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中國橋梁技術——把天塹變通途

發布日期:2022-06-29 作者:來源:人民日報 點擊:

  2018年10月23日,習近平總書記宣布港珠澳大橋正式開通。這座超大型跨海交通工程是我國基礎設施建設領域的國家工程、國之重器,備受矚目。大橋連接香港、珠海、澳門三地,集橋、島、隧道于一體,在設計理念、建造技術、施工組織、管理模式等方面進行一系列創新,標志著我國隧島橋設計施工管理水平走在了世界前列。

  港珠澳大橋通車運營,是我國橋梁建設領域不斷取得新成就的縮影。1957年9月25日,“萬里長江第一橋”武漢長江大橋建成,在我國橋梁建筑史上揭開新的一頁。截至2020年底,我國公路橋梁已達91.28萬座、6628.55萬延米;全球跨徑排名前10位的懸索橋、斜拉橋中,我國分別占據6座和7座。得益于先進技術和工程管理方法大規模應用,功能不同、姿態各異的橋梁矗立在全國各地。今天,橋梁技術已經成為我國基礎設施建設領域響當當的“王牌”?!耙粯蝻w架南北,天塹變通途”正不斷成為現實,推動經濟發展,造福人民生活。

  深埋沉管隧道技術,讓大橋穿海底而過

  橋梁是為跨越溝谷、水面或障礙物而修建的構筑物,一般由上部結構、下部結構、支座系統、附屬設施等組成,可按用途、大小、結構、跨徑等分為多種類型。就結構體系而言,橋梁可分為梁式橋、拱橋、纜索承重橋(懸索橋和斜拉橋)等。作為人類活動的基礎設施,橋梁歷史悠久?!对娊洝分芯陀袑湃嗽谖己由霞茉O浮橋的描寫。隋唐時期建造的趙州橋則是世界上現存跨度Z大、保存Z好的單孔坦弧敞肩石拱橋。從古代的獨木橋、汀步橋、木制浮橋,到磚石結構古橋,再到鋼橋、混凝土橋,建造技術日新月異,橋梁結構、規模、材料、用途、外觀等各方面不斷發展。

  港珠澳大橋是當代橋梁技術的集大成者,創下多項世界紀錄:全長55公里,是世界總體跨度Z長的跨海大橋;海底隧道長6.7公里,是世界上Z長的海底公路沉管隧道;海底隧道Z深處位于海平面以下46米,是世界上埋進海床Z深的沉管隧道;用鋼量達到42萬噸,相當于60座埃菲爾鐵塔金屬框架的重量,是世界上鋼結構橋體Z長的大橋,等等。

  這些世界紀錄的締造無不以橋梁建造技術創新為驅動。其中,深埋沉管隧道技術Z具代表性。與日常所見的橋梁有所不同,港珠澳大橋不只有“橋”,還有6.7公里長的深埋海底沉管隧道,這是整個工程難度Z大的部分。港珠澳大橋主通航孔臨近香港國際機場,如果采用橋梁方案,橋塔高度將超過200米,影響飛機起降,所以采用了沉管隧道方案。與此同時,這里還是珠江口出海主航道,為了長遠發展,要按30萬噸級通航標準預留,以保障船舶通行安全。這就需要將沉管隧道埋入Z深22米的海床之下,是一般沉管隧道深度的10倍。為此,我們實現了多項關鍵技術創新——

  依托新技術打好“地基”,有效防止沉降。沉降是指在建筑物荷載作用下,地基土因受到壓縮而發生豎向變形或下沉,這是沉管隧道的固有難題?!皬秃系鼗?組合基床”沉管隧道基礎新技術,采用了“拋石夯平+碎石整平”的組合墊層設計方案。與之相配套的沉管基礎施工質量檢測監測管理系統、外海堆載預壓監測系統、沉管隧道沉降變形監測系統,有效保證了基礎施工質量。監測結果表明,拋石基床精度提高40%,碎石墊層精度提高20%,隧道平均沉降7.4厘米,均達到世界領先水平。

  “工廠法”預制技術和半剛性沉管結構保障隧道安全,提高施工效率。港珠澳大橋海底隧道共33節沉管,標準管節重約8萬噸,同時還要抵抗壓力做到不漏水。這些沉管需先在陸上制成,再埋入海中相互連通?!肮S法”預制技術創新開發沉管生產流水線、大型自動化液壓模板、混凝土全斷面澆筑及控裂、8萬噸沉管頂推等成套技術,實現超大型混凝土構件的工業化制造。傳統的剛性和柔性沉管結構均不適于深埋:國際上沉管隧道埋深一般在3米左右,而港珠澳大橋沉管隧道Z大埋深要達到22米。于是,團隊創新研發半剛性沉管結構形式,開發出適合于沉管結構的永久預應力體系,發明了基于材料斷裂力學特性的“記憶接頭”。半剛性沉管結構受到國際同行的高度認可,成為與剛性管節、柔性管節并列的第三種結構,為沉管隧道結構提供了新選擇。

  沉管隧道合龍方式實現重大突破。合龍是橋梁、堤、壩等從兩端施工的工程在中間接合的過程。港珠澳大橋合龍段位于第二十九節沉管與第三十節沉管中間,傳統工法需要潛水員水下安裝模板,再在模板里面澆筑混凝土,需大量潛水作業,不僅風險大,而且耗時約半年之久。通過3年多研究攻關,我們發明了具有折疊結構和主動止水可逆操作功能的合龍新方法,攻克了結構體系、止水與折疊構造、合龍口形態控制等關鍵技術。采用工廠化生產、海上裝配化安裝的方法,只用1天便完成合龍,合龍精度達2.6毫米。

  智能建造讓橋梁建設更科學更高效

  以深埋沉管隧道為代表的諸多新技術,不僅在港珠澳大橋建設過程中發揮重要作用,還為我國橋梁建造乃至基礎工程建設提供強有力支撐。其中,智能建造技術尤為關鍵。

  智能建造是指在建造過程中充分利用智能技術,通過應用智能化系統提高建造過程智能化水平,達到安全建造的目的,提高建筑性價比和可靠性。智能建造能夠提升建設者的感知能力、預測能力、控制能力和作業能力,讓工程環境做到可知可控,實現對工程建設過程中工作狀態、施工環境等信息的收集、處理、分析,實現對大型裝備的精確控制。

  物聯網、云計算、數據管理分析系統是智能建造的關鍵技術。物聯網通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備,將物品與互聯網連接起來,實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。依靠物聯網獨特的傳感技術和感知能力,建設者可以運用衛星定位系統、聲吶、芯片探測器等傳感設備,將混凝土等原材料、大型設備、作業人員等與互聯網連接,構成人與物的信息交互網絡。云計算技術則將大量分布式獨立計算機組建成統一管理的云系統。多個硬件設備可以協同工作,按照資源需求對硬件能力進行分配,實現多種傳統計算技術無法實現的功能。建設過程中,這一技術幫助建設者構建起前方監測系統與后方超級計算機互聯的云計算平臺,實時分析處理海量氣象、水文等數據信息,復雜數據信息處理能力大大提高。由此,建設者可以實時了解現場情況,并對建設過程進行分析以及遠程控制。

  作為一把“萬能鑰匙”,智能建造可以根據工程需求“量身定制”。以港珠澳大橋島隧工程為例,這一工程需要智能建造技術解決測控難題、保障作業條件、提供一體化作業平臺。比如,通過應用精密測控儀器、升級改造既有測控技術與設備,解決傳統測控手段精度控制水平較低、穩定性不強、易受外界干擾等問題。港珠澳大橋沉管管節安裝過程中,通過利用我國航天航空領域設備的位移控制技術,研發外海深水環境下沉管姿態監測系統,實時監測對接過程中超大質量管節的低頻率、小振幅運動狀態,以確保管節安全、精準地著床。此外,利用管節首端的無線聲吶測控系統及尾端的測控系統,實現對管節對接相對定位及絕對定位的測控,確保高精度管節對接。與之相似,保障作業條件要用到大數據分析、一體化作業平臺需要智能裝配,等等。

  如今,橋梁在人們生活中已不僅僅是交通設施。除了實現人類翻山、越江、跨海的夢想,有的橋梁還成為當地獨特的風景線。橋梁承載著更舒適快捷的體驗需求和更高的審美需求。未來,隨著新材料、懸浮技術、漂浮技術、深水建造技術等不斷創新突破,現代浮橋和懸浮隧道將成為沿海城市拓展發展空間的新載體,漂浮城市和漂浮機場也有機會從夢想變為現實。

  矚目未來,我國橋梁領域的科研人員和建設者們將繼續秉持逢山開路、遇水架橋的奮斗精神,架起更多體現我國綜合國力和自主創新能力的“圓夢橋”,打造民族復興道路上更亮麗的風景。

  (作者為中國工程院院士、中國交通建設集團有限公司首席科學家 林鳴)


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