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5600米沉管隧道“滴水不漏”!港珠澳大桥怎做到的

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  3月7日早上8点40分左右,港珠澳大桥海底隧道最后一节沉管成功安放,意味着这个“世纪工程”打赢沉管安装的“收官之战”。

  全世界任何一个隧道所有者和设计师都明白,建造100%水密的隧道意味着什么样的挑战。一位欧洲著名岛隧专家曾说,全世界的节段式沉管漏水率平均值为10%左右,目前尚没有沉管隧道100%不漏水的纪录。

  然而,“奇迹”在港珠澳大桥沉管隧道中出现了:这条5.6公里的海底隧道,在攻破重重技术难关之后,保证了40米水压下的“滴水不漏”,打破了世界纪录。

  这个“奇迹”,究竟是如何实现的?南方日报记者多方采访,力争解开沉管“滴水不漏”的密码。

  在40多米深的海底铺上“席梦思”

  “沉管隧道为什么漏水?归结到底,都是基础出了问题。”岛隧工程项目总工程师、总经理林鸣说。他举了个例子,港珠澳大桥的地质环境是厚软土地基,所以沉管基础刚度协调及不均匀沉降控制非常困难,这个问题解决不好,隧道就有可能会漏水。

  为了使沉降标准达标,工程师在如何使软土层变硬上做文章,进行了多项有价值的创新,用技术突破打破隧道漏水的天花板,在40多米的深海底下,为沉管铺上一张舒服的“席梦思”床垫。

  作为沉管隧道基础设计组分项负责人,设计师张志刚主要承担沉管隧道水下基槽、深水基础及管节防护等设计工作。他起初觉得这些工作应该非常轻松简单,随着研究深入,张志刚逐渐认识到一项前所未有的世界难题摆在面前:近38米宽、180米长度的沉管,30多米深厚软基,变化无常的水下岩土介质,约23米厚度的超大附加荷载,接头间毫米级的不均匀沉降指标,120年的设计使用寿命……每一个数字都是一道很难逾越的门坎。

  沉管段隧道全长5664米,共计33个管节,隧道两端分别坐落在东、西两个人工岛上,中间的沉管段穿越淤泥质土、粘土、粉质粘土及砂层等不同特性的多种地层。由于隧道两端的人工岛地基相对稳定,为了实现隧道基础纵向刚度的协调过渡,有效控制整条隧道的不均匀沉降,建设团队必须详细弄清地质与荷载的分布,与时间赛跑,尽快拿出适宜于外海超长沉管的基础方案。

  经过无数次工法比选、理论计算和试验验证,几种在地基处理的教科书工程中耳熟能详的地基处理方式被成功移植到这里。工程师们在40多米深的水下为沉管基床底部铺上2到3米的块石并夯平,创造一种新的复合地基,使沉管的沉降值大大缩小,平均沉降值控制在10公分以内,而国外的同等数据是20公分左右。

  刚与柔的抉择

  “席梦思”让沉管有了舒适的床,但要真正实现“滴水不漏”,这仅仅是基础。

  自1928年人类工程史上修建第一条钢筋混凝土沉管隧道以来,沉管制作的“工具箱”里只有刚性和柔性两种方法。

  港珠澳大桥岛隧工程设计负责人刘晓东用积木给出通俗易懂的比喻:“刚性结构好比一块长条积木,而柔性结构好比乐高小块积木拼接的积木条。刚性缘于是整体结构,使接头漏水的概率减小,但如果基底出现沉降,大体量沉管受力不均匀出问题的概率也随之增大。而柔性结构是用小管节串成一个大管节,比刚性结构应对沉降有明显优势。无论是选择哪种结构,最终目的是为应对地基发生不均匀沉降时,最大程度减少对海底隧道的影响。”

  由于周围环境和水陆空交通的要求,港珠澳大桥岛隧工程成为了世界上第一个也是唯一的深埋沉管隧道。在教科书上,沉管隧道被定义为浅埋隧道,到目前为止,全世界已经做成的上百条沉管隧道,都是贴着海床或者河床面建设。但港珠澳大桥隧道的最大特点和最大挑战就在于深埋。

  工程师们通过大量计算分析发现,在20多米的覆盖层、超过传统概念沉管5倍的荷载情况下,采用传统的刚性或柔性结构体系,沉管结构安全是得不到保障的,工程该怎么办呢?在刚与柔之间,能不能知道一个平衡点?

  2012年11月17日凌晨,刘晓东的手机上收到一条短信:“尝试研究一下半刚性。”发信人是总经理林鸣。

  “那一夜我几乎没睡,凌晨五点左右,我的脑海中突然闪出了半刚性这个概念,它能够提高接头的能力,可能是从结构上解决深埋沉管的一条出路。”林鸣回忆。

  他所提出的半刚性结构设想,是保留甚至强化串起小管节之间的钢绞线,加强小管节之间的连接,使180米长、由8个小节段连接而成的标准管节的变形受到更大的约束,增强深埋沉管的防错位能力。

  设计团队用了30多天完成《半刚性沉管结构方案设计与研究报告》,为了证明“半刚性”结构,工程师们又经历了200多个备受煎熬的日子。此后,他们邀请国内外6家专业研究机构进行“背对背”的分析计算,从模型试验及原理上验证“半刚性”的结构。研究论证结果趋同,证明“半刚性”是从结构上解决沉管深埋的科学方法,最终得到了各方面的一致认可。

  经过两年的努力和坚持,“半刚性”花费了极小的代价就把沉管深埋的构想变成了现实。目前,港珠澳大桥海底隧道已经是世界上最长的公路沉管隧道,超过了国内沉管隧道的总和。

  找到混凝土最佳配合比

  沉管试验室主任张宝兰与混凝土打了30多年交道,但面对近六公里的海底沉管隧道,要配置出强度、耐久性、施工性、抗裂性都符合设计指标的混凝土,压力前所未有。

  “从表面上看,混凝土配合比计算只是水泥、砂子、石子、水这四种组成材料的用量。实质上是根据组成材料的情况,确定满足上述四项基本要求的三大参数:水灰比、单位用水量和砂率。”张宝兰解释道。

  为了寻找这个混凝土配方,张宝兰带着试验主管李超等试验人员一起进行多方位的试验。沉管预制厂位于孤岛上,岛上气候环境和陆地不同。“同一配合比经常上午打的状态和下午的状态都不同,甚至相同的一堆材料,前一罐和后一罐的状态相差都会较大。”试验人员蔡珠解释说。

  为了摸索找出原因,需要不停反复试验,找到稳定的“重现性”,在耗时近一年、用坏了4个混凝土搅拌机进行了海量的试验后,基础配方终于出炉。但这个配方到底行不行,必须通过小尺寸模型试验和足尺模型试验去检验和完善。

  试验团队经过上百次的试验调整,开展6次现场小尺寸模型试验,2次足尺模型试验,18个人工岛沉箱混凝土验证,最终配制出满足沉管施工工艺性能要求,并具有低水化热、低收缩的沉管施工混凝土配合比,提高了混凝土的抗裂性能,从而使沉管混凝土不出现裂缝具有可能性。

  “奇迹和美丽都源自每一个工程师追求极致的态度,配合比秘方也成了我们试验人员的传家宝了。”张宝兰笑着说。

  历经156道工序

  位于珠海牛头岛的港珠澳大桥沉管预制厂,是世界上最大的沉管预制工厂。为了确保质量,流水线作业和6S管理的概念被引进了这个中国第一例工厂法预制沉管的车间。

  从一根钢筋、一方混凝土到一个180米长的巨型沉管,需要经过钢筋加工、钢筋笼绑扎、混凝土浇筑、管节一次舾装、深浅坞蓄排水及管节起浮横移等156道工序。“每一道工序都关系着120年的使用寿命,每一个过程都充满风险,每一个环节都关乎产品质量。”当被问及如何保障沉管“滴水不漏”时,III工区二分区常务副经理陈伟彬深切说道。

  据介绍,为了让每个岗位上的人员都有操作标准,项目总部和工区共同制定出《港珠澳大桥岛隧工程沉管预制质量控制点管理》体系文件,文件包括6个大项、23个子项、116个小项。

  “我们对所有工序全面实行星级管理,对每一个小项的质量标准、质量控制层级、检查方式、检查频率、质量控制要点,质量缺陷处罚制度都有着明确的标准。”负责体系执行监督的质保主管孔炼英说。

  2016年12月26日,随着最后一方混凝土在港珠澳大桥珠海牛头岛沉管预制厂中浇注结束,港珠澳大桥使用的33节海底隧道沉管全部完成施工。六年时间,中国交建建设团队建设了“33艘航母”,并且创造了百万方混凝土无裂缝、在40多米水压下“滴水不漏”的奇迹,书写了新的历史。


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