港珠澳大橋建設(shè)中的科技智慧

葉青　郝曉明　華軒

2018年10月23日上午，被英國《衛(wèi)報》譽為“新世界七大奇跡”之一的港珠澳大橋，在廣東珠海市舉行開通儀式。10月24日上午，港珠澳大橋正式通車運營。大橋全長約55公里，主體工程集橋、島、隧于一體，創(chuàng)造了沉管隧道“最長、最大跨徑、最大埋深、最大體量”的世界紀錄，涵蓋了當今世界橋、島、隧多項尖端科技，是當今世界極具挑戰(zhàn)性的工程之一。港珠澳大橋從設(shè)計到建成歷時十幾年，這背后有著什么樣的科技支撐呢？

天上有飛機，海上有輪船，夾在中間的港珠澳大橋如何才不會影響鄰近的香港國際機場航班的飛行安全，又能滿足伶仃洋航道30萬噸輪船通航的需要呢？

港珠澳大橋設(shè)計團隊提出了一個極富創(chuàng)造性的方案：建造東兩兩個人工島，修建一段海底隧道，將隧道與大橋連接起來。這條世界最長的海底沉管隧道由33個巨型沉管組成，每節(jié)管道長180米，單節(jié)重約8萬噸，且沉到海底40多米。

如此巨大的沉管要怎樣才能沉降到海底并實現(xiàn)對接？這就需要浮運安裝。所謂浮運安裝，即用拖船將沉管拖運到橋位附近，再用絞錨方式進行橫、縱移沉管至安裝位置并進行沉放安裝。為保證浮運安裝成功完成，華南理工大學(xué)的趙成璧剮教授團隊，采用物理模型試驗和數(shù)值模擬方法，對隧道沉管管段浮運、系泊與沉放等水上施工的關(guān)鍵問題進行研究。

“實驗發(fā)現(xiàn)，在淺水海域，沉管在水流和波浪的作用下，縱向水流對管段的作用所引起的問題比較容易解決，但若遇橫流，管段一放進海里，就會產(chǎn)生橫傾與下沉，并容易觸碰到海底，極其不安全?！眻F隊成員王冬姣副教授說。為了進一步驗證該實驗的可靠性，團隊一遍遍進行實驗與計算，最終為港珠澳大橋的浮運與沉放施工方案提供了重要的技術(shù)支持。

在大橋主體安裝中，鋼箱梁橋面鋪裝代表橋梁建設(shè)的“面子”工程，它可以保障車輛行駛的舒適、安全?！拔覀冝饤壛藘r格高昂的進口環(huán)氧瀝青材料橋面鋪裝技術(shù)，選擇了英國澆注式瀝青鋪裝方案。”華南理工大學(xué)張肖寧教授說，“但該方案施工效率低，按照此方案，需要5年左右的時間才能完成鋪裝工程?！彼麄兲岢隽藙?chuàng)新性的施工方案，將施工效率提高，半年內(nèi)完成工程，并建成國內(nèi)外首個能夠滿足力學(xué)相似的橋梁截斷足尺模型。

除了是世界最長的大橋，港珠澳大橋的設(shè)計使用壽命長達120年，打破了國內(nèi)大橋的“百年慣例”。

位于海泥環(huán)境中的鋼管樁如何確保120年不損壞，這對港珠澳大橋設(shè)計團隊來說是極大的挑戰(zhàn)?！搬槍μ囟ǖ暮Ｄ喹h(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。”中國科學(xué)院金屬研究所耐久性防護與工程化課題組負責人李京研究員說，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)計的要求。

復(fù)雜的海床結(jié)構(gòu)、惡劣的自然環(huán)境、超長的跨度距離，對橋梁鋼是一個巨大考驗。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)王昭東教授團隊研發(fā)的新一代控軋控冷工藝，由鞍鋼集團生產(chǎn)。

該工藝使鋼材組織細化35%似上，析出相尺寸減少25%以上，有效滿足了橋梁鋼高強度和高韌性的需求。通過優(yōu)化的“成分設(shè)計+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)變設(shè)計的要求。

港珠澳大橋像“搭積木”一樣拼裝出來。先在工廠里把橋墩、橋面、鋼箱梁、鋼管樁等生產(chǎn)出來，等到伶仃洋風(fēng)平浪靜時再組裝起來，首次實現(xiàn)“大型化、工廠化、標準化、裝配化”建設(shè)理念。

大鋼箱梁運到現(xiàn)場安裝，安裝誤差必須控制在1厘米以內(nèi)，每個焊縫不能超過2厘米，難度非常大。伶仃洋上多臺風(fēng)，為了趕在臺風(fēng)來臨前完成施工華南理工大學(xué)王榮輝教授團隊在國內(nèi)首次采用多工法、不對稱、多塔斜拉橋的施工控制技術(shù)，完成世界上首次3100噸巨型鋼索塔整體施工。

2018年強臺風(fēng)“山竹”登陸，當全國人民都為港珠澳大橋捏一把汗時，它穩(wěn)同屹立。大橋能牢牢“站穩(wěn)”，抗16級臺風(fēng)、8級地震，離不開科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

“前期周年觀測工作早在2007年就已開始。通過現(xiàn)場波浪觀測和分析計算，從而實現(xiàn)潮汐潮流長期預(yù)報、臺風(fēng)等極端個例的工程分析等目的 ”華南理工大學(xué)朱良生教授總共觀測了包括“黑格爾”在內(nèi)的7場臺風(fēng)，“拿到觀測數(shù)據(jù)非常閑難，部分設(shè)備需要依靠千噸以上的海事船進行投放。并在臺風(fēng)季節(jié)開展為期3個月的同步對比觀測?！?/p>

團隊通過對1949年以來所有臺風(fēng)進行仿真，統(tǒng)計出“50年一遇”“100年一遇”的臺風(fēng)強度，為橋面建設(shè)提供參數(shù)。

此外，高韌薄層瀝青罩面技術(shù)、水下結(jié)構(gòu)止水、交通工程系統(tǒng)集成等技術(shù)應(yīng)用，使得港珠澳大橋成為名副其實的“超級工程”。