新时代新作为新篇章|港澳珠大桥通车同济团队啃下“硬骨头”

澎湃新闻记者 臧鸣

2018-10-25 11:19 来源:澎湃新闻

字号
东人工岛好似“蚝贝”(港珠澳大桥管理局)  本文图片均由同济大学提供
全球最长跨海大桥——港珠澳大桥于2018年10月24日正式通车运营。
港珠澳大桥主体工程“海中桥隧”长超过35公里,海底隧道长约6公里,桥梁长约22.9公里。这条当今世界最长的跨海通道如一道彩虹横跨伶仃洋,连接香港大屿山、澳门半岛和广东省珠海市。
不太为人所知的是,在这座大桥技术最难的节点人工岛及隧道部分,处处体现了“同济元素”,同济啃下了“硬骨头”。
中国首创的深插钢圆筒快速筑岛技术,创造了221天完成两岛筑岛的世界工程记录。
从沉管隧道“小国”到“强国”
同济大学土木工程学院教授徐伟参与了润扬长江大桥等全国诸多著名大桥的科研工作,是大桥业内“老法师”。
他告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者,港澳珠大桥的是中国首次在外海做桥、做岛和做沉管隧道,整个建造团队克服了很多从未做过的技术难题,经过9年奋斗把大桥造了起来。全国各个大学、科研单位都参与其中,把这块“硬骨头”啃了下来。“既然我们能在外海造桥,那么,在我们国家广阔的海岸线上造桥,都可以成为可能。”
由于港珠澳大桥的沉管隧道深埋外海海底,规模为世界上最长、最深。在原来,巨大沉管的深水安装是一道难题,荷兰一家世界著名隧道沉管公司曾同意派出26个专家提供技术咨询,咨询费开价1.5亿欧元,当时相当于15亿元人民币。
当时这家荷兰公司表示,衷心地祝福中国人能够自己研发这套系统。但是,“如果一旦不成功,再找我们时就不是这个价钱了”。中方决定争一口气,找自己的专家解决,任务最终落到了同济身上。施工部门委托同济大学承担其设计文件的复核、审查,并完成相应的关键技术科研任务。徐伟团队承担了这项科研任务,同济的院士孙钧担任指导工作。
从港澳珠大桥开始,我国的沉管隧道技术在国际上达到怎样的水平?徐伟说,上述荷兰公司老总评价,中国已从沉管隧道施工的“小国”变成“强国”。
沉管舾装浮运。
保证隧道沉管对接严丝合缝
2011年5月港珠澳大桥沉管隧道建设之初,同济丁文其教授团队承担的“沉管隧道接头张开位移量控制技术研究”也紧张开展起来。
沉管隧道是由管子连接,连接之间有接头。据丁文其介绍,沉管隧道安装涉及的问题包括地基不均匀沉降、大回淤、高水压、沉船、车辆荷载、潮水变化、地震、温度作用、混凝土收缩徐变等,这些都会影响隧道接头处的状况。还有结构受力、防水要求、止水带选型和施工也对管节接头和节段接头有影响。
两年多内,针对港澳珠大桥的复杂特征和特点,丁文其团队做了各方面的子课题和分析;丁文其多次前往施工现场,计算了数百种组合工况下节段式沉管隧道的接头张开位移量,确定了管节与节段变形特性与张开量控制指标。
最终,丁文其团队研发的港珠澳大桥沉管隧道接头张开位移量控制技术,可保证沉管对接严丝合缝、万无一失。
“这类工程的发展是在原有的经验、教训上和技术上的推进,这一次是技术上推进一步。”丁文其说,“未来,南昌红谷滩沉管隧道等都将使用类似的技艺。”
隧道抗震实验现场。
汪洋大海中建人工岛,白海豚未受危害

因为香港机场的标高及伶仃洋主航道要求的限制,港珠澳大桥必须采用隧桥模式,隧桥转换就得在汪洋大海中建设人工岛。
构建人工岛用什么方式稳妥?传统的方式是海中选址围堰,抛石成堤,然后抽干堰内积水,筑建成岛,但这样会危及附近水域的白海豚,且工期漫长,影响这条繁忙水道的航行。
还有一种方式是先打桩,用挤密砂桩圈起围堰,抽干水然后再筑岛。同济学者马险峰在“外海厚软基桥隧转换人工岛设计与施工关键技术”中的研究成果,支撑了挤密砂桩设计中若干难题的解决。
何谓挤密砂桩?就是利用振动锤将套管振动打入至规定土深,向套管内投入砂子,通过套管的反复起拔和下压并施以振动,使砂子经振压而密实,形成砂桩。
可这项技术的难点在于,钢筒打入淤泥并深入至20余米后其围合的地基如何加固,还有如何能解决异常软弱的海底地基的稳定与沉降问题?
“我们的主要研究任务,是要得出挤密砂桩复合地基在加载之后,砂桩荷载与位移变化关系、桩土应力分配以及砂桩周围孔隙水压力的变化规律,以确定影响挤密砂桩复合地基承载力和变形的关键因素。”马险峰介绍。
筑造人工岛。 
马险峰团队没有让建设者失望。他们的实验结果都在工程中得到了应用,成为设计与施工的重要参考数据。
随后,一根根直径22米、高40.5米的钢筒打入了海底,最终围成了东西两个人工岛。“如果使用常规技术,建这样的两个人工岛起码要一年半,采用圆钢筒成岛,东西人工岛成岛仅用了7个月。”马险峰说。
史无前例的地下“穿针引线”
2017年4月10日,随着最后一项控制性工程——拱北隧道的全隧贯通,港珠澳大桥珠海连接线主体工程全线贯通。
拱北隧道全长2741米,由海中隧道和城市地下隧道组成。其中结构最复杂、施工难度最大、施工方法最特殊的是仅255米的拱北隧道暗挖段。
拱北隧道土层软弱,富含地下水,就像“汉堡包”中的夹心肉一样,被称为“汉堡包”地层。因为地面人流密集,加上地下水水位高,隧道断面超大、覆土超浅,地质条件复杂,暗挖施工难度可想而知。
“在熙来攘往的拱北口岸,隧道施工绝不能发生漏水和地面塌陷,无论何种方法施工首先要做的就是必须保证地面变形在可控范围内。”同济大学胡向东教授说。
用什么方法才能实现这一目标?胡向东与各方专家一起探索,最终敲定管幕冻结法。
管幕冻结法是“管幕+冻结预支护、矿山法暗挖”的施工方法。其中,管幕是围绕隧道四周、沿隧道全长布置的大型钢管,以强筋健骨保护隧道施工安全;而冻结则是把钢管之间及周围土体冻结成冻土,形成止水帷幕。这段暗挖工程最终确定的管幕由36根直径1.62米的钢管组成,围成一个宽18米、高22米的椭圆形隧道开挖断面,其高度相当于7层楼的高度。
巡查拱北隧道的冻结状况。
不同于一般的冻结法,这里的隧道线路为曲线,无法在土层中布设冻结管。可行的途径是把冻结管布置在管幕的大钢管里,但这种做法国内外并无成例。
因为不与土体接触的冻结管是否能把土体冻住、常年暑热的南方冻土如何抗弱化、如何限制冻胀避免地面隆起等三大难题,谁也没有把握。
胡向东团队迎难而上,用圆形冻结管、异形冻结管和冻土限位管三种管路,成功构建起一套特殊的冻结系统。于是,拱北隧道暗挖段,最终变身成了一个长225米的椭圆形大“冰桶”。
有了冻结法的支撑,如此超大断面超浅覆土的矿山法开挖隧道,开挖也是一个技术难点。
把开挖对环境的影响降低到最小程度是开挖方案的目标,必须寻找最合理的分层分部开挖具体方案。同济大学黄宏伟、张冬梅团队承担了开挖方案优化及对环境影响的研究工作。
施工断面5米以上的地面就是车水马龙,谁都不敢大意。张冬梅说,根据研究结果,工程采用5台阶14部多导坑分部开挖作业。即把一个大洞分成了上下5层,每层划分2-3个小洞,总共14个小洞。14个导洞同步开挖,立体交叉作业频繁。
每个导洞内还要分台阶、分工序组织流水作业,其组织的难度是以前没有遇到过的。为此,建设者们结合现场实际情况,通过试开挖不断优化施工机具设备组合,根据监控量测数据动态调整施工步距等参数,逐步磨合出一套流水作业的顺序,交叉向前挖掘推进,边开挖边用钢材、混凝土进行支护封闭,保证了工程顺利进行和隧道结构的稳定。
责任编辑:徐晓阳澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 港珠澳大桥,同济大学,沉管隧道,人工岛

相关推荐

评论(12)

热新闻

澎湃新闻APP下载

客户端下载

热话题

热门推荐

关于澎湃 在澎湃工作 联系我们 版权声明 澎湃广告 友情链接 澎湃新闻举报受理和处置办法