10月23日上午，被稱為“現(xiàn)代世界新七大奇跡”之一的港珠澳大橋開通儀式在廣東珠海舉行。10月24日上午將正式通車運(yùn)營。大橋全長55公里，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(jì)錄，涵蓋了當(dāng)今世界島隧橋多項(xiàng)尖端科技，是當(dāng)今世界最具挑戰(zhàn)性的工程之一。
港珠澳大橋從設(shè)計(jì)到建設(shè)前后歷時(shí)14年，這背后有著什么樣的科技支撐呢？
世界最長的海底沉管隧道
天上有飛機(jī)，海上有輪船，夾在中間的港珠澳大橋如何才不會(huì)影響鄰近香港國際機(jī)場(chǎng)航線的飛行安全，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(jì)團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)極富創(chuàng)造力的方案：建造東西兩個(gè)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(gè)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實(shí)現(xiàn)對(duì)接？這就需要浮運(yùn)安裝。所謂浮運(yùn)安裝，即是用拖船將沉管拖運(yùn)到橋位附近，再用絞錨方式進(jìn)行橫、縱移沉管至安裝位置并進(jìn)行沉放安裝。為保證浮運(yùn)安裝成功完成，華南理工大學(xué)的趙成璧副教授團(tuán)隊(duì)采用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)隧道沉管管段浮運(yùn)、系泊與沉放等水上施工的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究。這一研究，還真發(fā)現(xiàn)問題。
“實(shí)驗(yàn)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(duì)管段的作用所引起的問題比較容易解決，但若遇橫流的作用，管段一放進(jìn)海里，就會(huì)產(chǎn)生橫傾與下沉，并容易觸碰到海底，極其不安全。”團(tuán)隊(duì)成員王冬姣副教授說。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)的可靠性，團(tuán)隊(duì)一遍遍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與計(jì)算。最終為港珠澳大橋的浮運(yùn)與沉放施工方案提供重要的技術(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)“面子”工程，它提供車輛行駛的舒適安全。“我們摒棄了價(jià)格高昂的進(jìn)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(shí)間才能完成鋪裝工程。”他們創(chuàng)新性地提出GMA施工方案，將施工效率提高10倍，半年內(nèi)完成工程。并建成國內(nèi)外首個(gè)能夠滿足力學(xué)相似的橋梁截?cái)嘧愠吣Ｐ汀?/p>
打破了國內(nèi)大橋“百年慣例”
除了是世界最長的大橋，港珠澳大橋的設(shè)計(jì)使用壽命長達(dá)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(duì)港珠澳大橋設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出極大的挑戰(zhàn)。“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。”中國科學(xué)院金屬研究所耐久性防護(hù)與工程化課題組負(fù)責(zé)人李京研究員告訴記者，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，由鞍鋼集團(tuán)生產(chǎn)。
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)。
“搭積木”拼裝出大橋
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(shí)再組裝起來，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公分以內(nèi)，每個(gè)焊縫不能超過2公分，難度非常大。”伶仃洋上多臺(tái)風(fēng)，為了趕在臺(tái)風(fēng)來臨前完成施工期，華南理工大學(xué)王榮輝教授團(tuán)隊(duì)在國內(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年就已開始。通過現(xiàn)場(chǎng)波浪觀測(cè)和分析計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)潮汐潮流長期預(yù)報(bào)、臺(tái)風(fēng)等極端個(gè)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(cè)出包括“黑格爾”在內(nèi)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)。”
人工島的防風(fēng)設(shè)計(jì)，應(yīng)該采用什么形狀才更能扛強(qiáng)臺(tái)風(fēng)呢？團(tuán)隊(duì)通過對(duì)1949年以來所有臺(tái)風(fēng)進(jìn)行反偵，統(tǒng)計(jì)出“50年一遇”“100年一遇”的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)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符其實(shí)的“超級(jí)工程”。（記者 葉 青 郝曉明 通訊員 華 軒）
