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建设中的港珠澳大桥 一道绵延56公里的难题

发布时间:2014-11-13 来源:

  港珠澳跨海大桥正在建设之中,它被认为是中国最重要的基础设施工程项目,无论是技术还是政治意义都很重大。这座大桥将是连接内地和香港、澳门之间的第一座跨海大桥,始建于2009年12月,力争在2016年完成。


  港珠澳大桥开通后,机动车将从香港西南部的香港口岸人工岛开始,通过12公里的连接线,穿越粤港分界线后,经东人工岛的过渡,进入一段目前世界最长、双向六车道的海底沉管隧道,水下穿行近6.7公里,随后经西人工岛进入23公里长的大桥,到达珠澳口岸人工岛,然后分流到澳门或珠海。


  大桥工程全部投资约为1100亿元人民币,是目前世界跨海大桥投资最大的工程。在2014年ENR(Engineering News Reports)全球承包商250强名单中,位列第四的中国交通建设股份有限企业为该项工程的主要承包商。 中国工程建设者们正在这片海域创建一项横跨珠江三角洲的世纪工程——港珠澳大桥,它美丽的弧线将成为最受瞩目和最上镜的亮丽地标。


  资料缺乏,工程领域相对陌生


  港珠澳大桥工程中最具挑战性的是沉管隧道工程。沉管隧道建设已有近100年的历史,但是在本世纪之前,沉管隧道大多用于下水道、管线线路的铺设,或者是跨江跨河的短距离施工。直到本世纪初,沉管隧道掀开了跨海隧道建设的新篇章。根据国际隧道协会1993年的报告,沉管隧道被定义为:是由若干预制沉管在水下对接沉放安装,并使这些沉管的组合体成为连接两端陆上交通的隧道。


  世界第一座跨海沉管隧道建于1958年的古巴哈瓦那沉管隧道;之后有连接欧亚两大洲的博斯普鲁斯(Bosporus)海峡隧道,隧道底部最大水深约60米,是目前世界上最深的海底沉管隧道,其后是于2010年竣工的韩国釜山-巨济海底隧道。


  中国工程师们建设了世界上最多的大桥。根据维基百科统计,全球长度超过3000米的大桥共有938座,其中689个建在中国,占总数的73%;不仅如此,世界十个最长跨海大桥中的六座在中国,包括全长41.58公里的青岛海湾大桥以及全长35.673公里的杭州湾大桥等。


  中国工程师们虽然有建设跨江隧道的历史,但直到2010年之前,他们对海底沉管隧道非常陌生,他们甚至只是在电视或者专业期刊上见到过海底沉管隧道建造的视频与照片。中交港珠澳大桥岛隧工程项目副总经理尹海卿说,“国外的施工乃至详细的资料根本拿不到,大家仅在一本叫《隧道》(Journal of the tunnel)的期刊上看到过一篇先容沉管制作的文章和照片,这就是大家认识海底隧道沉管的最初信息”。显然,中国工程师们虽建造了世界最多的桥梁或者跨海大桥,但是他们没有在开放海域建造深埋式沉管隧道的经验。


  穆勒(Casper Paludan-Müller)是丹麦科威企业(COWI)资深项目经理,他参与过丹麦与瑞典之间的厄勒海峡(Oresund Strait)沉管隧道和韩国釜山—巨济的沉管隧道工程,该企业是港珠澳大桥岛隧项目综合桥隧连线的初步设计合作伙伴之一。谈到港珠澳隧道工程非凡特征时穆勒说:“在珠江三角洲建造长达5.6公里、开挖基槽深达30多米的世界最长基槽最深的隧道,是前所未有的,工程难度直逼技术极限,这是一项破世界纪录的工程。”


  何谓世界级难题?


  “工程难度直逼技术极限”何以见得?首先,港珠澳海底隧道有33个长180米、宽38米的巨型沉管,它们要被一节节地准确沉入海底近50米深已经挖好的基槽中。每一节沉管有8万吨。8万吨意味着什么?世界最大的美国“尼米兹”核动力航母满载排水量为9.1万吨,中国“辽宁”号航母满载重量6.75万吨,就是说,港珠澳大桥的海底隧道相当于放入33个航母重量的沉管。


  穆勒告知:5.6公里的港珠澳海底隧道长度超过丹麦和瑞典之间的厄勒海峡沉管隧道段长度的60%,这条海底隧道只有3.51公里,是迄今海底隧道长度的纪录保持者;而韩国釜山—巨济隧道的长度只有3.24公里。


  花田幸生(Hanada Yukio)是世界顶级隧道施工专家,他有35年隧道工程经验,参与过厄勒海峡、博斯普鲁斯以及釜山海底隧道的施工。他目前身份是港珠澳大桥岛隧工程的技术顾问。


  当谈到港珠澳海底隧道与上述隧道的不同及困难所在时,花田说:“首先,隧道距离非常长,说明沉管数量多,如果时间允许安装没有问题,但是工程必须要在短期内完成。第二,这是中国建设的第一个沉管隧道,施工海域是世界上最繁忙的航道,每天有4000多艘通航船舶,所以设计管顶距离海面达29米,施工水深将近50米,而韩国釜山隧道也只有48米,水这么深,是非常困难的。”


  港珠澳大桥是由粤、港、澳三地政府共同建设,工程受到香港、澳门以及广东省政府的三方监管,而三方提出的施工质量标准不同。中交港珠澳大桥岛隧工程项目副总经理罗冬先容,香港遵循的是英国标准,澳门使用的是欧洲标准,大家实行的是中国标准,所以在大桥设计时大家遵循了“就高不就低”的最高标准。“英标建筑物使用寿命是120年以上,中国标准是100年,所以大家按照120年要求组织设计施工;高性能混凝土预制控裂的规范,欧洲标准是最高的,大家选择了欧洲标准。而大型海底隧道,车道适型标准中国规范最高,大家选择了中国标准,采用双向六车道。”


  当港珠澳大桥从一开始被称为一项破纪录的“世纪工程”的那天,就意味着实现工程链条的每个环节都将迎来挑战,突破技术极限的未知在链条的每一环静静地等待着与工程师们的会面。


  对气象和水文条件要求严苛


  长距离海底隧道位于大桥建设难度谱系的最上端,工程师们必须要对工程中不断出现的一个又一个问题做出响应,他们几乎在用全部的时间在寻找不同问题的解决方案,并为这些奔忙:穿梭在专业的研究所或者实验室中,深化对操作对象的理解;调查失败的原因、寻找更为完善的对策;通宵达旦地反复思考与探讨,对关键的问题进行反复审慎的研究,聚集所能见到的方法、苦思冥想可能存在的诀窍和整合全球最好的施工设备,可行性研究、制订实验计划、检测结果、专家认证、投入施工。这就是工程师们的基本工作内容。当解决问题的常识边界超越了土木工程范畴时,他们必须寻求多学科的专家以及调动多种科学手段共同寻求答案。


  2014年8月18日傍晚,记者站在被前后八艘大马力拖轮簇拥着的沉管上,这是港珠澳大桥33节沉管中的第十二节(E12),这个180米的标准沉管静静地浮在水面。在沉管的背后就是沉管预制厂所在的牛头岛,沉管与伶仃洋海面只有坞门相隔。此前,在“津安2号”、“津安3号”沉管安装船组的提带下,E12从深坞移出。依靠拖轮和锚缆把管节拖运到指定海域,向下沉放并实现与早前安装好的E11对接。


  沉管浮运和沉放是港珠澳大桥建设的核心环节,而浮运最大的限制因素是气象和海流:它对所在海域气象、海浪、海潮有苛刻的要求。据国家海洋环境预报中心总工程师王彰贵先容,8万吨沉管本身产生巨大的阻力,而10公分/每秒米的流水将对沉管产生很大的反作用力,浮运拖航掌控困难。必须在合适的天气、海洋潮汐与海浪、海流的条件下才能施工,也就是要找到满足两个因素叠加形成的作业保障窗口期。而一个月仅有两个短暂的“窗口期”。


  国家海洋环境预报中心接受了中交港珠澳大桥岛隧项目部的请求,承担对接窗口保障系统的研制任务,他们要研发的这套系统发挥的作用与丹麦水利研究院(DHI)的系统毫无二致。在王彰贵看来,价格不是关键问题,他怀疑的是DHI做港珠澳沉管对接窗口保障的能力。“首先,数值预报包括海流、天气和海浪三个系统,即便做了数值预报,实际上距离工程需要的精度还有一段距离。另外,做工程保障一定要熟悉气象、水文条件,而DHI缺少施工海域历史资料,即便出高价也不会卖给他们”,他说。


  国家海洋环境预报中心承担过“雪龙号”被困南极和“蛟龙号”下潜的保障工作。王彰贵说:为“雪龙号”和“蛟龙号”做保障比港珠澳大桥项目要容易得多,蛟龙号从3000-7000米的三次下潜都在一天内完成,只要考虑表面的气压条件就行了。承担这么大工程的对接窗口保障大家也是第一次。


  王彰贵先容说,从“七五”计划到“十二五”规划,国家对海洋预报支撑力度很大,每年有3000万科技项目支撑。另外,每年还有4000万元的重大行业专项项目,目前气象与海洋预报使用的计算机是千万亿次级的,中国精细化气象与海洋环境预报已经达到世界领先水平。


  关乎死亡区域的误差


  1998年,日本投资博斯普鲁斯跨海隧道工程,日本大成建设株式会社(Taisei)控制了设计施工团队的75%,他们花费了两年时间搭建了对黑海、土耳其和博斯普鲁斯气候系统的模型,并将此与隧道水流运动结合进行计算,实现对每个沉管安装点水流活动的预测,准确率超过90%。而中国海洋环境预报中心为港珠澳大桥岛隧项目对接窗口保障系统的预报精准度目标是100%。


  “对一般预报而言,准确率达到70-80%就比较好了,有20-30%的误差属正常。但对港珠澳大桥岛隧工程的保障,这个误差值将是工程的死亡区域。大家的预报精确率必须要做到百分之百”,王彰贵说。而对林鸣来讲,浪高增加0.1米或者水流流速每秒增加0.1-0.3公分都是关乎成败的临界点。


  记者问林鸣:担任现场总指挥感觉如何?他回答:像走钢丝。“高空走钢丝每一步都必须如第一步一样谨慎,任何一步的失误都会前功尽弃,导致毁灭性后果。而一旦走上去中途就没有退路。安装沉管也是如此,每一节沉管都不能出错,每时每刻都是如履薄冰、如临深渊。”


  2013年5月6日,港珠澳大桥岛隧工程计划沉放海底隧道第一个沉管。林鸣拿到海浪预报数据:浪高0.9米,超过施工限值。他们在沉管出坞浮运安装的决策上迟疑:造价昂贵的8万吨沉管一旦出坞意味着没有退路。而错过窗口期,遇到大风浪产生的扭力转向,会使混凝土沉管构件受到破坏,将导致整根沉管的报废。


  这是一次在信息对冲条件下的艰难决策:一个月两次的窗口期为工程按时完工的硬约束;借鉴国外海底隧道沉管沉放水流及浪高的指标为参考值;考虑海浪预报有0.2米误差允许值的范围,林鸣果断下决心,按照原计划沉放。工程决策小组中的五个人,在《沉管出坞浮运安装确认书》上签下了自己的名字。第一节沉管的沉放顺利完成。


  之后,国家海洋环境预报中心为超越0.2米的预报误差值进行了技术攻关,专门成立了保障团队,请回已经退休的权威专家,收集风云卫星基础数据和现场观测数据,使用60万亿次计算机运算;每次预报前进行会商,校验测量值与真实值之间的差异,最终解决了0.2米临界值误差的问题,创造了零误差预报的奇迹。


  “直逼技术极限”的挑战


  在东、西人工岛之间的6.7公里,除人工岛上建设的对接部分,隧道沉管长度达到5664米,从E9-E27作业水深为45-50米,基槽深度约为35-40米。2014年3月24日E10沉放,它将与早前的E9连接,在E9及之前的沉管属于浅埋安装。E10沉管水深43.5米,世界范围内尚无深水深槽沉管施工经验参考。


  当项目进入未知领域,“直逼技术极限”的挑战终于来了。沉管工程核心问题是密封不透水。在沉管接头处有双重防水装置Omega密封和Gina止水带,这是370毫米高的橡胶衬垫,与前一节沉管对接时,衬垫会被挤压至190毫米。一个标准的沉管宽38米,对接精度的准确与否,直接关系到沉管水密的质量。当一个相当于航母重量的混凝土沉管沉放到50米深的海底基槽中后,如何与前一个沉管的止水带精确对接,挑战不言而喻。


  有多少人看见过项目总经理是如何解决一个个具体问题的?自然科学对压力有多项描述,包括气体与液体对固体的压力用“公斤”或“兆帕”反映恒定压力的大小,而外部事物对人的压力迄今为止没有计量单位意义上的表达。担任超巨型工程的最高决策者,他的神经元或者神经细胞所受到的外界作用力是多少,尚没有科学的描述。因为他们的压力对外行来说是完全不可见的。但是当你深入观察时,这种压力转化为创造的过程,偶尔还是可见的。


  E10沉放后工程师们发现:海底沟槽内洋流的变异带来巨大的冲力,这意味着沉管的安装操控更难掌控。林鸣和他的团队要找到巨大冲力来自哪里。


  刘晓东说:“E10之前没有遇到过这种现象,大家一直在寻找原因。按照基本理论,水流原本应该是上层流速大,越往下流速越小,特别是深槽内还会有衰减才对。后来经过对水流数据的分析和进一步的观测,大家发现了在某段时间槽底存在大流速的现象。”


  “海中的眼睛”化解危机


  如果工程是解决问题的,那工程中的每一个异象都会显现出一系列问题,问题往往是以突变的方式到来。如何解决就是在创造一种解决方案,而工程中的任何一种新的解决方案产生后,如果也能被适用到其他工程,它就成了案例或者标准,也就成为一项技术。所谓新技术就是这样被创造出来的。


  7月2日,林鸣来到北京。在国家海洋环境预报中心,他希翼海洋预报专家帮助分析产生的原因。林鸣很焦急,他希翼找到答案以保证E11的顺利沉放。


  “这种现象叫海洋内波(Internal Wave),作为重要的海洋环境动力因子,是大家重点研究的领域”,王彰贵说。“当海水上下两层因盐度不一致的时候,并形成上面密度高,下面密度低的分层现象。首先,上层密度高处浮力比较大,而下层密度小的区域浮力也会变小,当船行驶至密度小的区域时浮力突然变小,船会向下沉,就像到悬崖一样,这种海流现象叫内波。另外,内波会形成两支流向正相反的内波流,这种内波产生的阵发性强流可高达1.5米/秒,犹如剪刀一般,破坏力极大。”


  根据《解放军报》的报道,今年春节期间,372潜艇在实行巡逻任务时驶进深海密度跃变层后,由于海水密度突然变小,压力骤然变化,潜艇快速坠向3000多米深的海底“悬崖”。危急关头,王红理艇长指挥若定,精确完成一项项操作,3小时后潜艇恢复潜航能力。为此,中央军委给王红理、海军给372潜艇记一等功。王彰贵说:“这类负密度梯度跃变层在浅海主要出现在北部近海,即粤东、粤西近海和琼州海峡附近很小的海域,港珠澳项目遇到流速加快的现象,和内波有点类似。”


  国家海洋环境预报中心保障项目组迅速调整人力物力,在沉管施工区域做深槽观测研究,放置了多种海洋调查仪器,监测海流、波浪及盐度变化的规律,目的是收集施工区的水文信息,提高沉管施工临近期预报的准确率。同时提高了精细化预报水平,海面到施工海底每一米的海水流速,从原来每两个小时的预报和实时监测,提升为一分钟、五分钟的预报。这个被称之为“小窗口”的预报系统犹如一双“海中的眼睛”,成功地避开了内波发生时段作业。


  “在安装E11时大家第一次尝试这个系统,到了安装E12的时候,系统逐步在完善。可以说,这个系统目前已经成熟。”刘晓东说。国家海洋环境预报中心研制的“大窗口”与“小窗口”保障系统的App,在总指挥林鸣眼中其市场价值巨大。


  另一个支柱


  就在同一天,林鸣拜访了另一个机构——中国航空工业集团第304研究所,他希翼得到沉管沉放“万无一失保障系统”的另一个重要支撑。“大家已经进入深海作业,深水深槽内水流条件复杂,缆绳长度增加,刚度减少,沉管质量大、负浮力小,在水流作用下可能产生的运动会给沉管安装带来风险。有必要在沉管沉放过程中,对沉管运动姿态进行监测,你们能帮助大家监测沉管的姿态吗?如果能,才能保证大家每个月的安装”,林鸣询问。


  “没有什么不能!” 304所副所长周自力说。“大家所是一个诞生于抗美援朝战火中的致力于自主研发和用准确数据保障国防技术发展的基础性研究机构,从事的计量测试技术领域研究,参与过各种国防重大项目,如神舟系列飞船、三代坦克、四代飞机、C919大飞机等,提供了准确的数据,保障了各项目的成功。大家一定要利用我所自主创新和动态测试的技术优势,为保障沉管安装成功对接进行技术攻关,为港珠澳大桥的建设尽微薄之力。”


  据承担这项任务的负责人邵新慧先容,中国交通建设股份有限企业下属的中交天津港湾工程研究院在5月份就与他们接洽,希翼能够提供“运动姿态跟踪监测系统”的技术支撑。304所仅仅用了一个月就完成了实验室验证试验、现场模拟运动的比对测量试验、测试方案的设计与修改,初步验证了测试方案的可行性。在林鸣离开304所的第四天,“港珠澳大桥岛隧工程深槽区海流条件分析暨沉管对接作业窗口预报保障系统建设方案专家咨询会”在珠海召开,测试方案通过了与会13位专家的评审,并确定马上实施。


  “由于E11沉管的作业窗口定为2014年7月21日,20日需开始浮运、17日沉管封门、14日要到现场安装调试,时间非常紧迫。所领导大开绿灯,大家在5天时间内完成仪器采购、支架加工装配以及测试系统搭建。7月13日凌晨3点,刚调试好的仪器被打包装箱运往机场发货运,并于当天夜里12点到珠海项目总部营地。第二天一大早乘交通船到桂山岛沉管停泊地进行安装调试。因为是首次安装调试,在天津港湾工程研究院的工程师们的配合下,从下午2点半开始一直忙到晚上11点半,历时9小时终于圆满完成。”邵新慧说。


  他们运用了空间对接运动姿态监测技术手段:“选出合适的传感器,搭建六维测量系统,设计沉管姿态测量模型,编制适宜于现场快速滤波的计算App。对现场采集的信号进行分析,在沉管沉放不同的深度上利用边界条件优化数值分析模型,计算沉管在不同水深及边界条件下的固有模态频率,再通过实测得到的流速、流速变化频率等数据,对沉管施以外力计算其响应,以此为参考提取信号有效成分,获得所需各方向的加速度、角度等物理量。测量系统所组成的超低频惯导平台侧重于加速度测量,继而求得管节运动的位移和角度”,邵新慧说。


  7月20日晚上8点半,浮运船队按时起航。21日下午2点半开始沉放。邵新慧负责沉管运动姿态情况的实时监测与汇报。在7个半小时的监测与预报的保障下,林鸣宣布沉放对接成功,304所成功地完成了首次任务。


  而304所项目组不满足于现状,根据每次管节沉放综合分析监测得到的加速度、角度、缆力、流速、海水密度等数据,正在逐步完善沉管数值模型分析,设计开发产品级的深水姿态监测平台,以实现沉管安装过程的自动化监测与报警。目前国内、国际上已有多条在规划中的海底隧道,所以他的营运前景广阔。邵新慧承认,这项研究成果还可以用于其它水下和太空中结构或物体的超低频运动姿态测量。


  到目前为止,304所甚至都没有来得及与港珠澳大桥项目谈及测试费用之事。周自力说:“大家是国家级的国防科研基地,大家代表的是行业国家的技术水平,大家追求的东西不是钱的问题,大家是把它当科知识题在研究,这是大家的价值追求。”


  “之所以大家没有花大价钱购买外国的App系统,这和国家整体科技实力的升级有很大关系,如果没有强大的科研实力与平台,只能受制于人。它是一个互相催生的过程,经济与科技优势催生了中国工程建设迈上一个新的台阶。同时,工程的需求也催生了海洋技术以及测量技术的发展”,尹海卿说。


  港珠澳大桥工程展现了经济与技术相互“泛现”的图卷,让人们有机会观看到经济与技术是如何相互表达的过程,以及经济与技术创新的繁衍能力,因为它们比一个工程的作品更抽象。在这里,经济成为新技术语言的表达,而经济的镜子则映射了新技术的出现。


  (本文章摘自11月8日《21世纪经济报道》)

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