為了“120年”的一場科技較量

陳心羚

港珠澳大橋是一座挑戰(zhàn)世界難度的科技之橋，在設計、建設過程中難題層出不窮，一次又一次“挑戰(zhàn)不可能”。港珠澳大橋設計使用“壽命”為120年，是目前我國內(nèi)地設計使用年限最長的建筑之一，建設者實現(xiàn)了諸多 “零的突破”。

作為目前世界最長的跨海大橋，如何守好質量關，保障安全？

如何在環(huán)境復雜的海域，確保它在地震、臺風、海浪等災害威脅下依舊屹立？

橫跨國家一級保護動物中華白海豚保護區(qū)，環(huán)保工作如何開展？

施工海域每天有四五千艘船只來往穿梭，海上施工安全和航運安全如何保證？

兩岸三地共建，如何在不同制度、不同法律、不同文化的背景下，一眾同心，建好這座大橋？

圍繞這五大問題，我們一起來揭秘這項超級工程。

看不見的海底VS最精準的施工

關鍵詞：海底隧道、不可視

長達55千米的港珠澳大橋如蛟龍躍海，盤踞海面。但凝神細看，本是氣勢恢宏的“龍身”卻少了一段？其實在40多米深的海底處，深藏著一條全世界最長的海底公路——6.7千米的雙向六車道海底沉管隧道。

要在海底修筑沉管隧道，意味著要在“不可視”的深海中完成大量施工作業(yè)，施工難度前所未有：沉管隧道如何做到120年內(nèi)不漏水，確保安全？用什么方法、什么設備將安放沉管的基槽鋪設平整？深海之處遭遇地震怎么辦？

應對之策：外海厚軟基大回淤沉管隧道設計與施工關鍵技術

基礎沉降控制技術——把床鋪穩(wěn)

地基相當于港珠澳大橋沉管隧道的“床”，它的“材質”是淤泥和淤泥質黏土，厚度約為30-40米，承載能力極低。沉降是沉管隧道安全的巨大威脅。對此，研究團隊經(jīng)過不懈努力，終于計算出其沉降規(guī)律，建立起了符合使用條件的計算公式，為解決不均勻沉降問題提出了明晰的解決方案。

“碎石整平法”——把“床”鋪妥

為克服深海施工困難，保證施工質量，科研團隊使用自主研發(fā)制造的施工設備——“深水碎石整平船”——鋪設基礎墊并實現(xiàn)自動化控制，使基槽鋪設能有效適應波浪、水流及回淤，讓管節(jié)沉放對接后可得到平順的支撐。

Ω止水帶——把“口”封住

“Ω止水帶”是沉管隧道止水的最后一道防線。這一產(chǎn)品以往都是依賴國外進口?？蒲袌F隊經(jīng)過3年時間的反復試驗，嘗試了上千種配方后，成功研制出具備中國特色的高強耐老化性能、耐酸堿腐蝕性能的“Ω止水帶”。這項研究填補了該行業(yè)在國內(nèi)的空白，打破了國外公司的壟斷，降低了采購的成本。

多功能振動臺——把住百年安全

港珠澳大橋位于環(huán)太平洋地震帶，意味著深海隧道將可能面臨地震災害的威脅?？蒲袌F隊開發(fā)了世界上最大的“多功能振動臺”，可模擬工程場地地震，以對沉管隧道遭遇不同地震時的狀態(tài)進行檢測，為港珠澳大橋的抗震設計做出了重要的指導。

不同于“填?！钡目焖佟俺蓫u”

關鍵詞：快速成島、穩(wěn)定性

敲定沉管隧道方案后，緊接的難題又浮出水面——橋梁和隧道如何連接？顯然，這需要在海中找到一個島作為“中轉站”。然而，施工海域沒有任何可用的現(xiàn)成島嶼，意味著只有自己造島這一條路！

如果依賴傳統(tǒng)的填海造島，會因海床環(huán)境限制而無法實施，但建島的計劃工期只有一年。在如此緊迫的條件下，承包單位提出了“鋼圓筒圍護”快速成島方案——使用120組大鋼圓筒打入海床，圍出島的形狀，然后在中間填出一座人工島。可鋼圓筒打入海床后，如何保證足夠的穩(wěn)定性？

應對之策：外海厚軟基橋隧轉換人工島設計與施工關鍵技術

研制擠密砂樁大型施工設備，加固人工島

擠密砂樁技術是地基加固的新技術，但國內(nèi)并無適用的設備?？蒲袌F隊開展了最大規(guī)模的“擠密砂樁離心模型試驗”，成功研制了3艘船樁架高達86米的新一代“擠密砂樁施工船”，現(xiàn)已形成完全國產(chǎn)化的擠密砂樁施工裝備及全套技術。

鋼鐵橋梁VS自然環(huán)境的攻擊

關鍵詞：抵御1訇然環(huán)境、10%阻水率

伶仃洋是弱洋流海域，每年都會有大量的“泥沙水”從珠江口涌入。橋墩如同阻擋泥沙的“柵欄”，一旦超過10%的阻水率，泥沙就可能沉積，阻塞航道，甚至會影響珠江口的防洪納潮和漁業(yè)生態(tài)環(huán)境。

自然環(huán)境的多方限制使大橋的施工難度劇增，海上作業(yè)時間越長，風險越大，質量越難以控制。面對這些限制，又將如何進行協(xié)調(diào)？

應對之策：海上裝配化橋梁建設關鍵技術

鋼管復合樁與預制墩臺結合設計

全橋共220個/組墩臺，共使用了能夠滿足阻水率要求的約1500根鋼管復合樁，并科學地解決了樁身與預制墩臺連接中需遇到的，諸如施工過程的止水，在風浪作用及震動下的對接安裝等一系列問題，終于將墩臺埋入海床面以下。

鋼箱梁橋面制造工藝創(chuàng)新

為便于海上吊裝，大橋主體工程上部結構大規(guī)模采用了鋼箱梁，用鋼量達42萬噸。而鋼箱梁的“疲勞開裂”問題是交通行業(yè)的痼病。科研團隊通過系統(tǒng)化研究，形成了具有行業(yè)引領性意義的科研成果。這一系列的工藝優(yōu)化與升級，保證了港珠澳大橋鋼橋面板的優(yōu)良質量。

橋面鋪裝技術研究

港珠澳大橋50萬平方米的鋼橋面鋪裝面積創(chuàng)下了世界紀錄。國內(nèi)外鋼橋面鋪裝分析理論和研究方法雖然很多，然而實際的鋪裝效果卻往往事與愿違，尤其在低緯度的濕熱海洋氣候環(huán)境下，鋼橋面鋪裝尤其是一個工程難點。港珠澳大橋組織科研力量歷經(jīng)兩年多的研究，對“連續(xù)鋼箱梁橋面鋪裝壽命影響因素”等問題進行深入研究，獲得了豐富的科研成果。

設計的“120年”和“不只120年”的試驗

關鍵詞：混凝土、120年

在120年“長壽”的嚴格要求下，如何同時使大橋的隧道、人工島、橋梁等的混凝土結構皆足夠“耐用”？這在港珠澳大橋工程之前的國內(nèi)其他項目，都是憑定性的經(jīng)驗判斷。

應對之策：跨海集群工程混凝土結構120年使用壽命保障關鍵技術

根據(jù)“湛江暴露試驗站”近30年的實驗存留數(shù)據(jù)，港珠澳大橋科研團隊對“混凝土結構耐久性”問題進行了深入研究，最終獲得了以下成果：

港珠澳大橋九洲橋

第一，引入“可靠度理論”并提出了跨海集群工程中不同混凝土結構構件的定量耐久性設計指標;第二，制定了關鍵部位的外加防腐措施;第三，編制了《港珠澳大橋混凝土結構耐久性設計指南》等規(guī)范性、理論性的文件;第四，進行了耐久性檢測系統(tǒng)開發(fā)。

這些研究成果的作用并不只運用在這“120年”，而且將進一步總結并納入國家行業(yè)標準規(guī)范，指導更多類似工程的耐久性設計。

協(xié)同管理VS兩岸三地的隧一島一橋

關鍵詞：跨境、集群

港珠澳大橋是在“一國兩制”條件下，粵港澳三地首次合作共建的超大型交通集群工程。這三地的制度、文化、法律和慣用施工方法皆有所不同，要跨境共建一個“超級工程”，在國內(nèi)尚屬首例，這使港珠澳大橋的施工及運營管理面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

前期方案論證的線位走向、口岸設置，建設期島、隧、橋3部分的資源調(diào)配、技術標準和環(huán)境保護，大橋通車后3地交通信息交換、消防安全等問題如何聯(lián)動？決策機制如何？

應對之策：跨境工程管理、節(jié)能環(huán)保、防災減災技術

跨境通道營運管理關鍵技術

科研團隊通過廣泛調(diào)研，并對港珠澳大橋中需要進行“決策”的對象進行分類與研究，形成了“三級架構、二級決策”的管理機制，設港珠澳大橋專責小組、港珠澳大橋三地聯(lián)合工作委員會、港珠澳大橋管理局，其突破點在于在利益相關者中選準利益平衡點，保證做到“公開透明”，用“協(xié)商一致”的途徑獲得最終解決方案。

跨境集群工程安全環(huán)保管理，“一體化”管理

立足于“HSE管理”上已形成的經(jīng)驗，科研團隊編制完成了《交通運輸基礎設施建設健康安全環(huán)境一體化管理的技術指南》，為工程建設中的“健康、安全、環(huán)?！币惑w化管理做出了理論性的貢獻。另外，在白海豚保護上，港珠澳大橋科研團隊研究提出了“中華白海豚聲學驅趕（保護）技術”，安全有效地保護了這一“海洋白精靈”。

沉管隧道的防災減災

科研團隊建設了全尺寸隧道綜合防災實驗平臺，利用3年時間，對大巴、中巴、小巴車進行多次燃燒試驗，在世界上首次獲取了火災中隧道內(nèi)溫度、煙霧擴散規(guī)律等第一手數(shù)據(jù)，并形成了《沉管隧道防火安全管理分級指南》等港珠澳大橋防災減災的成套關鍵技術。

這條創(chuàng)新之路可謂步履維艱，一步一歷史，一步一個“化不可能為可能”。大橋在技術理論、標準指南（規(guī)程）、施工工藝與產(chǎn)品裝備、試驗研究基地和項目管理五大方面都取得了創(chuàng)新性成果，這五個關鍵技術成果皆被鑒定為“總體國際領先水平”，有力地支撐了港珠澳大橋的建設，更為交通行業(yè)科技進步貢獻了一份力量！