,設(shè)計(jì)隧道時(shí)都要確保水密性
。但是
,建造幾公里長而且保證100%水密性的隧道又是另外一回事
。在許多國家,隧道所有者和設(shè)計(jì)師都明白建造100%水密的隧道意味著什么樣的挑戰(zhàn)
?div id="4qifd00" class="flower right">
!?漢斯·德威特(Hans de Wit)對記者說
。這位資深沉管隧道專家是荷蘭隧道工程咨詢公司(Tunnel Engineering Consultants,TEC)的運(yùn)營總監(jiān)
,也是國際隧道協(xié)會國際沉管隧道工作小組成員
。
“在全球范圍,基于無數(shù)的案例研究表明
,在隧道中出現(xiàn)一些漏水是很常見的
。”荷蘭特瑞堡集團(tuán)(Trelleborg AB
,TEP) 工程產(chǎn)品商業(yè)開發(fā)和市場部經(jīng)理路德·波柯特(Ruud Bokhout)對記者說
。
一位歐洲著名島隧專家依據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出一個(gè)數(shù)值:全世界的節(jié)段式沉管漏水率平均值為10%左右。也就是說
,10個(gè)接頭中有一個(gè)漏水
。這位專家認(rèn)為,目前尚沒有沉管隧道100%不漏水的紀(jì)錄
。
而港珠澳大橋隧道共要制造安裝33節(jié)沉管
,幾百道工序不僅環(huán)環(huán)相扣,還要重復(fù)千百遍
,只要一個(gè)環(huán)節(jié)出問題
,漏水將不可避免。
創(chuàng)新:從防止過度沉降開始
事實(shí)上
,截至7月12日
,港珠澳大橋已經(jīng)完成27節(jié)沉管的安裝,建成隧道總長度為4702.5米
,是總長度的80%以上
。以每節(jié)沉管有8個(gè)接頭計(jì)算,27節(jié)沉管約有216個(gè)接頭
,如果按照10%漏水平均值
,一二十個(gè)接頭漏水在正常值范圍。
然而
,這一切并沒有發(fā)生
。
打破沉管隧道漏水的“常規(guī)”,從工程開始就成為**工程師的信念
。
“沉管隧道為什么漏水
?無論是哪個(gè)環(huán)節(jié)都是基礎(chǔ)出了問題?div id="d48novz" class="flower left">
!睄u隧工程總指揮林鳴說
。“舉個(gè)例子,港珠澳大橋的地質(zhì)環(huán)境是厚軟土地基
,所以沉管基礎(chǔ)剛度協(xié)調(diào)及不均勻沉降控制非常困難
。合同規(guī)定港珠澳大橋沉降標(biāo)準(zhǔn)是20公分,而國外同類標(biāo)準(zhǔn)是30公分以上
?div id="d48novz" class="flower left">
!?p>
為了實(shí)現(xiàn)沉降標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo),**工程師在如何使軟土層變硬上做文章
,進(jìn)行了多項(xiàng)有價(jià)值的創(chuàng)新
,用技術(shù)突破打破隧道漏水的玻璃窗。他們在40多米深的水下為沉管基床底部鋪上2到3米的塊石并夯平
,創(chuàng)造一種新的復(fù)合地基
,使沉管的沉降值大大縮小,平均值在5公分左右
;他們的沉管預(yù)制水準(zhǔn)被國際同行評價(jià)“絕對是世界一流的”
。
**的工程人員完美的回答了一個(gè)問題,但這僅僅是開端
。
漢斯·德威將定義港珠澳大橋島隧組合工程是“全球**具挑戰(zhàn)的跨海項(xiàng)目
,其中島隧工程是迄今為止**為復(fù)雜的一項(xiàng)工程”。
他列舉島隧工程面對的諸多挑戰(zhàn):比如
,“海底隧道長度——它是當(dāng)今世界**長的公路隧道
;隧道沉管管節(jié)的制作——每個(gè)沉管大約重75000噸,是當(dāng)今世界之**
;要在規(guī)定時(shí)間和**深水下50米的海況條件下完成沉管的連續(xù)安裝
,并達(dá)到苛刻要求的安裝精度!局部施工區(qū)域?qū)儆跇O為松軟而且類型多樣的土質(zhì)
,深埋隧道管節(jié)要承受20米深的覆土荷載
!還有隧道極大的管節(jié)單幅跨度,等等
。這些都使得港珠澳大橋島隧工程比其它要難得多”
。
雖然上述諸多挑戰(zhàn)前所未遇,但比設(shè)計(jì)施工更嚴(yán)峻的是**工程師在此前沒有外海深水隧道工程設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)
,甚至只極個(gè)別人見過橋島隧組合工程
。
這些注定了前方的困難重重。
重大挫折:**次返航
2015年12月22日
,E24沉管水下對接
,記者跟隨海底隧道沉管浮運(yùn)安裝船隊(duì)出海。島隧工程設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人梁桁
、副總工程師劉亞平和第Ⅴ工區(qū)常務(wù)副經(jīng)理宿發(fā)強(qiáng)
,為記者講述了E15管節(jié)沉管沉放“三次回拖兩次安裝”的故事
。
2014年11月15日是E15節(jié)沉管沉放的“窗口期”。出發(fā)前的2014年13
、14日,粱桁和劉亞平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用多波探測器對沉管基床進(jìn)行三維掃測
,13日壟溝輪廓清晰
,而2014年14日再次掃測時(shí)發(fā)現(xiàn)壟溝出現(xiàn)了3-4公分浮泥。而此時(shí)
,E15沉管已經(jīng)被拖出桂山島塢區(qū)
,原定浮運(yùn)日期在2014年15日晚上出發(fā),箭在弦上
,發(fā)還是不發(fā)
?
此時(shí),前方潛水員傳來信息:較早之前的浮泥密度正在減校檢測結(jié)果顯示
,泥的密度已經(jīng)從之前的每克1.3-1.4立方厘米減少到每克1.26立方厘米
。項(xiàng)目部集體作出決策:出發(fā)!
“浮運(yùn)過程中人們還是忐忑不安
。到現(xiàn)場將要沉放前
,林總要求潛水員再次潛水作業(yè),這在之前是從來沒有過的
。潛水員帶來的壞消息:經(jīng)過短短的八九個(gè)小時(shí)
,基槽泥沙又增多了?div id="d48novz" class="flower left">
!绷鸿煺f
。
現(xiàn)在,面臨兩個(gè)選擇:是安裝
,還是返航
?
總指揮林鳴比任何人更清楚返航意味著什么:基床回淤后要挖掉重新鋪設(shè),直接發(fā)生的費(fèi)用以千萬元計(jì)
;沉管回拖一次也要幾千萬
,加上海事部門配合浮運(yùn)的近20條護(hù)航船以及拖輪的費(fèi)用,都將對工程產(chǎn)生巨大財(cái)務(wù)壓力
。
在監(jiān)控室參與決策會的人都經(jīng)歷了漫長
、糾結(jié)且痛苦的過程。有一種意見認(rèn)為不妨嘗試安裝
,“幾百人干了一個(gè)多月
,花了如此大的成本,總要試一試”
;也有人以國外同類工程舉例證明
,沉管對接精度即使放寬到8 厘米問題也不大
,4 厘米的回淤,不會給隧道安裝質(zhì)量帶來根本性的影響
。
然而
,對林鳴來說,財(cái)務(wù)壓力與工程的責(zé)任不能相提并論:如果對接出現(xiàn)誤差
,8萬噸的沉管一旦沉到海底
,目前世界上沒有任何一臺設(shè)備可以把沉管提起來。隧道漏水是一定的
,更嚴(yán)重的問題是必將影響航道的航運(yùn)
,珠江口是****繁忙航運(yùn)水域,每天船舶流量達(dá)5000艘次
。
“基礎(chǔ)不牢
,地動山搖!如果繼續(xù)安裝
,沉管基礎(chǔ)存在著極大的不確定性
。這是一條生命線,絕不能拿大橋質(zhì)量和沉管安全作賭注
。中止安裝
,沉管回航!” 林鳴和他的團(tuán)隊(duì)**后作出決策
。
2014年17日18時(shí)
,E15沉管正式回撤。將已經(jīng)出塢的巨型沉管重新拖回塢中
,他們在作業(yè)海區(qū)頂著五六級大風(fēng)以及超過1米高的海浪條件下返航
。約7海里的航程,回航編隊(duì)小心翼翼地走了24小時(shí)的海上航行
,E15沉管毫發(fā)無損地拖回沉管預(yù)制廠深塢
。這在世界建筑史上并沒有先例。
分析與解決問題:停止采砂
沉管被拖回塢后
,**工程師們并沒有把失敗歸因于運(yùn)氣不好
,而是立即組織,對失敗進(jìn)行認(rèn)定和分析
。
總指揮林鳴提出問題:為什么之前所裝的14個(gè)沉管沒有發(fā)生突然回淤
?導(dǎo)致E15突然回淤的原因是什么?為了尋找問題所在
,他們迅速集結(jié)國內(nèi)對珠江口水情長期跟蹤研究的知名泥沙專家到珠海
,包括交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院、交通運(yùn)輸部及水利部南京水利科學(xué)研究院
、中山大學(xué)和中交四航院
。
中交四航院副總工程師梁桁是港珠澳大橋島隧工程沉管基礎(chǔ)監(jiān)控的負(fù)責(zé)人
,他對記者說:“我記得特別清楚,**次開會時(shí)
,我國著名的泥沙專家
、78歲的王汝凱大師說,我們不是來這里做科研的
,而是要用大會戰(zhàn)的方式解決工程遇到的問題”
。
之后,“隧道基槽泥沙回淤專題攻關(guān)組”成立
。
他們采用衛(wèi)星遙感測量、多波束掃描與水體含砂量測定儀
。實(shí)測數(shù)據(jù)有三個(gè)重要發(fā)現(xiàn):**
,這片海區(qū)的水體含砂量異常,從原平均值每立方米0.1公斤含砂量上升到0.5-0.6公斤每立方米
;第二
,海床表面物質(zhì)發(fā)生了粗化現(xiàn)象,原因不明
;第三
,項(xiàng)目所在的伶仃洋部分水域呈微淤態(tài)勢。
衛(wèi)星遙感信息進(jìn)一步證實(shí)
,隧道基槽以北17-18公里范圍海域有大面積渾水分布
。當(dāng)工程師們到達(dá)這個(gè)區(qū)域時(shí)看到,有70-80條采砂船正在作業(yè)
,珠江海域往日清澈的水面變得與黃河水一樣
,水面含砂量為1.58公斤每立方,而之前只是0.02-0.05公斤每立方
。
隨著國家提高對工程質(zhì)量要求的標(biāo)準(zhǔn)
,減少砂的含泥量首當(dāng)其沖,這些采砂船直接在現(xiàn)場邊采邊洗
,事實(shí)上形成上游有一群人在不斷地?cái)嚭秃K?div id="m50uktp" class="box-center"> ,使泥沙翻卷向下游襲來。正是采砂船向南移動了15-16公里
,而之前則在更北的30-40公里處采砂
,直接改變了珠江口局部水域豐水少砂的規(guī)律。
在這個(gè)區(qū)域作業(yè)的采砂船都是持有政府批準(zhǔn)的合法文件
。面對港珠澳大橋這個(gè)國家工程
,廣東省政府全力協(xié)調(diào)各方利益關(guān)系,果斷決定:一定要確保國家重點(diǎn)工程——港珠澳大橋順利施工
,立即停止采砂
,停止采砂時(shí)限從2015年2月11日到5月1日
。
第二次失敗的“出征”
2015年2月24日大年初四,E15再次出征
,距離**次拖回沉管過去了4個(gè)多月
。之前收集的所有信息反饋未發(fā)生異常,當(dāng)船隊(duì)即將到達(dá)施工區(qū)時(shí)
,前方傳來消息:E15沉管碎石基床尾部突然發(fā)現(xiàn)2000平方米的淤積物
。“整個(gè)沉管管節(jié)長180米寬38米
,總面積為8000平米
,2000多平米約占14!且泥沙厚度有八九十厘米
。當(dāng)看到潛水員從基槽撈出滿滿一箱泥巴樣本
,所有人驚呆了。泥沙從何而來
?”梁桁對記者說
。
分析認(rèn)為,當(dāng)**次出現(xiàn)回淤后
,施工人員清理了基床槽底的淤泥
,而基槽邊坡上面覆蓋了一層薄薄回淤物,當(dāng)回淤物受到外力擾動后發(fā)生了雪崩般的“塌方”
?div id="4qifd00" class="flower right">
!拔覀冊瓉淼恼J(rèn)識不足,加上世界沉管隧道目前沒有邊坡清淤的先例
,對風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)知總是一個(gè)不斷總結(jié)和積累的過程
。”梁桁說
。
王汝凱對記者說:“港珠澳大橋是目前世界**深埋大回淤節(jié)段式沉管工程
,單節(jié)沉管重約7.4萬噸,**大沉放水深44米
,是目前世界上綜合難度**大的沉管隧道
。沉管對基床的平整度要求非常嚴(yán)格,為了保證工程質(zhì)量
,設(shè)計(jì)要求泥沙淤積量不能超過4厘米
。遇到這樣大面積的泥沙回淤,只能返航
?div id="m50uktp" class="box-center"> !?p>
E15節(jié)沉管的第二次出航,走到的三分之二的路程時(shí)只能再次拖回
。指揮船上霎時(shí)氣氛凝重
,一些人按捺不住情緒當(dāng)眾留下了熱淚
。
“當(dāng)時(shí)心情特別激動,忍不住地掉眼淚”
,山東大漢宿發(fā)強(qiáng)
,港珠澳島遂工程第Ⅴ工區(qū)常務(wù)副經(jīng)理說?div id="m50uktp" class="box-center"> !?*次出航非常艱難
,200多人的團(tuán)隊(duì)連續(xù)72個(gè)小時(shí)不睡覺,巨大的壓力已經(jīng)接近人的承受極限
。這個(gè)工程從開工到現(xiàn)在
,我們連續(xù)多少個(gè)春節(jié)在這里,500多人從大年三十等到初七的時(shí)間窗口
,沒有想到又出現(xiàn)塌方返航
,心不甘呀!”
,他形容這是“人類無力抗拒自然的痛苦”
。
失敗的潛在收益
這兩次問題的出現(xiàn)
,為工程提出新的要求。
其中的關(guān)鍵是:建立一套回淤預(yù)警預(yù)測系統(tǒng),為后續(xù)沉管安裝提供保障
。以泥沙回淤預(yù)報(bào)為例,之前沉管安裝有海浪、天氣等氣象窗口的預(yù)報(bào),E15遭遇的泥沙回淤,使沉管安裝增加了泥沙回淤預(yù)報(bào)?div id="4qifd00" class="flower right">
!澳嗌愁A(yù)報(bào)是非常難的事情
,因?yàn)槟嗌愁A(yù)報(bào)受人為因素干擾大,既不可控也沒有規(guī)律性
,其難度并不亞于氣象窗口預(yù)報(bào)
。港珠澳大橋項(xiàng)目在泥沙預(yù)報(bào)上實(shí)現(xiàn)了三大突破:
“**,從宏觀到微觀
。原來做泥沙回淤研究只限于宏觀層面
,比如大江大河或者一個(gè)海域,**小的航道回淤也都是長幾十公里
,很少具體到某個(gè)點(diǎn)的微觀研究
,實(shí)現(xiàn)了從幾十平方公里的宏觀預(yù)報(bào)收縮到沉管基槽8000平米的微觀預(yù)報(bào);第二
,從長期到短期
。以往做泥沙回淤的研究是以世紀(jì)
、百年或者幾十年計(jì),而現(xiàn)在縮短到十天周期的預(yù)報(bào)
,也就說
,從沉管基床鋪設(shè)到安裝,為工程決策提供泥沙回淤的準(zhǔn)確信息
;第三
,泥沙回淤預(yù)報(bào)的微量化。以前做泥沙回淤預(yù)報(bào)的量級是以米計(jì)量
,通常是1-2米
,**小也是以50厘米量級計(jì)算。而沉管工程要求以10厘米
、4厘米計(jì)算
。我們做到了?div id="d48novz" class="flower left">
!绷鸿旖榻B說
。
正是兩次沉管安裝的意外失敗,才孕育出泥沙回淤預(yù)報(bào)的創(chuàng)新
,正是這種“意外”給創(chuàng)新提供了機(jī)遇
。這類創(chuàng)新既解決了工程**為迫切的需求,也完美地展示了創(chuàng)新的意義
。在創(chuàng)新手段的護(hù)航下
,2015年3月24日,浮運(yùn)船隊(duì)攜E15沉管第三次踏浪出海
,經(jīng)過數(shù)輪觀測
、調(diào)整后,E15沉管在40多米深的海底與E14沉管精準(zhǔn)對接
。
創(chuàng)新與創(chuàng)造世界紀(jì)錄
出現(xiàn)意外無疑是痛苦的
,但也是**新的機(jī)會。
E15節(jié)沉管“三次回拖兩次安裝”事件
,使林鳴有個(gè)強(qiáng)烈的愿望,如果有一臺高精度清淤設(shè)備就好了,“既能把50米海底基床上的淤泥清理干凈,而且還不會讓基床上的一顆石子移動”。
然而,自有記錄以來
,全世界沒有任何一項(xiàng)工程在碎石層面上清淤。
王學(xué)軍是上海振華重工集團(tuán)海工機(jī)械研究所副所長,因主持設(shè)計(jì)港珠澳大橋島隧工程的拋石整平船等關(guān)鍵設(shè)備,獲**交建科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)和建設(shè)功臣稱號
。他回憶,“當(dāng)我就此事**次到珠海見林總時(shí),他首先提出能否在整平船上加裝一套清淤裝置的設(shè)想。為了完善這套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
,之后我們多次交流思想,因?yàn)樽龉こ痰娜瞬?*明白他們想要的是什么東西
,而上海振華則是通過裝備研發(fā)的實(shí)力
,把他們的想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)?div id="jfovm50" class="index-wrap">!?p>
“從設(shè)計(jì)角度講
,這個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)高精度清淤,而把清淤設(shè)備嫁接到整平船是個(gè)好主意
?div id="jfovm50" class="index-wrap">!蓖鯇W(xué)軍認(rèn)為,“整船可以實(shí)現(xiàn)碎石整平的精度
,如果在清淤頭部加裝兩個(gè)水泵
,道理上可以完成精度清淤。只不過一個(gè)是拋石
,一個(gè)是清淤
。”
為此
,上海振華迅即成立有200多人參與的“零號工程”項(xiàng)目組
,從方案設(shè)計(jì)到物資采購
,再到設(shè)備制造
,一路暢行在綠色通道上。從林鳴開始提出想法到**后成功研制深水高精度清淤設(shè)備
,只用了4個(gè)月
。這是在一個(gè)原有的集合技術(shù)中加入新元素的成功范例。
高精度清淤設(shè)備的效果是顯著的
。
2015年11月4日E22沉管安裝前
,現(xiàn)場泥沙監(jiān)測數(shù)據(jù)和多波束掃測數(shù)據(jù)顯示,基床泥沙回淤量顯著增加
。高精度清淤設(shè)備一經(jīng)使用便初展神威
,它完美得令人驚嘆。清淤完成后
,碎石表面不僅干凈且紋絲未動
。
“精確清淤裝置**大的意義在于保證了當(dāng)月安裝兩節(jié)沉管,這在之前是從來沒有過的?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">!蓖鯇W(xué)軍說
。
2015年12月21日清晨6時(shí)30分,隨著港珠澳大橋第24節(jié)沉管在海底精準(zhǔn)對接
,中交島隧建設(shè)者在遭受臺風(fēng)
、基槽回淤、珠江口大徑流以及冬季寒潮大風(fēng)等惡劣條件的影響下
,創(chuàng)造了一年完成十節(jié)沉管安裝的世界紀(jì)錄
。而已經(jīng)建成的韓國巨濟(jì)大橋的18節(jié)沉管歷經(jīng)三年,平均每年安裝6個(gè)
。
創(chuàng)新沉管結(jié)構(gòu):半剛性
問題仍然層出不窮
,港珠澳大橋的工程人員的創(chuàng)新也在繼續(xù)。
港珠澳大橋海底隧道沉管部分總長5.6公里
,由33節(jié)沉管相互聯(lián)結(jié)而成
。自1928年人類工程史上修建**條鋼筋混凝土沉管隧道以來,沉管制作的工具箱里只有剛性和柔性兩種方法
。
港珠澳大橋島隧工程總設(shè)計(jì)師劉曉東用積木給出通俗易懂的比喻:“剛性結(jié)構(gòu)好比一塊長條積木
,而柔性結(jié)構(gòu)好比樂高小塊積木拼接的積木條。剛性緣于是整體結(jié)構(gòu)
,使接頭漏水的概率減小
,但如果基底出現(xiàn)沉降,大體量沉管受力不均勻出問題的概率也隨之增大
。而柔性結(jié)構(gòu)是用小管節(jié)串成一個(gè)大管節(jié)
,比剛性結(jié)構(gòu)應(yīng)對沉降有明顯優(yōu)勢。無論是選擇哪種結(jié)構(gòu)
,**終目的是為應(yīng)對地基發(fā)生不均勻沉降時(shí)
,**大程度減少對海底隧道的影響?div id="jfovm50" class="index-wrap">!?p>
在大橋前期設(shè)計(jì)階段
,國際知名島隧咨詢公司的專家們比較兩種結(jié)構(gòu),認(rèn)為無論哪種方案對港珠澳大橋隧道都存在一定的問題
。
現(xiàn)有工程記錄顯示
,剛?cè)醿煞N結(jié)構(gòu)體系沉管隧道都是淺埋隧道,沉管回填及覆土厚度約在2米
;而港珠澳大橋隧道是世界上**深埋沉管隧道
,沉放**深水下44.5米。為了預(yù)留30萬噸級航道
,港珠澳大橋沉管隧道需要埋到海床以下20多米
,它是世界上**的深埋沉管隧道
。
在20多米的覆蓋層,有超過淺埋沉管5倍的荷載
,如果采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系
,沉管結(jié)構(gòu)得不到安全保障。林鳴擔(dān)心“200多個(gè)水下接頭
,如果有一個(gè)接頭遭到破壞
,后果不堪設(shè)想”。
面對問題
,權(quán)威隧道專家給出“深埋淺做”的兩個(gè)解決方案
,其一是在沉管頂部回填與水差不多重的輕質(zhì)填料,這需要增加十多億元人民幣投資
,工期也將延長
;其二是在120年運(yùn)營期內(nèi)控制回淤物厚度,進(jìn)行維護(hù)性疏浚
,維護(hù)費(fèi)數(shù)十億元人民幣
。
這樣做代價(jià)太大,**工程師心有不甘
。
“從2012年年初
,我和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一直在尋找一種可替代結(jié)構(gòu)體系,希望為工程找到一條出路
?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">!绷著Q說。
尋找出路的過程是痛苦和絕望的
。但有一天解決方案的靈感在寂靜時(shí)刻倏然而至
,讓人覺得在潛意識中各部分已經(jīng)完全被組合完好了一樣。
2012年11月17日凌晨
,總設(shè)計(jì)師劉曉東的手機(jī)上收到一條短信:“嘗試研究一下半剛性
。”發(fā)信人是林鳴
。
“那一夜我?guī)缀鯖]睡
,凌晨五點(diǎn)左右
,我的腦海中突然閃出了半剛性這個(gè)概念
,它能夠提高接頭的能力,可能是從結(jié)構(gòu)上解決深埋沉管的一條出路