走進(jìn)港珠澳大橋（創(chuàng)新篇）建造“百年大橋”的科技之戰(zhàn)

港珠澳大橋主體工程橋梁工程貫通

港珠澳大橋，一座挑戰(zhàn)世界難度的科技之橋，是中國建橋史上一項(xiàng)技術(shù)最復(fù)雜、環(huán)保與建設(shè)要求最高的工程。大橋在建設(shè)中，經(jīng)歷了難以計(jì)數(shù)的困難和挑戰(zhàn)，建設(shè)者們以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和大無畏的創(chuàng)新精神，戰(zhàn)勝一次次“不可能”，創(chuàng)造了一個(gè)個(gè)人間奇跡。在科技之戰(zhàn)的勝利中，這座設(shè)計(jì)“壽命”為120年的“世紀(jì)之橋”終于呈現(xiàn)在了世人面前。

早在港珠澳大橋未開建時(shí)，以“需求導(dǎo)向，問題導(dǎo)向”為理念的前期科研工作已經(jīng)率先開跑！工程可行性研究階段51項(xiàng)專題研究，總體方案深化研究階段8項(xiàng)專題研究，初步設(shè)計(jì)階段25項(xiàng)專題研究為港珠澳大橋項(xiàng)目開路引航，助力港珠澳大橋前期工作任務(wù)圓滿完成。2010年，項(xiàng)目順利進(jìn)入實(shí)施階段，科研工作持續(xù)推進(jìn)。

2010年7月8日，“港珠澳大橋跨海集群工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究及示范”項(xiàng)目通過了科技部主持的可行性論證，被正式列入“十一五”國家科技支撐計(jì)劃。由21家企事業(yè)單位、8所高等院校，超過500人組成的科研隊(duì)伍組成港珠澳大橋項(xiàng)目強(qiáng)而有力的“智囊團(tuán)”，共開展了5大課題、134項(xiàng)專題的研究與論證。

港珠澳大橋設(shè)計(jì)使用“壽命”為120年，是目前內(nèi)地設(shè)計(jì)使用年限要求最高的建筑之一，所面臨的諸多問題都需要建設(shè)者實(shí)現(xiàn)“零的突破”。

作為目前世界最長(zhǎng)的跨海大橋，如何把好質(zhì)量關(guān)，保障大橋安全運(yùn)行？如何在經(jīng)受地震、臺(tái)風(fēng)、海浪的威脅而巋然屹立？大橋橫跨國家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物中華白海豚保護(hù)區(qū)，環(huán)保工作如何開展？施工海域每天四五千艘船只來往穿梭，又如何保障施工和航運(yùn)安全？在不同制度、不同法律、不同文化背景下，“兩岸三地”如何萬眾同心，建好大橋？

這一系列難題，在國家科技支撐計(jì)劃確定的“五大課題”中，都可以為你揭秘，并展示出這場(chǎng)科技之戰(zhàn)的驚心動(dòng)魄。

課題一：看不見的海底與最精準(zhǔn)的施工

長(zhǎng)達(dá)55公里的港珠澳大橋如蛟龍躍海，盤踞海面。但凝神細(xì)看，氣勢(shì)恢宏的“龍身”卻少了一段？其實(shí)在40多米深的海底處，深藏著一條全世界最長(zhǎng)的海底公路——6.7公里的雙向六車道海底沉管隧道。

要在海底修筑沉管隧道，意味著要在“不可視”的深海中完成大量施工作業(yè)，施工難度前所未有：沉管隧道如何做到120年內(nèi)不漏水，確保安全？用何種方法、何種設(shè)備將安放沉管的基槽鋪設(shè)平整？深海之處遭遇地震怎么辦？

應(yīng)對(duì)之策：國家科技支撐計(jì)劃課題——“外海厚軟基大回淤沉管隧道設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)”

碎石整平船 在工作

措施一，基礎(chǔ)沉降控制技術(shù)，把“床”鋪穩(wěn)。地基相當(dāng)于港珠澳大橋沉管隧道的“床”，它的“材質(zhì)”是淤泥和淤泥質(zhì)黏土，厚度約為30-40米，承載能力極低，沉降是沉管隧道安全的巨大威脅。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算得出其沉降規(guī)律，建立起符合使用條件的有效計(jì)算公式，為解決不均勻沉降問題提出了明晰的解決方案。

措施二,“碎石整平法”，把“床”鋪妥。鋪設(shè)基槽時(shí)，為克服深海施工困難，保證施工質(zhì)量，科研團(tuán)隊(duì)使用自主研發(fā)制造的施工設(shè)備“深水碎石整平船”鋪設(shè)基礎(chǔ)墊并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，使基槽鋪設(shè)能有效適應(yīng)波浪、水流及回淤，使管節(jié)沉放對(duì)接后可得到平順的支撐。

措施三，“Ω止水帶”把“口”封住。“Ω止水帶”是沉管隧道止水的最后一道防線，這一產(chǎn)品以往皆是依賴國外進(jìn)口?？蒲袌F(tuán)隊(duì)經(jīng)過三年時(shí)間的反復(fù)試驗(yàn)，嘗試了上千種配方后，成功研制出具備高強(qiáng)耐老化性能、耐酸堿腐蝕性能的“Ω止水帶”。這項(xiàng)研究填補(bǔ)了該行業(yè)在國內(nèi)的空白，打破了國外公司的壟斷，降低了采購的成本。

措施四，“超長(zhǎng)沉管隧道多點(diǎn)振動(dòng)臺(tái)模型實(shí)驗(yàn)技術(shù)”。港珠澳大橋位于環(huán)太平洋地震帶，意味著深海隧道將可能面臨地震災(zāi)害的威脅。科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了世界上最大的“多功能振動(dòng)臺(tái)”，可模擬工程場(chǎng)地地震，以對(duì)沉管隧道遭遇不同地震時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，為港珠澳大橋的抗震設(shè)計(jì)做出了重要的指導(dǎo)，填補(bǔ)了國內(nèi)外在該領(lǐng)域中實(shí)驗(yàn)技術(shù)的空白。

課題二：不同于“填?！钡目焖佟俺蓫u”

敲定沉管隧道方案后，緊接的難題便浮出水面——橋梁和隧道如何連接？顯然，這需要在海中找到一個(gè)“中轉(zhuǎn)站”——島。然而，工程師們沒有在施工海域發(fā)現(xiàn)任何可用的現(xiàn)成的島嶼。

這意味著只有一條路：自己造島！

傳統(tǒng)的填海造島因海床環(huán)境限制無法實(shí)施，但建島的計(jì)劃工期只有一年。在如此緊迫的條件下，承包單位提出了“鋼圓筒圍護(hù)”快速成島方案——使用120組大鋼圓筒打入海床，圍出島的形狀，然后在中間填“土”，形成人工島?？射搱A筒打入海床后，如何保證足夠的穩(wěn)定性？

應(yīng)對(duì)之策：國家科技支撐計(jì)劃課題——“外海厚軟基橋隧轉(zhuǎn)換人工島設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)”

“擠密砂樁技術(shù)”是地基加固的新技術(shù)，但國內(nèi)并無適用的設(shè)備。為此，科研團(tuán)隊(duì)開展了國際上最大規(guī)模的“擠密砂樁離心模型試驗(yàn)”，成功研制了三艘船樁架高達(dá)86米的新一代“擠密砂樁施工船”，現(xiàn)已形成完全國產(chǎn)化的擠密砂樁施工裝備及全套技術(shù)。

課題三：鋼鐵橋梁與自然環(huán)境的攻擊

伶仃洋是弱洋流海域，每年都會(huì)有大量的“泥沙水”從珠江口涌入。橋墩如同阻擋泥沙的“柵欄”，一旦超過10%的阻水率，泥沙就可能沉積，阻塞航道，甚至?xí)绊懼榻诘姆篮榧{潮和漁業(yè)生態(tài)環(huán)境。

自然環(huán)境的多方限制使大橋的施工難度劇增，海上作業(yè)時(shí)間越長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)越大，質(zhì)量越難以控制。面對(duì)這些限制，它將如何進(jìn)行有效協(xié)調(diào)？

應(yīng)對(duì)之策：國家科技支撐計(jì)劃課題——“海上裝配化橋梁建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)”

措施一，鋼管復(fù)合樁與預(yù)制墩臺(tái)結(jié)合設(shè)計(jì)。全橋共220個(gè)/組墩臺(tái)，共使用了約1500根鋼管復(fù)合樁，能夠滿足阻水率要求，并科學(xué)地解決樁身與預(yù)制墩臺(tái)連接的一系列問題，將墩臺(tái)埋入海床面以下：克服施工過程的止水、在風(fēng)浪作用及震動(dòng)下的對(duì)接安裝等。

措施二，鋼箱梁橋面制造工藝創(chuàng)新。為便于海上吊裝，港珠澳大橋主體工程橋梁工程上部結(jié)構(gòu)大規(guī)模采用鋼箱梁，用鋼量達(dá)42萬噸。而鋼箱梁的“疲勞開裂”問題是交通行業(yè)的痼病，科研團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)化研究，形成了具有行業(yè)引領(lǐng)性意義的科研成果，工藝的優(yōu)化與升級(jí)保證了港珠澳大橋鋼橋面板的優(yōu)良質(zhì)量。

措施三，橋面鋪裝技術(shù)研究。港珠澳大橋50萬平方米的鋼橋面鋪裝面積創(chuàng)下了世界紀(jì)錄，國內(nèi)外鋼橋面鋪裝分析理論和研究方法雖然很多，然而實(shí)際的鋪裝效果卻往往事與愿違，尤其在低緯度的濕熱海洋氣候環(huán)境下，鋼橋面鋪裝尤其成為一個(gè)工程難點(diǎn)。港珠澳大橋組織科研力量歷經(jīng)兩年多的研究，填補(bǔ)了相關(guān)技術(shù)理論的空白，對(duì)“連續(xù)鋼箱梁橋面鋪裝壽命影響因素”等問題進(jìn)行深入研究，形成了豐富的科研成果。

課題四：設(shè)計(jì)的“120年”和“不止120年”的實(shí)驗(yàn)

在120年的“長(zhǎng)壽”嚴(yán)格要求下，如何同時(shí)使大橋的隧道、人工島、橋梁等不同結(jié)構(gòu)形式中的混凝土結(jié)構(gòu)皆足夠“耐用”？這在港珠澳大橋工程之前的國內(nèi)其他項(xiàng)目，皆是憑定性的經(jīng)驗(yàn)判斷。

首段鋼箱梁?jiǎn)⑦\(yùn)

溝通-希望

國內(nèi)首次實(shí)施“三明治沉管結(jié)構(gòu)”高流動(dòng)性混凝土澆筑

應(yīng)對(duì)之策：國家科技支撐計(jì)劃課題——“跨海集群工程混凝土結(jié)構(gòu)120年使用壽命保障關(guān)鍵技術(shù)”

根據(jù)“湛江暴露試驗(yàn)站”近三十年的實(shí)驗(yàn)存留數(shù)據(jù)，港珠澳大橋科研團(tuán)隊(duì)對(duì)“混凝土結(jié)構(gòu)耐久性”問題進(jìn)行了研究，最終獲得了以下成果：

首先，引入可靠度理論并提出了跨海集群工程中不同混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的定量耐久性設(shè)計(jì)指標(biāo)；第二，制定了關(guān)鍵部位的外加防腐措施；第三，編制了《港珠澳大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)指南》等規(guī)范性、理論性的文件；第四，進(jìn)行了耐久性檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)。

這些研究成果的作用并不只是發(fā)揮在這“120年”，將進(jìn)一步總結(jié)納入國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，指導(dǎo)更多類似工程的耐久性設(shè)計(jì)。

島隧工程最后一節(jié)沉管浮運(yùn)

沉管預(yù)制廠全景

東人工島擠密砂樁施工-島隧工程

課題五：協(xié)同管理與“兩岸三地”的隧—島—橋

港珠澳大橋是在“一國兩制”條件下粵港澳三地首次合作共建的超大型交通集群工程。在三地跨境建橋，制度、文化、法律和慣用施工方法皆有不同的條件下共建一個(gè)“超級(jí)工程”，在國內(nèi)尚屬首例，這使港珠澳大橋的施工及運(yùn)營管理面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

前期方案論證的線位走向、口岸設(shè)置，建設(shè)期島、隧、橋三部分的資源調(diào)配、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境保護(hù)，大橋通車后三地交通信息交換、消防安全等問題如何聯(lián)動(dòng)？決策機(jī)制如何？

應(yīng)對(duì)之策：國家科技支撐計(jì)劃課題——“跨境工程管理、防災(zāi)減災(zāi)節(jié)能環(huán)保技術(shù)”

科研團(tuán)隊(duì)通過廣泛調(diào)研，并對(duì)港珠澳大橋中需要進(jìn)行“決策”的對(duì)象進(jìn)行分類與研究，形成了“三級(jí)架構(gòu)、兩級(jí)決策”的管理機(jī)制，設(shè)港珠澳大橋?qū)Ｘ?zé)小組、港珠澳大橋三地聯(lián)合工作委員會(huì)、港珠澳大橋管理局，其突破點(diǎn)在于——在利益相關(guān)者中選準(zhǔn)利益平衡點(diǎn)，保證做到“公開透明”，用“協(xié)商一致”的途徑獲得最終解決方案。

立足于港珠澳大橋在“HSE管理”上已形成的經(jīng)驗(yàn)，科研團(tuán)隊(duì)編制完成了《交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)健康安全環(huán)境一體化管理的技術(shù)指南》，為工程建設(shè)中的“健康、安全、環(huán)保”一體化管理做出了理論性的貢獻(xiàn)。

“港珠澳大橋跨海集群工程關(guān)鍵技術(shù)研究”為港珠澳大橋的“五大制約性難題”提出了科學(xué)的解決方案，研究成果充分地應(yīng)用于大橋的建設(shè)中。研究工作獲得國內(nèi)專利授權(quán)53項(xiàng)，獲得軟件著作權(quán)11項(xiàng)，發(fā)表科技論文235篇，培養(yǎng)博士28人、碩士75人，這條創(chuàng)新之路可謂步履維艱，一步一個(gè)歷史。

“港珠澳大橋跨海集群工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”已于2015年12月順利通過了驗(yàn)收，五課題成果皆被鑒定為“總體國際領(lǐng)先水平”，在技術(shù)理論、標(biāo)準(zhǔn)指南（規(guī)程）、施工工藝與產(chǎn)品裝備、試驗(yàn)研究基地和項(xiàng)目管理等方面都取得了創(chuàng)新性成果，有力支撐了港珠澳大橋的建設(shè)，更為交通行業(yè)科技進(jìn)步貢獻(xiàn)了一份力量！

(港珠澳大橋管理局供稿)