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新中國經濟70年·重大工程|親歷者劉曉東:港珠澳大橋的原創性技術革新

港珠澳大橋的原創性技術革新,是中國對世界的貢獻。

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重大工程

黨的十八大以來,圍繞國家重大戰略需求,中國實施了一大批重大工程。目前世界下潛最深的研究型載人潛水器“蛟龍號”,世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”,遨游星漢的“天宮二號”,世界最快超級計算機“神威·太湖之光”,北京新機場工程,港珠澳大橋工程,以及新一代信息基礎設施工程等。這些重大工程成為牽引“中國現代化建設列車”砥礪前行的“火車頭”,為增強綜合國力,促進經濟社會發展發揮了不可替代的作用。

p176 2018 年7 月12 日,湖北宜昌,三峽水庫持續泄,迎接“長江2018 年第2 號洪水”。視覺中國

2018年7月12日,湖北宜昌,三峽水庫持續泄,迎接“長江2018年第2號洪水”。(視覺中國)

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港珠澳大橋的原創性技術革新是中國對世界的貢獻

2010年,對港珠澳大橋島隧工程總設計師劉曉東來說,是特別的一年。

這一年,他放棄駕輕就熟的橋梁設計工作,轉入一個大多數中國工程師都對之陌生的領域,牽頭負責港珠澳大橋隧道和人工島的施工圖設計。劉曉東坦言,一開始他也猶豫過,但最終還是和團隊一起在往后的7年多時間里反復打磨出140多冊、1萬多頁的設計方案。

港珠澳大橋東連香港,西接珠海和澳門,集橋、島、隧為一體,全長55公里,使用壽命120年,總投資超1000億,被稱為世界橋梁建設史上的 “珠穆朗瑪峰”,歷經了6年的前期準備和9年的建設。

談起這座超級工程,劉曉東跟記者分享了大橋建造的很多難忘經歷,而他與團隊共同實現的原創性技術革新則為世界橋梁建設積累了更為豐富的成果與經驗。

研發“半剛性”沉管結構,成就100%不漏水的海底隧道

在港珠澳大橋之前的沉管隧道都采用“剛性”或“柔性”結構體系,剛性結構好比一塊長條積木,而柔性結構是用小管節串成一個大管節,好比小塊積木拼接的積木條。但是,兩種結構體系一般埋深只有2?3米,承載過大可能造成漏水。

港珠澳大橋有4公里的沉管隧道埋深達到了22米,承載超過淺埋沉管5倍的荷載,如何確保沉管隧道100%不漏水?這個問題,困擾了劉曉東和團隊近一年的時間。

其間,有外國隧道專家給出“深埋淺做”的幾種解決方案,但都需要十幾億元人民幣的投資,劉曉東認為這樣做代價太大。他和團隊心有不甘,期望能找到一種替代性結構,打造一條不漏水的沉管隧道。

“2012年11月17日凌晨5點,我收到了這樣一條短信‘嘗試研究一下半剛性,林鳴’,我猛然覺得靈光一現,由此開始了半剛性沉管結構的研發。”劉曉東這樣告訴記者。

所謂“半剛性”沉管結構,融合了“柔性”和“剛性”沉管的優點。據劉曉東介紹,“半剛性”沉管結構是在柔性管節結構的基礎上,引入了創新的縱向預應力系統,利用預應力鋼筋控制各節段接頭運動量,保證水密性。但是,研究成果出來后,長達一年多的時間里,引發了各種質疑與爭論。

最終,他們邀請到國內外6家專業研究機構進行“背對背”的分析計算,從模型試驗及原理上驗證“半剛性”的結構。結果都證明了“半剛性”方案可行,從結構上可以解決沉管深埋的難題。

2013年5月2日上午,港珠澳大橋沉管隧道第一節沉管出塢浮運,世界最大的海底沉管隧道施工終于開始了,5月6日,首節沉管順利與西人工島暗埋段對接,完成“海底初吻”。

“半剛性”沉管縱向結構只花費了極小的代價就把沉管深埋的構想變成了現實,從而保障了港珠澳大橋隧道段成為不漏水的海底隧道。從此,世界百年沉管結構的工具箱里,除了已有的“剛性”和“柔性”之外,增加了“半剛性”這個新成員。

半道出家牽頭島隧工程設計,創下更改八成以上原設計方案紀錄

2004年,劉曉東開始負責港珠澳大橋前期研究工作,先后主持完成了大橋工程可行性研究、總體方案深化研究和主體工程初步設計等。2010年,島隧工程項目投標時,項目總經理林鳴邀請他來牽頭島隧工程設計工作,當時,劉曉東的心里是矛盾的。

劉曉東告訴記者,他原來的專業是橋梁工程,主要的工程經驗和業績也主要是橋梁工程,牽頭島隧工程設計工作就意味著要放棄原來十幾年的專業,轉入一個大多數中國工程師都陌生的領域,更重要的是,萬一做得不成功怎么辦。

“對于這樣一個當今世界最難的工程,中國工程師之前的沉管經驗不能匹配,必須學習創新,而我沒有小沉管經驗也許能劣勢變優勢。這是當時林鳴說服我的一個重要理由。”劉曉東就這么被說動了,也因此下定了決心。

在此后的7年多時間里,劉曉東和團隊一起經歷了學習、追趕和創新的過程,為確保工程一次完成,他和工程技術人員一次次地推翻原有方案,創造了在一個工程中更改八成以上原設計方案的紀錄。

劉曉東提到,當時為了控制沉管隧道沉降,在軟土區域需要有處理方案,原設計方案是由外國工程師依據國外經驗提出,其方案是采用“鋼減沉樁”,就是在海底打樁,上面鋪上樁帽,樁帽上面再鋪碎石,之后把沉管放在上面。他們原本是比較相信外國工程師方案的,但是之后的試驗結果卻令他們驚出一身冷汗。

試驗結果是沉降變形,樁帽上的碎石散落,專業術語為“不收攏”,與設計數據相差懸殊。他們細問了老外幾個問題,才得知原來用的是江河上沉管隧道的經驗辦法,且其中還有未經驗證的“假設”。

如果按照原方案做,港珠澳大橋的海底隧道建設將有很大的風險,于是,島隧項目部及設計組內部開始分頭行動,在最短的時間內基于數個可用方案創造性地提出并確定了兩套備用方案。經過多次專項技術討論會與專家咨詢會后,前后歷時約一年,方案二作為最終方案被確定下來,也即保留原方案的碎石墊層設置,并將人工島島壁下已使用的擠密砂樁方案移植到隧道,形成組合構造的基礎方案。

劉曉東提起這段經歷時,感嘆道,幸不辱使命。

港珠澳大橋的原創性技術革新,是中國對世界的貢獻

原來的沉管結構體系適用于淺埋隧道,港珠澳大橋島隧工程在世界范圍內首次提出了全新的“半剛性”沉管隧道結構體系+記憶支座(發揮類似“保險絲”的作用),解決了沉管深埋技術難題,而這只是港珠澳大橋在島隧工程上眾多原創性技術革新中的一個。

談起島隧工程中的原創性技術革新,劉曉東如數家珍。比如,軟土隧道沉管沉降控制是沉管質量的關鍵,也是一項世界級難題,他和團隊首次研究并采用了組合基床+復合地基的基礎方案,將國外同類軟土隧道沉降一般在10?20cm控制在7cm左右,解決了軟土隧道沉降控制的難題;考慮到之前沉管單節體量在5萬噸級別,港珠澳大橋沉管體量達8萬噸,于是他們研發了工廠法進行管節預制,首次實現曲線沉管工廠法預制,提升了沉管預制控裂技術;他們研發的整體式可逆主動止水沉管最終接頭,則顛覆了之前沉管的最終接頭方法,現場只需一天(原來一般需6個月以上)即可完成沉管合龍,并可實現多次重復對接調整。

劉曉東認為,這些革新技術促進了世界沉管技術發展,為世界同行高度認可,是中國對世界的貢獻。

2018年10月24日,港珠澳大橋正式通車。從此,香港、珠海、澳門三地間的時空距離極大縮短,從香港到珠海、澳門僅需30分鐘的車程。

劉曉東向《中國經濟周刊》記者表示,港珠澳大橋的建成實現了便捷陸路聯通,改變了區域時空觀,使香港、澳門和廣東三個經濟體間的生產要素價值差距縮小,從而便于更合理的產業及城市分工布局,將帶動內地的產業結構升級及香港地區產業價值鏈的延長。

(《中國經濟周刊》記者羅赟采訪報道)

編輯:鄒松霖

(本文刊發于《中國經濟周刊》2019年第18期)


 

2019年第18期《中國經濟周刊》封面

2019年第18期《中國經濟周刊》封面


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(網絡編輯:崔曉萌)
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