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港珠澳大桥岛隧工程专家组工作回顾
2019年01月25日    阅读量:27158    新闻来源:交通运输部网站  |  投稿

“世纪工程”港珠澳大桥已通车营运3个月,集桥、岛、隧、路为一体的超大型跨海大桥,拥有众多世界第一或世界前列的荣誉,像一本大部头科技创新教课书。在这背后,除了建设者们“摸着石头过河”的勇气,更有交通运输部港珠澳大桥专家组对于关键技术创新的坚强保障。




  “快速成岛、斜坡段地基加固、沉管的抛石基床、半刚性管节结构、E15管节回淤、沉管最后接头等,岛隧工程每一项重大技术难题的攻破,都是经过了专家组的反复论证,并由我签字确认!”尽管时隔多年,对于一些关键技术的突破,作为部港珠澳大桥专家组岛隧组组长的交通运输部原总工程师、中国水运建设行业协会常务副理事长徐光,仍然记忆犹新中国沥青网sinoasphalt.com




  钢圆筒快速成岛 工期节省两年




  记者了解到,为了这项重大工程的如期建成,自大桥开工之日起,交通运输部就成立了由副部长冯正霖为组长的港珠澳大桥专家组。建设中一旦遇到技术难题,部专家组都会评估、论证,给出中肯意见和建议。部专家组下设桥梁和岛隧专家组,其中岛隧专家组由王汝凯、梁德章、钟建驰、陈韶彰、王彰贵、李一勇、曹根祥、曹湘波、卢永昌等15人组成,都是水工施工和设计、海事、海洋、气象等领域的专家。




  岛隧工程一开始,岛隧专家组就遇到了“快速成岛”问题。




  “如果当初不采取快速成岛方案,大桥2017年全线贯通是肯定无法实现的!”徐光表示。




  据介绍,港珠澳大桥在跨越伶仃洋时,桥梁变隧道穿过深海,而要铺设沉管隧道,首先要快速“种”出两个人工岛。原设计是采用抛石斜坡堤成岛方案,即用块石堆成水下10米、水上5米共15米高的抛石斜坡堤岛壁。虽然技术难度不大,但工程量超大,工期需要2年半到3年。




  面对紧迫的工期,快速成岛是必选项,而创新是必由之路。部专家组和港珠澳大桥岛隧工程项目部(简称项目部)都想到了施工速度很快的钢圆筒方案。专家组成员、中交第四航务工程勘察设计院有限公司总工程师卢永昌告诉记者,在此之前中国交建曾经在长江口有过“不成功案例”,从中积累了经验,同时美国的振沉设备也有了较大的改进和提升。




  “项目部做了很多探索后,项目部总经理林鸣专门到北京找我,当时我是交通运输部总工程师。听了他的汇报后,我认为方案原则上可行,但要解决好3个主要问题。”徐光表示,首先是振沉问题,就是怎么把钢圆筒打下去;其次是稳定性问题,需要用几种计算方法进行验证;再次是做好止水,以便开挖基坑形成干施工环境。




  后来项目部通过努力,解决了3个主要问题,但还有很多细节,又召开专家会讨论:比如50多米长的钢圆筒从上海运到珠海,有十几层楼高的“大家伙”需要立着,运输时驾驶台都看不到前面,防范运输风险是个难题;振沉时,需要保证振沉的垂直偏差小于1%等。这些都事先进行了周密研究和部署。




  最终,东、西两个人工岛的120个钢圆筒施工非常顺利,实现了“当年开工当年成岛”,工期缩短一年半到两年。




  认真处置每个环节 沉管隧道滴水不漏




  人工岛开局顺利,后续沉管隧道地基处理、预制及运输安装等,横着诸多“拦路虎”。




  “大桥的沉管隧道之所以能穿越深海而滴水不漏,在于对地基和管节结构等方面都进行了大量创新。”徐光说。




  据介绍,沉管隧道是由33节管节水下安装拼接而成,每个管节180米长、40米宽、12米高,形成双向6车道通行环境。防水,是沉管隧道的生命线,而要做到滴水不漏,必须先从地基开始,把地基的不均匀沉降降到最低。因为一旦沉降不均匀,沉管施工完成后就容易错位而导致管节和节段处漏水。




  然而,这里的海床恰恰是软土,最易导致不均匀沉降。




  “我国第一条海上沉管隧道,一定要质量可靠。”徐光表示。




  西岛岛头斜坡段(E1—E5节沉管处)地基特别软,必须水下加固。原设计方案是在这片区域内打入9000多根钢桩。这么多的桩,而且桩头要在水下形成斜坡,施工起来无异于海底绣花。加上地基软硬度不同,打桩的疏密也不同,更难协调。




  怎么办?又是专家组开会研讨。




  会议开了很多次,讨论非常激烈。最后决定采用卢永昌提出的挤密沙桩方案,就是在软土地基里插管子后灌沙子,边灌边夯实沙子形成密实的沙桩,以解决地基沉降及稳定的问题。




  然而,由于国外技术封锁,项目部采购的施工船,关键部件桩头及计算机控制系统都被拆掉。 


  后来,项目部决定自己开发。开发出来后,还不放心,在陆地现场做了载荷试验,并采取水下预先施加比实际荷载更大的压力,以便把差异沉降减到最小。这在国内是首次使用。




  国外海底隧道施工,在开挖好基槽后铺上一层碎石就安放沉管了。为了把不均匀沉降量控制得更好,项目部提出要在地基和碎石层之间增加一个块石层。




  “在征求我的意见时,我说加了肯定好。但是45米水深,如何整平、夯实?”徐光说,经过技术探讨、专家咨询,最终采用液压锤来整平、夯实,效果很好。施工完成后,在沉管和海底软土地基之间加入一层“硬壳”,有效控制了不均匀沉降。这也是国内第一次使用。




  地基风险排除了,管节结构型式又伤脑筋。




  世界上沉管隧道所用沉管,有刚性和柔性两种。刚性的适合硬质地基,柔性的适合软土地基。 


  港珠澳大桥地基软,自然只能选择柔性的。然而,按照原设计和国际惯例,180米管节做成8个22.5米节段,安装时把节段用预应力钢筋连接,安装之后将钢筋剪断,让管节变“柔”。




  但是,剪断后的管节太“柔”了。这里有两个特殊情况:一个是软土地基太软,另一个是沉管上有大回淤。上面有重压,下面地基软,容易产生不均匀沉降,导致节段接头张开量过大漏水。 


  能不能折中?即保留节断之间的钢筋,形成半刚性管节,既允许在管节接头处有一定的张开量,又幅度有限。据介绍,交通运输部专家组提出来这个概念后,国内有关专家最初都怀疑其可行性,负责大桥咨询的荷兰咨询公司更是坚决不同意。后来,经过专家组几轮讨论,并请有关单位分别计算,都认为可行。但还需要征得咨询方荷兰咨询公司的确认。




  “为了让他们接受,我和荷兰专家单独谈了2小时,耐心地向他解释、分析。他们也很赞同,但就是摇头不签字!”徐光说,“后来项目部请荷兰方面按照我们提供的计算模型验证后,才最终确认。”




  这种半刚性结构,等于给沉管隧道再加了一道防水安全砝码。




  正式安装时,沉管浮运安装风险高且不可逆,让大家非常谨慎。试想,8万吨的沉管,要在15层楼高的水下安装,且误差小于6厘米,谈何容易?就是吊一个砖头从15楼往下定位6厘米都难,何况这么个“大家伙”,还是在水流、海风的共同作用下。




  所以,每浮运安装一个管节,项目部都会召开专家会,分析环境、气象、水文、设备甚至人员风险,每次都列出一两百条风险并分等级,排查、评估,提出管控措施。




  在安装到E10节时,发现偏差超过6厘米,达到9厘米多,项目部立即停止施工,经分析发现是管节水下晃动导致安装偏差,最后研发了管节姿态监控系统,解决了管节水下姿态监控的难题。 


  到了最终接头时,又遇到麻烦。若采用传统方法,不仅工效低、而且安全风险大,工期至少半年。国外专利又不能用,最后研发了液压推进整体可逆式最终接头,一天就可以完成安装,且极大地降低了水下施工风险。




  “研究之前,也是专家组给出了基本概念,由项目部深化研究而成的。”徐光说,就这样发现问题后,立即研究技术对策,一步一步往前走,确保了沉管隧道的顺利安装和滴水不漏。




  不断探索深化 成就“世纪工程”




  “8年了,我不用翻本子,都能记得干了些啥,因为每一次技术难题的探索,都是那样刻骨铭心!”徐光说。




  徐光介绍,其实专家组对现场关键技术创新的认识也有一个不断深化的过程。对现场出现的重大技术难题,尤其是修改原设计的技术创新,有的是提出概念,有的是评估技术方案,并就如何进一步深化、完善,注意哪些风险等提出咨询,与项目部共同探讨,一次不行,就两次、三次,直到问题解决为止。同时,岛隧专家组成员是固定的,保持了工作的连续性。




  “岛隧工程实际上是水工工程,专家组之所以能提出意见、建议,很大程度上是凭借多年来积累的水工工程实践经验,实践经验对大桥关键技术创新发挥了重要作用。”徐光说。




  给沉管基床增加块石层,也是基于重力式码头的实践。这是重力式码头常用的方案,就是在地基上先做块石层,再做碎石层,最后安放沉箱形成码头主框架。在港珠澳大桥实施后,效果很好。 


  还有在西岛岛头斜坡段实施的紧密沙桩方案,是基于在上海港洋山港区的试验。紧密沙桩是国外软土地基处理很有效的技术,徐光在国外参观时了解后,请技术人员来国内进行技术交流,并在洋山港区建设中做了试验段。




  最终接头方案的概念,是受升船机对接方式的启发,经过深入研发形成的自主创新技术。概念提出后,前后经过3年多时间论证、验证,从概念到结构,再分析细节,再做1∶1模型现场进行演练,非常稳妥后才实施。




  “在港珠澳大桥建设前后8年的时间里,每次开现场会前我都会认真看材料,开会时认真听汇报。在听取各方意见后,综合提出专家组意见,最终形成会议纪要。”徐光说,担任这一重大工程的技术专家尤其是岛隧专家组组长,有挑战更有压力。每提出来一个方案或意见,是否科学、完善,会不会出现风险等,都得仔细权衡。而每到现场完成一项技术创新时,都很有成就感。




  在徐光看来,这一伟大工程的顺利完工,首先在于项目部有着把工程做到完美、做成优质工程的认真态度,对专家组的意见、建议,都认真组织研究;其次,专家组高度负责任,把质量和安全风险放在第一位进行指导、咨询。再加上其他多方的共同努力,最终成就了这一伟大的“世纪工程”。 


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