【新時代新作為新篇章】港珠澳大橋“同濟元素”彰顯上海科創硬實力

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  10月24日,經過近8年的建設,全長55公裡、被稱為“工程界的珠峰”的港珠澳大橋將迎來正式通車的歷史性時刻。如一道彩虹橫跨伶仃洋——它是當今世界最長的跨海通道,連接香港大嶼山、澳門半島和廣東省珠海市。主體工程“海中橋隧”長超過35公裡,海底隧道長約6.75公裡,橋梁長約22.9公裡。尋常人不知道的是,在這座大橋技術最難的節點人工島及隧道部分,處處體現瞭“同濟元素”。同濟大學原常務副校長李永盛介紹,“同濟啃的都是‘硬骨頭’。”彰顯瞭上海科創硬實力。

  人工島築成,同濟帶來核心技術

  因為香港機場的標高及伶仃洋主航道要求的限制,港珠澳大橋必須采用隧橋模式,隧橋轉換就得在汪洋大海中建設人工島。構建人工島用什麼方式穩妥?傳統的方式是海中選址圍堰,拋石成堤,然後抽幹堰內積水,築建成島,但這樣會對附近水域的白海豚造成危害,且影響這條繁忙水道的航行,工期漫長;還有一種方式,先打樁,用擠密砂樁圈起圍堰,抽幹水然後再築島。同濟學者馬險峰在“外海厚軟基橋隧轉換人工島設計與施工關鍵技術”課題解決瞭擠密砂樁築島的難題。

  何謂擠密砂樁?就是利用振動錘將套管振動打入至規定土深,向套管內投入砂子,通過套管的反復起拔和下壓並施以振動,使砂子經振壓而密實,形成砂樁。可這項技術的難點在於,鋼筒打入淤泥並深入至20餘米後其圍合的地基如何加固,再者就是如何解決異常軟弱的海底地基的穩定和沉降問題。“我們的主要研究任務是要得出擠密砂樁復合地基在加載之後的砂樁荷載與位移變化關系、樁土應力分配以及砂樁周圍孔隙水壓力的變化規律,以確定影響擠密砂樁復合地基承載力和變形的關鍵因素”,馬險峰介紹。

  馬險峰團隊沒有讓建設者失望,他們的實驗結果都在工程中得到瞭應用,成為設計與施工的重要參考數據。同濟團隊帶來的數據讓讓工程設計與施工吃瞭定心丸。隨後,一根根由振華制造的直徑22米、高40.5米的鋼筒,打入瞭海底,最終圍成瞭東西兩個人工島。“如果使用常規技術,建這樣的兩個人工島起碼要一年半,采用圓鋼筒成島,東西人工島成島僅用瞭7個月”,馬險峰驕傲地說。

  隧道抗震,同濟為其把脈

  去年5月,港珠澳大橋隧道最後一節沉管——12米的連接管成功安放,標志著大橋建設中難度最高的隧道工程難題被征服。

  隧道工程難題無數,每節8萬噸的沉管如何舾裝浮運,萬一沉管沒接好怎麼辦?如此長大的沉管在海底萬一遇上地震又該如何?諸多難題擺進瞭同濟的實驗室,均被一一攻克。

  “超長沉管隧道在地震條件下安全性的試驗研究,日本、歐美等國都開展過,但像港珠澳大橋這樣長度的海底隧道的地震反應,尚未見到研究成果。”同濟土木學院地下系教授袁勇組成一支團隊,擔下重任。“地震發生時,其沖擊波可能是縱向的,可能是橫向的,也可能是縱橫混合的。對物體的沖擊力可能是擠壓、抬升、扭曲,也可能是多點、多類型受力狀態”,袁勇說,在平均水深超過40米、深厚淤泥上的隧道要想在8度設防烈度地震的極端狀態下不發生扭曲變形,就得有可靠的試驗和精準的計算。

  沉管隧道土——結構動力相互作用快速實用計算方法研究、多點非一致地震激勵下超長沉管隧道地震響應快速分析方法、沉管隧道減震控制技術、沉管隧道振動臺試驗模擬技術……千百次的實驗,一項項技術難關被攻克,最終,袁勇團隊拿出瞭“海外厚軟基大回淤超長沉管隧道設計與施工關鍵技術”。

  深不見底的伶仃洋,巨大的沉管萬一下去瞭,這節跟那節不合接不上怎麼辦,接上瞭但漏水呢,剛接上好好的過些日子因為沉降又歪瞭呢?同濟土木學院丁文其教授團隊研發港珠澳大橋沉管隧道接頭張開位移量控制技術,可保證沉管對接嚴絲合縫、萬無一失。

  丁文其介紹,沉管隧道安裝涉及到的問題包括地基不均勻沉降、大回淤、高水壓、沉船、車輛荷載、潮水變化、地震、溫度作用、混凝土收縮徐變等,都會影響到沉管隧道接頭處的狀況;還有結構受力、防水要求、止水帶選型和施工對管節接頭和節段接頭的影響。2011年5月港珠澳大橋沉管隧道建設之初,丁文其團隊承擔的“沉管隧道接頭張開位移量控制技術研究”也緊張開展起來。兩年多的時間裡,丁文其多次前往施工現場,通過理論分析和數值模擬,計算瞭數百種組合工況下節段式沉管隧道的接頭張開位移量,確定瞭管節與節段變形特性與張開量控制指標。

  三個大跨度通航孔橋抗風沒有問題

  2009年開建的港珠澳大橋,橋梁部分很長,由於技術成熟,且采用工廠化預制海上安裝的工法,工程進展神速。但是,海況復雜的茫茫伶仃洋上,主航道橋梁抗風是個問題。

  港珠澳大橋有三個大跨度通航孔橋,包括青州航道橋(主跨458米雙塔空間索面鋼箱梁斜拉橋)、江海直達船航道橋(主跨2×258 米三塔中央索面鋼箱梁斜拉橋)和九洲航道橋(主跨268米雙塔中央索面鋼箱梁斜拉橋)。它們在風高浪急的伶仃洋上是否能淡定從容,穩穩地把港珠澳三地通行的使命扛在肩上?

  同濟人拿出瞭方案。以青州航道橋為例,采用主梁小、大比例節段模型測振風洞試驗、主梁、橋塔節段模型測力風洞試驗、橋塔自立狀態氣彈模型、全橋氣彈模型風洞試驗的方法進行其抗風研究。橋塔試驗表明,即使在風速65米/秒的風中橋塔也未出現自激和發散性的馳振現象。試驗建議青州航道橋斜拉索采用加螺旋肋條的斜拉索,並增加拉索附加阻尼的方法抑制風雨激振。同濟還建議,通過合理設計的橋塔區域局部風障,改善橋塔附近的風環境,提高全橋的行車安全標準風速。今年9月,被稱為史上最強臺風“山竹”正面襲擊珠三角,香港、澳門、深圳、珠海全線告急,而大橋則經歷巨風考驗,安然無恙。

  工程圖復核,同濟把的是技術總關口

  去年3月,同濟土木學院教授徐偉收到一則短信:“隨著最後一節沉管順利安放到位,同濟大學承擔的港珠澳大橋島隧結構施工圖復核及相關的科研任務即將順利完成。”

  何謂島隧結構設計復核?由於港珠澳大橋的沉管隧道深埋外海海底,其長度和埋置深度達到世界上目前最長、最深的規模,為瞭確保這項國傢重點工程的順利實施,施工部門委托同濟大學承擔其設計文件的復核、審查,並完成相應的關鍵技術科研任務。徐偉團隊承擔瞭這項科研任務,同濟的兩位院士孫鈞和葉可明擔任瞭這項科研任務的指導工作。

  為何委托同濟?原來,巨大沉管的深水安裝是一道難題,荷蘭一傢世界著名隧道沉管公司曾同意派出26個專傢提供技術咨詢,咨詢費開價1.5億歐元,當時相當於15億元人民幣。當時,這傢荷蘭公司表示,衷心地祝福中國人能夠自己研發這套系統。但是,“如果一旦不成功,再找我們時就不是這個價錢瞭。”中方決定爭一口氣,找自己的專傢解決,最終任務落到瞭同濟身上。於是,2012年開始,往返於工地、會議室就成為同濟專傢的常態,參加施工方案技術審查、研討,孫鈞、葉可明都已耄耋古稀,但提出意見和技術方案,條條精湛、絲絲入扣;團隊成員對包括修改細則等等,知無不言,言無不盡,對世界級工程負責是大傢扛在肩上的光榮責任,徐偉介紹。

  沉管安放,最後一節最難。難在哪?徐偉為記者畫瞭一張圖,說海底隧道呈坡度較緩的弧形,就像一張弓的弓背,全長5664米的港珠澳大橋海底隧道由33節巨型管節對接安裝而成,包括28節直線段管節和5節曲線段管節,從東西人工島兩端相對安裝。其中第29節已經安裝,臥在海底,第30節(按照計劃的安放序列,倒數第二節為29節,最後一節為30節)管節長171米,整體呈梯形,位於海底隧道合龍口的東側,與第31節安裝合龍,是保證港珠澳大橋海底隧道全線成功安裝的最後一道關口,該管節的安裝施工作業空間最小,龍口水流最急,對接位置的精度要求最高。該管節的順利沉放安裝施工完成,奠定瞭港珠澳沉管隧道施工成功的基礎。中交港珠澳大橋島隧工程項目總經理林鳴告訴媒體:“整個沉管隧道的施工安裝過程,就是彰顯國力的過程,我們運用瞭很多大國重器裝備,集成瞭很多跨行業跨領域的技術,應該為我們的同事點贊,更應該為我們的國傢點贊。”大橋隧道建設中,同濟孫鈞院士等四次趕赴港珠澳大橋指揮部“望聞問切”,知無不言。“每次看到同濟大學的老院士們坐在那裡,我的心裡就定定的,”林鳴說。

  本報記者 張炯強