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    港澳珠大橋通車背后,同濟大學科研團隊啃下多個“硬骨頭”

    2018年10月27日 熱度:731 ℃

    全球最長跨海大橋——港珠澳大橋于2018年10月24日正式通車運營。

    港珠澳大橋主體工程“海中橋隧”長超過35公里,海底隧道長約6公里,橋梁長約22.9公里。這條當今世界最長的跨海通道如一道彩虹橫跨伶仃洋,連接香港大嶼山、澳門半島和廣東省珠海市。

    不太為人所知的是,在這座大橋技術最難的節點人工島及隧道部分,處處體現了“同濟元素”,同濟啃下了“硬骨頭”。

    中國首創的深插鋼圓筒快速筑島技術,創造了221天完成兩島筑島的世界工程記錄。

    從沉管隧道“小國”到“強國”

    同濟大學土木工程學院教授徐偉參與了潤揚長江大橋等全國諸多著名大橋的科研工作,是大橋業內“老法師”。

    由于港珠澳大橋的沉管隧道深埋外海海底,規模為世界上最長、最深。在原來,巨大沉管的深水安裝是一道難題,荷蘭一家世界著名隧道沉管公司曾同意派出26個專家提供技術咨詢,咨詢費開價1.5億歐元,當時相當于15億元人民幣。

    當時這家荷蘭公司表示,衷心地祝福中國人能夠自己研發這套系統。但是,“如果一旦不成功,再找我們時就不是這個價錢了”。中方決定爭一口氣,找自己的專家解決,任務最終落到了同濟身上。施工部門委托同濟大學承擔其設計文件的復核、審查,并完成相應的關鍵技術科研任務。徐偉團隊承擔了這項科研任務,同濟的院士孫鈞擔任指導工作。

    從港澳珠大橋開始,我國的沉管隧道技術在國際上達到怎樣的水平?徐偉說,上述荷蘭公司老總評價,中國已從沉管隧道施工的“小國”變成“強國”。

    沉管舾裝浮運。

    保證隧道沉管對接嚴絲合縫

    2011年5月港珠澳大橋沉管隧道建設之初,同濟丁文其教授團隊承擔的“沉管隧道接頭張開位移量控制技術研究”也緊張開展起來。

    沉管隧道是由管子連接,連接之間有接頭。據丁文其介紹,沉管隧道安裝涉及的問題包括地基不均勻沉降、大回淤、高水壓、沉船、車輛荷載、潮水變化、地震、溫度作用、混凝土收縮徐變等,這些都會影響隧道接頭處的狀況。還有結構受力、防水要求、止水帶選型和施工也對管節接頭和節段接頭有影響。

    兩年多內,針對港澳珠大橋的復雜特征和特點,丁文其團隊做了各方面的子課題和分析;丁文其多次前往施工現場,計算了數百種組合工況下節段式沉管隧道的接頭張開位移量,確定了管節與節段變形特性與張開量控制指標。

    最終,丁文其團隊研發的港珠澳大橋沉管隧道接頭張開位移量控制技術,可保證沉管對接嚴絲合縫、萬無一失。

    “這類工程的發展是在原有的經驗、教訓上和技術上的推進,這一次是技術上推進一步?!倍∥钠湔f,“未來,南昌紅谷灘沉管隧道等都將使用類似的技藝?!?/p>

    隧道抗震實驗現場。

    汪洋大海中建人工島,白海豚未受危害

    因為香港機場的標高及伶仃洋主航道要求的限制,港珠澳大橋必須采用隧橋模式,隧橋轉換就得在汪洋大海中建設人工島。

    構建人工島用什么方式穩妥?傳統的方式是海中選址圍堰,拋石成堤,然后抽干堰內積水,筑建成島,但這樣會危及附近水域的白海豚,且工期漫長,影響這條繁忙水道的航行。

    還有一種方式是先打樁,用擠密砂樁圈起圍堰,抽干水然后再筑島。同濟學者馬險峰在“外海厚軟基橋隧轉換人工島設計與施工關鍵技術”中的研究成果,支撐了擠密砂樁設計中若干難題的解決。

    何謂擠密砂樁?就是利用振動錘將套管振動打入至規定土深,向套管內投入砂子,通過套管的反復起拔和下壓并施以振動,使砂子經振壓而密實,形成砂樁。

    可這項技術的難點在于,鋼筒打入淤泥并深入至20余米后其圍合的地基如何加固,還有如何能解決異常軟弱的海底地基的穩定與沉降問題?

    “我們的主要研究任務,是要得出擠密砂樁復合地基在加載之后,砂樁荷載與位移變化關系、樁土應力分配以及砂樁周圍孔隙水壓力的變化規律,以確定影響擠密砂樁復合地基承載力和變形的關鍵因素?!瘪R險峰介紹。

    筑造人工島。

    馬險峰團隊沒有讓建設者失望。他們的實驗結果都在工程中得到了應用,成為設計與施工的重要參考數據。

    隨后,一根根直徑22米、高40.5米的鋼筒打入了海底,最終圍成了東西兩個人工島?!叭绻褂贸R幖夹g,建這樣的兩個人工島起碼要一年半,采用圓鋼筒成島,東西人工島成島僅用了7個月?!瘪R險峰說。

    史無前例的地下“穿針引線”

    2017年4月10日,隨著最后一項控制性工程——拱北隧道的全隧貫通,港珠澳大橋珠海連接線主體工程全線貫通。

    拱北隧道全長2741米,由海中隧道和城市地下隧道組成。其中結構最復雜、施工難度最大、施工方法最特殊的是僅255米的拱北隧道暗挖段。

    拱北隧道土層軟弱,富含地下水,就像“漢堡包”中的夾心肉一樣,被稱為“漢堡包”地層。因為地面人流密集,加上地下水水位高,隧道斷面超大、覆土超淺,地質條件復雜,暗挖施工難度可想而知。

    “在熙來攘往的拱北口岸,隧道施工絕不能發生漏水和地面塌陷,無論何種方法施工首先要做的就是必須保證地面變形在可控范圍內?!蓖瑵髮W胡向東教授說。

    用什么方法才能實現這一目標?胡向東與各方專家一起探索,最終敲定管幕凍結法。

    管幕凍結法是“管幕+凍結預支護、礦山法暗挖”的施工方法。其中,管幕是圍繞隧道四周、沿隧道全長布置的大型鋼管,以強筋健骨保護隧道施工安全;而凍結則是把鋼管之間及周圍土體凍結成凍土,形成止水帷幕。這段暗挖工程最終確定的管幕由36根直徑1.62米的鋼管組成,圍成一個寬18米、高22米的橢圓形隧道開挖斷面,其高度相當于7層樓的高度。

    巡查拱北隧道的凍結狀況。

    不同于一般的凍結法,這里的隧道線路為曲線,無法在土層中布設凍結管??尚械耐緩绞前褍鼋Y管布置在管幕的大鋼管里,但這種做法國內外并無成例。

    因為不與土體接觸的凍結管是否能把土體凍住、常年暑熱的南方凍土如何抗弱化、如何限制凍脹避免地面隆起等三大難題,誰也沒有把握。

    胡向東團隊迎難而上,用圓形凍結管、異形凍結管和凍土限位管三種管路,成功構建起一套特殊的凍結系統。于是,拱北隧道暗挖段,最終變身成了一個長225米的橢圓形大“冰桶”。

    有了凍結法的支撐,如此超大斷面超淺覆土的礦山法開挖隧道,開挖也是一個技術難點。

    把開挖對環境的影響降低到最小程度是開挖方案的目標,必須尋找最合理的分層分部開挖具體方案。同濟大學黃宏偉、張冬梅團隊承擔了開挖方案優化及對環境影響的研究工作。

    施工斷面5米以上的地面就是車水馬龍,誰都不敢大意。張冬梅說,根據研究結果,工程采用5臺階14部多導坑分部開挖作業。即把一個大洞分成了上下5層,每層劃分2-3個小洞,總共14個小洞。14個導洞同步開挖,立體交叉作業頻繁。

    每個導洞內還要分臺階、分工序組織流水作業,其組織的難度是以前沒有遇到過的。為此,建設者們結合現場實際情況,通過試開挖不斷優化施工機具設備組合,根據監控量測數據動態調整施工步距等參數,逐步磨合出一套流水作業的順序,交叉向前挖掘推進,邊開挖邊用鋼材、混凝土進行支護封閉,保證了工程順利進行和隧道結構的穩定。

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