一橋跨三地,唇齒更相依。

從珠海景色最美的濱海道路——情侶路上向東遠眺,全長55公里的港珠澳大橋宛若蛟龍,蜿蜒騰越于蔚藍色的海面上。這是世界上最長的跨海橋梁工程,也是綜合建設難度最大、最具挑戰性的超級工程:在風大浪急的外海搭建使用壽命120年的鋼鐵巨橋、在海底40多米深處建造最長的沉管隧道、穿越30萬噸級航道和白海豚保護區的施工現場……可以說,每一項挑戰都前所未有。

“港珠澳大橋是一座名副其實的科技大橋,在這些世界級挑戰的背后,是一系列創新攻堅和科技支撐的強力驅動。”港珠澳大橋管理局總工程師蘇權科表示,自2003年前期籌備工作開始至今,以國家科技支撐計劃項目研究為主線,200多家科研單位、上千名科技工作者圍繞港珠澳大橋的建設,共開展科研專題研究300余項,終于托舉起這座世界級工程。

目前,港珠澳大橋主體工程已全線貫通。記者實地探訪了這座橋梁界的“珠穆朗瑪峰”。

國家支撐,科技先行

港珠澳大橋集結了上千名科技工作者,開展科研專題研究300余項

“大橋通車后,珠海、澳門同香港間的車程將由3小時縮短至半小時。這座橋將珠三角地區連成一片,形成港珠澳一小時經濟生活圈!”站在雙向六車道的港珠澳大橋珠海段入口處,蘇權科自豪地告訴記者。

造橋架梁,一直是珠江兩岸人民的夢想。但要跨越幾十公里的南伶仃洋海域,談何容易?

“世界上幾個有名的跨海通道工程,如美國切薩皮克跨海工程,長度19.7公里、海上人工島面積3.2萬平方米、海底沉管隧道3.3公里;韓國巨濟島—釜山連島大橋,長度8.2公里、沒有建造人工島、海底隧道3.7公里。我們的港珠澳大橋,跨海段長度有22.9公里,還要建設兩個10萬平方米的人工島,海底隧道長度達5.9公里,難度可想而知。”蘇權科介紹。

更何況,這還是在淤泥深厚、海洋腐蝕環境嚴峻的外海施工。自然條件復雜,生態環保的要求更加嚴格。這片海域是國家一級保護動物中華白海豚的自然保護區,如何在施工過程中最大限度地減少對白海豚的干擾,是建設者面臨的嚴峻挑戰。

根據規劃,項目要穿越30萬噸級航道,同時毗鄰香港國際機場。“大橋要滿足30萬噸級巨輪通行的需求就得建高,要滿足附近機場航班降落的限高需求又得建矮。”蘇權科說,經過綜合考量,港珠澳大橋的最合理方案定為“橋、島、隧交通集群工程”,即在這一航段沉入海底,搭建深埋沉管隧道,同時在隧道兩側建起人工島。

“人工建島和海底沉管隧道,當時對我們來說都是‘超級難題’。南伶仃洋是外海,環境敏感點眾多,如果采用國外技術,要三年才能建成人工島,一是工期太長,二是會對海域環境造成嚴重影響。而海底沉管隧道的關鍵技術一直掌握在少數發達國家手中,無論是技術引進還是合作,代價都非常高昂。何況有的技術還面臨著國際封鎖,花錢也買不來。”蘇權科說。

從前期項目的可研階段到開工建設,科技創新的理念貫穿始終。這個超級工程集結了我國在橋梁設計和施工、材料研發、工程裝備乃至生態環保領域的上千名科技工作者,開展科研專題研究300余項,獲得發明專利授權逾百項、發表論文逾500篇、創建工法逾40項。

自2010年起,國家科技支撐計劃啟動了“港珠澳大橋跨海集群工程建設關鍵技術研究與示范”項目,涉及大橋建設各項難點,以專業性、創新性、實用性的科技攻關支撐起港珠澳大橋的建設,啃下了一塊塊硬骨頭,在關鍵技術、關鍵裝備、關鍵材料領域取得全面突破,也為我國交通建設行業自主創新、技術進步起到了引領作用。

島隧工程,全球首創

港珠澳大橋的島隧工程是世界首例深埋沉管,沉管隧道首次做到無一處漏水

島隧工程,是港珠澳大橋建設的難中之難。

從上空俯瞰港珠澳大橋,巨龍在離岸20多公里處倏忽隱沒,再在6公里外騰空而起,連接兩端的小島狀似蠔貝,工作人員都親切地稱其為“貝殼島”。

貝殼島不簡單。在外海“無中生有”造出兩座面積10萬平方米的小島,且當年開工、當年成島,創造了世界紀錄。“我們首創了外海深插超大直徑鋼圓筒快速筑島技術,僅用了221天就完成兩島筑島,縮短工期超過2年,還實現了綠色施工。”蘇權科介紹,采用傳統的拋石填海、圍堤筑島技術,工期長達3年,會對周邊環境及航道產生極大影響。科研人員設計了多個方案,最后探索出外海快速筑島技術,即采用120個巨型鋼圓筒直接固定在海床上插入海底,再在中間填土形成人工島。“每個圓筒直徑有22米,大概和籃球場一般大;最高達51米,相當于18層樓高;重達550噸,與一架A380‘空中客車’相當。”

海底沉管隧道,同樣也是龐然大物。5.6公里的沉管隧道由33個巨型混凝土管節組成,每個管節長180米、寬38米、高11.4米,重量達8萬噸。

“要讓這些管節在海底軟基環境下對接安放,難度堪比航天器交會對接,需要精準的遙控、測繪、超算等一系列技術支撐。” 沉管隧道設計與施工關鍵技術課題研究負責人徐國平介紹,在水下近50米建設深埋沉管隧道,在國際上也被視為“技術禁區”。港珠澳大橋的島隧工程是世界首例深埋沉管。“傳統沉管隧道都是‘淺埋’,但港珠澳大橋的沉管頂部荷載超過傳統沉管5倍,如果按照國外經驗,采用節段式管節(柔性),有可能出現接頭抗力不足、接頭漏水等風險。”徐國平說,技術人員最終從理論上揭示了深埋沉管結構體系受力及變形機理,創新提出“半剛性”沉管新結構。這一方案與國外專家提出的“深埋淺做”方案相比,節省了工期。

“沉管隧道建成后,會不會滲水是成敗的關鍵。因為33個管節之間有大接頭,每個管節又有7個小接頭。地基的不均勻沉降、剪力鍵的結構、止水材料的性能以及地震等因素,都有可能導致隧道漏水。”徐國平說,為了攻克這些難題,他們與多個單位合作攻關,就連制作止水帶的材料也用了兩年多時間自主研發。“國外類似沉管接頭的正常漏水率是5%—10%,半剛性結構改善了沉管結構的防水性能,港珠澳大橋沉管隧道首次做到了無一處漏水。”

精品大橋,百年工程

能抗16級臺風、7級地震,設計壽命長達120年

作為世界最大的鋼結構橋梁,大橋僅主梁鋼板用量就高達42萬噸。“這相當于10座鳥巢或60座埃菲爾鐵塔的重量,能抗16級臺風、7級地震。”蘇權科說,大橋的鋼橋面鋪裝面積達到50萬平方米,也創造了世界紀錄。

更讓人驚嘆的,是這座大橋全部采用了“搭積木”的方式來建造。港珠澳大橋的所有構件,無論大小,包括上千噸重的橋墩、橋身和100多米高的橋塔,都是在岸上工廠整件制造,然后運至海上,像“搭積木”一樣拼裝在一起,實現了精密制造、精密安裝。

“港珠澳大橋在設計之初就確定了‘大型化、工廠化、標準化、裝配化’的理念。”港珠澳大橋管理局副局長余烈表示,施工現場緊鄰航道,每天來往船舶4000多艘,為了滿足工程質量、工期和安全的需要,也為了更好地保護生態環境,采用了這種全新的大橋建設模式。“海上組裝可以降低海上惡劣氣象條件對施工的干擾,降低對生態環境的破壞。岸上預制則讓大型成套設備、先進生產工藝有了用武之地。”

蘇權科感慨地說:“如果不是國家的整體科研和裝備實力到了這一步,做這樣的整體設計是不可想象的。”

港珠澳大橋要做精品工程,設計壽命達到120年,這在我國橋梁史上是從未有過的。“海工環境下,鋼橋面疲勞開裂和混凝土海蝕早期破壞是行業通病,要建成一流工程,必須借助科研的力量來攻克這兩大行業痼疾。”作為港珠澳大橋國家科技支撐計劃課題之一——“混凝土結構120年關鍵技術”的負責人,王勝年帶領團隊進行攻關,從理論、技術、材料、工藝等多方面著手,作出了適合港珠澳大橋的耐久性設計。

港珠澳大橋也是綠色工程。施工之初,最讓人揪心的白海豚僅有1400頭;主體工程完工后,白海豚增加到1800頭。“這也是國家科技支撐計劃的子課題,我們與中國科學院水生生物研究所、中山大學、交通運輸部規劃研究院合作,組建團隊,300多次出海跟蹤,拍攝30多萬張照片,對海域內1000多頭白海豚進行了標識,并摸清白海豚生活習性,在施工時采取針對性保護措施。”余烈說,出海時能看見白海豚,是吉祥如意的象征,工人們既期盼偶遇白海豚,又會刻意避開,讓它們少受干擾。(記者 馮華)