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港珠澳大桥沉管隧道接头剩12米 创多个工程史先例

2017/04/18 08:36 来源: 金羊网 评论
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从打地基、做沉管到海底安装,港珠澳大桥海底隧道开创多个世界工程史先河。

从打地基、做沉管到海底安装,港珠澳大桥海底隧道开创多个世界工程史先河。

作为世界上首条深埋式沉管隧道,港珠澳大桥沉管隧道只剩12米长的最终接头等待安装。这个国内首个钢壳与混凝土浇筑的“三明治”楔形沉管结构,将决定着港珠澳大桥岛隧工程的最终成功与否。

重达8万吨的沉管要在水下实现毫米级对接,是一个世界级难题。六年来,中国交建岛隧工程联合体的建设者们,在深水深槽、大径流、强回淤,甚至随时要与台风抢时间的恶劣环境下,完成了一次又一次的沉管浮运、安装,攻克了一个又一个世界级技术难题。

创举

从打地基到做沉管 创多个工程史先例

港珠澳大桥隧道部分采用深埋式沉管隧道,长达近6公里的沉管隧道,共分为33节,大部分标准管节长达180米,此外还有一个12米的最终接头。33节沉管中,需要深埋的沉管超过2/3。曲形沉管施工中,还要考虑如何与人工岛实现完美对接。

要达到120年的使用寿命,基槽的设计和强大的疏浚、清淤能力,是重中之重。如何设计出一个让沉管不会发生大面积位移的海底基床?又如何在外海水下最深达50米的地方完成高精度的疏浚、清淤?

创造性提出“复合地基”

在中交第四航务工程勘察设计院有限公司副总工程师、岛隧工程设计负责人梁桁看来,这个难度不是一般的大。进场之初,岛隧工程的设计师们就遭遇了一个重大打击,在中标之后的不断试验中,原有的基槽基础构造方案存在着高风险——如果地基处理不好,隧道可能会出现大面积沉降,沉管隧道的安全性、120年耐久性就无从谈起。

为了解决这一问题,设计师们创造性地提出了“复合地基”的方案,即保留原方案的碎石垫层设置,并将人工岛岛壁下已使用的挤密砂桩方案“移植”到隧道,形成“复合地基”。

但这一做法在国内外海底隧道的施工中并无先例可循。梁桁说,一般情况下做复合地基,沉降控制要求可以放宽到二三十厘米,但沉管隧道却不行,沉降必须控制在十厘米之内,这对复合地基的施工来说,是一个巨大的考验。如果沉降控制不好,沉管就会出现移位、漏水,导致无法通车。

“我们在青岛进行了差不多半年的试验,最终证明,这样的方式是可行的。这是我们进场后最大的调整。”梁桁说,这一方案在四年多的施工中也得到了验证,如今,沉管隧道地基的沉降都控制在5厘米以内。

基槽疏浚如“海底绣花”

中交港珠澳大桥岛隧工程项目部IV工区常务副经理、中交广州航道局有限公司(以下简称“中交广航局”)总工程师陈林告诉羊城晚报记者,海底沉管隧道基槽施工质量要求极高,远远超出了国际同类工程标准。

为了实现沉管在海底的毫米级对接,对隧道基槽开挖提出了0米-0.5米的误差控制范围。“这样的深度如此精度要求,堪称‘海底绣花’。且之前,全世界没有任何一家疏浚公司有过类似施工经验可供我们借鉴。”陈林说。

全长5.6公里的海底沉管隧道基槽,最大底标高达近-50米,且其形状实际上是个具有不同纵横坡比、复杂多变的“锅底形”海底基槽。在其正式动工建设前,中交广航局于2008年12月就开始参与沉管隧道试挖槽原位试验,整个试验过程足足用了两年时间。

“通过我们自主研发的专用精挖船挖泥控制系统,船长通过计算机就能清楚地看到重达110吨的巨斗在海底‘绣花’作业的过程。经过技改的专用清淤船采用‘定点盖章式’清淤技术,能像‘海底吸尘器’一样把基槽内的淤泥清理干净,让沉管作业始终在干净的海底环境中进行。”陈林说。

半刚性管节设计开先河

2012年,另一个难题一度困扰着岛隧工程的设计师们——33节沉管,标准管节每节达180米长,如果采用A方案——刚性管节设计,在海底复杂的环境中,沉管很有可能因为受力不均而开裂。

如果采用B方案——即节段式管节设计,允许其发生小规模扭转,在深埋式沉管占据2/3的情况下,就必须隔几年进行一次清淤回填,这将产生巨大的成本。

究竟选A还是B?

解决问题的是岛隧项目总经理林鸣,他选择了C。某天半夜,他突然给设计团队发了一条短信:试试半刚性结构。

“我们一听,这是好方案啊!”梁桁说,半刚性结构沉管的提出,同样开了国内外之先河,但也引起了不小的争议。为了达成一致共识,设计团队请了六家单位以“背对背”的形式,独立计算验证,最终证明了半刚性结构是可行的。

而在四年多的施工中,半刚性沉管结构也证明了它的确“了不起”:33节沉管已经安装完毕,沉管隧道还是滴水不漏。

“世界上没有一条海底隧道,敢像我们这么说,滴水不漏,很多隧道施工都需要开泵排水。”梁桁不无自豪。

安装

从浮运到安装,实现毫米级对接

工程设计上的难题一个个被克服,但深水深槽、大径流、强回淤……在安装施工上,岛隧工程建设者们要攻克的也都是“世界级难题”。

自2013年5月1日开始进行首节沉管安装施工以来,在近四年的时间里,建设者持续攻坚,不断优化施工工艺和完善保障手段。

为了保障沉管的浮运、安装,岛隧工程的工程师们,成功地开发并应用沉管安装深水测控系统、浮运沉放压载水控制系统、沉管对接精调系统、沉管水下运动姿态实时监控系统、气象海况保障系统、浮运拖航控制系统等八大系统,按照标准化流程推进浮运、系泊、沉放、对接作业,完成了全部33节沉管安装对接,并使得已建隧道滴水不漏。

精准预报“擦肩”台风

180米长、8万吨重的庞然大物,从沉管预制厂到安装现场,需要经历14公里的海上行程,这需要深度分析并掌握海浪、海流、风速、海水盐度、海水浊度等复杂数据,提前预报,以确定作业窗口。这个窗口期又长达14天,这期间不能有大的台风、强对流天气。对接的时候,每个小时都要进行预报,精度要求非常之高。

2014年7月,E11沉管浮运安装海洋环境窗口期,正好处于台风“威马逊”和台风“麦德姆”来袭期间。安装,则可能有一定风险;不安装,基床就要重新铺设,这将造成巨大损失。

“当时我们监测到,‘威马逊’在我们的施工区范围以外,不会产生大的影响。关键是第二个台风,我们当时根据每天的实时卫星资料,加上最新的数据预报技术,判定这个台风虽然会经过施工区北边,但不会影响到施工区。后来,正如我们的判断。”国家海洋环境预报中心的总工程师王彰贵告诉羊城晚报记者。

用20余艘船运输安装

除了自然条件的限制,对沉管浮运安装的工程技术要求也极其高。

负责浮运安装的V工区副经理王伟告诉羊城晚报记者,每次沉管浮运安装时,需要固定在两艘专用安装船上,一般由10艘大马力拖轮牵引,另外还有三艘拖轮是备用的。在王伟看来,沉管在浮运过程中风险是最大的,由于珠江主航道只有240米宽,很窄,一旦搁浅,沉管就废了。

为了确保万无一失,沉管浮运时,有9艘锚艇陪伴左右,12艘海事船警戒护航,“舰队”总马力超过5万匹。

“津安2号”与“津安3号”,是中国交建旗下上海振华重工为港珠澳大桥沉管隧道量身打造的安装船,通过安装船底下的起吊装置,就可以精密控制和监控沉管下沉到海底的整个对接过程以及运动姿态。

“通常在距离基床一米的时候,我们就开始调整沉管的姿态。”王伟告诉羊城晚报记者,通过深水测控系统和水下运动实时监控系统,沉管的身位、水深等所有的数据都尽在安装船指挥室的掌握中。在沉管沉放基本到位后,则通过沉管对接精调系统和沉管对接拉合系统进行精准定位和毫米级对接。

重挫

三次浮运两次返航 E15历时156天安装成功

2014年11月15日晚,E15按计划出坞浮运,准备安装。岛隧项目建设者们并未意识到,一场前所未有的大危机,正在向他们靠近。

“基槽内出现大量回淤!”沉管已经浮运到位,水下作业的潜水员却带回一个从未遇到过的坏消息。

“通常来说,清淤是我们不断反复的一个工作,但在这么短的时间里骤淤这么严重,是我们从未碰到过的。”负责基槽疏浚、清淤的IV工区常务副经理、中交广州航道局总工程师陈林说。

大量回淤把建设者们推向了两难的境地:如果继续安装,沉降无法控制,沉管就将有重大漏水风险;若是停止安装,沉管就必须“返航”回到预制厂,后果也将是数千万的拖运成本和对整个团队士气的打击。

“停止安装,沉管返航回坞!”经过现场紧急磋商协调,岛隧项目总经理林鸣最终下令E15返航回坞。

“我当时的感觉就是完全懵了。”负责沉管安装过程中舾装、系泊等作业的V工区技术主办朱岭告诉记者,回坞的风险是很大的,尽管曾做过这方面的预案,但在此之前,沉管的浮运安装团队还从未进行过回坞演练。所幸,经过近70个小时的连续奋战,E15管节终于顺利回坞。

“后来发现,每立方米水体含沙量居然达到了1公斤的水平,我们前后花了20天时间,才终于确定了这个异常泥沙的来源。”梁桁告诉记者。

突然出现的回淤和泥沙,来自于上游的大量采砂企业。为了支持港珠澳大桥的顺利施工,广东省委省政府召集采砂企业,要求在沉管安装的一段时间内停止采砂。

2015年春节后,E15再次浮运安装,到达现场之后,却再次遭遇回淤问题。顶着巨大压力,林鸣下令E15第二次返航。

“当时我们已经不是懵了的问题,而是感觉这到底怎么了?E15真的有这么难装吗?”朱岭说。

直到3月26日,历时156天后,第三次浮运安装的E15终于沉放对接成功,“安装成功的时候,我看到我们工区的常务副经理宿发强,都激动得流泪了,是真不容易。”朱岭说。

期待

剩下12米 5500吨“三明治”对接

2017年3月7日,港珠澳大桥海底隧道最后一节巨型沉管——E30管节安装取得成功。至此,已建隧道总长达5652米,距最终合龙仅差12米。

记者从西人工岛深入沉管看到,施工人员已经在对已经安装好的沉管隧道进行内部装饰,安装灯光、电缆、通风设备等。

为了保障整个沉管隧道滴水不漏,在每一个沉管水力压接完成后,管内施工人员都要对止水带进行保护,并安装第二道止水带。“我们有这么多管节,每个标准管节又分为8段,拼接在一起后就会有7个接头,这些地方都是防渗防漏的重中之重。”I工区副主任工程师杨润来告诉记者。

记者了解到,最终接头的安装是港珠澳大桥海底隧道建设最为关键的环节。中国交建建设者经过三年多艰难攻关,先后完成了最终接头钢结构制造和高流动性混凝土浇筑,国内首个“三明治沉管结构”已经顺利制作完成。

由于该结构重达5500吨,吊装精度控制要求极高,安装施工难度极大。“最终接头,维系着整个港珠澳大桥沉管隧道的成败,可以说成败在此一举。”梁桁表示。

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