工程“技術(shù)+管理”循環(huán)提升實(shí)現(xiàn)建設(shè)高品質(zhì)工程目標(biāo)

董政

（中交港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目總經(jīng)理部，廣東 珠海 518109）

0 引言

在科技高度發(fā)達(dá)的新時代，工程建設(shè)條件極大改善的環(huán)境下，工程科技走入無人區(qū)的進(jìn)程越來越快，一系列諸如：人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、新材料等領(lǐng)域迅猛發(fā)展，可以斷定，將來所從事的可能會是完全不同于現(xiàn)在的工程技術(shù)方案，工程管理方法也相應(yīng)循環(huán)提升，在這一過程中，也孕育了一大批新的需求和新的市場，進(jìn)而推動了工程建設(shè)更高質(zhì)量發(fā)展。

1 背景工程

1.1 依靠人工挖掘建成的世界第一條水底隧道

世界第一條水底隧道是英國泰晤士河隧道，在它的旁邊就是著名的英國帝國理工大學(xué)。泰晤士河隧道1843年建成，長度不到400 m，建設(shè)過程非常曲折，歷時18 a，經(jīng)歷了多次火災(zāi)、水淹和嚴(yán)重的人員傷亡，工程投資被稱為“財政災(zāi)難”，但是工程創(chuàng)造了盾構(gòu)和沉井2個偉大的工法，是土木工程領(lǐng)域的里程碑。

1.2 依靠先進(jìn)的機(jī)械化裝備完成的世界最長的海底隧道

世界最長的海底隧道是日本青函海底隧道，全長54 km，1987年建成，前后用了23 a時間。青函隧道使用了先進(jìn)的巨型掘巖鉆機(jī)和激光導(dǎo)向技術(shù)。由于工程極其復(fù)雜，施工條件非常惡劣，工程造成了33名工人喪生，1 300人傷殘。隧道兩度被淹，其中一次僅排水就用5個多月，雖然工程預(yù)算從8.3億美元增加至實(shí)際完工的27億美元，但是工程創(chuàng)造了防止隧道漏水、新進(jìn)導(dǎo)向等先進(jìn)技術(shù)。

1.3 集成成熟技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)完成的世界海底段最長的海底隧道

英吉利海峽隧道1994年開通，隧道長度51 km，海底長度39 km，是世界上海底段最長的隧道，1.1萬名工程技術(shù)人員付出了近7 a之久的努力。地質(zhì)勘察從1958年做到1987年，采用英國的大型海上石油鉆機(jī)，為隧道找到了理想的巖層。英吉利海峽隧道在技術(shù)上的方針是采取經(jīng)過驗(yàn)證的成熟技術(shù)，將成熟的先進(jìn)技術(shù)在復(fù)雜的工程中加以綜合應(yīng)用，在權(quán)衡技術(shù)的先進(jìn)性與可靠性以及資金、時間的限制之間，找到一個合適的度。

2 工程“技術(shù)+管理”循環(huán)提升內(nèi)涵

通過對上述工程實(shí)例的理解，工程建設(shè)發(fā)展本質(zhì)上是人類為更優(yōu)化地造物而不斷創(chuàng)新的技術(shù)和方法，包括工程管理、工程技術(shù)、工程裝備乃至工程文化等，但總體上可劃分為工程技術(shù)和工程管理兩大類的循環(huán)提升。從某種意義上來說，工程技術(shù)的突破根源于工程管理方法的創(chuàng)新，反之，工程技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了工程管理方法甚至管理思想的突破，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了如今各領(lǐng)域的第N代技術(shù)迭代升級，這些循環(huán)提升一方面服務(wù)于工程，應(yīng)工程的需求而發(fā)展，另一方面實(shí)現(xiàn)新突破、新跨越，延展更高品質(zhì)的工程建造能力。

3 工程“管理+技術(shù)”循環(huán)提升工程實(shí)踐

港珠澳大橋的海底隧道采用沉管法建造。200多年前歐洲人就提出了沉管的概念，100 a后才在美國建成第一條沉管隧道，世界上建成的沉管隧道至今不到200條。沉管單段重上萬噸，全過程水下作業(yè)，是一種高風(fēng)險的工法。在港珠澳大橋之前，韓國釜山沉管隧道長3.4 km，是世界最長的公路沉管隧道，由荷蘭、日本、韓國合作建設(shè)；同期我國建成的沉管隧道總長不到4 km，平均長度370 m，平均工期6.4 a。港珠澳大橋沉管隧道長6.7 km、單段重8萬t、工期7 a，長度和重量均為世界之最。

為了更好地規(guī)避風(fēng)險、高質(zhì)量建成島隧工程，項(xiàng)目技術(shù)和管理人員通過創(chuàng)新工程管理方法，如超大型海工工程工業(yè)化管理、信息技術(shù)構(gòu)建智能化的高精度管理以及本質(zhì)管理等方法，實(shí)現(xiàn)了深插鋼圓筒快速筑島技術(shù)及跨海沉管隧道建造等系列核心技術(shù)突破，將海上施工轉(zhuǎn)為陸上施工、用先進(jìn)裝備替代密集的勞動力資源、用智能建造技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下作業(yè)的無人化等，更好地實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)工程建設(shè)[1]。

3.1 創(chuàng)新大型預(yù)制構(gòu)件工廠化管理方法實(shí)現(xiàn)8萬t沉管頂推創(chuàng)新技術(shù)突破

港珠澳大橋沉管隧道是當(dāng)今世界上規(guī)模最大的公路沉管隧道，是世界上第一條深埋沉管隧道，也是中國第一次在外海建設(shè)的沉管隧道工程。不僅隧道長度和重量均為世界之最，最大水深近50 m，平均埋深22 m的超長、深埋的特性，以及120 a使用壽命、三地標(biāo)準(zhǔn)就高不就低等一系列極其苛刻的限制條件要求沉管的預(yù)制“品質(zhì)”極高。在這樣的條件下，要建設(shè)一條滴水不漏的隧道，不僅在沉管隧道技術(shù)還處于起步階段的中國，在世界上也是極具挑戰(zhàn)的。

為此，島隧項(xiàng)目創(chuàng)新大型預(yù)制構(gòu)件工廠化管理方法，在世界范圍內(nèi)做了大量調(diào)查及研究工作，并走遍了珠江口所有可能選用的預(yù)制場地，經(jīng)過數(shù)十次方案論證，最終堅定地選擇了牛頭島工廠法沉管預(yù)制方案代替干塢法預(yù)制方案[2]。然而，中國并沒有工廠法沉管預(yù)制先例，世界上也僅有厄勒海峽有過，能提供幫助和借鑒的也只是一些概念性方案。港珠澳大橋之前，韓國釜山隧道就是因?yàn)槌凉荜懮享斖萍夹g(shù)沒有突破而放棄了沉管工廠法預(yù)制工藝[3]。

經(jīng)過大量調(diào)研及比選，島隧項(xiàng)目創(chuàng)新了大型管節(jié)頂推、滑移施工技術(shù)，開發(fā)了“三點(diǎn)”并聯(lián)主動支撐系統(tǒng)、分散式同步連續(xù)頂推、側(cè)導(dǎo)向動態(tài)糾偏系統(tǒng)等成套技術(shù)[4]，解決了管節(jié)長距離轉(zhuǎn)移過程中因受力不均勻引起管節(jié)開裂等難題。通過8萬t沉管工廠化預(yù)制的思想創(chuàng)新，促使項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)必須攻克這項(xiàng)高風(fēng)險技術(shù)難題，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了數(shù)萬噸級鋼筋混凝土構(gòu)件的平穩(wěn)、高效、安全移動[5]。如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)頂推三點(diǎn)支撐系統(tǒng)布置圖Fig.1 Layout of standard tube joint pushing three-point support system

近期，深中通道在港珠澳大橋沉管頂推技術(shù)和管理思想的基礎(chǔ)上，升級了三點(diǎn)主動支撐系統(tǒng)，支撐載體由千斤頂變成了電動臺車，滑移方式由滑動摩擦變成了滾動摩擦，將數(shù)字化頂推管理技術(shù)向智能化頂推技術(shù)又邁進(jìn)了一步，豐富了其管理思想，推動了行業(yè)進(jìn)步。頂推設(shè)備對比見圖2，數(shù)據(jù)對比見表1。

圖2 頂推設(shè)備對比圖Fig.2 Comparison of pushing equipment

表1 頂推設(shè)備數(shù)據(jù)比較分析表Table 1 Comparison and analysis of pushing equipment data

3.2 創(chuàng)新海上工程工業(yè)化制造管理方法實(shí)現(xiàn)深插鋼圓筒快速筑島技術(shù)突破

港珠澳大橋海中人工島的建設(shè)面臨多方面的功能需求和限制條件，如表2所示。工程建設(shè)前期，針對海中人工島建設(shè)進(jìn)行了多種方案比選，如沉箱方案、連鎖樁方案、地連墻方案等，這類方案的基本思路是采用傳統(tǒng)拋石斜坡堤筑島，大挖大填、大規(guī)模海上作業(yè)，海上作業(yè)時間長。

表2 人工島功能需求及限制條件表Table 2 Functional requirements and restrictions of artificial island

島隧項(xiàng)目突破傳統(tǒng)思維，遵循綠色建島理念，創(chuàng)新海上工程工業(yè)化制造管理方法，巧妙地把20 m水深、30～40 m厚的軟土水下處理的缺點(diǎn)，變成了易插入、不透水、干環(huán)境施工的優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)了鋼圓筒八錘聯(lián)動同步液壓振沉及止水副格系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)深插大直徑鋼圓筒快速筑島創(chuàng)新技術(shù)提供了關(guān)鍵支撐。振沉系統(tǒng)選用了8臺APE600型液壓振動錘聯(lián)動方案，雙向齒輪箱多級傳遞實(shí)現(xiàn)機(jī)械同步，理論激振力達(dá)38 640 kN，將直徑22 m，高40～50 m的鋼圓筒插入海床[6]。

鋼圓筒采用工廠制造，10萬t遠(yuǎn)洋船整體運(yùn)輸，每天可以振沉2～3個，鋼圓筒內(nèi)快速回填砂，形成穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，同時人工島密封鋼圓筒圍堰使得人工島內(nèi)的軟土大超載比降水預(yù)壓得以實(shí)行，加固效果好、速度快，可滿足快速施工的需要[7]，如圖3所示。

圖3 大超載比降水預(yù)壓示意圖Fig.3 Schematic diagram of precipitation preloading with large overload ratio

打設(shè)完成的鋼圓筒同時兼作深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，為海上大型深基坑干作業(yè)施工創(chuàng)造了極好的條件，也為海上巨型深基坑施工提供了全新方案。采用鋼圓筒快速成島方案以后，海上成島時間從3 a縮短到7個月，大幅減少海上作業(yè)的時間，創(chuàng)造了海上人工島作業(yè)陸地化、標(biāo)準(zhǔn)化的工程管理新方法。

3.3 創(chuàng)新智能建造管理方法實(shí)現(xiàn)工程風(fēng)險最小化

針對港珠澳大橋工程區(qū)域復(fù)雜的氣象、海洋環(huán)境，島隧項(xiàng)目創(chuàng)新外海沉管隧道智能建造管理方法，采用現(xiàn)場觀測、理論研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)等方法，開發(fā)了沉管安裝氣象水文保障、深槽內(nèi)海流規(guī)律分析、精細(xì)化深槽沉管對接窗口保障、沉管運(yùn)動姿態(tài)實(shí)時監(jiān)測、外海深槽沉管對接過程受力分析及動力響應(yīng)數(shù)值分析等系統(tǒng)。為工程建設(shè)構(gòu)建了小區(qū)域、高精度、長周期工程氣象環(huán)境保障平臺，首次實(shí)現(xiàn)了外海工程環(huán)境的精細(xì)化預(yù)報[8]；研發(fā)了沉管智能安裝系統(tǒng)，由14個子系統(tǒng)構(gòu)成，其中6個子系統(tǒng)構(gòu)成了保障系統(tǒng)，8個子系統(tǒng)構(gòu)成了沉管無人水下作業(yè)的安裝系統(tǒng)[9]，如圖4所示。

圖4 沉管安裝智能系統(tǒng)Fig.4 Intelligent system for immersed tube installation

智能安裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水下作業(yè)的無人化，提升了施工作業(yè)能力，變力所不能及為力所能及，不僅改變了海上施工主動權(quán)，保障了33節(jié)沉管安裝，工程安全度過38次臺風(fēng)，而且實(shí)現(xiàn)了沉管水下無人操作精準(zhǔn)對接、50 m水深沉管基床“3D”打印和無擾動清淤等一系列世界工程難題的首次突破[10]。

海底隧道智能建造管理思想是將“人”“機(jī)”合一，各顯其能，相輔相成，實(shí)現(xiàn)能力躍升，如圖5所示。最終達(dá)到了施工過程中所有的狀態(tài)信息都能實(shí)時獲取和快速響應(yīng)，所有的決策都恰當(dāng)且及時，所有的生產(chǎn)過程都更加安全、環(huán)保、可控，同時規(guī)避了眾多人力無法預(yù)料的工程風(fēng)險。

圖5 人機(jī)結(jié)合智能化管理路徑Fig.5 Intelligent management path of human-computer cooperation

4 結(jié)語

當(dāng)今工程環(huán)境下，工程技術(shù)發(fā)展速度越來越快，周期越來越短，大型工程通常是勘察、設(shè)計、裝備研發(fā)、科研、施工同步協(xié)同推進(jìn)，以獲得更優(yōu)化、高效的工程方案，而這一過程充分驗(yàn)證了工程管理到工程技術(shù)循環(huán)提升的發(fā)展規(guī)律。未來可以為工程設(shè)定積極的發(fā)展性的目標(biāo)，大膽地嘗試創(chuàng)新工程管理方法，這必將促進(jìn)工程技術(shù)突破，推動工程多維度進(jìn)步，帶動綜合性產(chǎn)業(yè)升級。