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科技托起桥梁界“珠峰”

2017-12-25 13:40:00|来源:经济日报|编辑:薛维萌 |责编:韩东林

  

  港珠澳大桥青州航道桥采用了“中国结”元素,造型优美。佘惠敏摄

  

  港珠澳大桥管理局总工程师苏权科介绍港珠澳大桥的规划图。佘惠敏摄

  全长55公里的港珠澳大桥,被誉为桥梁界的“珠穆朗玛峰”,是世界上最具挑战性的超级工程之一,也是世界最长跨海大桥。作为连接香港、珠海、澳门的超大型跨海通道,港珠澳大桥集桥、岛、隧于一体,形如巨龙,卧波穿海,通车后,三地车程将由3小时缩短至半小时。

  自2003年起,全国先后有200多家科研单位、上千名科技工作者为这项工程开展了300多项科研攻关,累计投入近5亿元,创建工法逾40项,获得发明专利逾百项,发表论文逾500篇。“国家重点科研力量的支持,为港珠澳大桥的顺利完工提供了有力支撑。”港珠澳大桥管理局总工程师苏权科介绍,与目前国际上已建成的跨海桥隧交通集群工程相比,港珠澳大桥的工程规模和建设难度是最大的。

  从2009年12月开工至今,港珠澳大桥主体工程已全线贯通,年底前将具备通车条件。在这个最后冲刺阶段,经济日报记者现场探寻这座超级工程背后的高科技密码。

  跨海架钢梁

  作为世界上用钢量最大的桥梁,港珠澳大桥仅主梁钢板用量就高达42万吨。建设者把钢全部变成钢组件,再运到现场拼装起来

  港珠澳大桥主体工程包含22.9公里主体跨海桥梁及6.7公里的沉管隧道。当记者坐上汽车,从珠海洪湾这端驶上大桥,感受到的是双向六车道的平坦通畅。这座前后都望不到头的大桥上,建有3段斜拉桥,分别是“风帆”“海豚”“中国结”造型,寓意深远。

  作为世界上用钢量最大的桥梁,大桥仅主梁钢板用量就高达42万吨。“这相当于10座鸟巢或60座埃菲尔铁塔的重量。”苏权科说,建设者把这42万吨钢全部变成钢组件,再把它们一件件运到现场拼装起来,就像小朋友搭积木一样。

  搭积木体现了大桥施工的“四化”理念:通过“大型化、工厂化、标准化、装配化”施工,把粗糙的土木工程变成精密制造、精密安装,满足工程质量、工期和安全的需要。

  搭积木,要先做出积木构件。港珠澳大桥的巨型组件,许多是采用我国自行设计生产的大型装备来建造。为建造大桥而建设的巨型厂房,就坐落在大桥附近区域,一个个数千吨乃至上万吨重的构件——包括桥墩、桥塔、海底沉管等,就是在厂房内由大型自动化设备流水线生产出来,之后由巨轮运往现场,再采用大型吊装或沉放设备进行安装。

  港珠澳大桥管理局副局长余烈告诉记者,天地间“搭积木”的技术难度大,涉及主体结构、人工岛建设、大规模工业化制造、水下结构止水技术、海上装配化埋置式承台施工等诸多方面,为此,国家科技支撑计划从2010年起启动了“港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究与示范”项目,涉及大桥建设各项难点,发挥了科技支撑作用。

  港珠澳大桥还是国内第一次采用机器人焊接的钢桥。港珠澳大桥管理局副总工程师柴瑞介绍,钢桥焊接时,钢材料在不均匀的加热和冷却收缩后,会产生很大的自身应力。“所以我们采用多头焊接机器人来实现均匀焊接。多头焊机同时焊接,避免了冷热不均,消除因焊接工艺产生的内部应力。”

  “搭积木”式大桥建设中,曾出现过高度达106米、重量超3000吨的钢塔在海上“空中转体90度”再以高精度安装的精彩场面,是国内外建桥史上前所未有的壮举。“如果不是国家的整体科研和装备实力进步到了现在的水平,这样的整体设计是不可能完成的。”苏权科说。

  沉管接长隧

  水下近50米建设深埋沉管隧道,在国际上被视为“技术禁区”。对此,建设者开展15大类、136项专题研究,突破了许多世界性难题

  汽车驶过主体跨海桥梁后,就到了西人工岛,在岛上,汽车从地上钻入地下,穿过6.7公里的海底隧道,再从东人工岛钻出地面,就能驶上大桥香港段。

  这一段岛隧工程,是港珠澳大桥的关键。由于此地海空航运繁忙,大桥要满足30万吨级巨轮通行需求就得建高,要满足附近机场航班降落限高需求又得建矮,因此不得不沉入海底,搭建深埋沉管隧道成为这一段工程的最佳选择。

  港珠澳大桥岛隧工程建设前,海底沉管隧道关键技术一直掌握在少数发达国家手中,技术引进或合作的代价极其高昂,且部分技术对我国施行封锁。

  水下近50米建设深埋沉管隧道,在国际上被视为“技术禁区”。沉管隧道建设的技术研究成为科研攻关的重中之重。隧道关键技术课题负责人徐国平介绍,岛隧工程项目自2010年年底成立以来,总计开展15大类、136项专题研究,在外海快速筑岛、沉管隧道设计施工、工厂法沉管预制、外海沉管浮运安装、深水沉管隧道最终接头、专用设备研制方面取得了重大突破。

  我国首创了外海大直径深插钢圆筒快速筑岛技术。海底隧道的入口和出口是东西两座人工岛,每座都相当于3个足球场大小。按传统围堤筑岛工艺需3年成岛,将对海域环境造成严重影响。而按新技术方案,一次性把直径为22米的120个巨型钢圆筒插入海底,在中间填土一次成岛,中国人创造了221天筑成两岛的世界工程纪录。

  港珠澳大桥的岛隧工程还是世界首例深埋沉管,我国技术人员创造性地提出“半刚性”沉管新结构,与国外专家提出的“深埋浅做”方案相比,节省了工期,节约投资约10亿元,并且做到了沉管接头不漏水。

  水中的沉管隧道由33节钢筋混凝土沉管管节及1个钢壳混凝土最终接头组成,单节沉管管节标准件重达7.6万吨,这些沉管在海底环境对接安放,难度堪比航天器交会对接。

  “深埋属于沉管工法禁区,没标准可参考。”徐国平说,为打造世界最长的外海深埋沉管隧道,施工方配置国内首条采用深水无人沉放系统的安装船,通过信息和遥控技术,实现管节姿态调整、轴线控制和精确对接。

  通过科研攻关,我国掌握了具有自主知识产权的外海沉管安装成套技术,创造了1年安装10节沉管的“中国速度”,大大领先于国际先进水平。

  百廿年大计

  港珠澳大桥的设计寿命达120岁,是中国桥梁在设计、施工、材料研发、工程装备等各方面成果的集中展示

  这个超级工程其寿几何?“港珠澳大桥能‘活到120岁’。”苏权科说:“它还能抗16级台风、8级地震。”

  “120年我们是第一次做。南海含盐量高,腐蚀严重,最开始大家心里打鼓,这事能不能做成?”港珠澳大桥工程耐久性课题负责人王胜年说,我国耐久性技术发展很快,新材料、新工艺方面取得的成果为课题顺利进行奠定了基础。

  港珠澳大桥的耐久性设计依据我国南海腐蚀暴露实验30多年观测数据的积累成果,对所有指标进行定量分析设计,赢得国际同行的高度评价。

  不仅是设计寿命高标准,港珠澳大桥建设在很多方面都体现了以科技引领工程建设的理念。

  比如对防灾减灾的设计及应用。建设者在福建漳州专门修建了150米长的足尺沉管隧道实验平台,利用3年时间对大巴、中巴、小汽车进行燃烧实验。在世界上首次获取了火灾中隧道内的温度、烟雾流速、浓度等第一手数据,形成了港珠澳大桥沉管隧道防灾减灾的成套关键技术。

  根据实验测试,隧道防火设施能在1200℃高温下,保证沉管结构在2小时内不受破坏。苏权科说,人工岛设立有海上救援平台,如果隧道内发生事故,救援力量3分钟就能到达;桥面发生意外,5分钟至7分钟内赶到。

  余烈表示,港珠澳大桥工程是过去数十年中国桥梁在设计、施工、材料研发、工程装备等各方面成果的集中展示,它的建设也拉动了我国交通行业的升级换代和技术进步。(佘惠敏)

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