港珠澳大橋在創(chuàng)新中展露雄姿

文 / ENR雜志記者艾琳·曹 翻譯 / 任明朝

港珠澳大橋在創(chuàng)新中展露雄姿

文 / ENR雜志記者艾琳·曹 翻譯 / 任明朝

近日，全球工程建設(shè)領(lǐng)域權(quán)威學(xué)術(shù)雜志《Engineering News-Record》（ENR）記者艾琳·曹到港珠澳大橋島隧項(xiàng)目采訪。在項(xiàng)目總部，艾琳·曹與相關(guān)負(fù)責(zé)人進(jìn)行了深入交流，并參觀了桂山沉管預(yù)制廠和西人工島，實(shí)地了解了管節(jié)預(yù)制、舾裝及人工島建設(shè)等施工線路推進(jìn)情況。9月1日，ENR以港珠澳大橋島隧工程為封面刊登了相關(guān)報(bào)道。

中國工程師從未在外海建造過沉管隧道，然而，位處中國珠江三角洲的港珠澳大橋完成后，沉管隧道總長度達(dá)到6.7公里，將是世界最長沉管隧道，其深度達(dá)到45米，將成為世界最深沉管隧道之一。

把珠海和香港、澳門這兩個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)連接起來，可以將原來的陸路交通三小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈縮短為半小時(shí)。這個(gè)想法已經(jīng)提出了近20年，直到現(xiàn)在才付諸實(shí)施。港珠澳大橋毗鄰香港機(jī)場，領(lǐng)空有限制；經(jīng)過最繁忙的水上航道，通航條件有限制；從淤泥層到硬土層，需要穿過不同土質(zhì)，地質(zhì)條件復(fù)雜。

臺(tái)風(fēng)和外海風(fēng)浪惡劣環(huán)境也帶來了施工風(fēng)險(xiǎn)。海上環(huán)境問題需要考慮防止珠江泥沙淤積堵塞，還要保護(hù)珍稀物種白海豚。此外，由于大橋由廣東珠海、香港、澳門三方參與建設(shè)，港珠澳大橋需要滿足三種不同的設(shè)計(jì)規(guī)范。

“這是一個(gè)非常困難的工程”，中國交建港珠澳大橋島隧項(xiàng)目副總經(jīng)理羅冬介紹。中國交建匯集了眾多子公司，并聯(lián)合了相應(yīng)的國際知名咨詢公司，正在建設(shè)沉管隧道、兩個(gè)人工島、23公里的橋梁、兩個(gè)口岸人工島以及相關(guān)連接線。

留給中國交建完成工程的工期很緊。香港1997年回歸大陸，三地政府希望大橋2016年通車，作為香港回歸20周年的紀(jì)念。

可行性論證

2004年，經(jīng)過多年的討論，中國大陸和香港進(jìn)行了為期5年的可行性研究?！俺^30家研究機(jī)構(gòu)參與進(jìn)來，研究內(nèi)容包括環(huán)境影響分析、工程控制難點(diǎn)、對海洋環(huán)境的影響、經(jīng)濟(jì)和金融等等”，華杰工程咨詢公司副總經(jīng)理田豐介紹道。華杰工程咨詢公司和路易斯·伯杰集團(tuán)以及中國交建下屬的公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院共同組成了聯(lián)合體。

香港采用英國標(biāo)準(zhǔn)，澳門采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)，大陸有自己的國家標(biāo)準(zhǔn)。港珠澳大橋的工程師們在三地標(biāo)準(zhǔn)中按“就高不就低”原則制訂最高標(biāo)準(zhǔn)。舉例來說，港珠澳大橋的混凝土采用了標(biāo)準(zhǔn)最高的歐標(biāo)，承載量采用了大陸標(biāo)準(zhǔn)的6車道，設(shè)計(jì)使用年限采用了英標(biāo)的120年。

工程主要由橋、島、隧組合而成，在某些施工區(qū)域，每天通航的船舶超過4000艘。選擇隧道工法時(shí)，在使用沉管隧道還是盾構(gòu)隧道之間，經(jīng)歷了很長時(shí)間的討論。相較于沉管隧道，盾構(gòu)隧道更深，將深入海底60米，隧道也需要建得更長。沉管隧道則需要挖一個(gè)基槽。

在與丹麥科威公司、荷蘭TEC公司、艾奕康公司、莫特麥克唐納公司、英國奧雅納公司等國際公司的合作中，中國交建及其子公司于2009年開始準(zhǔn)備投標(biāo)前期工作?！俺凉芩淼朗┕づc造價(jià)18億美元的釜山-巨濟(jì)工程相似：沉管在干塢預(yù)制和存放，浮運(yùn)到安裝現(xiàn)場，放置于經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的碎石基床上，碎石基床的平整度要求很高?？仆⑺陧n國工程的經(jīng)驗(yàn)帶到了這個(gè)工程”，科威項(xiàng)目經(jīng)理湯米·奧爾森介紹道?？仆c中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院共同參與了初步設(shè)計(jì)，隨后合作完成了施工設(shè)計(jì)。

“這個(gè)項(xiàng)目的獨(dú)特之處在于它的復(fù)雜性，因?yàn)樗淼佬枰⒃趦蓚€(gè)人工島之間，并且是在軟土地基上”，奧爾森補(bǔ)充道。為了將來給30萬噸的船只通航預(yù)留航道，深埋隧道需要被埋在海床下很深的位置。6車道的設(shè)計(jì)也導(dǎo)致隧道有著非同尋常的寬度?！斑@是一個(gè)高荷載的隧道，因此，管節(jié)混凝土配筋量非常高”，奧爾森稱。

沉管鋼筋籠綁扎完成黃育波/攝

林鳴

中國交建總工程師林鳴稱，對于中國工程師而言，“這是一個(gè)解決世界級(jí)工程難題的新體驗(yàn)。在國際公司的有限協(xié)助下，我們不得不依靠自己的力量攻克了這些難題。這不只是創(chuàng)造新的紀(jì)錄的問題，它代表著整個(gè)行業(yè)的科技創(chuàng)新和水平提升”。

依靠新的科學(xué)技術(shù)，2014年7月，33節(jié)沉管里已有11節(jié)被安裝到了3 %坡度的精挖基槽里。每節(jié)沉管重超過7.5萬噸，180米長，38米寬，10多米高。

中國工程師從未在外海建造過沉管隧道，然而，港珠澳大橋完成后，將成為世界最長的沉管隧道。

基槽在海底深度不同，第11節(jié)沉管是安裝在深水深槽里的第一節(jié)。工程師們擔(dān)心基槽內(nèi)紊流會(huì)給沉管帶來不可知的影響。槽內(nèi)流速約1米/秒，而海面流速0.6-0.8米/秒，“我們一直在監(jiān)測沉管運(yùn)動(dòng)姿態(tài)”，中國交建港珠澳大橋島隧項(xiàng)目副總工程師尹海卿說。

第11節(jié)沉管安裝進(jìn)展順利，這一團(tuán)隊(duì)以傳統(tǒng)形式進(jìn)行了慶祝。8月底，第12節(jié)沉管也成功安裝。

巨型樁

橋隧的轉(zhuǎn)換是通過兩個(gè)幾近相同的人工島完成的。每個(gè)人工島長625米，寬160米，共計(jì)10萬平方米，土層厚度30米。中交一航局和三航局分別建設(shè)了西人工島和東人工島。

一航局一公司副總經(jīng)理彭立巖介紹，早在2009年，一航局與美國打樁設(shè)備公司APE合作，對施工工法進(jìn)行探討，認(rèn)為用鋼圓筒取代鋼板樁建立人工島圍堰結(jié)構(gòu)，將節(jié)省2年工期。

“我們的團(tuán)隊(duì)2003年在長江口項(xiàng)目跟APE公司有過合作經(jīng)驗(yàn)”，彭立巖說，“在長江口，我們打設(shè)過13.4米直徑的混凝土大管樁，但還從來沒有遇到過用振動(dòng)錘打設(shè)20多米直徑這樣大的混凝土大管樁”。

中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院是長江口大管樁的設(shè)計(jì)方，曾經(jīng)設(shè)想過采用更大直徑的混凝土大管樁工藝，“但即使是13.4米的大管樁，也用了將近寬，11.4米高，180米長。每個(gè)管節(jié)由8個(gè)22.5米長的節(jié)段組成，一共需要生產(chǎn)33節(jié)沉管。生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)很嚴(yán)格，裂縫誤差需要控制在0.2毫米之內(nèi)。每立方米混凝土的鋼筋含量有300多公斤，是平均水平的2倍。自2011年底以來，工廠制造24小時(shí)運(yùn)行從不停工，工人們工作處于3班倒的狀態(tài)。

混凝土攪拌采用加冰降溫處理，通過泵送工藝傳輸?shù)桨惭b好的液壓模板澆注工位。這是一個(gè)巨大的生產(chǎn)線，預(yù)制好的節(jié)段將通過液壓頂推系統(tǒng)，沿著滑軌頂推出去，為下一節(jié)段騰出空間。接下來，完工的整個(gè)管節(jié)將被橫移到深塢，最后被深埋到海底。

為了把管節(jié)拖放到距離工廠11公里外的大海，中國交建特別量身定制了沉管安裝船。復(fù)雜的海風(fēng)和海浪對沉管作用力的影響，加上繁忙的航道以及嚴(yán)格的白海豚保護(hù)因素，使得每一次的沉管浮運(yùn)安裝都異常緊張。第一節(jié)沉管浮運(yùn)時(shí)，為了更好地控制沉管受力，施工團(tuán)隊(duì)使用了6艘拖輪，管節(jié)浮運(yùn)一年的時(shí)間才說服政府”。

據(jù)說，這個(gè)54個(gè)月的橋梁合同是香港有史以來最大的設(shè)計(jì)施工合同。在橋的東部，中國建筑國際集團(tuán)承建了1公里長的隧道和1.6公里的連接線。

風(fēng)險(xiǎn)是巨大的。APE在華銷售代表?xiàng)钤聘７Q，“一旦失敗，APE在華聲譽(yù)也面臨著很大的考驗(yàn)”，“完全沒有時(shí)間為防范失敗做準(zhǔn)備，新型振動(dòng)錘也幾乎沒有任何備用零件”。

2011年，APE以2000萬美元的價(jià)格通過投標(biāo)競爭，成為了港珠澳大橋東、西人工島鋼圓筒打設(shè)液壓錘組的設(shè)備供應(yīng)商，鋼圓筒振沉采用了八錘聯(lián)動(dòng)方案?！白钚枰鉀Q的技術(shù)難題在于如何讓8個(gè)錘保持同步振動(dòng)”，APE中國總經(jīng)理大衛(wèi)·懷特介紹道?！凹词怪挥?個(gè)錘跟其它7個(gè)運(yùn)動(dòng)不同步，產(chǎn)生的熱量在15秒內(nèi)足以將鋼融化掉”。鋼圓筒的垂直度誤差需要控制在1/300以內(nèi)。這個(gè)形似“八爪魚”的振動(dòng)錘組需要9600馬力施打重達(dá)600噸的鋼圓筒。

沉管管節(jié)舾裝 郭文宇/攝

APE為西島打設(shè)了61個(gè)鋼圓筒，為東島打設(shè)了59個(gè)鋼圓筒。巨型鋼圓筒由上海振華重工制造，通過長距離外海運(yùn)輸?shù)竭_(dá)現(xiàn)場。鋼圓筒高約40.5至50.5米，直徑22米，鋼板厚度最大達(dá)到25毫米，插入海底沙土深度達(dá)到29米，“從來沒有打過這么大的樁”，懷特說道。當(dāng)人工島外部圍堰結(jié)構(gòu)成形后，島內(nèi)用排水板將水排干。海底地基潛在的工后沉降必須控制在30厘米內(nèi)。從人工島到海底隧道的過渡通過暗埋段來實(shí)現(xiàn)。

高精度工廠法預(yù)制

桂山島是一個(gè)荒無人跡的自然島，中國交建帶來了發(fā)電機(jī)，建立了一個(gè)沉管預(yù)制工廠，1000多名預(yù)制沉管的工人生活和工作在這里。管節(jié)大約38米安裝花費(fèi)了96個(gè)小時(shí)。然而，總結(jié)這次經(jīng)驗(yàn)后，第二節(jié)沉管浮運(yùn)安裝使用了10艘拖輪，順著海流進(jìn)行拖運(yùn)，最終花費(fèi)時(shí)間還不到第一次安裝的一半。

隧道全長6.7公里，其中沉管長度為5664米，其余部分為暗埋段和斜坡段。特制的沉管安裝船將吊放7.4萬噸的管節(jié)。特制疏浚船用來開挖基槽，開挖精度需要控制在0.5米以內(nèi)，并且需要持續(xù)觀測地基沉降情況。

科威公司的奧爾森介紹稱，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套數(shù)模，處理厚度從1米和2米不等的碎石地基沉降?；餐临|(zhì)多變，從軟弱土質(zhì)過渡到硬石層，土質(zhì)變化達(dá)到30%。

科威工程師們希望有機(jī)會(huì)把這一數(shù)模系統(tǒng)應(yīng)用到連接德國和丹麥的費(fèi)馬恩海峽隧道。費(fèi)馬恩海峽隧道的沉管隧道長度為18公里，建成后，將是世界最長的沉管隧道。

沉管浮運(yùn) 朱宇光 /攝

隔泥圍幕和格型鋼板樁

去年，中國交建完成了項(xiàng)目的另外一個(gè)主要組成部分：一項(xiàng)4億美元的填海工程，在拱北回填了209公頃的陸地，用于建設(shè)珠澳口岸人工島。人工島的設(shè)計(jì)可抵御300年一遇的風(fēng)浪。項(xiàng)目的另外一邊，中國港灣正在進(jìn)行一項(xiàng)9億美元的項(xiàng)目，在香港國際機(jī)場東北方向建一個(gè)150公頃的類似的口岸人工島，目前已完成了一半。該項(xiàng)目有一個(gè)6140米長的防波堤，包括134個(gè)長約34米直徑約30米格形鋼板樁結(jié)構(gòu)。“這是香港首次不用挖泥而進(jìn)行填海。”中國港灣的項(xiàng)目經(jīng)理林金川介紹。他還補(bǔ)充說，每年的5月和6月是白海豚繁殖期，出于環(huán)境保護(hù)的考慮，項(xiàng)目規(guī)定在此期間禁止打樁施工。

林金川說，中國港灣定制的起重設(shè)備配合導(dǎo)承架能把圓筒結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)到位，再通過振動(dòng)錘安裝。他說“我們曾用格形結(jié)構(gòu)形成一個(gè)防波堤，但把導(dǎo)承架轉(zhuǎn)動(dòng)270度還從沒嘗試過?！?/p>

艾奕康香港交通管理總裁伊恩·鐘說，格形結(jié)構(gòu)內(nèi)部及前部是碎石樁，采用拋石堤壓實(shí)、穩(wěn)固。在拋石堤的底部鋪一層覆蓋碎石的土工布，作為一個(gè)鋪在海床上的帷幕以進(jìn)一步防止沉降。

中國港灣另外還與寶嘉（法國承包商布依格公司的子公司）、威勝利公司一起組成聯(lián)合體承建了一座9.4公里的高架橋，合同額為17億美元。這座橋從口岸人工島穿過一個(gè)狹窄的航道，北向緊連機(jī)場，南向跨越一片未開發(fā)且不能觸碰的土地。由于距離機(jī)場跑道過于接近，機(jī)場高度限制對建設(shè)施工和結(jié)構(gòu)都有影響。伊恩說，用于填海的設(shè)備高度嚴(yán)格控制在30-53米。

林金川說，一共預(yù)制接近5700榀梁，然而，由于必須穿過主航道，跨度達(dá)到180米的橋跨采用平衡懸臂的方法來安裝。他補(bǔ)充說，約20000根樁已就位，目前已經(jīng)開始承臺(tái)和墩身的預(yù)制工作。

據(jù)說，這個(gè)54個(gè)月的橋梁合同是香港有史以來最大的設(shè)計(jì)施工合同。在橋的東部，中國建筑國際集團(tuán)承建了1公里長的隧道和1.6公里的連接線。

隧道的西邊，主體工程的橋梁結(jié)構(gòu)包括鋼梁和現(xiàn)澆混凝土橋跨。水上攪拌站和起重機(jī)也加入到繁忙的水上交通。30米高的墩身需要從臨時(shí)工作平臺(tái)將鋼樁鉆入硬巖100米來支撐?？缍葟臏\水區(qū)的90米變化到深水區(qū)的110米。

3個(gè)航道上將修建鋼箱梁斜拉橋結(jié)構(gòu)以便通航。斜拉橋橋塔的高度會(huì)達(dá)到180米。

這里建設(shè)的一切，規(guī)模都很龐大。