科技日報記者 葉青 郝曉明 通訊員 華軒
10月23日上午，被稱為“現代世界新七大奇蹟”之一的港珠澳大橋開通儀式在廣東珠海舉行。10月24日上午將正式通車運營。大橋全長55公里，集橋、島、隧於一體，創造了沉管隧道“最長、最大跨徑、最大埋深、最大體量”的世界紀錄，涵蓋了當今世界島隧橋多項尖端科技，是當今世界最具挑戰性的工程之一。
港珠澳大橋從設計到建設前後歷時14年，這背後有著什麼樣的科技支撐呢？
世界最長的海底沉管隧道
天上有飛機，海上有輪船，夾在中間的港珠澳大橋如何才不會影響鄰近香港國際機場航線的飛行安全，又能滿足伶仃洋航道30萬噸輪船通航的需要呢？
港珠澳大橋設計團隊提出了一個極富創造力的方案：建造東西兩個人工島，修建一段海底隧道，將隧道與大橋連接起來。這條世界最長的海底沉管隧道由33個巨型沉管組成，每節管道長180米，單節重約8萬噸，且沉到海底40多米。
如此巨大的沉管要怎樣才能沉降到海底實現對接？這就需要浮運安裝。所謂浮運安裝，即是用拖船將沉管拖運到橋位附近，再用絞錨方式進行橫、縱移沉管至安裝位置並進行沉放安裝。為保證浮運安裝成功完成，華南理工大學的趙成璧副教授團隊採用物理模型試驗和數值模擬方法對隧道沉管管段浮運、繫泊與沉放等水上施工的關鍵問題進行研究。這一研究，還真發現問題。
“實驗發現，在淺水海域，沉管在水流和波浪的作用下，縱向水流對管段的作用所引起的問題比較容易解決，但若遇橫流的作用，管段一放進海里，就會產生橫傾與下沉，並容易觸碰到海底，極其不安全。”團隊成員王冬姣副教授說。為了進一步驗證該實驗的可靠性，團隊一遍遍進行實驗與計算。最終為港珠澳大橋的浮運與沉放施工方案提供重要的技術支持。
在大橋主體安裝中，鋼箱梁橋面鋪裝代表橋樑建設“面子”工程，它提供車輛行駛的舒適安全。“我們摒棄了價格高昂的進口環氧瀝青材料橋面鋪裝技術，選擇了英國澆注式瀝青鋪裝方案。”華南理工大學張肖寧教授說，“但該方案施工效率低，按照此方案，需要5年左右的時間才能完成鋪裝工程。”他們創新性地提出GMA施工方案，將施工效率提高10倍，半年內完成工程。並建成國內外首個能夠滿足力學相似的橋樑截斷足尺模型。
打破國內大橋“百年慣例”
除了是世界最長的大橋，港珠澳大橋的設計使用壽命長達120年，打破了國內大橋的“百年慣例”。
位於海泥環境中的鋼管樁如何確保120年不損壞，這對港珠澳大橋設計團隊提出極大的挑戰。“針對特定的海泥環境，我們先後從塗層的抗滲透性、耐陰極剝離性等著手研製新型塗料，解決塗層的耐久性問題。”中國科學院金屬研究所耐久性防護與工程化課題組負責人李京研究員告訴記者，他們研製出新一代高性能環氧塗層鋼筋，並參與大橋基礎的防腐塗裝施工，保障了港珠澳大橋120年耐久性設計要求。
複雜的海床結構、惡劣的自然環境、超長的跨度距離，對橋樑鋼是一個巨大考驗。支撐起這座特大型橋樑的高性能綠色橋樑鋼，大部分是基於東北大學王昭東教授團隊研發的基於新一代控軋控冷工藝，由鞍鋼集團生產。
該工藝使鋼材組織細化35％以上，析出相尺寸減少25％以上，有效滿足了橋樑鋼高強度和高韌性的需求。通過優化的“成分設計+控制軋製+軋後超快冷卻”組合拳，滿足了橋樑的抗震和抗應變設計。
“搭積木”拼裝出大橋
港珠澳大橋像“搭積木”一樣拼裝出來。先在工廠裡把橋墩、橋面、鋼箱梁、鋼管樁等生產出來，等到伶仃洋風平浪靜時再組裝起來，首次實現“大型化、工廠化、標準化、裝配化”建設理念。
“大鋼箱梁運到現場安裝，安裝誤差必須控制在1公分以內，每個焊縫不能超過2公分，難度非常大。”伶仃洋上多臺風，為了趕在臺風來臨前完成施工期，華南理工大學王榮輝教授團隊在國內首次採用多工法、不對稱、多塔斜拉橋的施工控制技術，完成世界首次3100噸巨型鋼索塔整體施工。
今年強颱風“山竹”登陸時，當全國人民都為港珠澳大橋捏一把汗時，它穩固屹立。大橋之所以能牢牢“站穩”，抗16級颱風、8級地震，離不開科學的數據支撐。
“前期週年觀測工作早在2007年就已開始。通過現場波浪觀測和分析計算，從而實現潮汐潮流長期預報、颱風等極端個例的工程分析等目的。”華南理工大學朱良生教授總共觀測出包括“黑格爾”在內7個颱風。“拿到觀測數據非常困難，部分設備需要依靠千噸以上的海事船進行投放。並在颱風季節開展為期3個月的同步對比觀測。”
人工島的防風設計，應該採用什麼形狀才更能扛強颱風呢？團隊通過對1949年以來所有颱風進行反偵，統計出“50年一遇”“100年一遇”的颱風強度，為橋面建設提供參數。
此外，高韌薄層瀝青罩面技術、水下結構止水、交通工程系統集成等技術應用，使得港珠澳大橋成為名符其實的“超級工程”。
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