從開工那一刻起,港珠澳大橋就在連續創造“世界之最”。這座東連香港,西接澳門、珠海的跨海大橋,全長超過50公里,是繼三峽工程、青藏鐵路之后,我國又一重大基礎設施項目,也是中國橋梁建筑史上技術最復雜、環保要求最高、建設標準最高的“超級工程”。

港珠澳大橋設計施工中,全長超過7公里的島隧工程是整個項目的控制性工程,負責這一工程設計施工的是中國交通建設集團。7年里,島隧工程項目總工程師林鳴帶領幾千人團隊,相繼突破了深埋沉管、快速成島、隧道基礎、外海深槽安裝等一系列世界難題,為中國工程建設標注了全新的高度。

在海底鋪上“席夢思”

“雖然有建設跨江隧道的歷史,然而,來港珠澳之前,我們對海底沉管隧道十分陌生,能找到的資料只有薄薄的一本書,零星見過幾張沉管隧道施工的現場圖片。”中交港珠澳大橋島隧工程項目副總工程師高紀兵說。

根據設計,大橋隧道工程要在伶仃洋海面40多米深處開挖一條5664米的海底隧道基槽,海下最大挖深達48.5米,誤差不超過0.5米。由于港珠澳大橋地質環境是厚軟土地基,且厚度在30~50米,這使得沉管基礎沉降控制變得非常困難。

“沉管隧道為什么漏水?歸結到底,都是基礎出了問題。”林鳴解釋說,近8萬噸重的沉管鋪在上面,基礎如果做不好,后果不堪設想。

經過無數次工法比選、理論計算和試驗驗證,大橋的工程師們創新一種新的復合地基+組合基床的基礎方案,在溝槽的基床底部加鋪一層2至3米的大塊石并夯平,其上再用碎石整平。工程師們笑稱,這是給海底沉管鋪上“席夢思”。

為了鋪好“席夢思”,今年39歲的工程師冀晉和他的拋石夯平班組在“振駁28”號拋石夯平船上整整奮戰了43個月、1291天。洋流、臺風、回淤、設備損壞,甚至船上極度單調枯燥的生活,都給他們帶來極大的挑戰。2016年1月25日,冀晉他們最終完成了世界上首例深海基床塊石拋填和夯平工程。

事實證明,整個島隧工程中,運用組合基床的部分,隧道的沉降都控制在5厘米以內,這比合同約定20厘米的沉降標準超出數倍。

33根沉管連結滴水不漏

根據設計方案,港珠澳大橋海底沉管隧道由33根巨型沉管組成,每節管道長180米,寬37.95米,高11.4米,單節重約8萬噸。這些沉管采用工廠法預先制成,為此,大橋建設者用14個月在外海荒島建成了世界最大的沉管預制廠,并創下了澆筑百萬方混凝土無一裂縫的世界奇跡。

把跟航母一樣重的沉管浮運至施工現場,并準確沉放在海地50米深已經鋪好的基床上并與前一個沉管實施精確對接,其難度和挑戰可想而知。

負責沉管浮運安裝施工的島隧項目副總工程師王強說,風向浪高、海底洋流、泥沙、海水密度,每一個參數的變化都會直接影響沉管對接。

即使在世界范圍內,沉管隧道尚沒有100%不漏水的紀錄。然而,港珠澳大橋隧道在世界范圍類似機構中,第一次做到了滴水不漏。

在沉管對接過程中,最終接頭無疑是“畫龍點睛”的一筆,負責最終接頭設計的工程師李毅告訴記者,為了實現毫米級的精度要求,他們用了3年時間,從方案的提出、細化、完成,“做到每一個參數能說得清楚”。

今年5月2日22時許,經過10余小時的吊裝,重達6000噸的最終接頭像“楔子”一樣被精確安裝在海底28米深的E29和E30兩節沉管之間,將海底隧道連為一體。從2013年5月第一節沉管安裝完成,歷時4年,大橋建設者先后攻克深水深槽、大徑流、強回淤、曲線段等世界難題,創造了“一年十節”的中國速度。

逼出來的創新

沉管隧道被定義為淺埋隧道,沉管回填及覆土厚度約在兩米,為滿足伶仃洋海域水運要求,港珠澳大橋隧道沉管需埋到海床以下20多米。

然而,自1928年人類工程史上修建第一條鋼筋混凝土沉管隧道以來,沉管制作的“工具箱”里只有剛性和柔性兩種方法。港珠澳大橋島隧工程總設計師劉曉東介紹說,“剛性結構好比一塊長條積木,而柔性結構好比樂高小塊積木拼接的積木條”。工程師們通過大量計算分析發現,在20多米的覆蓋層下,采用傳統的剛性或柔性結構體系,沉管結構安全都得不到保障。

2012年11月17日凌晨,劉曉東收到林鳴的一條短信:“嘗試研究一下半剛性。”他所提出的半剛性結構設想,是保留甚至強化串起小管節之間的鋼絞線,加強小管節之間的連接,使180米長、由8個小節段連接而成的標準管節的變形受到更大的約束,增強深埋沉管的防錯位能力。

設計團隊用30多天完成《半剛性沉管結構方案設計與研究報告》,為了證明“半剛性”結構,工程師們又邀請國內外6家專業研究機構進行“背對背”的分析計算,從模型試驗及原理上驗證“半剛性”結構。最終,這一創新結構設計得到各方一致認可。

經過兩年努力,總長5.6公里,由33節、每節重7萬多噸的沉管連結而成的港珠澳大橋海底隧道沉管部分全線貫通,大橋建設者用最低的花費,把“半剛性”結構由構想變成現實。

“中國工程師的創新是被逼出來的,甚至是痛苦的”,回憶那一段煎熬的日子,林鳴感慨道,大橋設計之初,他們曾與一家掌握沉管隧道施工核心技術的外國公司商談合作,這家公司開出的咨詢費高達1.5億歐元,并且,施工過程及時間節點均由對方掌控。

外國公司的技術保護、技術壁壘與技術歧視,激發了中國工程師自主創新的決心。在港珠澳大橋島隧工程建設過程中,新技術創新有64項,包括深埋沉管、快速成島、隧道基礎、工廠法預制沉管、外海深槽沉管安裝等一系列工程難題,為世界海底隧道工程技術提供了新知識與新樣本。