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【新华日报】港珠澳大桥闪耀江苏科技力量
发布时间: 2018-10-31                    访问次数: 13

从设计到建设前后历时14年,我国又一座世界级桥梁——港珠澳大桥,于10月24日起全面通车。通车后,驾车从香港到珠海、澳门由3个小时缩短至约45分钟。

在这被誉为“新世界七大奇迹”的港珠澳大桥背后,是那些默默无闻的科研工作者,其中也凝聚着不少江苏人的汗水和力量。不靠“外援”,咱们自主攻克了一个个技术难题,首创了一项项新技术。

百年沉管结构新增“半刚性”技术

提及港珠澳大桥的江苏元素,就不得不提到这两位江苏人:林鸣,港珠澳岛隧工程项目总经理兼总工程师,1957年出生于江苏兴化;刘晓东,港珠澳岛隧工程项目副总经理兼总设计师,1970年出生于江苏扬州。他们同时也是东南大学杰出校友。

两位专家负责的港珠澳岛隧工程项目,总共申请了超过500项国家专利,多项技术为世界首创。其中,“半刚性沉管纵向结构”让港珠澳大桥拥有了世界首条“滴水不漏”的海底隧道。总设计师刘晓东告诉本刊记者,“在港珠澳大桥之前,全球的沉管隧道已经有100多年的发展史,修建数量超过150条,但沉管制作只有刚性和柔性两种结构体系,而我们做出了半刚性结构,完全是我们自主创新的,得到了国际同行的认可与赞赏。”

无论刚性结构还是柔性结构,都是浅埋隧道,通常埋深只有3米左右。而港珠澳大桥需要埋到海床以下超过20米,承载超过浅埋沉管5倍的荷载,如果采用传统的结构体系,沉管结构将得不到安全保障。国际权威隧道专家曾给出过深埋浅做的方案,但需要增加十多亿元人民币的投资,且在120年的使用运营期内,维护费用也将达到数十亿元人民币。

有没有可能找到一种替代性的结构,打造一条不漏水的沉管隧道?“这个问题困扰我们持续近1年,中间也曾想放弃,但始终心有不甘,直到2012年底的一天凌晨,我的手机收到这样一条短信‘尝试研究一下半刚性,林鸣’,我猛然觉得灵光一现,由此开始了半刚性沉管结构的研发。”刘晓东解释道,所谓半刚性沉管结构,就是在柔性管节结构的基础上,引入了创新的纵向预应力系统,保证节段接头具有一定的活动性,又利用预压力产生的摩擦力提高节段接头抗力,利用预应力钢筋控制各节段接头运动量,保证水密性。

“但是研究成果拿出去以后外面不相信,我们面对各种质疑争论了一年多。最终开了一个很大规模的专家会,专家们认为我们这个好,才定下来继续做。所以我们现在的沉管为什么滴水不漏,跟这个有关系。”刘晓东自豪地说。于是,5.66公里的海底隧道,最终由33节巨型沉管和1个合龙段接头组成,每个180米长的巨型沉管再分为8节,每节22.5米,纵向设置新型预应力系统,强化小管节之间的连接,调节“动”与“不动”的平衡。从此,百年沉管结构除了“刚性”“柔性”之外,又增加了“半刚性”这一世界首创的技术。

攻克大桥设计难题,使桥--隧布置更趋合理

南京水利科学研究院攻克大桥设计难题,特别是在大桥桥岛隧工程E15沉管回淤受阻难题中,派出泥沙专家攻关,保证了沉管的顺利安装。

港珠澳大桥跨越的珠江口伶仃洋河口湾,上游有珠三角重要港口,桥区有重要航道穿越,是我国沿海航线最密集、船舶密度最大的通航水域之一。伶仃洋河口湾“四口入海”和“三滩两槽”的动力地貌格局,使其水沙运动环境极其复杂。大桥建设面临桥位选址、主通航区设置、人工岛平面优化、桥孔合理跨距等问题。

“早在2004至2007年港珠澳大桥工可研阶段,我们便开展了拟建桥区设计水文要素分析计算和海床演变分析研究,从满足通航条件和保持滩槽稳定的角度提出了大桥选址意见,并成为该工程初步设计招标的基础依据。”南京水科院科研人员介绍,2008至2010年大桥工可深化研究与初步设计阶段,水科院科研团队进行了二、三维潮流泥沙数学模型等多项专题研究,对人工岛平面和结构进行了优化,人工岛由原来的长条形优化为鹅卵形,其迎水面宽度从最初的1000米缩短为625米;研究成果为港珠澳大桥工程可行性研究报告获得国家批准奠定基础,使初步设计阶段的桥-岛-隧布置方案更趋合理。

2014年,大桥E15管节安装过程因异常回淤受阻,南京水科院又第一时间派出泥沙专家参与攻关,共同研究应对措施,提出了潮汐、波浪和径流共同作用的基础回淤预测方法,结合现场观测数据实现了逐日、厘米级精细化泥沙回淤预报,为E15及后续十八节沉管的顺利安装提供了持续保障。

自主创新,“江苏造”架起“中国龙”

在港珠澳大桥建设中,无处不有“江苏制造”的印记,“江苏造”架起了“中国龙”。

作为国内最大钢桥梁制造商中铁宝桥(扬州)承担了该桥九洲航道桥重达43000多吨的钢梁和钢塔生产制造任务。“港珠澳大桥主体工程建造用钢量达42万吨,相当于10个北京鸟巢。其中,2.6公里的海上钢桥梁和两座高度超过100米的风帆形钢塔,是由中铁宝桥(扬州)有限公司制造完成。”中铁宝桥(扬州)有限公司相关负责人李鹏博介绍,港珠澳大桥上共有5座钢塔,中铁宝桥承担了其中两座的建设任务,这两座钢塔由竖直的塔柱和弯曲的曲臂组成,塔高有30层楼高,单塔重2300吨;这两座风帆形钢塔也是港珠澳大桥中最有代表性的建筑。

在施工过程中,李鹏博所在团队还创新了多项工艺。此前,我国桥梁钢塔都是现场一节节吊装,为降低海上焊接工作量,团队首创将钢塔在工厂整体制造完毕后,采用整体大节段吊装的工法运至施工现场,这在国内也是首创。此外,为提高抗风等级,钢塔采用空心箱形截面,外形设计为独特的风帆造型,大大提升了抗风设计要求。

电影《厉害了,我的国》的开头,有一段港珠澳大桥吊装合龙的镜头非常壮观,令人印象深刻。而用于吊装港珠澳大桥的高性能吊绳正是由中国石化南京化工研究院有限公司和中国纺织科学研究院耗时10多年研发成功的。

用于制作这种吊装缆绳的原材料非常细,大概只有头发丝的1/10粗,其专业的全称叫“超高分子量聚乙烯纤维干法纺丝”。“别看它细,但做成缆绳后比钢索强度还高,而且非常柔软,防弹衣、防切割手套、降落伞、海洋缆绳等很多产品都用它。”南京化工研究院副总工程师毛松柏介绍,超高分子量聚乙烯纤维是世界三大高新材料之一,以质量轻、强度高、耐腐蚀等特点广泛应用于国防、军工以及民用领域,由于国外技术的封锁,国内之前始终无法实现该材料干法纺丝的产业化。为打破国外技术封锁,在中石化总部的牵头下,南京化工研究院和中国纺织科学研究院开始对该技术进行合作研究开发,历经成千上万次的小试研究工作之后,终于实现了该技术的突破。该技术国产化的实施,直接导致国外纤维制品在国内大幅度降价。

高科技、高质量、高性能的斜拉索,关系到大桥的抗风力和地震能力。港珠澳大桥全线三座主航道桥,合计218根斜拉索由江阴企业法尔胜泓昇集团有限公司提供,斜拉索总量近2500吨。

“港珠澳大桥斜拉索采用7mm-1860MPa锌铝合金镀层钢丝拉索技术,由于当时国内外尚未有7mm-1860MPa强度钢丝生产经验,在钢丝的盘条选择和拉拔、热镀、稳定化等工艺参数的制定和选择上困难重重,需要开展大量的试验研究。”江苏法尔胜缆索有限公司副总工程师周祝兵说,“我们通过近10年的时间进行研究和开发最终获得突破,成功在港珠澳大桥青洲航道桥和江海直达航道桥上进行应用,并通过了极端气候‘山竹’的考验。”

“港珠澳大桥由于地处海洋性环境,空气中含有大量的氯离子,容易在镀锌钢丝表面形成氯化锌,而其极易溶于雨水,从而导致锌层的迅速溶解,加速了镀锌钢丝的腐蚀。”周祝兵说,公司自主开发出铝含量在4.2%至7.2%之间的锌铝合金镀层钢丝,在通过大量试制和试验后,证明该镀层钢丝的盐雾环境防腐能力是热镀锌钢丝的2倍以上,大大提高了斜拉索的防腐能力,通过看似简单的转变,却实现了海洋环境斜拉索使用寿命加倍。“该镀层钢丝在未来可以全面应用在各种桥梁缆索中,大大提高桥梁缆索的使用寿命,同时为跨海大桥的建设提供了强有力的保障。”

本报记者  王拓  张宣  蔡姝雯



2018-10-31 【新华日报】第16版