这是桥梁界的“珠穆朗玛峰”,也是名副其实的科技大桥

港珠澳大桥的“科技密码”

港珠澳大桥主体工程施工中的钢箱梁海上吊装。 卢志华 摄 资料图片 

一桥跨三地,唇齿更相依。

从珠海景色最美的滨海道路——情侣路上向东远眺,全长55公里的港珠澳大桥宛若蛟龙,蜿蜒腾越于蔚蓝色的海面上。这是世界上最长的跨海桥梁工程,也是综合建设难度最大、最具挑战性的超级工程:在风大浪急的外海搭建使用寿命120年的钢铁巨桥、在海底40多米深处建造最长的沉管隧道、穿越30万吨级航道和白海豚保护区的施工现场……可以说,每一项挑战都前所未有。

“港珠澳大桥是一座名副其实的科技大桥,在这些世界级挑战的背后,是一系列创新攻坚和科技支撑的强力驱动。”港珠澳大桥管理局总工程师苏权科表示,自2003年前期筹备工作开始至今,以国家科技支撑计划项目研究为主线,200多家科研单位、上千名科技工作者围绕港珠澳大桥的建设,共开展科研专题研究300余项,终于托举起这座世界级工程。

目前,港珠澳大桥主体工程已全线贯通。记者实地探访了这座桥梁界的“珠穆朗玛峰”。

国家支撑,科技先行

港珠澳大桥集结了上千名科技工作者,开展科研专题研究300余项

“大桥通车后,珠海、澳门同香港间的车程将由3小时缩短至半小时。这座桥将珠三角地区连成一片,形成港珠澳一小时经济生活圈!”站在双向六车道的港珠澳大桥珠海段入口处,苏权科自豪地告诉记者。

造桥架梁,一直是珠江两岸人民的梦想。但要跨越几十公里的南伶仃洋海域,谈何容易?

“世界上几个有名的跨海通道工程,如美国切萨皮克跨海工程,长度19.7公里、海上人工岛面积3.2万平方米、海底沉管隧道3.3公里;韩国巨济岛—釜山连岛大桥,长度8.2公里、没有建造人工岛、海底隧道3.7公里。我们的港珠澳大桥,跨海段长度有22.9公里,还要建设两个10万平方米的人工岛,海底隧道长度达5.9公里,难度可想而知。”苏权科介绍。

更何况,这还是在淤泥深厚、海洋腐蚀环境严峻的外海施工。自然条件复杂,生态环保的要求更加严格。这片海域是国家一级保护动物中华白海豚的自然保护区,如何在施工过程中最大限度地减少对白海豚的干扰,是建设者面临的严峻挑战。

根据规划,项目要穿越30万吨级航道,同时毗邻香港国际机场。“大桥要满足30万吨级巨轮通行的需求就得建高,要满足附近机场航班降落的限高需求又得建矮。”苏权科说,经过综合考量,港珠澳大桥的最合理方案定为“桥、岛、隧交通集群工程”,即在这一航段沉入海底,搭建深埋沉管隧道,同时在隧道两侧建起人工岛。

“人工建岛和海底沉管隧道,当时对我们来说都是‘超级难题’。南伶仃洋是外海,环境敏感点众多,如果采用国外技术,要三年才能建成人工岛,一是工期太长,二是会对海域环境造成严重影响。而海底沉管隧道的关键技术一直掌握在少数发达国家手中,无论是技术引进还是合作,代价都非常高昂。何况有的技术还面临着国际封锁,花钱也买不来。”苏权科说。

从前期项目的可研阶段到开工建设,科技创新的理念贯穿始终。这个超级工程集结了我国在桥梁设计和施工、材料研发、工程装备乃至生态环保领域的上千名科技工作者,开展科研专题研究300余项,获得发明专利授权逾百项、发表论文逾500篇、创建工法逾40项。

自2010年起,国家科技支撑计划启动了“港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究与示范”项目,涉及大桥建设各项难点,以专业性、创新性、实用性的科技攻关支撑起港珠澳大桥的建设,啃下了一块块硬骨头,在关键技术、关键装备、关键材料领域取得全面突破,也为我国交通建设行业自主创新、技术进步起到了引领作用。

岛隧工程,全球首创

港珠澳大桥的岛隧工程是世界首例深埋沉管,沉管隧道首次做到无一处漏水

岛隧工程,是港珠澳大桥建设的难中之难。

从上空俯瞰港珠澳大桥,巨龙在离岸20多公里处倏忽隐没,再在6公里外腾空而起,连接两端的小岛状似蚝贝,工作人员都亲切地称其为“贝壳岛”。

贝壳岛不简单。在外海“无中生有”造出两座面积10万平方米的小岛,且当年开工、当年成岛,创造了世界纪录。“我们首创了外海深插超大直径钢圆筒快速筑岛技术,仅用了221天就完成两岛筑岛,缩短工期超过2年,还实现了绿色施工。”苏权科介绍,采用传统的抛石填海、围堤筑岛技术,工期长达3年,会对周边环境及航道产生极大影响。科研人员设计了多个方案,最后探索出外海快速筑岛技术,即采用120个巨型钢圆筒直接固定在海床上插入海底,再在中间填土形成人工岛。“每个圆筒直径有22米,大概和篮球场一般大;最高达51米,相当于18层楼高;重达550吨,与一架A380‘空中客车’相当。”

海底沉管隧道,同样也是庞然大物。5.6公里的沉管隧道由33个巨型混凝土管节组成,每个管节长180米、宽38米、高11.4米,重量达8万吨。

“要让这些管节在海底软基环境下对接安放,难度堪比航天器交会对接,需要精准的遥控、测绘、超算等一系列技术支撑。” 沉管隧道设计与施工关键技术课题研究负责人徐国平介绍,在水下近50米建设深埋沉管隧道,在国际上也被视为“技术禁区”。港珠澳大桥的岛隧工程是世界首例深埋沉管。“传统沉管隧道都是‘浅埋’,但港珠澳大桥的沉管顶部荷载超过传统沉管5倍,如果按照国外经验,采用节段式管节(柔性),有可能出现接头抗力不足、接头漏水等风险。”徐国平说,技术人员最终从理论上揭示了深埋沉管结构体系受力及变形机理,创新提出“半刚性”沉管新结构。这一方案与国外专家提出的“深埋浅做”方案相比,节省了工期。

“沉管隧道建成后,会不会渗水是成败的关键。因为33个管节之间有大接头,每个管节又有7个小接头。地基的不均匀沉降、剪力键的结构、止水材料的性能以及地震等因素,都有可能导致隧道漏水。”徐国平说,为了攻克这些难题,他们与多个单位合作攻关,就连制作止水带的材料也用了两年多时间自主研发。“国外类似沉管接头的正常漏水率是5%—10%,半刚性结构改善了沉管结构的防水性能,港珠澳大桥沉管隧道首次做到了无一处漏水。”

精品大桥,百年工程

能抗16级台风、7级地震,设计寿命长达120年

作为世界最大的钢结构桥梁,大桥仅主梁钢板用量就高达42万吨。“这相当于10座鸟巢或60座埃菲尔铁塔的重量,能抗16级台风、7级地震。”苏权科说,大桥的钢桥面铺装面积达到50万平方米,也创造了世界纪录。

更让人惊叹的,是这座大桥全部采用了“搭积木”的方式来建造。港珠澳大桥的所有构件,无论大小,包括上千吨重的桥墩、桥身和100多米高的桥塔,都是在岸上工厂整件制造,然后运至海上,像“搭积木”一样拼装在一起,实现了精密制造、精密安装。

“港珠澳大桥在设计之初就确定了‘大型化、工厂化、标准化、装配化’的理念。”港珠澳大桥管理局副局长余烈表示,施工现场紧邻航道,每天来往船舶4000多艘,为了满足工程质量、工期和安全的需要,也为了更好地保护生态环境,采用了这种全新的大桥建设模式。“海上组装可以降低海上恶劣气象条件对施工的干扰,降低对生态环境的破坏。岸上预制则让大型成套设备、先进生产工艺有了用武之地。”

苏权科感慨地说:“如果不是国家的整体科研和装备实力到了这一步,做这样的整体设计是不可想象的。”

港珠澳大桥要做精品工程,设计寿命达到120年,这在我国桥梁史上是从未有过的。“海工环境下,钢桥面疲劳开裂和混凝土海蚀早期破坏是行业通病,要建成一流工程,必须借助科研的力量来攻克这两大行业痼疾。”作为港珠澳大桥国家科技支撑计划课题之一——“混凝土结构120年关键技术”的负责人,王胜年带领团队进行攻关,从理论、技术、材料、工艺等多方面着手,作出了适合港珠澳大桥的耐久性设计。

港珠澳大桥也是绿色工程。施工之初,最让人揪心的白海豚仅有1400头;主体工程完工后,白海豚增加到1800头。“这也是国家科技支撑计划的子课题,我们与中国科学院水生生物研究所、中山大学、交通运输部规划研究院合作,组建团队,300多次出海跟踪,拍摄30多万张照片,对海域内1000多头白海豚进行了标识,并摸清白海豚生活习性,在施工时采取针对性保护措施。”余烈说,出海时能看见白海豚,是吉祥如意的象征,工人们既期盼偶遇白海豚,又会刻意避开,让它们少受干扰。