港珠澳大橋的『科技密碼』

在“海上絲綢之路”的起點(diǎn)，一條巨龍將茫茫伶仃洋劃為兩半，蜿蜒綿亙伸向遠(yuǎn)方……10月24日，港珠澳大橋正式通車運(yùn)營(yíng)，用最燦爛的姿態(tài)連接起香港、珠海、澳門三地，自此3小時(shí)的車程縮短至約45分鐘。400多項(xiàng)新專利，整體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)全部自主研發(fā)，120年使用壽命的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)驚艷了全世界。

圖/東方IC

10月24日清晨，一輪朝陽(yáng)從伶仃洋海面騰空而升，陽(yáng)光穿過港珠澳大橋“中國(guó)結(jié)”橋塔，照在粵港澳大灣區(qū)的土地上，喚醒了大橋連接著的港珠澳三座城市。

幾乎是在同一時(shí)間，三城的人們開始從各自的出發(fā)點(diǎn)，向著港珠澳大橋三地的通關(guān)口岸前進(jìn)，一同相擁這座舉世矚目的“超級(jí)工程”。

“這注定是一個(gè)激動(dòng)人心、載入史冊(cè)的日子！”上午9時(shí)整，經(jīng)港珠澳大橋珠海公路口岸通關(guān)的一位貨柜車司機(jī)駕駛粵港兩地雙牌車，穿越海上高橋，遁入海底隧道，向香港方向飛馳而去，“曾經(jīng)不敢想、不可及的夢(mèng)想變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)”。

曾經(jīng)伶仃一夢(mèng)，如今天塹通途。澳門特區(qū)政府交通事務(wù)局局長(zhǎng)林衍新難掩激動(dòng)地說(shuō)：“從10月24號(hào)9點(diǎn)開始，粵港澳大灣區(qū)6000萬(wàn)人的生活從此就不一樣了?！?/p>

作為“國(guó)之重器”，全長(zhǎng)55公里的港珠澳大橋被譽(yù)為橋梁界的“珠穆朗瑪峰”，是世界上最具挑戰(zhàn)性的超級(jí)工程之一，也是世界最長(zhǎng)跨海大橋，包攬了多項(xiàng)“世界之最”，背后是無(wú)數(shù)中國(guó)制造的硬實(shí)力支撐，它以創(chuàng)新技術(shù)、先進(jìn)工藝巍然屹立于伶仃洋。

超級(jí)工程凝聚中國(guó)智慧

“港珠澳大橋是一座名副其實(shí)的科技大橋，在這些世界級(jí)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(dòng)?！备壑榘拇髽蚬芾砭挚偣こ處熖K權(quán)科表示，從籌備到建成，港珠澳大橋建設(shè)歷時(shí)14年，攻克了多個(gè)世界級(jí)難題，打破了多項(xiàng)世界紀(jì)錄，是當(dāng)之無(wú)愧的世紀(jì)工程。

人工島221天“拔海而起”

港珠澳大橋海底隧道是我國(guó)首條外海沉管隧道。隧道建設(shè)的第一戰(zhàn)就是要以最快速度在海中建起兩個(gè)離岸人工島，實(shí)現(xiàn)海中橋隧轉(zhuǎn)換銜接。

在港珠澳大橋建設(shè)之前，我國(guó)建造外海人工島的技術(shù)積累幾乎是空白。在水深10余米且軟土層厚達(dá)幾十米的深海中，如何打下這個(gè)超級(jí)工程的“基座”，成為大橋島隧工程項(xiàng)目部團(tuán)隊(duì)面臨的難題。

在外海造人工島，既要解決工程技術(shù)難題，也要兼顧保護(hù)中華白海豚國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境，需要平衡的因素很多。建設(shè)團(tuán)隊(duì)反復(fù)研究論證，創(chuàng)新提出了用大直徑鋼圓筒圍造人工島的思路。這一史無(wú)前例的創(chuàng)新工藝在國(guó)內(nèi)外沒有經(jīng)驗(yàn)借鑒，建設(shè)團(tuán)隊(duì)花了大半年時(shí)間設(shè)計(jì)、論證、實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)過多方專家論證，超大直徑鋼圓筒、液壓振動(dòng)錘聯(lián)動(dòng)的優(yōu)化方案被正式采納為最終方案，這也成為港珠澳大橋島隧工程的一項(xiàng)創(chuàng)舉。兩個(gè)人工島建設(shè)共用了120個(gè)直徑22.5米、最高50.5米、重達(dá)500噸的鋼圓筒，242個(gè)副格，每個(gè)鋼圓筒都相當(dāng)于一棟高層住宅樓。這些鋼圓筒分批次建造，再由8萬(wàn)噸級(jí)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船從上海運(yùn)到珠江口，在工程中使用如此重量級(jí)的運(yùn)輸船在國(guó)內(nèi)尚屬首次。

港珠澳大橋的島隧工程采用了世界首創(chuàng)的八錘聯(lián)動(dòng)液壓振動(dòng)錘和“鋼圓筒振沉管理系統(tǒng)”，為超大鋼圓筒振沉安上了“眼睛”。在伶仃洋海面上，1600噸起重船“振浮8號(hào)”吊著振沉系統(tǒng)和鋼圓筒，在自主研發(fā)的“鋼圓筒振沉管理系統(tǒng)”的引導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確定位。

2011年5月中旬，液壓振動(dòng)錘將首個(gè)鋼圓筒沉入水底，插入泥中21米，垂直度偏差小于1/500，港珠澳大橋島隧工程首個(gè)世界超大直徑、超深埋深、超大體量鋼圓筒順利振沉，揭開了西人工島島壁結(jié)構(gòu)施工序幕。同年9月，隨著第61個(gè)巨大的鋼圓筒穩(wěn)穩(wěn)插入珠江口開闊的海面上，港珠澳大橋海中西人工島主體結(jié)構(gòu)宣告完成。

在221天內(nèi)，120個(gè)巨型鋼圓筒在伶仃洋海面圍成兩個(gè)小島，實(shí)現(xiàn)了“當(dāng)年開工、當(dāng)年成島”計(jì)劃，創(chuàng)造了鋼圓筒單體體量、振沉精度、振沉速度等多項(xiàng)世界紀(jì)錄。

▲2011年9月11日，港珠澳大橋島隧工程西人工島最后一個(gè)鋼圓筒振沉成功（圖/新華社）

萬(wàn)噸級(jí)巨型沉管“海底穿針”毫厘不差

在港珠澳大橋建成之前，世界上比較長(zhǎng)的現(xiàn)代沉管隧道只有丹麥與瑞典之間的厄勒海峽沉管隧道和韓國(guó)釜山—巨濟(jì)的沉管隧道兩條，長(zhǎng)度分別為3.5公里和3.2公里。港珠澳大橋的海底隧道為6.7公里，建設(shè)面臨海底隧道最長(zhǎng)、隧道埋深最深、單個(gè)沉管體量最大等世界性難題。

在無(wú)任何國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下，大橋島隧工程團(tuán)隊(duì)對(duì)外海深水沉管安裝創(chuàng)新技術(shù)及裝備進(jìn)行獨(dú)立研發(fā)，并取得一系列技術(shù)突破。

島隧工程的沉管段總長(zhǎng)5664米，共分33個(gè)管節(jié)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180米、寬37.95米、高11.4米，單節(jié)沉管重7.4萬(wàn)噸，最大沉放水深44米。工程采用節(jié)段式柔性管節(jié)結(jié)構(gòu)，施工時(shí)采用8艘大馬力全回轉(zhuǎn)拖輪協(xié)同作業(yè)，配置深水無(wú)人沉放系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)首條安裝船通過遙控等技術(shù)，調(diào)整管節(jié)姿態(tài)實(shí)現(xiàn)精確對(duì)接。

在施工中，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了“半個(gè)月內(nèi)連續(xù)安裝2節(jié)沉管”“極限3毫米對(duì)接偏差”等多個(gè)紀(jì)錄，采用主動(dòng)止水的沉管隧道最終接頭，化被動(dòng)止水為主動(dòng)式壓接止水，變?nèi)斯ぷ鳂I(yè)為機(jī)械化作業(yè)，降低了水下作業(yè)強(qiáng)度，確保了施工質(zhì)量。

為了保障工程需要，珠海牛頭島建設(shè)了目前世界上最大的沉管預(yù)制廠，為大橋的海底隧道制作了33個(gè)巨型沉管。其中，有5節(jié)是半徑5500米的曲線段沉管，首開曲線沉管工廠法預(yù)制先河。2013年5月，島隧工程順利完成首節(jié)沉管的海上浮運(yùn)，并實(shí)現(xiàn)隧道與人工島轉(zhuǎn)換的首次對(duì)接。

打破國(guó)內(nèi)大橋“百年慣例”

港珠澳大橋設(shè)計(jì)使用年限首次采用120年標(biāo)準(zhǔn)，打破了國(guó)內(nèi)大橋的“百年慣例”。在“高溫、高濕、高鹽”的海洋環(huán)境下，土木工程的致命問題就是“海水腐蝕”。那么達(dá)到120年使用要求最關(guān)鍵的就是耐久性設(shè)計(jì)。

目前國(guó)內(nèi)外耐久性設(shè)計(jì)普遍采用經(jīng)驗(yàn)法或半定量法，而港珠澳大橋突破傳統(tǒng)，采用的是基于可靠度理論的定量設(shè)計(jì)方法，這是個(gè)在歐盟、美國(guó)等國(guó)家和地區(qū)開展過研究，實(shí)際工程中未曾真正使用過的方法。該方法需要有可反映結(jié)構(gòu)材料性能隨時(shí)間變化的大量工程數(shù)據(jù)。中交四航工程研究院通過對(duì)大量數(shù)據(jù)的篩選、完善，并按照可靠性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，最終建立了基于可靠度理論的“港珠澳模型”，據(jù)此確定了耐久性設(shè)計(jì)指標(biāo)。

“針對(duì)特定的海泥環(huán)境，我們先后從涂層的抗?jié)B透性、耐陰極剝離性等著手研制新型涂料，解決涂層的耐久性問題?！敝锌圃航饘傺芯克途眯苑雷o(hù)與工程化課題組負(fù)責(zé)人李京指出，他們研制出新一代高性能環(huán)氧涂層鋼筋，并參與大橋基礎(chǔ)的防腐涂裝施工，保障了港珠澳大橋120年耐久性設(shè)計(jì)要求。

復(fù)雜的海床結(jié)構(gòu)、惡劣的自然環(huán)境、超長(zhǎng)的跨度距離，對(duì)橋梁鋼是一個(gè)巨大考驗(yàn)。支撐起這座特大型橋梁的高性能綠色橋梁鋼，大部分是基于東北大學(xué)王昭東教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的基于新一代控軋控冷工藝。該工藝使鋼材組織細(xì)化35%以上，析出相尺寸減少25%以上，有效滿足了橋梁鋼高強(qiáng)度和高韌性的需求。通過優(yōu)化的“成分設(shè)計(jì)+控制軋制+軋后超快冷卻”組合拳，滿足了橋梁的抗震和抗應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)。

這些技術(shù)對(duì)港珠澳大橋施工質(zhì)量控制及保證其120年壽命發(fā)揮了重要作用?！斑@座橋的使用壽命符合全球標(biāo)準(zhǔn)，”參與大橋設(shè)計(jì)的跨國(guó)工程公司奧雅納的全球橋梁負(fù)責(zé)人納伊姆·侯賽因說(shuō)，“經(jīng)過適當(dāng)?shù)木S護(hù)，壽命還可以在原計(jì)劃的基礎(chǔ)上再延長(zhǎng)40年到50年?！?/p>

▲港珠澳大橋島隧工程首節(jié)大型沉管浮運(yùn)安裝施工現(xiàn)場(chǎng)（圖/新華社）

“搭積木”模式拼裝抗風(fēng)、抗震高強(qiáng)度橋梁

港珠澳大橋是像“搭積木”一樣拼裝出來(lái)的。先在工廠里把橋墩、橋面、鋼箱梁、鋼管樁等生產(chǎn)出來(lái)，等到伶仃洋風(fēng)平浪靜時(shí)再組裝起來(lái)，首次實(shí)現(xiàn)“大型化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化”建設(shè)理念。

“大鋼箱梁運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)安裝，安裝誤差必須控制在1厘米以內(nèi)，每個(gè)焊縫不能超過2厘米，難度非常大?！绷尕暄笊隙嗯_(tái)風(fēng)，為了趕在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前完成施工，華南理工大學(xué)王榮輝教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)首次采用多工法、不對(duì)稱、多塔斜拉橋的施工控制技術(shù)，完成世界首次3100噸巨型鋼索塔整體施工。

今年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”登陸時(shí)，當(dāng)全國(guó)人民都為港珠澳大橋捏一把汗時(shí)，它穩(wěn)固屹立。大橋之所以能牢牢“站穩(wěn)”，抗16級(jí)臺(tái)風(fēng)、8級(jí)地震，離不開科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

“前期周年觀測(cè)工作早在2007年就開始了。通過現(xiàn)場(chǎng)波浪觀測(cè)和分析計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)潮汐潮流長(zhǎng)期預(yù)報(bào)、臺(tái)風(fēng)等極端個(gè)例的工程分析等目的?！比A南理工大學(xué)教授朱良生總共觀測(cè)出包括“黑格爾”在內(nèi)的7個(gè)臺(tái)風(fēng)，“拿到觀測(cè)數(shù)據(jù)非常困難，部分設(shè)備需要依靠千噸以上的海事船進(jìn)行投放，并在臺(tái)風(fēng)季節(jié)開展為期3個(gè)月的同步對(duì)比觀測(cè)。”

力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“世界級(jí)運(yùn)營(yíng)”

港珠澳大橋全線通車運(yùn)營(yíng)后，這個(gè)超級(jí)工程“由建轉(zhuǎn)營(yíng)”進(jìn)入“下半場(chǎng)”。那么，“一流橋梁”將如何實(shí)現(xiàn)“一流運(yùn)營(yíng)”服務(wù)？

實(shí)現(xiàn)運(yùn)維智能化

港珠澳大橋連接粵港澳三地，由三地共同組建的港珠澳大橋管理局負(fù)責(zé)投資、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理。

“以港珠澳大橋的體量，用傳統(tǒng)人海戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行維養(yǎng)，將難以滿足提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的目標(biāo)要求?！备壑榘拇髽蚬芾砭志珠L(zhǎng)朱永靈表示，管理局將從軟硬件兩方面著手，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理由“傳統(tǒng)型”向“智慧型”轉(zhuǎn)變。一方面大力推進(jìn)各業(yè)務(wù)版塊機(jī)械化作業(yè)；另一方面，建立智能化管理平臺(tái)，運(yùn)用信息化及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，研發(fā)實(shí)施多維度的移動(dòng)應(yīng)用和信息共享。

港珠澳大橋可謂生逢其時(shí)。2017年，科技部和交通運(yùn)輸部聯(lián)合推動(dòng)將港珠澳大橋納入“中國(guó)人工智能專項(xiàng)”技術(shù)應(yīng)用示范領(lǐng)域。以橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)為例，為有效掌握大橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)及發(fā)展演化趨勢(shì)，大橋“全身上下”已安裝上萬(wàn)個(gè)元器件，通過健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與電子化人工巡查系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)自動(dòng)采集并分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確保大橋結(jié)構(gòu)安全。

由中國(guó)鐵塔股份有限公司負(fù)責(zé)的港珠澳大橋主體工程“信息大橋”方案與港珠澳大橋?qū)崿F(xiàn)了同步規(guī)劃、同步設(shè)計(jì)、同步建設(shè)。即使在港珠澳大橋深達(dá)近50米的海底沉管隧道內(nèi)，手機(jī)上的4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)依然滿格。

“為把最先進(jìn)的高鐵系統(tǒng)集成技術(shù)與高速公路機(jī)電系統(tǒng)有機(jī)銜接，項(xiàng)目部研發(fā)構(gòu)建了專屬港珠澳大橋的全壽命周期集成BIM（建筑信息模型）系統(tǒng)。它們讓大橋擦亮了‘眼睛’，裝上了‘耳朵’，變得暢通而智能?！敝袊?guó)鐵建港珠澳大橋項(xiàng)目經(jīng)理蔡俊福說(shuō)。

▲港珠澳大橋監(jiān)控中心（新華社鄧華攝）

“自營(yíng)模式”提升服務(wù)水平

港珠澳大橋管理局營(yíng)運(yùn)管理部部長(zhǎng)江曉霞表示，結(jié)合大橋運(yùn)維工作特性，為實(shí)現(xiàn)大橋從建設(shè)期向運(yùn)營(yíng)期平穩(wěn)過渡，并解決原有建設(shè)人才分流安置問題，港珠澳大橋在保持建設(shè)期管理架構(gòu)基本不變的情況下，將營(yíng)運(yùn)籌備工作動(dòng)態(tài)疊加到各業(yè)務(wù)部門，并專門成立營(yíng)運(yùn)管理部。

由于大橋安全管控涉及水域通航安全保障、道路交通安全管控、消防應(yīng)急保障、防恐及社會(huì)公共安全突發(fā)事件處置等，為保證高效率應(yīng)急救援，提供優(yōu)質(zhì)通行服務(wù)，港珠澳大橋采取自營(yíng)模式。

高效率應(yīng)急救援、高水平維修保養(yǎng)是營(yíng)運(yùn)工作服務(wù)化轉(zhuǎn)型的題中之義。為實(shí)現(xiàn)“大監(jiān)控、大安全”的管理理念落地，港珠澳大橋管理局自行成立路政大隊(duì)，組建拯救大隊(duì)，與監(jiān)控、養(yǎng)護(hù)等人員一起構(gòu)成應(yīng)急狀態(tài)下的安全保障力量。

激發(fā)品牌效應(yīng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)市場(chǎng)化

作為連接粵港澳三地的世界級(jí)跨海通道，品牌價(jià)值可開發(fā)空間和潛力巨大，賦予了大橋更多經(jīng)濟(jì)功能和社會(huì)功能。

“經(jīng)營(yíng)市場(chǎng)化有其內(nèi)在現(xiàn)實(shí)原因和獨(dú)特資源優(yōu)勢(shì)?！备壑榘拇髽蚬芾砭指本珠L(zhǎng)余烈表示，一方面項(xiàng)目投資巨大，有必要利用品牌資源、通道資源和其他資源進(jìn)行綜合開發(fā)，以彌補(bǔ)通行費(fèi)收入不足的問題，減輕三地政府財(cái)政負(fù)擔(dān)；另一方面，港珠澳大橋已積累了一大批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和管理成果。

“我們可把工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)化為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為行業(yè)輸出‘港珠澳大橋標(biāo)準(zhǔn)’。一些研發(fā)成果可通過與市場(chǎng)企業(yè)緊密合作，實(shí)現(xiàn)科技成果推廣轉(zhuǎn)化?！庇嗔艺f(shuō)。

靠近香港海域的東人工島二層至四層為預(yù)留商業(yè)開發(fā)及橋梁展廳。江曉霞說(shuō)，后期爭(zhēng)取三地政府充分授權(quán)，港珠澳大橋管理局將利用“一橋兩岸三地”獨(dú)特優(yōu)勢(shì)資源，開展廣告、旅游、會(huì)議會(huì)展、通道資源等經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)，實(shí)施綜合開發(fā)策略。

發(fā)展引擎點(diǎn)燃大灣區(qū)融合加速

港珠澳大橋通車后，首次實(shí)現(xiàn)三地陸路連接。駕車從香港到珠海、澳門由3個(gè)小時(shí)縮短至約45分鐘。

港珠澳大橋總設(shè)計(jì)師孟凡超認(rèn)為，港珠澳大橋會(huì)使粵港澳三方受益。大大縮短的香港、澳門與珠海之間的時(shí)空距離，不僅為香港經(jīng)濟(jì)持續(xù)繁榮創(chuàng)造條件，同時(shí)也推動(dòng)了整個(gè)珠三角的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，并縮小粵西、粵東的經(jīng)濟(jì)發(fā)展差距，加速粵港澳經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程。

港珠澳大橋是粵港澳大灣區(qū)互聯(lián)互通的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其落成使用將點(diǎn)燃融合發(fā)展的引擎?！案壑榘拇髽蛴腥绱蛲嘶浉郯拇鬄硡^(qū)的‘任督二脈’?！毕愀壑新?lián)辦主任王志民如此比喻。根據(jù)設(shè)計(jì)容量，港珠澳大橋每日可以穿梭20萬(wàn)架次車輛，加上徐徐鋪開的城軌與地鐵“毛細(xì)血管”，粵港澳大灣區(qū)可形成“一小時(shí)生活圈”，各類合作也能獲得更廣闊的天地。宜業(yè)、宜商、宜居、宜學(xué)、宜游的大灣區(qū)藍(lán)圖將從愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

香港貿(mào)易發(fā)展局副總裁葉澤恩表示，港珠澳大橋開通后，不同關(guān)稅區(qū)之間的貨物將順暢流通，這將提升物流運(yùn)輸和供應(yīng)鏈管理效率，令粵港澳大灣區(qū)建設(shè)成為香港乃至亞洲經(jīng)濟(jì)的新增長(zhǎng)點(diǎn)。

此外，作為“海上絲綢之路”的重要節(jié)點(diǎn)，港珠澳大橋還凝聚了另一個(gè)共識(shí)：因?yàn)榇髽?，粵港澳大灣區(qū)的發(fā)展擁有了更多想象空間，未來(lái)其輻射范圍有望遠(yuǎn)及“一帶一路”乃至全世界。（本刊綜合）※