港珠澳大桥创下多项第一 “两岛一隧”铸就世界工程奇迹

更新时间:2021-06-13 16:47:41 作者:钟晨 阅读:12

海上搭积木 海底穿针线

港珠澳大桥创下多项第一 “两岛一隧”铸就世界工程奇迹

陈治家、李妍

在大海上建两座10万平方米的人工岛要多久?中国建桥人的答案是215天。从2011年5月15日到2011年12月7日,120个钢圆筒一步一步在风浪不息的伶仃洋上,圈出了两座岛,从设计到施工,这样的建岛方式在全球尚属首例。这并不是港珠澳大桥岛隧建设上唯一的世界第一;为了建设海底隧道,施工方建设了全球首例深埋沉管隧道;为了对接34个隧道结构,数万吨沉管在13米至44米不等的水深处进行无人对接,误差控制在2厘米内,被喻为“海底穿针”。一个个这样的工程奇迹,造就了港珠澳大桥的顺利完工。

文/广州日报全媒体记者陈治家、李妍(署名除外)

港珠澳大桥究竟是怎样建成的?港珠澳大桥管理局副局长余烈将其简洁形象地概括为“海上搭积木”。由于大桥主体工程集桥、岛、隧于一体,面临诸多世界级技术挑战,包括海中快速成岛、隧道基础处理与沉降控制、隧道管节沉放对接、大规模工厂化制造、海上埋置式承台施工、水下结构止水等。港珠澳大桥管理局总工程师苏权科介绍说,来自全国各地的上千位工程建设精英参与攻关300多项科研项目,自主研发,打破国外技术壁垒,多项技术走在世界前列,用智慧和汗水浇筑了这一举世瞩目的超级工程。

突破革新:

打好岛隧建设第一战

港珠澳大桥沉管隧道是中国第一条外海沉管隧道,也是目前世界上规模最大的公路沉管隧道和世界唯一的深埋沉管隧道。建设这条海底沉管隧道,不仅需要在松软地基上建成当今世上最长、埋深最大的海底沉管隧道,还要在水深10余米且软土层厚达几十米的深海中建造两个人工岛,实现海中桥隧转换衔接。决定岛隧命运的第一战,就是要以最快速度在海中建起两个离岸人工岛。

这两个10万平方米的人工岛,如果按照传统抛石填海的方法,不仅工期长,而且在通航繁忙的伶仃岛航道附近水域安排大量船舶施工,安全风险极高。而且这里正是中华白海豚的主要栖息地,一旦开挖,对它们生存环境的污染将不可避免。

“如果按照传统办法,也可以完成任务,但工期就难保证。所以一定要找条出路。”从项目筹备开始,建设团队在总工程师林鸣的带领下寻找一个全新方案,在尽量少用船舶、简化工艺的情况下解决在深海筑岛的难题。“要实现环保、确保质量、确保工程进度,就要考虑大型化、标准化、预制化。”林鸣说。

在一次技术交流会上,一个奇思妙想闪过林鸣的脑海——用大直径钢圆筒围成人工岛。简单来说,就是以大的钢圆筒止水围岛,岛内填入砂料并加固地基,圆筒外再用混凝土块体等加固防护,最后,坚实的人工岛“拔海而起”。

这灵光一闪,打通了整个岛隧工程难题的出路。然而,这样一个史无前例的创新工艺,在国内外根本没有规范和经验可以参考,严谨起见,新方案提出后,项目部特意邀请全国工程勘察设计大师王汝凯做钢圆筒建岛不成立的反向研究,主要包括钢圆筒的稳定计算理论、钢圆筒筒体结构设计、振沉技术及振沉工艺、止水方案等。经过三个月的研究,结论是大圆筒快速成岛施工方法是可行且有效的。

沉管隧道:

重量相当于33艘中型航母

港珠澳大桥沉管隧道是目前世界上唯一的深埋沉管隧道。而外海沉管隧道核心技术和话语权一直掌握在少数几家外国公司手里。一开始,为稳妥起见,林鸣曾请了欧洲一家顶级沉管隧道技术公司的专家到现场,在对方表示需要增加一年工期和十多亿元咨询费后,林鸣决定自己干。

在快速成岛的同时,项目团队在珠海牛头岛建起了世界最大的沉管预制厂。从2012年5月管节预制开工,到2017年3月,两条生产线花了五年多的时间,浇筑出33个巨型沉管和一个最终接头。

据了解,每个标准沉管长180米,宽37.95米,高11.4米,重约80000吨,是迄今为止世界最大的沉管,排水量超过一艘中型航母。要把这么些庞然大物拖运在海里安装,显然又是一个世界级挑战。林鸣说,浮运沉放作业要靠天吃饭,珠海年均三次台风、冬季季候风给这项工作带来了很大困难。首次沉放是2013年5月2日开始的,施工团队在没有成熟经验可借鉴的情况下,经历了连续96小时不眠不休的攻坚,最终完成沉放安装,为后续作业积累了宝贵经验。

另外,港珠澳大桥海底隧道巨大的沉管对地基的处理又是一个世界级难题:一旦地基不结实,后果不堪设想。为了避免海底不稳定的淤泥对于隧道铺设的影响,建设者们要先在海底给这些巨型沉管建条“轨道”。第一步就要清理海底深厚的淤泥,之后开挖一条基槽并用碎石铺设基床。然后将一节节巨型沉管在“轨道”上精准对接,并在两侧和上部回填碎石。  “这里的海底表面淤泥含水量高达50%~60%,石头基本都陷在泥汤里。”林鸣说,在40多米深的海底,挖一条误差不能超过2厘米的基槽,就像在海底“绣花”。在一个个世界级难题被攻克后,当时开出天价咨询费的欧洲公司后来特意邀请林鸣去做交流,并在公司升起了中国国旗。

200多天建成两座10万平方米人工岛

从2011年5月15日在西人工岛打下第一个钢圆筒,到2011年12月7日东人工岛第120个钢圆筒振沉完毕,最终200多天内,两个10万平方米的离岸人工岛横卧在伶仃洋面上,以这么快的速度在海中开敞水域筑成两个10万平方米的人工岛,在世界上也属罕见,堪称奇迹。

两个人工岛建设共用了120个直径22.5米、高40.5米~50.5米、重达500吨的钢圆筒,以及242个副格,最大入土深度达29米,每个钢圆筒都相当于一栋高层住宅楼。“工欲善其事,必先利其器”,要想把巨大的钢圆筒深插入海底,必须要有配套的振沉设备——岛隧工程采用8台APE600液压振动锤联动振沉系统,这又是世界首创。通过这些创新技术,两个10万平方米的人工岛在215天内即完成岛体成岛,比传统抛石围堰工法施工效率提高近5倍,且最大限度地减小了对海洋环境的污染。

林鸣说,在岛隧建设中,项目技术团队先后研发出“快速成岛工艺、半刚性沉管结构、复合地基处理、深水深槽沉管安装施工”四项核心技术。

如何保证隧道滴水不漏?

港珠澳大桥海底隧道与陆地隧道最大的不同之处就是四周都是海水。为此,沉管隧道采用世界上最为可靠的防水措施,目前,已经经受了4年考验,滴水不漏。

说到市民对海底隧道漏水的担忧,港珠澳大桥管理局总工程师苏权科称,在海底隧道施工设计时就考虑了多道控制措施。首先是防止海水倒灌入人工岛,设计时,首先把人工岛挡浪墙的标准按照三百年一遇的海浪标准设计。加上人工岛面标准高度比平均水位高4.5米至5.0米,整个挡浪墙比现在的水位高8米左右,相当于三层楼高。为了防御“漏网之水”,设计师还在人工岛内设置了环岛排水与越浪泵房,及时将越过挡浪墙的海水抽到大海。“有了这两个设施,就可以完全将海水控制在隧道洞口之外。”

此外,为了控制住雨水入隧,分段设置截水沟。首先,在隧道东、西岛洞口外斜坡处及暗埋段口段各设置几道横向截水沟,收集隧道敞开段的路面汇水,并通过洞口雨水泵房提升排放。其次,在沉管隧道路面低侧设置纵向排水边沟,以疏排运营期消防水、冲洗废水等,并通过隧道W形纵坡二处最低点设置的废水泵房,提升外排。“层层设卡,可确保海水和雨水都进不了隧道,且废水得以有效排放”。

除了做到了滴水不漏,这条40多米长的海底隧道的温度常年保持在26℃左右,而且通风良好,光线柔和,行驶在其中可谓“如沐春风”。而且隧道内的手机通讯信号正常,可以享受4G上网。

(广州日报全媒体记者陈治家)

隧道内发生火灾怎么办?

港珠澳大桥海底隧道分左右两个行车洞,中间有一个服务管廊,三者之间各自封密相互独立,互不干扰。该隧道的最大功能就是控制风险,出发点是以人为本,便于逃生救援。

海底隧道消防救援设施由众多系统构成,包括火灾报警系统、消防设备联动控制系统、消防灭火系统、隧道通风排烟系统、救援与疏散系统、供水管网设施、相关配套系统。火灾发生时根据火灾规模及现场实际情况,各系统按预定紧急预案启动,进行火灾扑救及现场救援。

海底隧道每个行车洞头顶两边的消防管道上,每隔两三米就有一个智能自动消防喷头,一旦隧道内的温度、烟雾达到一定的监控标准,智能消防喷头会第一时间自动打开灭火。“隧道防火设计考虑了主动防火和被动防火两种方式。”苏权科说,主动防火包括手提式灭火器、“泡沫+水喷雾”等消防系统;被动式防火系统主要是指结构防火保护,整个隧道的主体结构耐火极限温度为1200℃、持续2小时。

中间服务管廊每隔67.5米安装了3个一组的电动排烟阀,一旦发生火灾并出烟雾时,监控感应系统就会通过电脑指令打开就近的电动排烟阀,通过人工岛上的大型轴流风机抽出;隧道内人员可及时拉开常闭式安全门进入安全通道,进入人工岛安全区域。此外,为了防止隧道火灾发生,该项目在设计时禁止危险品车辆驶入隧道。

在东西人工岛及港珠澳大桥桥头管理区,都设有交通、消防救援力量,其中在西人工岛上的医疗急救站,一旦发生事故救援力量均可第一时间赶赴现场。如果海底隧道内发生事故,救援力量在3分钟内就能到达,桥面上发生事故,最快5~7分钟内也能赶到,第一时间进行救援。碰到严重伤亡事故,在第一时间急救后,根据事发地距离远近,除了桥上及时派出急救人员,还采取就近原则,将伤员送往港珠澳三地医院治疗。

(广州日报全媒体记者陈治家)

创新篇·隧道

一、深埋沉管隧道

1.管节工厂化制造

33个沉管管节全部采用工厂化生产,在距离隧道轴线约7海里的桂山牛头岛预制厂中预制,然后整体拖运到工程现场进行沉放。两条管节生产线集成了目前世界上最先进技术和装备:大型自动化液压模板、混凝土搅拌及供应系统、混凝土温控及养护系统、管节顶推系统,有效解决了大断面复杂构件混凝土浇筑所面临的质量控制和效率难题。

2.隧道基础处理

沉管隧道穿越外海深厚软基区域,大规模采用挤密砂桩地基加固技术和复合地基,依靠自主研发的大型装备,对基槽开挖、清淤、基床铺设等关键工序进行高精度控制,目前监测结果显示效果良好。

3.半刚性结构体系

在港珠澳大桥沉管隧道建设之前,沉管隧道结构体系分为整体式管节和节段式管节。节段式管节(长度一般在120米~180米)的节段之间无刚性连接,从受力体系上称为柔性管节。港珠澳大桥沉管隧道在柔性管节的基础上保留预应力索受力,增强节段间的刚度,使管节的整体刚度介于整体式管节和节段式管节之间。半刚性结构体系是世界沉管隧道首次提出并应用。

二、沉管浮运安装

单个管节体量巨大,且浮运线路位于伶仃洋最繁忙的通航水域,每天有超过4000艘船舶经过,操控难度极大。需精确预测气象、水文条件施工窗口,并实施海上临时交通管制和护航,采用8艘大马力全回转拖轮协同作业。配置深水无人沉放系统的国内首条安装船,通过信息技术和遥控技术实现管节姿态调整、轴线控制和精确对接。

三、防灾减灾

针对沉管隧道防灾救灾,港珠澳大桥管理局专门组织开展了隧道结构防火和消防救灾1:1足尺模型试验。通过试验研究,在隧道顶部设置了防火板,在隧道内设置了温感、烟感、红外等多种火灾探测设备,设置了纵向通风射流风机和重点排烟的轴流风机,设置了泡沫自动水喷淋灭火设施。

创新篇·人工岛

海中人工岛快速成岛

人工岛建设采用深插式钢圆筒围护快速成岛工艺,并首次采用8台APE600液压振动锤联动振沉系统。钢圆筒共120组,单个直径22.5米,高40.5米~50.5米,重约500吨,最大入土深度达29米。通过该创新技术,两个10万平方米的人工岛在215天内即完成岛体成岛,比传统抛石围堰工法施工效率提高近5倍,且最大限度地减小了对海洋环境的污染。

建桥铁军创下多项世界第一

1.最长的跨海大桥:全长55公里,是世界上最长的跨海大桥;设计使用寿命120年,打破了世界上同类型桥梁的“百年惯例”。

2.最长的钢结构桥梁,港珠澳大桥仅主梁钢用量就达到42万吨,相当于10座鸟巢或者60座埃菲尔铁塔的重量。

3.最长的海底沉管隧道:海底隧道深埋部分长5664米,由33节钢筋混凝土结构的沉管对接而成,是世界上最长的海底沉管隧道。

4.最大断面的公路隧道:港珠澳大桥珠海连接线的核心控制性工程——拱北隧道是世界上最大断面的公路隧道;采用双向六车道设计,全长2741米,由海域人工岛明挖段、口岸暗挖段以及陆域明挖段三种不同结构的隧道连接而成。

5.最大节沉管:每个标准沉管长180米,宽37.95米,高11.4米,重约80000吨,是迄今为止世界最大体量的沉管;沉管浮在水中的时候,每个标准管节的排水量约75000吨,而辽宁号航母满载时的排水量也只有67500吨。

6.最精准“深海之吻”:数万吨沉管在海平面以下13米至44米不等的水深处无人对接,对接误差控制在2厘米以内,被喻为“海底穿针”。

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