一橋跨三地,唇齒更相依。

從珠海景色最美的濱海道路——情侶路上向東遠(yuǎn)眺,全長55公里的港珠澳大橋宛若蛟龍,蜿蜒騰越于蔚藍(lán)色的海面上。這是世界上最長的跨海橋梁工程,也是綜合建設(shè)難度最大、最具挑戰(zhàn)性的超級工程:在風(fēng)大浪急的外海搭建使用壽命120年的鋼鐵巨橋、在海底40多米深處建造最長的沉管隧道、穿越30萬噸級航道和白海豚保護(hù)區(qū)的施工現(xiàn)場……可以說,每一項(xiàng)挑戰(zhàn)都前所未有。

“港珠澳大橋是一座名副其實(shí)的科技大橋,在這些世界級挑戰(zhàn)的背后,是一系列創(chuàng)新攻堅(jiān)和科技支撐的強(qiáng)力驅(qū)動。”港珠澳大橋管理局總工程師蘇權(quán)科表示,自2003年前期籌備工作開始至今,以國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目研究為主線,200多家科研單位、上千名科技工作者圍繞港珠澳大橋的建設(shè),共開展科研專題研究300余項(xiàng),終于托舉起這座世界級工程。

目前,港珠澳大橋主體工程已全線貫通。記者實(shí)地探訪了這座橋梁界的“珠穆朗瑪峰”。

國家支撐,科技先行

港珠澳大橋集結(jié)了上千名科技工作者,開展科研專題研究300余項(xiàng)

“大橋通車后,珠海、澳門同香港間的車程將由3小時(shí)縮短至半小時(shí)。這座橋?qū)⒅槿堑貐^(qū)連成一片,形成港珠澳一小時(shí)經(jīng)濟(jì)生活圈!”站在雙向六車道的港珠澳大橋珠海段入口處,蘇權(quán)科自豪地告訴記者。

造橋架梁,一直是珠江兩岸人民的夢想。但要跨越幾十公里的南伶仃洋海域,談何容易?

“世界上幾個有名的跨海通道工程,如美國切薩皮克跨海工程,長度19.7公里、海上人工島面積3.2萬平方米、海底沉管隧道3.3公里;韓國巨濟(jì)島—釜山連島大橋,長度8.2公里、沒有建造人工島、海底隧道3.7公里。我們的港珠澳大橋,跨海段長度有22.9公里,還要建設(shè)兩個10萬平方米的人工島,海底隧道長度達(dá)5.9公里,難度可想而知。”蘇權(quán)科介紹。

更何況,這還是在淤泥深厚、海洋腐蝕環(huán)境嚴(yán)峻的外海施工。自然條件復(fù)雜,生態(tài)環(huán)保的要求更加嚴(yán)格。這片海域是國家一級保護(hù)動物中華白海豚的自然保護(hù)區(qū),如何在施工過程中最大限度地減少對白海豚的干擾,是建設(shè)者面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

根據(jù)規(guī)劃,項(xiàng)目要穿越30萬噸級航道,同時(shí)毗鄰香港國際機(jī)場。“大橋要滿足30萬噸級巨輪通行的需求就得建高,要滿足附近機(jī)場航班降落的限高需求又得建矮。”蘇權(quán)科說,經(jīng)過綜合考量,港珠澳大橋的最合理方案定為“橋、島、隧交通集群工程”,即在這一航段沉入海底,搭建深埋沉管隧道,同時(shí)在隧道兩側(cè)建起人工島。

“人工建島和海底沉管隧道,當(dāng)時(shí)對我們來說都是‘超級難題’。南伶仃洋是外海,環(huán)境敏感點(diǎn)眾多,如果采用國外技術(shù),要三年才能建成人工島,一是工期太長,二是會對海域環(huán)境造成嚴(yán)重影響。而海底沉管隧道的關(guān)鍵技術(shù)一直掌握在少數(shù)發(fā)達(dá)國家手中,無論是技術(shù)引進(jìn)還是合作,代價(jià)都非常高昂。何況有的技術(shù)還面臨著國際封鎖,花錢也買不來。”蘇權(quán)科說。

從前期項(xiàng)目的可研階段到開工建設(shè),科技創(chuàng)新的理念貫穿始終。這個超級工程集結(jié)了我國在橋梁設(shè)計(jì)和施工、材料研發(fā)、工程裝備乃至生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域的上千名科技工作者,開展科研專題研究300余項(xiàng),獲得發(fā)明專利授權(quán)逾百項(xiàng)、發(fā)表論文逾500篇、創(chuàng)建工法逾40項(xiàng)。

自2010年起,國家科技支撐計(jì)劃啟動了“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”項(xiàng)目,涉及大橋建設(shè)各項(xiàng)難點(diǎn),以專業(yè)性、創(chuàng)新性、實(shí)用性的科技攻關(guān)支撐起港珠澳大橋的建設(shè),啃下了一塊塊硬骨頭,在關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵裝備、關(guān)鍵材料領(lǐng)域取得全面突破,也為我國交通建設(shè)行業(yè)自主創(chuàng)新、技術(shù)進(jìn)步起到了引領(lǐng)作用。

島隧工程,全球首創(chuàng)

港珠澳大橋的島隧工程是世界首例深埋沉管,沉管隧道首次做到無一處漏水

島隧工程,是港珠澳大橋建設(shè)的難中之難。

從上空俯瞰港珠澳大橋,巨龍?jiān)陔x岸20多公里處倏忽隱沒,再在6公里外騰空而起,連接兩端的小島狀似蠔貝,工作人員都親切地稱其為“貝殼島”。

貝殼島不簡單。在外海“無中生有”造出兩座面積10萬平方米的小島,且當(dāng)年開工、當(dāng)年成島,創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。“我們首創(chuàng)了外海深插超大直徑鋼圓筒快速筑島技術(shù),僅用了221天就完成兩島筑島,縮短工期超過2年,還實(shí)現(xiàn)了綠色施工。”蘇權(quán)科介紹,采用傳統(tǒng)的拋石填海、圍堤筑島技術(shù),工期長達(dá)3年,會對周邊環(huán)境及航道產(chǎn)生極大影響。科研人員設(shè)計(jì)了多個方案,最后探索出外海快速筑島技術(shù),即采用120個巨型鋼圓筒直接固定在海床上插入海底,再在中間填土形成人工島。“每個圓筒直徑有22米,大概和籃球場一般大;最高達(dá)51米,相當(dāng)于18層樓高;重達(dá)550噸,與一架A380‘空中客車’相當(dāng)。”

海底沉管隧道,同樣也是龐然大物。5.6公里的沉管隧道由33個巨型混凝土管節(jié)組成,每個管節(jié)長180米、寬38米、高11.4米,重量達(dá)8萬噸。

“要讓這些管節(jié)在海底軟基環(huán)境下對接安放,難度堪比航天器交會對接,需要精準(zhǔn)的遙控、測繪、超算等一系列技術(shù)支撐。” 沉管隧道設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)課題研究負(fù)責(zé)人徐國平介紹,在水下近50米建設(shè)深埋沉管隧道,在國際上也被視為“技術(shù)禁區(qū)”。港珠澳大橋的島隧工程是世界首例深埋沉管。“傳統(tǒng)沉管隧道都是‘淺埋’,但港珠澳大橋的沉管頂部荷載超過傳統(tǒng)沉管5倍,如果按照國外經(jīng)驗(yàn),采用節(jié)段式管節(jié)(柔性),有可能出現(xiàn)接頭抗力不足、接頭漏水等風(fēng)險(xiǎn)。”徐國平說,技術(shù)人員最終從理論上揭示了深埋沉管結(jié)構(gòu)體系受力及變形機(jī)理,創(chuàng)新提出“半剛性”沉管新結(jié)構(gòu)。這一方案與國外專家提出的“深埋淺做”方案相比,節(jié)省了工期。

“沉管隧道建成后,會不會滲水是成敗的關(guān)鍵。因?yàn)?3個管節(jié)之間有大接頭,每個管節(jié)又有7個小接頭。地基的不均勻沉降、剪力鍵的結(jié)構(gòu)、止水材料的性能以及地震等因素,都有可能導(dǎo)致隧道漏水。”徐國平說,為了攻克這些難題,他們與多個單位合作攻關(guān),就連制作止水帶的材料也用了兩年多時(shí)間自主研發(fā)。“國外類似沉管接頭的正常漏水率是5%—10%,半剛性結(jié)構(gòu)改善了沉管結(jié)構(gòu)的防水性能,港珠澳大橋沉管隧道首次做到了無一處漏水。”

精品大橋,百年工程

能抗16級臺風(fēng)、7級地震,設(shè)計(jì)壽命長達(dá)120年

作為世界最大的鋼結(jié)構(gòu)橋梁,大橋僅主梁鋼板用量就高達(dá)42萬噸。“這相當(dāng)于10座鳥巢或60座埃菲爾鐵塔的重量,能抗16級臺風(fēng)、7級地震。”蘇權(quán)科說,大橋的鋼橋面鋪裝面積達(dá)到50萬平方米,也創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。

更讓人驚嘆的,是這座大橋全部采用了“搭積木”的方式來建造。港珠澳大橋的所有構(gòu)件,無論大小,包括上千噸重的橋墩、橋身和100多米高的橋塔,都是在岸上工廠整件制造,然后運(yùn)至海上,像“搭積木”一樣拼裝在一起,實(shí)現(xiàn)了精密制造、精密安裝。

“港珠澳大橋在設(shè)計(jì)之初就確定了‘大型化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化’的理念。”港珠澳大橋管理局副局長余烈表示,施工現(xiàn)場緊鄰航道,每天來往船舶4000多艘,為了滿足工程質(zhì)量、工期和安全的需要,也為了更好地保護(hù)生態(tài)環(huán)境,采用了這種全新的大橋建設(shè)模式。“海上組裝可以降低海上惡劣氣象條件對施工的干擾,降低對生態(tài)環(huán)境的破壞。岸上預(yù)制則讓大型成套設(shè)備、先進(jìn)生產(chǎn)工藝有了用武之地。”

蘇權(quán)科感慨地說:“如果不是國家的整體科研和裝備實(shí)力到了這一步,做這樣的整體設(shè)計(jì)是不可想象的。”

港珠澳大橋要做精品工程,設(shè)計(jì)壽命達(dá)到120年,這在我國橋梁史上是從未有過的。“海工環(huán)境下,鋼橋面疲勞開裂和混凝土海蝕早期破壞是行業(yè)通病,要建成一流工程,必須借助科研的力量來攻克這兩大行業(yè)痼疾。”作為港珠澳大橋國家科技支撐計(jì)劃課題之一——“混凝土結(jié)構(gòu)120年關(guān)鍵技術(shù)”的負(fù)責(zé)人,王勝年帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行攻關(guān),從理論、技術(shù)、材料、工藝等多方面著手,作出了適合港珠澳大橋的耐久性設(shè)計(jì)。

港珠澳大橋也是綠色工程。施工之初,最讓人揪心的白海豚僅有1400頭;主體工程完工后,白海豚增加到1800頭。“這也是國家科技支撐計(jì)劃的子課題,我們與中國科學(xué)院水生生物研究所、中山大學(xué)、交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院合作,組建團(tuán)隊(duì),300多次出海跟蹤,拍攝30多萬張照片,對海域內(nèi)1000多頭白海豚進(jìn)行了標(biāo)識,并摸清白海豚生活習(xí)性,在施工時(shí)采取針對性保護(hù)措施。”余烈說,出海時(shí)能看見白海豚,是吉祥如意的象征,工人們既期盼偶遇白海豚,又會刻意避開,讓它們少受干擾。(記者 馮華)