《水運建設(shè)信息》 科技創(chuàng)新
關(guān)鍵技術(shù)的堅強后盾——港珠澳大橋島隧工程專家組工作回顧
“世紀(jì)工程”港珠澳大橋已通車營運3個月，集橋、島、隧、路為一體的超大型跨海大橋，擁有眾多世界第一或世界前列的榮譽，像一本大部頭科技創(chuàng)新教課書。在這背后，除了建設(shè)者們“摸著石頭過河”的勇氣，更有交通運輸部港珠澳大橋?qū)＜医M對于關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新的堅強保障。
“快速成島、斜坡段地基加固、沉管的拋石基床、半剛性管節(jié)結(jié)構(gòu)、E15管節(jié)回淤、沉管最后接頭等，島隧工程每一項重大技術(shù)難題的攻破，都是經(jīng)過了專家組的反復(fù)論證，并由我簽字確認(rèn)！”盡管時隔多年，對于一些關(guān)鍵技術(shù)的突破，作為部港珠澳大橋?qū)＜医M島隧組組長的交通運輸部原總工程師、中國水運建設(shè)行業(yè)協(xié)會常務(wù)副理事長徐光，仍然記憶猶新。
鋼圓筒快速成島 工期節(jié)省兩年
記者了解到，為了這項重大工程的如期建成，自大橋開工之日起，交通運輸部就成立了由副部長馮正霖為組長的港珠澳大橋?qū)＜医M。建設(shè)中一旦遇到技術(shù)難題，部專家組都會評估、論證，給出中肯意見和建議。部專家組下設(shè)橋梁和島隧專家組，其中島隧專家組由王汝凱、梁德章、鐘建馳、陳韶彰、王彰貴、李一勇、曹根祥、曹湘波、盧永昌等15人組成，都是水工施工和設(shè)計、海事、海洋、氣象等領(lǐng)域的專家。
島隧工程一開始，島隧專家組就遇到了“快速成島”問題。
“如果當(dāng)初不采取快速成島方案，大橋2017年全線貫通是肯定無法實現(xiàn)的！”徐光表示。
據(jù)介紹，港珠澳大橋在跨越伶仃洋時，橋梁變隧道穿過深海，而要鋪設(shè)沉管隧道，首先要快速“種”出兩個人工島。原設(shè)計是采用拋石斜坡堤成島方案，即用塊石堆成水下10米、水上5米共15米高的拋石斜坡堤島壁。雖然技術(shù)難度不大，但工程量超大，工期需要2年半到3年。
面對緊迫的工期，快速成島是必選項，而創(chuàng)新是必由之路。部專家組和港珠澳大橋島隧工程項目部（簡稱項目部）都想到了施工速度很快的鋼圓筒方案。專家組成員、中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司總工程師盧永昌告訴記者，在此之前中國交建曾經(jīng)在長江口有過“不成功案例”，從中積累了經(jīng)驗，同時美國的振沉設(shè)備也有了較大的改進和提升。
“項目部做了很多探索后，項目部總經(jīng)理林鳴專門到北京找我，當(dāng)時我是交通運輸部總工程師。聽了他的匯報后，我認(rèn)為方案原則上可行，但要解決好3個主要問題。”徐光表示，首先是振沉問題，就是怎么把鋼圓筒打下去；其次是穩(wěn)定性問題，需要用幾種計算方法進行驗證；再次是做好止水，以便開挖基坑形成干施工環(huán)境。
后來項目部通過努力，解決了3個主要問題，但還有很多細(xì)節(jié)，又召開專家會討論：比如50多米長的鋼圓筒從上海運到珠海，有十幾層樓高的“大家伙”需要立著，運輸時駕駛臺都看不到前面，防范運輸風(fēng)險是個難題；振沉?xí)r，需要保證振沉的垂直偏差小于1%等。這些都事先進行了周密研究和部署。
最終，東、西兩個人工島的120個鋼圓筒施工非常順利，實現(xiàn)了“當(dāng)年開工當(dāng)年成島”，工期縮短一年半到兩年。
認(rèn)真處置每個環(huán)節(jié) 沉管隧道滴水不漏
人工島開局順利，后續(xù)沉管隧道地基處理、預(yù)制及運輸安裝等，橫著諸多“攔路虎”。
“大橋的沉管隧道之所以能穿越深海而滴水不漏，在于對地基和管節(jié)結(jié)構(gòu)等方面都進行了大量創(chuàng)新。”徐光說。
據(jù)介紹，沉管隧道是由33節(jié)管節(jié)水下安裝拼接而成，每個管節(jié)180米長、40米寬、12米高，形成雙向6車道通行環(huán)境。防水，是沉管隧道的生命線，而要做到滴水不漏，必須先從地基開始，把地基的不均勻沉降降到最低。因為一旦沉降不均勻，沉管施工完成后就容易錯位而導(dǎo)致管節(jié)和節(jié)段處漏水。
然而，這里的海床恰恰是軟土，最易導(dǎo)致不均勻沉降。
“我國第一條海上沉管隧道，一定要質(zhì)量可靠。”徐光表示。
西島島頭斜坡段（E1—E5節(jié)沉管處）地基特別軟，必須水下加固。原設(shè)計方案是在這片區(qū)域內(nèi)打入9000多根鋼樁。這么多的樁，而且樁頭要在水下形成斜坡，施工起來無異于海底繡花。加上地基軟硬度不同，打樁的疏密也不同，更難協(xié)調(diào)。
怎么辦？又是專家組開會研討。
會議開了很多次，討論非常激烈。最后決定采用盧永昌提出的擠密沙樁方案，就是在軟土地基里插管子后灌沙子，邊灌邊夯實沙子形成密實的沙樁，以解決地基沉降及穩(wěn)定的問題。
然而，由于國外技術(shù)封鎖，項目部采購的施工船，關(guān)鍵部件樁頭及計算機控制系統(tǒng)都被拆掉。后來，項目部決定自己開發(fā)。開發(fā)出來后，還不放心，在陸地現(xiàn)場做了載荷試驗，并采取水下預(yù)先施加比實際荷載更大的壓力，以便把差異沉降減到最小。這在國內(nèi)是首次使用。
國外海底隧道施工，在開挖好基槽后鋪上一層碎石就安放沉管了。為了把不均勻沉降量控制得更好，項目部提出要在地基和碎石層之間增加一個塊石層。
“在征求我的意見時，我說加了肯定好。但是45米水深，如何整平、夯實？”徐光說，經(jīng)過技術(shù)探討、專家咨詢，最終采用液壓錘來整平、夯實，效果很好。施工完成后，在沉管和海底軟土地基之間加入一層“硬殼”，有效控制了不均勻沉降。這也是國內(nèi)第一次使用。
地基風(fēng)險排除了，管節(jié)結(jié)構(gòu)型式又傷腦筋。
世界上沉管隧道所用沉管，有剛性和柔性兩種。剛性的適合硬質(zhì)地基，柔性的適合軟土地基。港珠澳大橋地基軟，自然只能選擇柔性的。然而，按照原設(shè)計和國際慣例，180米管節(jié)做成8個22.5米節(jié)段，安裝時把節(jié)段用預(yù)應(yīng)力鋼筋連接，安裝之后將鋼筋剪斷，讓管節(jié)變“柔”。
但是，剪斷后的管節(jié)太“柔”了。這里有兩個特殊情況：一個是軟土地基太軟，另一個是沉管上有大回淤。上面有重壓，下面地基軟，容易產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致節(jié)段接頭張開量過大漏水。
能不能折中？即保留節(jié)斷之間的鋼筋，形成半剛性管節(jié)，既允許在管節(jié)接頭處有一定的張開量，又幅度有限。據(jù)介紹，交通運輸部專家組提出來這個概念后，國內(nèi)有關(guān)專家最初都懷疑其可行性，負(fù)責(zé)大橋咨詢的荷蘭咨詢公司更是堅決不同意。后來，經(jīng)過專家組幾輪討論，并請有關(guān)單位分別計算，都認(rèn)為可行。但還需要征得咨詢方荷蘭咨詢公司的確認(rèn)。
“為了讓他們接受，我和荷蘭專家單獨談了2小時，耐心地向他解釋、分析。他們也很贊同，但就是搖頭不簽字！”徐光說，“后來項目部請荷蘭方面按照我們提供的計算模型驗證后，才最終確認(rèn)。”
這種半剛性結(jié)構(gòu)，等于給沉管隧道再加了一道防水安全砝碼。
正式安裝時，沉管浮運安裝風(fēng)險高且不可逆，讓大家非常謹(jǐn)慎。試想，8萬噸的沉管，要在15層樓高的水下安裝，且誤差小于6厘米，談何容易？就是吊一個磚頭從15樓往下定位6厘米都難，何況這么個“大家伙”，還是在水流、海風(fēng)的共同作用下。
所以，每浮運安裝一個管節(jié)，項目部都會召開專家會，分析環(huán)境、氣象、水文、設(shè)備甚至人員風(fēng)險，每次都列出一兩百條風(fēng)險并分等級，排查、評估，提出管控措施。
在安裝到E10節(jié)時，發(fā)現(xiàn)偏差超過6厘米，達到9厘米多，項目部立即停止施工，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是管節(jié)水下晃動導(dǎo)致安裝偏差，最后研發(fā)了管節(jié)姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，解決了管節(jié)水下姿態(tài)監(jiān)控的難題。
到了最終接頭時，又遇到麻煩。若采用傳統(tǒng)方法，不僅工效低、而且安全風(fēng)險大，工期至少半年。國外專利又不能用，最后研發(fā)了液壓推進整體可逆式最終接頭，一天就可以完成安裝，且極大地降低了水下施工風(fēng)險。
“研究之前，也是專家組給出了基本概念，由項目部深化研究而成的。”徐光說，就這樣發(fā)現(xiàn)問題后，立即研究技術(shù)對策，一步一步往前走，確保了沉管隧道的順利安裝和滴水不漏。
不斷探索深化 成就“世紀(jì)工程”
“8年了，我不用翻本子，都能記得干了些啥，因為每一次技術(shù)難題的探索，都是那樣刻骨銘心！”徐光說。
徐光介紹，其實專家組對現(xiàn)場關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新的認(rèn)識也有一個不斷深化的過程。對現(xiàn)場出現(xiàn)的重大技術(shù)難題，尤其是修改原設(shè)計的技術(shù)創(chuàng)新，有的是提出概念，有的是評估技術(shù)方案，并就如何進一步深化、完善，注意哪些風(fēng)險等提出咨詢，與項目部共同探討，一次不行，就兩次、三次，直到問題解決為止。同時，島隧專家組成員是固定的，保持了工作的連續(xù)性。
“島隧工程實際上是水工工程，專家組之所以能提出意見、建議，很大程度上是憑借多年來積累的水工工程實踐經(jīng)驗，實踐經(jīng)驗對大橋關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新發(fā)揮了重要作用。”徐光說。
給沉管基床增加塊石層，也是基于重力式碼頭的實踐。這是重力式碼頭常用的方案，就是在地基上先做塊石層，再做碎石層，最后安放沉箱形成碼頭主框架。在港珠澳大橋?qū)嵤┖螅Ч芎谩?/p>
還有在西島島頭斜坡段實施的緊密沙樁方案，是基于在上海港洋山港區(qū)的試驗。緊密沙樁是國外軟土地基處理很有效的技術(shù)，徐光在國外參觀時了解后，請技術(shù)人員來國內(nèi)進行技術(shù)交流，并在洋山港區(qū)建設(shè)中做了試驗段。
最終接頭方案的概念，是受升船機對接方式的啟發(fā)，經(jīng)過深入研發(fā)形成的自主創(chuàng)新技術(shù)。概念提出后，前后經(jīng)過3年多時間論證、驗證，從概念到結(jié)構(gòu)，再分析細(xì)節(jié)，再做1∶1模型現(xiàn)場進行演練，非常穩(wěn)妥后才實施。
“在港珠澳大橋建設(shè)前后8年的時間里，每次開現(xiàn)場會前我都會認(rèn)真看材料，開會時認(rèn)真聽匯報。在聽取各方意見后，綜合提出專家組意見，最終形成會議紀(jì)要。”徐光說，擔(dān)任這一重大工程的技術(shù)專家尤其是島隧專家組組長，有挑戰(zhàn)更有壓力。每提出來一個方案或意見，是否科學(xué)、完善，會不會出現(xiàn)風(fēng)險等，都得仔細(xì)權(quán)衡。而每到現(xiàn)場完成一項技術(shù)創(chuàng)新時，都很有成就感。
在徐光看來，這一偉大工程的順利完工，首先在于項目部有著把工程做到完美、做成優(yōu)質(zhì)工程的認(rèn)真態(tài)度，對專家組的意見、建議，都認(rèn)真組織研究；其次，專家組高度負(fù)責(zé)任，把質(zhì)量和安全風(fēng)險放在第一位進行指導(dǎo)、咨詢。再加上其他多方的共同努力，最終成就了這一偉大的“世紀(jì)工程”。
