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港珠澳大桥背后的“大连元素”

海力网 来源:海力网 2018-10-24 09:41:06

大连理工大学校友讲述建设的艰辛与传奇

港珠澳大桥开通仪式10月23日上午在广东珠海举行。港珠澳大桥跨越伶仃洋,东接香港,西接广东珠海和澳门,总长约55公里,是粤港澳三地首次合作共建的超大型跨海交通工程。在庞大的港珠澳大桥项目团队中不乏大连理工大学校友的身影,他们脚踏实地、勤勉创新,攻坚克难,砥砺前行。几位亲历港珠澳大桥岛隧项目的大连理工大学校友,讲述了港珠澳大桥建设中的艰辛与传奇。

攻坚:成功实现“深海初吻”

每节沉管重量相当于一艘航母

港珠澳大桥岛隧工程项目包括东、西两个人工岛、中间的海底隧道、沉管隧道以及一小部分连接桥,“港珠澳大桥岛隧项目是整个港珠澳大桥的控制性工程,技术难度最高,投资份额最大,它的工时也控制着整个港珠澳大桥项目的工时。”港珠澳大桥岛隧工程项目总经理部副总经理、常务副总、大连理工大学水利系海洋石油建设工程专业1983届校友尹海卿介绍。

2013年5月6日,港珠澳大桥西人工岛与首节隧道沉管完美实现首次对接,这被誉为“深海初吻”,难度系数堪比“天宫一号”对接。随着“初吻”的完美实现,中交四航设计院副总工程师、港珠澳大桥岛隧工程设计负责人、该校土木系港口及航道专业1991级校友梁桁一颗悬着的心终于落了下来。

港珠澳大桥的海底沉管隧道长5664米,由33节巨型沉管拼接而成。这些沉管每节长180米,近四层楼高,隧道内宽可达双向六车道,重量近8万吨,相当于一艘重型航空母舰,是目前世界上最大的沉管。

“典型的三边工程”

2010年,梁桁的设计团队接到任务:设计港珠澳大桥桂山沉管预制厂,采用工厂法预制沉管,即在工厂内完成每节沉管预制,安装时直接将预制好的沉管拖运至指定位置完成对接即可。“所有人对这任务都一脸茫然。航空母舰那么重的沉管怎么预制?”据梁桁介绍,此前世界上只有一个工厂法预制沉管的先例,发生在厄勒海峡通道沉管隧道的建设中,“但那个沉管的断面尺寸要比我们的小很多,两者根本没有可比性。那时候,我们手上只有一本介绍性的英文参考文献The Tunnel,里面有不到30页关于预制工厂的介绍。”梁桁将这项任务形容为“典型的三边工程”,即边勘察边设计边施工。从工程建设上看,沉管预制是整个沉管隧道建设的前提和基础,“如果沉管预制不出来,就没有后期的安装和对接,所有人的目光都聚焦在工厂。”这对工程师们的技术和心理考验可想而知。

“沉管预制厂主要面临两大挑战,一是要形成流水线作业模式,二是需要应对频繁登陆的台风。”梁桁团队根据工程特点、建设地址的地形地貌、周边自然约束等因素找出了一个最适合桂山牛头岛的工厂总平面布置。

梁桁带领团队从2010年底开始研讨、设计,经过反复勘察、论证和实验,到2011年底,沉管预制厂的土建工作基本完成,建成了约2.7万平方米的厂房,中间为两条生产线,各具备3个独立的钢筋绑扎台座和浇筑台座,侧翼为其相对应的钢筋加工区。底板、侧墙、顶板的钢筋经加工后在横向和纵向两条流水线上被送至对应的绑扎台座,实现了流水线式的工厂化预制施工模式。“在这之前,外国专家预估预制厂的建成需要三年时间。”

成功实现对接“流水线作业问题解决了,接下来要解决的就是怎么安全存放预制沉管的问题了。”桂山岛处于外伶仃洋,平均每年遭遇台风登陆1.5次,常规做法是在外海建设环抱式防波堤以形成避风港,但桂山岛外海处有厚达20多米的软土地基,这使得防波堤的建设成本成为天文数字。此外,桂山岛处于白海豚核心保护区,环保上的要求也不允许大规模海工建设。在此情况下,梁桁团队深入研究牛头岛现状,仔细斟酌和反复权衡,大胆提出了在岛内石场现有的巨大采石坑基础上进一步扩大深坞,使其具备同时寄放4个管节能力的深坞布置方案。“由于管节在岛内寄放,必要时还可以关闭深坞门,因此即便外海风高浪急,坞内水域依然波澜不兴,管节安全得到了很好的保障。”

从2010年底到2012年初,这座投资约10亿元,历时14个月的沉管预制厂建成投产,是目前世界上最大的“现代化”沉管预制工厂。

2013年5月2日,进行了一年多的沉管预制工作到了首次接受检验的时候了,首节沉管E1管节要被运送至西人工岛暗埋段实现海底对接。“这将是历史性的一刻,也是对我们此前工作的检验,心情很复杂,像古时候的秀才进京赶考。”梁桁直言自己的忐忑与紧张。经过96小时的精密操作,E1管节圆满完成出坞、浮运、安装等环节,成功实现对接。

兴奋过后,梁桁又继续投入了其他管节的预制安装工作,“33个管节,每个都有自己独有的问题,每个都要具体问题具体分析,哪一个都不能掉以轻心。”梁桁笑称,“从这个角度来讲,每一次都是第一次,我们一直都在走钢丝,我们一直都在攻坚克难。”

挫折:两次返航三次安装

回淤超标,沉管回撤

E15管节的两次返航与三次安装是所有港珠澳人绕不过的话题和记忆,提到挫折,提到印象深刻,亲历港珠澳大桥的大工人尹海卿、梁桁和高纪兵都不约而同地谈到了这节历经曲折而最终成功安装的特殊管节。“在安装沉管之前,需要在水下先铺设一个碎石基床,从碎石基床开始铺设到安装沉管之前,基床上的泥沙淤积厚度不能超过4厘米。”港珠澳大桥岛隧工程项目总经理部副总工兼总工办主任、该校土木建筑学院交通土建专业1996级校友高纪兵介绍,“在前14个管节的安装中出现过回淤现象,但没有超标的。”

2014年11月15日,E15节沉管从预制厂经过十几公里浮运到达安装现场,安装前潜水员再次潜水检查,带来了坏消息:基槽泥沙持续增多,回淤超标。

整个团队在监控室经过了漫长、纠结的讨论,“如果终止安装,就意味着要重新铺设基床、回拖沉管,这给工程带来了很大的进度压力和经济损失,但另一方面,如果不顾回淤的存在而继续安装,隧道后期漏水是一定的,120年使用期也很难保证。在进度、经济和工程质量三者之间,大家最终选择了严把质量关:终止安装,沉管回航。”

11月17日,E15沉管正式回撤。将已经出坞的巨型沉管重新拖回坞中,他们在作业海区顶着五六级大风以及超过1米高的海浪条件下返航。约7海里的航程,回航编队小心翼翼地走了24小时,E15沉管毫发无损地被拖回沉管预制厂深坞区。这在世界沉管建设史上并没有先例。

再次返航,有人当场落泪

“E15回坞直到第二次出航是我最焦虑的时期,时间非常紧迫,压力非常巨大。”梁桁坦言,因为深坞区寄存空间是一定的,E15返航存放就意味着不能继续生产其他管节,工厂基本处于停工状态。而如果长期停工,就会导致大量工人离职。“这些工人都是从2011年12月就开始培训的,他们熟悉流程和每一道工序,如果他们流失了,后续沉管的预制质量就会无法保障!”

“沉管回坞后,我们立刻组织了包括气象、海洋、泥沙等领域专家会诊,采取排除法,同时使用卫星遥感测量、多波束扫描、水体含沙量实时监测以及大型三维泥沙数值模拟等高科技手段,最终得出结论:上游的采砂造成了突淤。”据高纪兵介绍,广东省政府全力协调各方利益关系,果断决定:为确保港珠澳大桥顺利施工,立即停止采砂。

2015年2月24日,E15管节回航4个月后,再次出征。沉管即将达到安装区时,收到最新消息:E15沉管碎石基床尾部突然发现2000平方米的淤积物,泥沙厚度达到八九十厘米。

分析认为,当第一次出现回淤后,施工人员清理了基床槽底的淤泥,而基槽边坡上也覆盖了一层厚厚的回淤物,当回淤物受到外力扰动后发生了雪崩般的“塌方”。“遇到这样大面积的泥沙回淤,只能再次返航。”回想当初的场景,梁桁仍难掩失落,E15沉管的第二次回拖现场海风呜咽,气氛凝重,甚至有人当场落下热泪。

两次返航的深刻教训对工程提出了新的要求:建立一套回淤预警预报系统。经过攻坚克难,梁桁带领团队实现了回淤预警从宏观到微观、从长期到短期以及微量化的创新,保证了此后每节沉管安装前的回淤预警预报。

在创新手段的护航下,2015年3月24日,浮运船队携E15沉管第三次踏浪出海,在40多米深的海底与E14沉管精准对接。

创新:沉管结构设计世界首创

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,所有沉管结构只有刚性和柔性两种。“刚性结构好比一块长条积木,而柔性结构好比将小积木块拼接成积木条。”高纪兵形象地比喻,但现有工程记录显示,这两种结构体系沉管隧道都是浅埋隧道,沉管回填及覆土厚度约在2~3米;而港珠澳大桥隧道是世界上唯一深埋沉管隧道,最深沉放水下44.5米,上有20多米覆盖层,超过浅埋沉管5倍的荷载。“如果采用传统的结构体系,沉管结构得不到安全保障。”

面对问题,国外权威隧道专家给出“深埋浅做”的两个解决方案,其一是在沉管顶部回填与水差不多重的轻质填料,这需要增加十多亿元人民币投资,工期也将延长;其二是在120年运营期内控制回淤物厚度,进行维护性疏浚,维护费数十亿元人民币。

这样昂贵的代价让中国工程师心有不甘,经过近一年的攻坚克难,他们在刚性结构的基础上提出了半刚性结构的概念,“如果还用积木举例子,就相当于用小积木块拼成积木条的同时,在每两节积木块中间用松紧带连接起来,让它们实现既分离又相互间有联系。”高纪兵介绍,这能有效增强深埋沉管的结构安全性。

半刚性结构理念一提出就遭到了国内外诸多同行专家的质疑,最终,他们邀请国内外6家专业研究机构进行“背对背”分析计算,研究论证结果趋同,证明“半刚性”是从结构上解决沉管深埋的科学方法,最终得到了各方面的一致认可。从此,世界百年沉管结构的工具箱除了已有的“刚性”“柔性”之外,还增加了“半刚性”的新成员。

这是大国工匠精神,也是尹海卿、高纪兵、梁桁在采访中一致提到的“大工人的特质”。毕业16年,提到母校,高纪兵的第一反应依然是“晚自习每个教室都人满为患,去晚了就没位置了。”在尹海卿看来,经过大工浓厚学习氛围的熏陶,大工人好学、踏实、勤勉、钻研的特质业已溶入血脉基因,成为大工人共同的特质,也成为大国崛起中各行各业先锋精英的共同特质。

金小渝  半岛晨报、海力网记者辛敏娟

[编辑:栾晓婷]
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