全長55公里的港珠澳大橋,被譽為橋梁界的“珠穆朗瑪峰”,是世界上最具挑戰性的超級工程之一,也是世界最長跨海大橋。作為連接香港、珠海、澳門的超大型跨海通道,港珠澳大橋集橋、島、隧于一體,形如巨龍,臥波穿海,通車后,三地車程將由3小時縮短至半小時。

自2003年起,全國先后有200多家科研單位、上千名科技工作者為這項工程開展了300多項科研攻關,累計投入近5億元,創建工法逾40項,獲得發明專利逾百項,發表論文逾500篇。“國家重點科研力量的支持,為港珠澳大橋的順利完工提供了有力支撐。”港珠澳大橋管理局總工程師蘇權科介紹,與目前國際上已建成的跨海橋隧交通集群工程相比,港珠澳大橋的工程規模和建設難度是最大的。

從2009年12月開工至今,港珠澳大橋主體工程已全線貫通,年底前將具備通車條件。在這個最后沖刺階段,經濟日報記者現場探尋這座超級工程背后的高科技密碼。

跨海架鋼梁

作為世界上用鋼量最大的橋梁,港珠澳大橋僅主梁鋼板用量就高達42萬噸。建設者把鋼全部變成鋼組件,再運到現場拼裝起來

港珠澳大橋主體工程包含22.9公里主體跨海橋梁及6.7公里的沉管隧道。當記者坐上汽車,從珠海洪灣這端駛上大橋,感受到的是雙向六車道的平坦通暢。這座前后都望不到頭的大橋上,建有3段斜拉橋,分別是“風帆”“海豚”“中國結”造型,寓意深遠。

作為世界上用鋼量最大的橋梁,大橋僅主梁鋼板用量就高達42萬噸。“這相當于10座鳥巢或60座埃菲爾鐵塔的重量。”蘇權科說,建設者把這42萬噸鋼全部變成鋼組件,再把它們一件件運到現場拼裝起來,就像小朋友搭積木一樣。

搭積木體現了大橋施工的“四化”理念:通過“大型化、工廠化、標準化、裝配化”施工,把粗糙的土木工程變成精密制造、精密安裝,滿足工程質量、工期和安全的需要。

搭積木,要先做出積木構件。港珠澳大橋的巨型組件,許多是采用我國自行設計生產的大型裝備來建造。為建造大橋而建設的巨型廠房,就坐落在大橋附近區域,一個個數千噸乃至上萬噸重的構件——包括橋墩、橋塔、海底沉管等,就是在廠房內由大型自動化設備流水線生產出來,之后由巨輪運往現場,再采用大型吊裝或沉放設備進行安裝。

港珠澳大橋管理局副局長余烈告訴記者,天地間“搭積木”的技術難度大,涉及主體結構、人工島建設、大規模工業化制造、水下結構止水技術、海上裝配化埋置式承臺施工等諸多方面,為此,國家科技支撐計劃從2010年起啟動了“港珠澳大橋跨海集群工程建設關鍵技術研究與示范”項目,涉及大橋建設各項難點,發揮了科技支撐作用。

港珠澳大橋還是國內第一次采用機器人焊接的鋼橋。港珠澳大橋管理局副總工程師柴瑞介紹,鋼橋焊接時,鋼材料在不均勻的加熱和冷卻收縮后,會產生很大的自身應力。“所以我們采用多頭焊接機器人來實現均勻焊接。多頭焊機同時焊接,避免了冷熱不均,消除因焊接工藝產生的內部應力。”

“搭積木”式大橋建設中,曾出現過高度達106米、重量超3000噸的鋼塔在海上“空中轉體90度”再以高精度安裝的精彩場面,是國內外建橋史上前所未有的壯舉。“如果不是國家的整體科研和裝備實力進步到了現在的水平,這樣的整體設計是不可能完成的。”蘇權科說。

沉管接長隧

水下近50米建設深埋沉管隧道,在國際上被視為“技術禁區”。對此,建設者開展15大類、136項專題研究,突破了許多世界性難題

汽車駛過主體跨海橋梁后,就到了西人工島,在島上,汽車從地上鉆入地下,穿過6.7公里的海底隧道,再從東人工島鉆出地面,就能駛上大橋香港段。

這一段島隧工程,是港珠澳大橋的關鍵。由于此地海空航運繁忙,大橋要滿足30萬噸級巨輪通行需求就得建高,要滿足附近機場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為這一段工程的最佳選擇。

港珠澳大橋島隧工程建設前,海底沉管隧道關鍵技術一直掌握在少數發達國家手中,技術引進或合作的代價極其高昂,且部分技術對我國施行封鎖。

水下近50米建設深埋沉管隧道,在國際上被視為“技術禁區”。沉管隧道建設的技術研究成為科研攻關的重中之重。隧道關鍵技術課題負責人徐國平介紹,島隧工程項目自2010年年底成立以來,總計開展15大類、136項專題研究,在外海快速筑島、沉管隧道設計施工、工廠法沉管預制、外海沉管浮運安裝、深水沉管隧道最終接頭、專用設備研制方面取得了重大突破。

我國首創了外海大直徑深插鋼圓筒快速筑島技術。海底隧道的入口和出口是東西兩座人工島,每座都相當于3個足球場大小。按傳統圍堤筑島工藝需3年成島,將對海域環境造成嚴重影響。而按新技術方案,一次性把直徑為22米的120個巨型鋼圓筒插入海底,在中間填土一次成島,中國人創造了221天筑成兩島的世界工程紀錄。

港珠澳大橋的島隧工程還是世界首例深埋沉管,我國技術人員創造性地提出“半剛性”沉管新結構,與國外專家提出的“深埋淺做”方案相比,節省了工期,節約投資約10億元,并且做到了沉管接頭不漏水。

水中的沉管隧道由33節鋼筋混凝土沉管管節及1個鋼殼混凝土最終接頭組成,單節沉管管節標準件重達7.6萬噸,這些沉管在海底環境對接安放,難度堪比航天器交會對接。

“深埋屬于沉管工法禁區,沒標準可參考。”徐國平說,為打造世界最長的外海深埋沉管隧道,施工方配置國內首條采用深水無人沉放系統的安裝船,通過信息和遙控技術,實現管節姿態調整、軸線控制和精確對接。

通過科研攻關,我國掌握了具有自主知識產權的外海沉管安裝成套技術,創造了1年安裝10節沉管的“中國速度”,大大領先于國際先進水平。

百廿年大計

港珠澳大橋的設計壽命達120歲,是中國橋梁在設計、施工、材料研發、工程裝備等各方面成果的集中展示

這個超級工程其壽幾何?“港珠澳大橋能‘活到120歲’。”蘇權科說:“它還能抗16級臺風、8級地震。”

“120年我們是第一次做。南海含鹽量高,腐蝕嚴重,最開始大家心里打鼓,這事能不能做成?”港珠澳大橋工程耐久性課題負責人王勝年說,我國耐久性技術發展很快,新材料、新工藝方面取得的成果為課題順利進行奠定了基礎。

港珠澳大橋的耐久性設計依據我國南海腐蝕暴露實驗30多年觀測數據的積累成果,對所有指標進行定量分析設計,贏得國際同行的高度評價。

不僅是設計壽命高標準,港珠澳大橋建設在很多方面都體現了以科技引領工程建設的理念。

比如對防災減災的設計及應用。建設者在福建漳州專門修建了150米長的足尺沉管隧道實驗平臺,利用3年時間對大巴、中巴、小汽車進行燃燒實驗。在世界上首次獲取了火災中隧道內的溫度、煙霧流速、濃度等第一手數據,形成了港珠澳大橋沉管隧道防災減災的成套關鍵技術。

根據實驗測試,隧道防火設施能在1200℃高溫下,保證沉管結構在2小時內不受破壞。蘇權科說,人工島設立有海上救援平臺,如果隧道內發生事故,救援力量3分鐘就能到達;橋面發生意外,5分鐘至7分鐘內趕到。

余烈表示,港珠澳大橋工程是過去數十年中國橋梁在設計、施工、材料研發、工程裝備等各方面成果的集中展示,它的建設也拉動了我國交通行業的升級換代和技術進步。(經濟日報-中國經濟網記者 佘惠敏)