從開工那一刻起,港珠澳大橋就在連續(xù)創(chuàng)造“世界之最”。這座東連香港,西接澳門、珠海的跨海大橋,全長超過50公里,是繼三峽工程、青藏鐵路之后,我國又一重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目,也是中國橋梁建筑史上技術(shù)最復(fù)雜、環(huán)保要求最高、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)最高的“超級(jí)工程”。

港珠澳大橋設(shè)計(jì)施工中,全長超過7公里的島隧工程是整個(gè)項(xiàng)目的控制性工程,負(fù)責(zé)這一工程設(shè)計(jì)施工的是中國交通建設(shè)集團(tuán)。7年里,島隧工程項(xiàng)目總工程師林鳴帶領(lǐng)幾千人團(tuán)隊(duì),相繼突破了深埋沉管、快速成島、隧道基礎(chǔ)、外海深槽安裝等一系列世界難題,為中國工程建設(shè)標(biāo)注了全新的高度。

在海底鋪上“席夢(mèng)思”

“雖然有建設(shè)跨江隧道的歷史,然而,來港珠澳之前,我們對(duì)海底沉管隧道十分陌生,能找到的資料只有薄薄的一本書,零星見過幾張沉管隧道施工的現(xiàn)場圖片。”中交港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目副總工程師高紀(jì)兵說。

根據(jù)設(shè)計(jì),大橋隧道工程要在伶仃洋海面40多米深處開挖一條5664米的海底隧道基槽,海下最大挖深達(dá)48.5米,誤差不超過0.5米。由于港珠澳大橋地質(zhì)環(huán)境是厚軟土地基,且厚度在30~50米,這使得沉管基礎(chǔ)沉降控制變得非常困難。

“沉管隧道為什么漏水?歸結(jié)到底,都是基礎(chǔ)出了問題。”林鳴解釋說,近8萬噸重的沉管鋪在上面,基礎(chǔ)如果做不好,后果不堪設(shè)想。

經(jīng)過無數(shù)次工法比選、理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證,大橋的工程師們創(chuàng)新一種新的復(fù)合地基+組合基床的基礎(chǔ)方案,在溝槽的基床底部加鋪一層2至3米的大塊石并夯平,其上再用碎石整平。工程師們笑稱,這是給海底沉管鋪上“席夢(mèng)思”。

為了鋪好“席夢(mèng)思”,今年39歲的工程師冀晉和他的拋石夯平班組在“振駁28”號(hào)拋石夯平船上整整奮戰(zhàn)了43個(gè)月、1291天。洋流、臺(tái)風(fēng)、回淤、設(shè)備損壞,甚至船上極度單調(diào)枯燥的生活,都給他們帶來極大的挑戰(zhàn)。2016年1月25日,冀晉他們最終完成了世界上首例深海基床塊石拋填和夯平工程。

事實(shí)證明,整個(gè)島隧工程中,運(yùn)用組合基床的部分,隧道的沉降都控制在5厘米以內(nèi),這比合同約定20厘米的沉降標(biāo)準(zhǔn)超出數(shù)倍。

33根沉管連結(jié)滴水不漏

根據(jù)設(shè)計(jì)方案,港珠澳大橋海底沉管隧道由33根巨型沉管組成,每節(jié)管道長180米,寬37.95米,高11.4米,單節(jié)重約8萬噸。這些沉管采用工廠法預(yù)先制成,為此,大橋建設(shè)者用14個(gè)月在外海荒島建成了世界最大的沉管預(yù)制廠,并創(chuàng)下了澆筑百萬方混凝土無一裂縫的世界奇跡。

把跟航母一樣重的沉管浮運(yùn)至施工現(xiàn)場,并準(zhǔn)確沉放在海地50米深已經(jīng)鋪好的基床上并與前一個(gè)沉管實(shí)施精確對(duì)接,其難度和挑戰(zhàn)可想而知。

負(fù)責(zé)沉管浮運(yùn)安裝施工的島隧項(xiàng)目副總工程師王強(qiáng)說,風(fēng)向浪高、海底洋流、泥沙、海水密度,每一個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)直接影響沉管對(duì)接。

即使在世界范圍內(nèi),沉管隧道尚沒有100%不漏水的紀(jì)錄。然而,港珠澳大橋隧道在世界范圍類似機(jī)構(gòu)中,第一次做到了滴水不漏。

在沉管對(duì)接過程中,最終接頭無疑是“畫龍點(diǎn)睛”的一筆,負(fù)責(zé)最終接頭設(shè)計(jì)的工程師李毅告訴記者,為了實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的精度要求,他們用了3年時(shí)間,從方案的提出、細(xì)化、完成,“做到每一個(gè)參數(shù)能說得清楚”。

今年5月2日22時(shí)許,經(jīng)過10余小時(shí)的吊裝,重達(dá)6000噸的最終接頭像“楔子”一樣被精確安裝在海底28米深的E29和E30兩節(jié)沉管之間,將海底隧道連為一體。從2013年5月第一節(jié)沉管安裝完成,歷時(shí)4年,大橋建設(shè)者先后攻克深水深槽、大徑流、強(qiáng)回淤、曲線段等世界難題,創(chuàng)造了“一年十節(jié)”的中國速度。

逼出來的創(chuàng)新

沉管隧道被定義為淺埋隧道,沉管回填及覆土厚度約在兩米,為滿足伶仃洋海域水運(yùn)要求,港珠澳大橋隧道沉管需埋到海床以下20多米。

然而,自1928年人類工程史上修建第一條鋼筋混凝土沉管隧道以來,沉管制作的“工具箱”里只有剛性和柔性兩種方法。港珠澳大橋島隧工程總設(shè)計(jì)師劉曉東介紹說,“剛性結(jié)構(gòu)好比一塊長條積木,而柔性結(jié)構(gòu)好比樂高小塊積木拼接的積木條”。工程師們通過大量計(jì)算分析發(fā)現(xiàn),在20多米的覆蓋層下,采用傳統(tǒng)的剛性或柔性結(jié)構(gòu)體系,沉管結(jié)構(gòu)安全都得不到保障。

2012年11月17日凌晨,劉曉東收到林鳴的一條短信:“嘗試研究一下半剛性。”他所提出的半剛性結(jié)構(gòu)設(shè)想,是保留甚至強(qiáng)化串起小管節(jié)之間的鋼絞線,加強(qiáng)小管節(jié)之間的連接,使180米長、由8個(gè)小節(jié)段連接而成的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的變形受到更大的約束,增強(qiáng)深埋沉管的防錯(cuò)位能力。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)用30多天完成《半剛性沉管結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與研究報(bào)告》,為了證明“半剛性”結(jié)構(gòu),工程師們又邀請(qǐng)國內(nèi)外6家專業(yè)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行“背對(duì)背”的分析計(jì)算,從模型試驗(yàn)及原理上驗(yàn)證“半剛性”結(jié)構(gòu)。最終,這一創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到各方一致認(rèn)可。

經(jīng)過兩年努力,總長5.6公里,由33節(jié)、每節(jié)重7萬多噸的沉管連結(jié)而成的港珠澳大橋海底隧道沉管部分全線貫通,大橋建設(shè)者用最低的花費(fèi),把“半剛性”結(jié)構(gòu)由構(gòu)想變成現(xiàn)實(shí)。

“中國工程師的創(chuàng)新是被逼出來的,甚至是痛苦的”,回憶那一段煎熬的日子,林鳴感慨道,大橋設(shè)計(jì)之初,他們?cè)c一家掌握沉管隧道施工核心技術(shù)的外國公司商談合作,這家公司開出的咨詢費(fèi)高達(dá)1.5億歐元,并且,施工過程及時(shí)間節(jié)點(diǎn)均由對(duì)方掌控。

外國公司的技術(shù)保護(hù)、技術(shù)壁壘與技術(shù)歧視,激發(fā)了中國工程師自主創(chuàng)新的決心。在港珠澳大橋島隧工程建設(shè)過程中,新技術(shù)創(chuàng)新有64項(xiàng),包括深埋沉管、快速成島、隧道基礎(chǔ)、工廠法預(yù)制沉管、外海深槽沉管安裝等一系列工程難題,為世界海底隧道工程技術(shù)提供了新知識(shí)與新樣本。