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走进港珠澳大桥(篇)建造百年大桥的科技之战
港珠澳大桥,一座挑战世界难度的科技之桥,是中国建桥史上一项技术最复杂、环保与建设要求最高的工程.大桥在建设中,经历了难以计数的困难和挑战,建设者们以科学严谨的态度和大无畏的创新精神,战胜一次次“不可能”,创造了一个个人间奇迹.在科技之战的胜利中,这座设计“寿命”为120 年的“世纪之桥”终于呈现在了世人面前.
早在港珠澳大桥未开建时,以“需求导向,问题导向”为理念的前期科研工作已经率先开跑！工程可行性研究阶段51 项专题研究,总体方案深化研究阶段8 项专题研究,初步设计阶段25 项专题研究为港珠澳大桥项目开路引航,助力港珠澳大桥前期工作任务圆满完成.2010 年,项目顺利进入实施阶段,科研工作持续推进.
2010 年7 月8 日,“港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究及示范”项目通过了科技部主持的可行性论证,被正式列入“十一五”国家科技支撑计划.由21 家企事业单位、8所高等院校,超过500 人组成的科研队伍组成港珠澳大桥项目强而有力的“智囊团”,共开展了5 大课题、134项专题的研究与论证.
港珠澳大桥设计使用“寿命”为120 年,是目前内地设计使用年限要求最高的建筑之一,所面临的诸多问题都需要建设者实现“零的突破”.
作为目前世界最长的跨海大桥,如何把好质量关,保障大桥安全运行？如何在经受地震、台风、海浪的威胁而岿然屹立？大桥横跨国家一级保护动物中华白海豚保护区,环保工作如何开展？施工海域每天四五千艘船只来往穿梭,又如何保障施工和航运安全？在不同制度、不同法律、不同文化背景下,“两岸三地”如何万众同心,建好大桥？
这一系列难题,在国家科技支撑计划确定的“五大课题”中,都可以为你揭秘,并展示出这场科技之战的惊心动魄.
课题一：看不见的海底与最精准的施工
长达55 公里的港珠澳大桥如蛟龙跃海,盘踞海面.但凝神细看,气势恢宏的“龙身”却少了一段？其实在40 多米深的海底处,深藏着一条全世界最长的海底公路——6.7 公里的双向六车道海底沉管隧道.
要在海底修筑沉管隧道,意味着要在“不可视”的深海中完成大量施工作业,施工难度前所未有：沉管隧道如何做到120 年内不漏水,确保安全？用何种方法、何种设备将安放沉管的基槽铺设平整？深海之处遭遇地震怎么办？
应对之策：国家科技支撑计划课题——“外海厚软基大回淤沉管隧道设计与施工关键技术”
措施一,基础沉降控制技术,把“床”铺稳.地基相当于港珠澳大桥沉管隧道的“床”,它的“材质”是淤泥和淤泥质黏土,厚度约为30-40 米,承载能力极低,沉降是沉管隧道安全的巨大威胁.研究团队计算得出其沉降规律,建立起符合使用条件的有效计算公式,为解决不均匀沉降问题提出了明晰的解决方案.
措施二,“碎石整平法”,把“床”铺妥.铺设基槽时,为克服深海施工困难,保证施工质量,科研团队使用自主研发制造的施工设备“深水碎石整平船”铺设基础垫并实现自动化控制,使基槽铺设能有效适应波浪、水流及回淤,使管节沉放对接后可得到平顺的支撑.
措施三,“Ω 止水带”把“口”封住.“Ω 止水带”是沉管隧道止水的最后一道防线,这一产品以往皆是依赖国外进口.科研团队经过三年时间的反复试验,尝试了上千种配方后,成功研制出具备高强耐老化性能、耐酸碱腐蚀性能的“Ω止水带”.这项研究填补了该行业在国内的空白,打破了国外公司的垄断,降低了采购的成本.
措施四,“超长沉管隧道多点振动台模型实验技术”.港珠澳大桥位于环太平洋地震带,意味着深海隧道将可能面临地震灾害的威胁.科研团队开发了世界上最大的“多功能振动台”,可模拟工程场地地震,以对沉管隧道遭遇不同地震时的状态进行检测,为港珠澳大桥的抗震设计做出了重要的指导,填补了国内外在该领域中实验技术的空白.
课题二：不同于“填海”的快速“成岛”
敲定沉管隧道方案后,紧接的难题便浮出水面——桥梁和隧道如何连接？显然,这需要在海中找到一个“中转站”——岛.然而,工程师们没有在施工海域发现任何可用的现成的岛屿.
这意味着只有一条路：自己造岛！
传统的填海造岛因海床环境限制无法实施,但建岛的计划工期只有一年.在如此紧迫的条件下,承包单位提出了“钢圆筒围护”快速成岛方案——使用120 组大钢圆筒打入海床,围出岛的形状,然后在中间填“土”,形成人工岛.可钢圆筒打入海床后,如何保证足够的稳定性？
应对之策：国家科技支撑计划课题——“外海厚软基桥隧转换人工岛设计与施工关键技术”
“挤密砂桩技术”是地基加固的新技术,但国内并无适用的设备.为此,科研团队开展了国际上最大规模的“挤密砂桩离心模型试验”,成功研制了三艘船桩架高达86 米的新一代“挤密砂桩施工船”,现已形成完全国产化的挤密砂桩施工装备及全套技术.
课题三：钢铁桥梁与自然环境的攻击
伶仃洋是弱洋流海域,每年都会有大量的“泥沙水”从珠江口涌入.桥墩如同阻挡泥沙的“栅栏”,一旦超过10% 的阻水率,泥沙就可能沉积,阻塞航道,甚至会影响珠江口的防洪纳潮和渔业生态环境.
自然环境的多方限制使大桥的施工难度剧增,海上作业时间越长,风险越大,质量越难以控制.面对这些限制,它将如何进行有效协调？
应对之策：国家科技支撑计划课题——“海上装配化桥梁建设关键技术”
措施一,钢管复合桩与预制墩台结合设计.全桥共220 个/ 组墩台,共使用了约1500 根钢管复合桩,能够满足阻水率要求,并科学地解决桩身与预制墩台连接的一系列问题,将墩台埋入海床面以下：克服施工过程的止水、在风浪作用及震动下的对接安装等.
措施二,钢箱梁桥面制造工艺创新.为便于海上吊装,港珠澳大桥主体工程桥梁工程上部结构大规模采用钢箱梁,用钢量达42 万吨.而钢箱梁的“疲劳开裂”问题是交通行业的痼病,科研团队通过系统化研究,形成了具有行业引领性意义的科研成果,工艺的优化与升级保证了港珠澳大桥钢桥面板的优良质量.
措施三,桥面铺装技术研究.港珠澳大桥50 万平方米的钢桥面铺装面积创下了世界纪录,国内外钢桥面铺装分析理论和研究方法虽然很多,然而实际的铺装效果却往往事与愿违,尤其在低纬度的湿热海洋气候环境下,钢桥面铺装尤其成为一个工程难点.港珠澳大桥组织科研力量历经两年多的研究,填补了相关技术理论的空白,对“连续钢箱梁桥面铺装寿命影响因素”等问题进行深入研究,形成了丰富的科研成果.
课题四： 设计的“ 1 2 0 年” 和“不止120年”的实验
在120 年的“长寿”严格要求下,如何同时使大桥的隧道、人工岛、桥梁等不同结构形式中的混凝土结构皆足够“耐用”？这在港珠澳大桥工程之前的国内其他项目,皆是凭定性的经验判断.
应对之策：国家科技支撑计划课题——“跨海集群工程混凝土结构120 年使用寿命保障关键技术”
根据“湛江暴露试验站”近三十年的实验存留数据,港珠澳大桥科研团队对“混凝土结构耐久性”问题进行了研究,最终获得了以下成果：
首先,引入可靠度理论并提出了跨海集群工程中不同混凝土结构构件的定量耐久性设计指标；第二,制定了关键部位的外加防腐措施；第三,编制了《港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计指南》等规范性、理论性的文件；第四,进行了耐久性检测系统开发.
这些研究成果的作用并不只是发挥在这“120年”,将进一步总结纳入国家行业标准规范,指导更多类似工程的耐久性设计.
课题五： 协同管理与“ 两岸三地”的隧—岛—桥
港珠澳大桥是在“一国两制”条件下粤港澳三地首次合作共建的超大型交通集群工程.在三地跨境建桥,制度、文化、法律和惯用施工方法皆有不同的条件下共建一个“超级工程”,在国内尚属首例,这使港珠澳大桥的施工及运营管理面临着巨大的挑战.
前期方案论证的线位走向、口岸设置,建设期岛、隧、桥三部分的资源调配、技术标准和环境保护,大桥通车后三地交通信息交换、消防安全等问题如何联动？决策机制如何？
应对之策：国家科技支撑计划课题——“跨境工程管理、防灾减灾节能环保技术”
科研团队通过广泛调研,并对港珠澳大桥中需要进行“决策”的对象进行分类与研究,形成了“架构、两级决策”的管理机制,设港珠澳大桥专责小组、港珠澳大桥三地联合工作委员会、港珠澳大桥管理局,其突破点在于——在利益相关者中选准利益平衡点,保证做到“公开透明”,用“协商一致”的途径获得最终解决方案.
立足于港珠澳大桥在“HSE 管理”上已形成的经验,科研团队编制完成了《交通运输基础设施建设健康安全环境一体化管理的技术指南》,为工程建设中的“健康、安全、环保”一体化管理做出了理论性的贡献.
“港珠澳大桥跨海集群工程关键技术研究”为港珠澳大桥的“五大制约性难题”提出了科学的解决方案,研究成果充分地应用于大桥的建设中.研究工作获得国内专利授权53 项,获得软件著作权11 项,发表科技论文235 篇,培养博士28 人、硕士75 人,这条创新之路可谓步履维艰,一步一个历史.
“港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究与示范”已于2015 年12 月顺利通过了验收,五课题成果皆被鉴定为“总体国际领先水平”,在技术理论、标准指南（规程）、施工工艺与产品装备、试验研究基地和项目管理等方面都取得了创新性成果,有力支撑了港珠澳大桥的建设,更为交通行业科技进步贡献了一份力量！
( 港珠澳大桥管理局供稿)
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