港珠澳大橋的數字奇蹟:世界超級工程是如何誕生的

港珠澳大橋島隧工程總工程師林鳴在和荷蘭團隊談合作的時候,對方開價 1.5 億歐元( 15 億人民幣)。最後一次談判時,林鳴問,3 個億人民幣,是否能夠為工程風險最大的部分提供支持。

荷蘭人回答,我可以為你們唱首祈禱歌。

2015 年英國衛報評選的「當代世界七大工程奇蹟」中,港珠澳大橋赫然在列。

2018 年 10 月 24 日早 9 點整,港珠澳大橋將正式通車,屆時駕車從香港到珠海澳門只需 30 分鐘。

10% GDP佔比

粵港澳大灣區都市圈的面積不到中國總體面積的 1%,而總人口達到了 6000 萬人,佔據中國 10% 以上的 GDP 。廣州、深圳、香港、澳門、珠海等都會均是其中的一分子,在文化上,這些城市之間有著千絲萬縷的關聯;在政治上,香港和澳門作為特別行政區和大陸制度不同,也迫切需要一個紐帶,加強不同區域之間的聯繫。港珠澳大橋應時而生。

大橋總長 55 公里,採用雙向六車道高速公路標準,設計速度 100 公里 / 小時。橋樑總寬 33.1 米,隧道寬度為 2×14.25 米、淨高為 5.1 米。曾經珠海和香港之間來往要通過渡輪,如今通行時間大大縮短。

港珠澳跨海工程還是世界上最長的跨海大橋,是橋島隧一體化的集群工程:有橋樑,有人工島,也有隧道;長度最長,軟基最厚,沉管埋深最深,沉管體量最大。無論在哪一方面,都大大超越了世界最高水平。

韓國巨濟島-釜山連島大橋橋樑長度 8.2 公里,高樁承臺,港珠澳大橋橋樑長度 22.9 公里,埋置式承臺;美國切薩皮克跨海工程每個人工島面積 3.2 萬平方米,港珠澳大橋人工島面積達 10 萬平方米;丹麥-瑞典厄勒跨海工程海底管沉隧道 4050 米,港珠澳跨海工程隧道 6700 米。港珠澳跨海集群工程橫空出世,將諸多桂冠集於一身。


港珠澳大橋的數字奇蹟:世界超級工程是如何誕生的


120 年 設計使用壽命


港珠澳大橋的設計使用壽命長達 120 年。這意味著大橋橋墩必須能承受 120 年的海水侵蝕,橋體必須能經受 120 年最高 16 級的颱風,施工上需要克服相當大的困難。伶仃洋上風大浪急,既有海底淤泥的沉積,也有花崗岩地層有待突破,同時,水體「高溫、高溼、高鹽」的特徵也會讓橋墩的腐蝕速度加快。

地理和水文環境之外,現實的施工環境也提供了很多挑戰。大灣區 6 級以上的強風天數達 200 天,每天來往的船隻超過 4000 艘,同時,香港國際機場的飛機就在大橋附近起降,也對橋的高度提出了硬性限制。這些都對施工難度了不小的挑戰。

港珠澳大橋體現了中國人高超的基礎建設實力:橋體使用了太原鋼鐵廠生產的鋼筋,同時也基於可靠度理論,在湛江設立暴露試驗站,結合實測數據的定量設計方法,採用大體積混凝土空列技術,進行混凝土結構耐久性設計;對沉管隧道採用抗震設計,解決了離散多點動力輸入與連續動力輸入等效的理論難題。使「120 年」並不只是一個紙面上的數字。


2000 頭中華白海豚


中華白海豚被稱作「海上大熊貓」,是國家一級重點保護野生動物,也是香港迴歸祖國的吉祥物。中華白海豚在 1991 年被列入瀕危野生動植物種國際貿易公約(CITES)附錄 Ⅰ ,2008 年被世界自然保護聯盟(IUCN)評估為近危物種。而港珠澳大橋所在的珠江口,是中華白海豚最大的棲息地。目前,香港附近海域的中華白海豚數量約有 2000 多頭。

同時,伶仃洋海域周邊還分佈著「淇澳島海洋生態系統保護區」、「淇澳島-唐家灣灘塗增殖區」、「青洲-頭洲淺海貝類增殖區」、「桂山連島淺海貝類增殖」、「蜘洲列島淺海貝類增殖區」等保護區和養殖區。大型工程如何保證生態環境不被破壞,成了港珠澳跨海集群工程必須要考慮的問題。在技術上面對挑戰的同時,中國橋樑人也在進行理念上的更新。

施工區域分為試驗區、緩衝區和核心區,在水域內施工,不能使用柴油打樁錘,不能產生施工震動,同時,施工方搭建了 HSE 保障體系,對施工過程進行全程監督。港珠澳大橋在保護生態環境上付出的努力最終取得了效果:在工程完工後,有記者在海域內拍到了中華白海豚在水中暢遊的情景。


價值 500 萬元的公式


沉管隧道是整個港珠澳跨海集群工程最複雜的部分,也是被國外公司漫天要價的部分。在與外商談判失敗後,中國人開始了自主探索。

其中沉管隧道結構計算中,需要應用到接頭剪力計算公式。而已有公式不考慮彈性墊層,適用範圍有限,不適合港珠澳沉管隧道的具體情況。

在經過理論研究論證後,港珠澳大橋獲得了節段接頭剪力計算公式,將墊層剛度納入公式範圍,使接頭構造和受力更加合理。僅這一個公式,就節省了工程費用約 500 萬元。


港珠澳大橋的數字奇蹟:世界超級工程是如何誕生的


港珠澳集群工程凝聚了中國人的智慧,是中國自主創新的一次集中體現。工程申請的專利超過了 1000 項。「港珠澳大橋跨海集群工程建設關鍵技術研究與示範」項目,於 2010 年列入 「十一五」國家科技支撐計劃。2010 年 9 月19 日正式啟動實施,計劃項目總經費達 1.2 億元。

共有21家企事業單位和包括同濟大學、西南交通大學、東南大學、華南理工大學、清華大學、南京大學、長安大學、中山大學等 8 所高等院校參與設計,研發團隊 500 餘人。工程階段,施工方在包括水文、氣象、地質、地震、測繪、環境等各方面展開了 51 項專題研究。

5 天 4 夜 連續工作

港珠澳工程共有 4 座人工島,其中兩座是連接水下隧道和水上橋樑的節點。然而,用傳統的方法人工造島需要兩年時間,而工期要求要比這短得多,新方法填海造島勢在必行。

工程師將 120 個重 500 噸的鋼桶錘入水中,圍出一個海島。每一個鋼桶直徑 22 米,高度達 40-50 米,能裝下 4 輛卡車。鋼圓筒插入不透水粘土層形成止水型島壁結構,回填砂形成陸域,採用塑料排水板聯合降水預壓方案進行軟基處理。 1600 噸起重船「振浮 8 號」將鋼桶用8錘聯動振沉系統,將筒身固定,並利用定位精度管理系統,避免鋼桶位置出現誤差。


港珠澳大橋的數字奇蹟:世界超級工程是如何誕生的


4 座人工島快速成型,離岸 20 公里,水深約 10 米,軟土層厚度 20-30 米。

大灣區航運發達,為了避免橋樑阻斷航運路線,港珠澳大橋一部分路線以隧道形式從橋下通過,海底沉管隧道長 6700 米,隧道最深處達 40 米,可以保證 30 萬噸巨輪從隧道上方順利通過。而完成這一工程,中國並沒有現成可借鑑的經驗。

海底隧道由 33 節沉管組成,每節長 180 米,是世界上最長的海底隧道沉管管節。為了安裝沉管,施工方調動了世界上最大的沉管浮運安裝船,津安2號和津安3號。沉管安裝平臺也嚴陣以待,長度大概有兩個足球場那麼大。

海底隧道最複雜的部分在於沉管對接,及將兩側管道最後合攏。最後一節沉管對接工程極為精密且需要耐性,而所有的工作人員都不能休息,必需實時關注。

由於海上風浪洋流的變化,對接工作很難做到十分精確。第一次對接用時 30 多個小時,然而最後產生了 10 公分左右的沉放誤差。第 70 個小時,施工方開始嘗試第二次對接,但效果依然不理想。直到最後一次對接,沉管才嚴絲合縫的對接成功。

此時距離最初動工也過去了五天,這也就意味著包括林鳴在內的所有工程師五天四夜沒有閤眼。

這是我有生以來,連續工作時間最長的一次。林鳴說。


陸上預製 2516 塊橋面板

港珠澳大橋的順利建成,不僅代表了一座橋樑的竣工,還意味著中國從此掌握了跨海橋樑的一系列核心技術,並有能力系統化對外輸出方案。

在項目建設伊始,「大型化」、「標準化」、「工廠化」、「裝配化」的施工理念就已確立。板單元的生產是自動化的,鋼結構的焊接也是自動化的。鋼箱梁板單元製造自動化示範生產線因此打造。中鐵山橋集團承擔了焊接工程,並開發了機器人焊接系統,工廠佔地 8.5 萬平米,在港珠澳大橋之外,7-8 座橋樑焊接的工作也同時在這個工廠進行著。

也就是說,中國不僅可以建造一座港珠澳大橋,還有能力建造更多的港珠澳大橋。中國先進的造橋技術將輸出到世界更多的角落。

孟加拉帕德瑪大橋是連接中國及泛亞鐵路的重要通道,文萊價值 3.3 億美元的淡布隆跨海大橋被文萊人認為「只有中國人才能建造這麼高難度的大橋」,這些橋樑的承建,都和中國橋樑人的成長和奮進無法分割。


港珠澳大橋的數字奇蹟:世界超級工程是如何誕生的


1957 年,武漢長江大橋建成,毛澤東主席賦詞:「一橋飛架南北,天塹變通途」。而近五年,世界排名前 10 位的跨海長橋中,中國佔據 6 席;世界排名前 10 位的斜拉橋,中國有 7 座;世界排名前 10 位的懸索橋,中國佔據 6 座。

如今,中國的橋樑和高鐵一樣,已經成為了中國走向世界的一張名片。而隨著這張名片一同遞出的,是我們身為國人的自信心。


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