中国交建再次攻克世界级难题港珠澳大桥岛隧工程首节曲线沉管安装纪实

10月8日,超级工程港珠澳大桥海底隧道完成了首节曲线段沉管E 33的安装,这是从东人工岛安装的第一节沉管。至此,港珠澳大桥海底隧道实现了与东人工岛的成功对接。这是全世界首个工厂化预制的曲线段沉管,外海安装毫无经验可循,中国交建港珠澳大桥岛隧项目团队自主创新,攻坚克难,经过近两年的筹划,1年的科研,半年多的施工准备,成功攻克了曲线段沉管安装的世界级难题。



E33沉管浮运拖航中

10月8日,港珠澳大桥岛隧工程E33沉管安装到位。
  这项工程的基本概念是,在珠江口构筑两个人工岛,然后在这两个人工岛之间,用33个巨大的混凝土管子,次第对接起来形成一个近6公里的海底隧道。两个人工岛分别向东西两个方向通过桥梁连接陆地。
  此次安装的E33沉管,是从东人工岛出发的第一个大管子。海底隧道实现了与东人工岛的成功对接。此前,中国交建项目团队已经从西人工岛出发,依次安装了28节沉管。也就是说,海底隧道有4860米已经贯通。最深处,在海底40多米。
  为了这节沉管的安装,中国交建港珠澳大桥岛隧项目经过近两年的筹划,1年的科研,半年多的施工准备。
   为什么要从东岛开始安装
  港珠澳大桥海底隧道由33节巨型沉管拼接而成,全长5664米,第1节沉管与西人工岛相连接,E33沉管接东人工岛。2013年5月,沉管从西往东依次安装,到今年7月,中国交建建设者完成了28节沉管安装。那为什么不紧接着安装第29节沉管呢?
  每一节沉管高度有11.4米,考虑到沉管倾斜、波浪等因素,浮运过程必须要求水深超过14米。如果按照顺序依次对接,在第29节沉管安装完成后,第30节沉管必须从第29节沉管顶上经过。而第29沉管顶上水深只有14米,非常接近沉管浮运要求的极限值,这样就会存在搁浅或碰撞的极大隐患。因而,选择安全的方式就需要从E 33沉管倒着由东向西安装后面五节沉管。
  2013年5月3日,港珠澳大桥岛隧工程第1节沉管和西人工岛精准对接。12米的海底,这个重5.4万吨、长135米、宽38米、高11米的超大钢筋混凝土沉管,与一个已经浇筑在人工岛中的钢筋混凝土管节严丝合缝地对接在了一起。
  第1节沉管安装,中国交建项目团队在海上连续工作了96个小时。这96个小时中,安装团队绝大多数成员几乎没有休息。巨大的压力,让总指挥、中国交建总工程师、中国交建港珠澳大桥岛隧项目总经理林鸣甚至没时间打个盹。
  为什么?因为这是中国土木工程界第一次组织外海大型深水沉管隧道施工,第1节是第一次中的第一次。
  三年后,他们要再一次面对巨大沉管和人工岛的精准对接。过往的经验难道不能让他们胸有成竹?
  中国交建港珠澳大桥岛隧项目部副总经理尹海卿说:“第1节沉管和西人工岛的对接安装,大家花了96个小时取得了成功,但安装过程让大家以最直接的方式体验到了沉管安装的巨大风险,安装后的评估也让大家意识到沉管隧道安装还有很多没有完全认知到的领域。 ”因此,在E33沉管和东人工岛的精准安装对接中,他们必须充分考虑所有的风险并提出预案,补齐认识短板。
  更重要的是,第1节沉管和E33沉管从结构本身都有着巨大的差异,东西两个人工岛和沉管对接的水文环境有着巨大的差异。所有的工作需要根据这两个差异来分头展开。
  曲线段沉管
  在两年时间里,沿着全面创新的逻辑,针对5节近800多米的曲线段沉管攻关,中国交建项目团队艰难地推进。
  沉管隧道在世界各地已有广泛应用。但是,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深埋沉管隧道。为确保工程120年寿命,所有沉管在一个巨大的工厂制造。
  尹海卿说,沉管工厂预制在全球已有很多先例,但是E33沉管是世界上第一个采用工厂预制法的曲线沉管。最难的问题是,弯曲的8万吨沉管如何顶推、拖运,最后实现安装。
  8万吨的巨大沉管,在工厂预制过程中,通过192个千斤顶顶起来放在四条轨道上面;制成后,通过千斤顶沿着轨道顶推出车间,并通过浮力进入一个巨大的水坞。曲线沉管是一个重心偏移的结构,预制过程中,顶推力的控制难度很大。首先在顶的过程中,不同位置的千斤顶的作用力不一样,要通过不断地设计验证千斤顶的作用力,来确保沉管保持在一个水平状态。“如果某个地方顶力超过或者不足,就会造成沉管重心的偏移,反过来其他地方会形成超负荷或者作用力不够。”尹海卿说。
  在推动沉管移出工厂的过程中,推力的控制也是个难题。“如果是个直线管节,大家只要保持两边的推力平衡,就可以让它沿着轨道直线前进。但是现在大家要让这个曲线管节沿着直线前进,两边的推力就不能相等,要找到这个平衡作用力就很难。”尹海卿表示。如果是很小的构件,找一个支撑点拉着它往前走就可以了,但这是个8万吨的大家伙,根本没法通过一个点或者一个千斤顶让它动起来。多个千斤顶的协调就是个复杂的问题。
  尹海卿反复在讲沉管的“姿态”,这意味着什么?8万吨、180米的沉管,在整个浮运安装过程中,最理想的姿态是横平竖直,也就是能够保持水平状态、沿着直线行走。但这是一个重心偏移的结构,在水中漂浮就完全可能出现倾斜、蛇行。为了确保浮在水中,还要通过在沉管内部加水或者减水的方式来控制。一旦加了水,重心会更加不稳定。在海底安装对接,对沉管“姿态”的控制精度要求是厘米级。所有这些,都需要从理论到试验到实践的全流程论证。
  早在两年前,设计团队就开始了曲线段沉管的研究计算。设计师吕勇刚博士表示,大家围绕这个曲线沉管组织了5个专题,一次次论证、一次次调整,持续了两年多。在他看来,沉管预制的精度控制是个大难题。吕勇刚说:“180米长的沉管由8个小节组成,每个小节之间的设计偏角很小,在预制中要准确设定,如果一个偏角控制不好,100多米出去的时候,偏差就会放大,失之毫厘差之千里,就是这个意思。 ”
  据先容,隧道的曲线半径是5500米,通俗来讲,就是用5个管节共36个节段拼一段5500米半径的圆弧。曲线段的制造、浮运安装涉及到模板改造、钢筋笼绑扎、顶推设计、浮运拖航、缆力布置、姿态调整等多个环节,如果一个管节控制不好,就可能会让整个隧道的曲线半径发生变化。曲线管子生产出来了,如何才能安全浮运,精准对接又是大难题,项目部围绕曲线段沉管安装、测控工艺研究,编制专项施工方案,并进行管节安装模拟推演和管节“姿态”控制方法研究。围绕施工环境、人员、设备等关键要素,项目总部开展了三个阶段的风险辨识评估,对九项重大风险、近上百个风险点进行全面分析、补充和完善,逐一排查,制定了相应的措施和方案,并组织开展了5次沉管沉放演练。
  复杂洋流带来的矛盾
  早在2015年10月,针对E33沉管与东人工岛的对接安装工作,项目部就开始了深入研究。
  首先是风险排查。中国交建建设团队用了两个月的时间确定了风险报告,并在这一年年底组织专家会进行讨论。
  风险因素找到之后,就要寻找解决方案。排查和分析聚焦的第一个重大问题是东人工岛岛头复杂的水流。2016年初,项目部委托南京水利科学院针对E33沉管安装建立数模,来深入研究水流。相比此前第1节沉管安装的物理模型,数字模型对解决问题能够提供更为深刻的参考。
  相比西人工岛,东人工岛附近的水流流速更大,因此“挑流”会更加严重。 “挑流”造成的结果,就是流速加大。巨大沉管的精准安装,必须要在水流流速比较低的情况下实现。或者说,沉管安装有一个水流流速的限制。
  另外,西人工岛与沉管对接形成的轴线,与水流方向是一个正相交,而东人工岛和沉管对接形成的轴线,与水流方向是一个斜相交。正是这个斜相交,使得安装过程中沉管“姿态”的控制变得异常复杂。
  控制水流成为解决问题的根本手段。在数模分析和论证之后,项目部正式把设立导流堤作为控制安装区域水流的方案。2016年6月,导流堤建成,小区域内水流控制效果明显。
  但是,另一个问题马上浮出水面。
  珠江口伶仃洋的洋流时时刻刻都携带着大量的泥沙顺流而下,泥沙淤积和水流冲刷形成了一个平衡。而东人工岛岛头水流流速的降低,则让泥沙开始迅速淤积。
  港珠澳大桥沉管隧道要安装在水底事先挖掘清理出来的深槽之中。每一节沉管安装之前,都要仔细清理深槽中淤积的泥沙,来保证每一节沉管精准对接、滴水不漏。而E33沉管安装位置泥沙的过快淤积,不利于沉管的精准安装。
  此前每一节沉管安装之前,专用的大型清淤船能够迅速完成任务,让清淤和安装的周期变得很短。但由于水深和岛头的限制,大型清淤船没有了施展身手的空间。部分深槽的清淤工作只能采取效率更低的人工清淤来完成,这使清淤和安装的周期变长。
  水流流速和泥沙淤积的矛盾会导致什么问题呢?沉管安装要在风平浪静的情况下进行,台风是沉管安装的头号敌人。能否在40天前就对海洋环境作出精准预报?这是一个不可能完成的任务。
  2016年7月12日,第28节沉管安装成功后,项目部开始准备E 33沉管基床处理,并计划9月择机安装。清淤过程中,今年4号台风“妮妲”在40公里远的地方路过,不仅让之前的所有清淤工作白费一场功夫,新的淤积让项目部又忙乎了整整一个月。因此,安装被一再推迟。
  艰难的决策
  由于沉管基床的整平清淤周期大大延长,港珠澳大桥岛隧工程赖以决策的气象预测保障系统可能失去作用,因为谁也无法预测40天之后会不会有台风来临。
2016年是厄尔尼诺年。一月至八月,没有一个台风光临中国大陆,八月份以后,一个连一个的台风来临。巨大的工期压力,让中国交建建设者不得不和台风赛跑。9月已经因为台风影响错过了一个安装窗口,项目部决定十月上旬安装E33沉管。
  E33沉管碎石基床需综合采用陆上人工铺设、水下潜水员人工铺设和整平船铺设等多种施工方式,其中水下潜水员铺设面积达2500平方米。2016年9月,20多名潜水作业人员戴上全套防护装置,背着100多斤的铅块,潜入14米水下作业,开始了异常昂贵和艰苦的工作。他们首先在海底放置导轨,高程误差严格控制在正负5毫米之间;再用长度9.5米的刮刀实施精确平整,进行碎石垫层铺设填补,实现“去高补低”,以达到高差小于4厘米。经过20多天的海底作业,才顺利完成水下基床整平铺设工作。
  国家海洋预报中心的专家10月3日再次来到建设现场。10月4日沉管安装决策会上,专家提出,气象云图发现,新的台风正在形成;并且7、8、9日三天很可能会出现在珠江口。
怎么办?如果不安装,就会再错失一个窗口期如果台风在施工区域登陆,前期的基床整平清淤可能会被扫荡,E33沉管的安装可能要推迟至12月。如果安装过程中台风登陆,将会是一个不堪承受的灾难。尹海卿说:“纠结,纠结得要死! ”
  最后的决策会上,林鸣要求所有的参会人员表态,要不要把握这个窗口期。10月4日、5日、6日,项目部一直在开会。最后,大家的共识是,只要有一丝的希翼,大家就要抓住这个窗口。每个人都清楚,如果没能把握住这个宝贵的作业窗口,沉管安装计划将被打乱,隧道贯通、大桥通车的目标就将受到影响。
  10月6日,2016年19号台风“艾利”正式编号。7日凌晨5点,E33沉管被拖出坞区,在10多艘海事警戒船的护卫下,12艘大马力拖轮拖航着E33沉管启程出发。林鸣和他的团队也知道,19号台风正在穿过菲律宾北部向北而来。
  在浮运过程中,现场决策组及时跟进台风“艾利”的路径和影响,经过8个多小时的浮运,E33沉管抵达东人工岛岛头安装区。正当现场决策组下达沉放指令时,东岛岛头海域遇到了强烈的波浪影响,现场风力达到了5级。这是一个惊心动魄的等待,直到8日凌晨两点,E33沉管才正式开始沉放。
  经过26个小时的连续作业,在完成千斤顶拉合、水力压接后,10月8日清晨7点20分,E33沉管与东人工岛岛头成功对接。经贯通测量,沉管轴线、标高、纵坡完全满足设计标准。
  尹海卿说,沉管对接之后,第一件事情是赶紧让安装船撤离,“逃,逃出去!”幸运的是,虽然19号台风的路线异常诡异,但竟然在一个“安全距离”之外的地方停下来打转。中国交建项目团队快速完成E33沉管锁定回填,并顺利将安装船拖回到了沉管预制厂深坞内。


  E33安装成功,胜利的喜悦

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