間的設計偏角很小，在預制中要準確設定，如果一個偏角控制不好，100多米出去的時候，偏差就會放大，失之毫厘差之千里，就是這個意思。 ”
據(jù)介紹，隧道的曲線半徑是5500米，通俗來講，就是用5個管節(jié)共36個節(jié)段拼一段5500米半徑的圓弧。曲線段的制造、浮運安裝涉及到模板改造、鋼筋籠綁扎、頂推設計、浮運拖航、纜力布置、姿態(tài)調(diào)整等多個環(huán)節(jié)，如果一個管節(jié)控制不好，就可能會讓整個隧道的曲線半徑發(fā)生變化。曲線管子生產(chǎn)出來了，如何才能安全浮運，精準對接又是大難題，項目部圍繞曲線段沉管安裝、測控工藝研究，編制專項施工方案，并進行管節(jié)安裝模擬推演和管節(jié)“姿態(tài)”控制方法研究。圍繞施工環(huán)境、人員、設備等關鍵要素，項目總部開展了三個階段的風險辨識評估，對九項重大風險、近上百個風險點進行全面分析、補充和完善，逐一排查，制定了相應的措施和方案，并組織開展了5次沉管沉放演練。
復雜洋流帶來的矛盾
早在2015年10月，針對E33沉管與東人工島的對接安裝工作，項目部就開始了深入研究。
首先是風險排查。中國交建建設團隊用了兩個月的時間確定了風險報告，并在這一年年底組織專家會進行討論。
風險因素找到之后，就要尋找解決方案。排查和分析聚焦的第一個重大問題是東人工島島頭復雜的水流。2016年初，項目部委托南京水利科學院針對E33沉管安裝建立數(shù)模，來深入研究水流。相比此前第1節(jié)沉管安裝的物理模型，數(shù)字模型對解決問題能夠提供更為深刻的參考。
相比西人工島，東人工島附近的水流流速更大，因此“挑流”會更加嚴重。 “挑流”造成的結果，就是流速加大。巨大沉管的精準安裝，必須要在水流流速比較低的情況下實現(xiàn)。或者說，沉管安裝有一個水流流速的限制。
另外，西人工島與沉管對接形成的軸線，與水流方向是一個正相交，而東人工島和沉管對接形成的軸線，與水流方向是一個斜相交。正是這個斜相交，使得安裝過程中沉管“姿態(tài)”的控制變得異常復雜。
控制水流成為解決問題的根本手段。在數(shù)模分析和論證之后，項目部正式把設立導流堤作為控制安裝區(qū)域水流的方案。2016年6月，導流堤建成，小區(qū)域內(nèi)水流控制效果明顯。
但是，另一個問題馬上浮出水面。
珠江口伶仃洋的洋流時時刻刻都攜帶著大量的泥沙順流而下，泥沙淤積和水流沖刷形成了一個平衡。而東人工島島頭水流流速的降低，則讓泥沙開始迅速淤積。
港珠澳大橋沉管隧道要安裝在水底事先挖掘清理出來的深槽之中。每一節(jié)沉管安裝之前，都要仔細清理深槽中淤積的泥沙，來保證每一節(jié)沉管精準對接、滴水不漏。而E33沉管安裝位置泥沙的過快淤積，不利于沉管的精準安裝。
此前每一節(jié)沉管安裝之前，專用的大型清淤船能夠迅速完成任務，讓清淤和安裝的周期變得很短。但由于水深和島頭的限制，大型清淤船沒有了施展身手的空間。部分深槽的清淤工作只能采取效率更低的人工清淤來完成，這使清淤和安裝的周期變長。
水流流速和泥沙淤積的矛盾會導致什么問題呢？沉管安裝要在風平浪靜的情況下進行，臺風是沉管安裝的頭號敵人。能否在40天前就對海洋環(huán)境作出精準預報？這是一個不可能完成的任務。
2016年7月12日，第28節(jié)沉管安裝成功后，項目部開始準備E 33沉管基床處理，并計劃9月?lián)駲C安裝。清淤過程中，今年4號臺風“妮妲”在40公里遠的地方路過，不僅讓之前的所有清淤工作白費一場功夫，新的淤積讓項目部又忙乎了整整一個月。因此，安裝被一再推遲。
艱難的決策
由于沉管基床的整平清淤周期大大延長，港珠澳大橋島隧工程賴以決策的氣象預測保障系統(tǒng)可能失去作用，因為誰也無法預測40天之后會不會有臺風來臨。
2016年是厄爾尼諾年。一月至八月，沒有一個臺風光臨中國大陸，八月份以后，一個連一個的臺風來臨。巨大的工期壓力，讓中國交建建設者不得不和臺風賽跑。9月已經(jīng)因為臺風影響錯過了一個安裝窗口，項目部決定十月上旬安裝E33沉管。
E33沉管碎石基床需綜合采用陸上人工鋪設、水下潛水員人工鋪設和整平船鋪設等多種施工方式，其中水下潛水員鋪設面積達2500平方米。2016年9月，20多名潛水作業(yè)人員戴上全套防護裝置，背著100多斤的鉛塊，潛入14米水下作業(yè)，開始了異常昂貴和艱苦的工作。他們首先在海底放置導軌，高程誤差嚴格控制在正負5毫米之間；再用長度9.5米的刮刀實施精確平整，進行碎石墊層鋪設填補，實現(xiàn)“去高補低”，以達到高差小于4厘米。經(jīng)過20多天的海底作業(yè)，才順利完成水下基床整平鋪設工作。
國家海洋預報中心的專家10月3日再次來到建設現(xiàn)場。10月4日沉管安裝決策會上，專家提出，氣象云圖發(fā)現(xiàn)，新的臺風正在形成；并且7、8、9日三天很可能會出現(xiàn)在珠江口。
怎么辦？如果不安裝，就會再錯失一個窗口期如果臺風在施工區(qū)域登陸，前期的基床整平清淤可能會被掃蕩，E33沉管的安裝可能要推遲至12月。如果安裝過程中臺風登陸，將會是一個不堪承受的災難。尹海卿說：“糾結，糾結得要死！ ”
最后的決策會上，林鳴要求所有的參會人員表態(tài)，要不要把握這個窗口期。10月4日、5日、6日，項目部一直在開會。最后，大家的共識是，只要有一絲的希望，我們就要抓住這個窗口。每個人都清楚，如果沒能把握住這個寶貴的作業(yè)窗口，沉管安裝計劃將被打亂，隧道貫通、大橋通車的目標就將受到影響。
10月6日，2016年19號臺風“艾利”正式編號。7日凌晨5點，E33沉管被拖出塢區(qū)，在10多艘海事警戒船的護衛(wèi)下，12艘大馬力拖輪拖航著E33沉管啟程出發(fā)。林鳴和他的團隊也知道，19號臺風正在穿過菲律賓北部向北而來。
在浮運過程中，現(xiàn)場決策組及時跟進臺風“艾利”的路徑和影響，經(jīng)過8個多小時的浮運，E33沉管抵達東人工島島頭安裝區(qū)。正當現(xiàn)場決策組下達沉放指令時，東島島頭海域遇到了強烈的波浪影響，現(xiàn)場風力達到了5級。這是一個驚心動魄的等待，直到8日凌晨兩點，E33沉管才正式開始沉放。
經(jīng)過26個小時的連續(xù)作業(yè)，在完成千斤頂拉合、水力壓接后，10月8日清晨7點20分，E33沉管與東人工島島頭成功對接。經(jīng)貫通測量，沉管軸線、標高、縱坡完全滿足設計標準。
尹海卿說，沉管對接之后，第一件事情是趕緊讓安裝船撤離，“逃，逃出去！”幸運的是，雖然19號臺風的路線異常詭異，但竟然在一個“安全距離”之外的地方停下來打轉。中國交建項目團隊快速完成E33沉管鎖定回填，并順利將安裝船拖回到了沉管預制廠深塢內(nèi)。
E33安裝成功，勝利的喜悅
