港珠澳大桥在创新中展露雄姿

时间:2014-11-20  原文编辑:艾琳?曹 翻译:任明代

 

  中国工程师从未在外海建造过沉管隧道,然而,位处中国珠江三角洲的港珠澳大桥完成后,沉管隧道总长度达到6.7公里,将是世界最长沉管隧道,其深度达到45米,将成为世界最深沉管隧道之一。

  把珠海和香港、澳门这两个经济发达地区连接起来,可以将原来的陆路交通三小时经济圈缩短为半小时。这个想法已经提出了近20年,直到现在才付诸实施。港珠澳大桥毗邻香港机场,领空有限制;经过最繁忙的水上航道,通航条件有限制;从淤泥层到硬土层,需要穿过不同土质,地质条件复杂。

  台风和外海风浪恶劣环境也带来了施工风险。海上环境问题需要考虑防止珠江泥沙淤积堵塞,还要保护珍稀物种白海豚。此外,由于大桥由广东珠海、香港、澳门三方参与建设,港珠澳大桥需要满足三种不同的设计规范。

  “这是一个非常困难的工程”,中国交建港珠澳大桥岛隧项目副总经理罗冬先容。中国交建汇集了众多子企业,并联合了相应的国际知名咨询企业,正在建设沉管隧道、两个人工岛、 23公里的桥梁、两个口岸人工岛以及相关连接线。

  留给中国交建完成工程的工期很紧。香港1997年回归大陆,三地政府希翼大桥2016年通车,作为香港回归20周年的纪念。

  可行性论证

  2004年,经过多年的讨论,中国大陆和香港进行了为期5年的可行性研究。“超过30家研究机构参与进来,研究内容包括环境影响分析、工程控制难点、对海洋环境的影响、经济和金融等等”,华杰工程咨询企业副总经理田丰先容道。华杰工程咨询企业和路易斯·伯杰集团以及中国交建下属的公路规划设计院共同组成了联合体。

  香港采用英国标准,澳门采用欧洲标准,大陆有自己的国家标准。港珠澳大桥的工程师们在三地标准中按“就高不就低”原则制订最高标准。举例来说,港珠澳大桥的混凝土采用了标准最高的欧标,承载量采用了大陆标准的6车道,设计使用年限采用了英标的120年。

  工程主要由桥、岛、隧组合而成,在某些施工区域,每天通航的船舶超过4000艘。选择隧道工法时,在使用沉管隧道还是盾构隧道之间,经历了很长时间的讨论。相较于沉管隧道,盾构隧道更深,将深入海底60米,隧道也需要建得更长。沉管隧道则需要挖一个基槽。

  在与丹麦科威企业、荷兰TEC企业、艾奕康企业、莫特麦克唐纳企业、英国奥雅纳企业等国际企业的合作中,中国交建及其子企业于2009年开始准备投标前期工作。“沉管隧道施工与造价18亿美金的釜山-巨济工程相似:沉管在干坞预制和存放,浮运到安装现场,放置于经特殊设计的碎石基床上,碎石基床的平整度要求很高。科威将它在韩国工程的经验带到了这个工程”,科威项目经理汤米·奥尔森先容道。科威与中交公路规划设计院共同参与了初步设计,随后合作完成了施工设计。

  “这个项目的独特之处在于它的复杂性,因为隧道需要建立在两个人工岛之间,并且是在软土地基上”,奥尔森补充道。为了将来给30万吨的船只通航预留航道,深埋隧道需要被埋在海床下很深的位置。6车道的设计也导致隧道有着非同寻常的宽度。“这是一个高荷载的隧道,因此,管节混凝土配筋量非常高”,奥尔森称。

  林鸣

  中国交建总工程师林鸣称,对于中国工程师而言,“这是一个解决世界级工程难题的新体验。在国际企业的有限协助下,大家不得不依靠自己的力量攻克了这些难题。这不只是创造新的纪录的问题,它代表着整个行业的科技创新和水平提升” 。

  依靠新的科学技术,2014年7月,33节沉管里已有11节被安装到了3 %坡度的精挖基槽里。每节沉管重超过7.5万吨,180米长,38米宽,10多米高。

  基槽在海底深度不同,第11节沉管是安装在深水深槽里的第一节。工程师们担心基槽内紊流会给沉管带来不可知的影响。槽内流速约1米/秒,而海面流速0.6 - 0.8米/秒,“大家一直在监测沉管运动姿态”,中国交建港珠澳大桥岛隧项目副总工程师尹海卿说。

  第11节沉管安装进展顺利,这一团队以传统形式进行了庆祝。8月底,第12节沉管也成功安装。

  巨型桩

  桥隧的转换是通过两个几近相同的人工岛完成的。每个人工岛长625米,宽160米,共计10万平方米,土层厚度30米。中交一航局和三航局分别建设了西人工岛和东人工岛。

  一航局一企业副总经理彭立岩先容,早在2009年,一航局与美国打桩设备企业APE合作,对施工工法进行探讨,认为用钢圆筒取代钢板桩建立人工岛围堰结构,将节省2年工期。

  “大家的团队2003年在长江口项目跟APE企业有过合作经验”,彭立岩说,“在长江口,大家打设过13. 4米直径的混凝土大管桩,但还从来没有遇到过用振动锤打设20多米直径这样大的混凝土大管桩” 。

  中交第四航务工程勘察设计院是长江口大管桩的设计方,曾经设想过采用更大直径的混凝土大管桩工艺,“但即使是13. 4米的大管桩,也用了将近一年的时间才说服政府” 。

  风险是巨大的。APE在华销售代表杨云福称,“一旦失败,APE在华声誉也面临着很大的考验”,“完全没有时间为防范失败做准备,新型振动锤也几乎没有任何备用零件” 。

  2011年,APE以2000万美金的价格通过投标竞争,成为了港珠澳大桥东、西人工岛钢圆筒打设液压锤组的设备供应商,钢圆筒振沉采用了八锤联动方案。“最需要解决的技术难题在于如何让8个锤保持同步振动”,APE中国总经理大卫·怀特先容道。“即使只有1个锤跟其它7个运动不同步,产生的热量在15秒内足以将钢融化掉”。钢圆筒的垂直度误差需要控制在1 / 300以内。这个形似“八爪鱼”的振动锤组需要9600马力施打重达600吨的钢圆筒。

  APE为西岛打设了61个钢圆筒,为东岛打设了59个钢圆筒。巨型钢圆筒由上海振华重工制造,通过长距离外海运输到达现场。钢圆筒高约40 . 5至50.5米,直径22米,钢板厚度最大达到25毫米,插入海底沙土深度达到29米,“从来没有打过这么大的桩”,怀特说道。当人工岛外部围堰结构成形后,岛内用排水板将水排干。海底地基潜在的工后沉降必须控制在30厘米内。从人工岛到海底隧道的过渡通过暗埋段来实现。

  高精度工厂法预制

  桂山岛是一个荒无人迹的自然岛,中国交建带来了发电机,建立了一个沉管预制工厂,1000多名预制沉管的工人生活和工作在这里。管节大约38米宽,11.4米高,180米长。每个管节由8个22.5米长的节段组成,一共需要生产33节沉管。生产标准很严格,裂缝误差需要控制在0 . 2毫米之内。每立方米混凝土的钢筋含量有300多公斤,是平均水平的2倍。自2011年底以来,工厂制造24小时运行从不停工,工人们工作处于3班倒的状态。

  混凝土搅拌采用加冰降温处理,通过泵送工艺传输到安装好的液压模板浇注工位。这是一个巨大的生产线,预制好的节段将通过液压顶推系统,沿着滑轨顶推出去,为下一节段腾出空间。接下来,完工的整个管节将被横移到深坞,最后被深埋到海底。

  为了把管节拖放到距离工厂11公里外的大海,中国交建特别量身定制了沉管安装船。复杂的海风和海浪对沉管作用力的影响,加上繁忙的航道以及严格的白海豚保护因素,使得每一次的沉管浮运安装都异常紧张。第一节沉管浮运时,为了更好地控制沉管受力,施工团队使用了6艘拖轮,管节浮运安装花费了96个小时。然而,总结这次经验后,第二节沉管浮运安装使用了10艘拖轮,顺着海流进行拖运,最终花费时间还不到第一次安装的一半。

  隧道全长6.7公里,其中沉管长度为5664米,其余部分为暗埋段和斜坡段。特制的沉管安装船将吊放7.4万吨的管节。特制疏浚船用来开挖基槽,开挖精度需要控制在0.5米以内,并且需要持续观测地基沉降情况。

  科威企业的奥尔森先容称,项目团队研发了一套数模,处理厚度从1米和2米不等的碎石地基沉降。基床土质多变,从软弱土质过渡到硬石层,土质变化达到30 %。

  科威工程师们希翼有机会把这一数模系统应用到连接德国和丹麦的费马恩海峡隧道。费马恩海峡隧道的沉管隧道长度为18公里,建成后,将是世界最长的沉管隧道。

  隔泥围幕和格型钢板桩

  去年,中国交建完成了项目的另外一个主要组成部分:一项4亿美金的填海工程,在拱北回填了209公顷的陆地,用于建设珠澳口岸人工岛。人工岛的设计可抵御300年一遇的风浪。项目的另外一边,中国港湾正在进行一项9亿美金的项目,在香港国际机场东北方向建一个150公顷的类似的口岸人工岛,目前已完成了一半。该项目有一个6140米长的防波堤,包括134个长约34米直径约30米格形钢板桩结构。“这是香港首次不用挖泥而进行填海。”中国港湾的项目经理林金川先容。他还补充说,每年的5月和6月是白海豚繁殖期,出于环境保护的考虑,项目规定在此期间禁止打桩施工。

  林金川说,中国港湾定制的起重设备配合导承架能把圆筒结构转动到位,再通过振动锤安装。他说“大家曾用格形结构形成一个防波堤,但把导承架转动270度还从没尝试过。 ”

  艾奕康香港交通管理总裁伊恩·钟说,格形结构内部及前部是碎石桩,采用抛石堤压实、稳固。在抛石堤的底部铺一层覆盖碎石的土工布,作为一个铺在海床上的帷幕以进一步防止沉降。

  中国港湾另外还与宝嘉(法国承包商布依格企业的子企业)、威胜利企业一起组成联合体承建了一座9. 4公里的高架桥,合同额为17亿美金。这座桥从口岸人工岛穿过一个狭窄的航道,北向紧连机场,南向跨越一片未开发且不能触碰的土地。由于距离机场跑道过于接近,机场高度限制对建设施工和结构都有影响。伊恩说,用于填海的设备高度严格控制在30-53米。

  林金川说,一共预制接近5700榀梁,然而,由于必须穿过主航道,跨度达到180米的桥跨采用平衡悬臂的方法来安装。他补充说,约20000根桩已就位,目前已经开始承台和墩身的预制工作。

  据说,这一54个月的桥梁合同是香港有史以来最大的设计施工合同。在桥的东部,中国建筑国际集团承建了1公里长的隧道和1.6公里的连接线。

  隧道的西边,主体工程的桥梁结构包括钢梁和现浇混凝土桥跨。水上搅拌站和起重机也加入到繁忙的水上交通。30米高的墩身需要从临时工作平台将钢桩钻入硬岩100米来支撑。跨度从浅水区的90米变化到深水区的110米。

  3个航道上将修建钢箱梁斜拉桥结构以便通航。斜拉桥桥塔的高度会达到180米。

  这里建设的一切,规模都很庞大。

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