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用钢圆管筑岛,港珠澳大桥人工岛这方案完胜日本

subtitle 了不起的中国制造05-08 07:43 跟贴 8543 条
用钢圆管筑岛的超常规构思,完胜日本企业推荐的传统钢板桩方案;利用带波浪补偿器的钻机、勘察专用钻探平台等精细化勘探;使用8台振动锤,穿越1600公里,吊起下沉120个500吨钢圆管,最终将东西人工岛的“项链”给串起来了。

  出品| 网易新闻学院

  作者| 中国交建

  你以为这是一艘超豪华的海上巨轮?错,这是港珠澳大桥“颜值爆表”的人工岛!

  就在5月2日,万众瞩目的港珠澳大桥完成了海底隧道最后的“接头”,迄今为止世界上最长的跨海大桥——港珠澳大桥主体工程马上就要开通了。

  

  港珠澳大桥海底隧道最终接头吊装

  而海底沉管隧道东西连接两个人工岛,人工岛又与内陆通过桥梁连接,这就是港珠澳大桥。人工岛是控制性工程之一。

  从空中看,港珠澳大桥的人工岛框架,宛如一串项链,而这串项链的每个“珠子”则是直径22米、高度最高50米、重500吨的钢圆筒,就体积而言,每个“珠子”得有10层楼那么高!西人工岛就是由61个珠子串起来的。

  听起来很简单,但是用钢圆管的方式在深海形成人工岛,这可是一项全新的工艺。深海筑岛,非一日之功。把这个10层楼大小的庞然大物坚固的沉入海底,从工厂制造、长距离海上运输、研发专用振沉设备、海上振沉,历经了重重难关。

  超常规构思,完胜日本企业推荐的传统钢板桩方案

  在港珠澳大桥香港口岸人工岛工程中,日本一家企业推荐了传统的钢板桩方案,也希望能在隧道人工岛中采用这种工艺。这个方案是将一条条0.5米宽的钢板插入底,在人工岛建设之初也想过这个方案。但这样一来,22米宽就要打140多次、会产生100多个接口,其工艺流程就很复杂,止水也存在更多不确定因素。

  而且,港珠澳大桥经过珠江口几个主航道和很多非正式航道,每天有4000艘船舶通过,施工过程不能对航运造成大的影响。还有,这里经过中华白海豚国家级自然保护区,工程更得考虑对生态的影响;且长期以来珠江口形成了稳定的三滩两槽水文环境,这是珠三角发展的根本基础之一,施工更不能破坏这种稳定。

  所以,中国工程师提出了这个大胆的构想——用钢圆筒做人工岛防护结构。这个方案不仅可以大大减少船机及海上作业的时间,大圆筒还有良好的稳定性和止水性能,为后续工作提供了一个稳定的环境。

  方案定了,但是加工制造出这些大块头、然后从生产基地运到现场、最后沉入海底,都需要新思路。

  钻机、驳船...精细化勘探的利器

  把钢圆筒打入海底,首先需要摸清海底地质情况。同样,筑岛、海底沉管的安装,首先要搞清楚地层结构,精确了解海底的详细情况,这就要经过精细的勘探。

  翻开岛隧工程地质勘查图纸,密密麻麻的标注着170多个钻孔,400多个测试孔(CPTU孔)。每个孔都需要船舶驻位、钻探测试、取样分析等多个环节。中国工程师研制了5台国内首创的带波浪补偿器的钻机,其波浪补偿系统极大提高了海上钻探及取样的精确性和安全性,在恶劣海洋天气下仍然能够取得高标准的钻探数据。同时,他们研制了国内领先的勘察专用钻探平台,这一设备大大提高了勘探成果精度。

  在钻探、取样、运输、分析的全过程中,不能改变土质的分层分布等原来面貌,只有这样,才能精确了解地质情况,专业术语叫“不扰动原土”。

  经过不断精细化的勘探,2011年1月,岛隧工程首批设计图纸提交。

  制造8台振动锤,吊起下沉钢圆管的“大锤”

  钢圆管直径22米,最高50.5米,一共120个。把它们打入深海,需要有足够能量的“大锤”。所以,“中西合璧”共同打造了8台振动锤,而且工期只有90天。

  这个前所未有的庞然大物,决不是简单的振动锤组拼,而是多项中美高端制造业优势融合。整个振沉系统中,振动锤、同步装置、动力站、液压油管、液压夹头等从美国引进,共振梁、吊架等由上海振华重工制造。

  单台APE600液压振动锤已有工程应用,但采用8台APE600振动锤联动振沉超大型钢圆筒却是中国人的构想,属国际首创。

  同时,中国上海,共振梁也在加快制造。它是一个中心直径22米、截面宽2.4米、高1.2米、重达120吨的圆环形箱梁。顶面安装8个振动锤和同步轴,底面安装24个液压夹具。其技术要求是振动合力居中,能均匀、有效地传递到钢圆筒底部。因此要有足够的刚度和极高的制造精度。中国工程师确定了将共振梁分解成8个构件单体制造,单独加工后再进行整体拼装,吊架与共振梁配作的创新方案。

  在收到美国发出的集装箱后,中国工程师仅用10天就完成了振沉系统的整体组装,比预计时间缩短了整整一个月。

  120个500吨的钢圆管如何穿越1600公里?

  这项工程更关键的主体便是钢圆管了。而且,你可别忘了这个钢圆管的尺寸和庞大的体积。

  钢圆管制作原理很简单,把钢板处理成弧形,然后焊接成筒,就好像做木桶一样,再把一节节短筒焊接成长筒。不过,焊接很有难度:短筒越多,焊缝就越多,焊接量就越大,而且工期紧张。

  中国工程师选择将单个40米的钢圆筒总体分成两段制造,每段采用竖向分块法制造,也就是将钢板单元竖起来放在胎架上,用垂直气电焊将板片拼成筒体。这样一来,竖起来的钢圆筒在横向只有一道焊缝,大大减少了质量风险和焊接量。

  而接下来,这120个庞然大物的运输也是一大难点。一开始,由“振浮8号”装载着首个钢圆筒和振沉动力系统也就是“大锤”,由两条拖轮护航起航,经过一个多星期抵达珠海。但是一个船运一个,这也太慢了。所以,第二船装载了9个钢圆筒,总重4059吨,走了68小时。

  重量大也就算了,这其中还要避开台风,而且50米的钢圆管放在甲板上,完全遮挡住了航行视线,运输难度可想而知。8船钢圆管的运输可谓是经过了最炎热、台风最多的季节,历经“重重磨难”才最终抵达珠海。

  沉下定海神针”,振浮8号立了大功

  伶仃洋海面上,1600吨起重船“振浮8号”吊着振沉系统和钢圆筒,在自主研发的“钢圆筒打设定位精度管理系统”的引导下,正确定位,完成入泥自沉后,随着“开始振沉”指令的发出,中控计算机同时启动8台动力柜和8台振动锤,世界最大的振沉系统第一次开始负载运转。

  钢圆筒达到了入泥深度21米的设计标高,垂直度偏差控制在1/1000以上,这又是一项世界纪录。

  240米长、50米宽、8万吨、8米吃水的大船,是从来没有在施工中用过的。抛锚就是个难题。运输船抛锚线,施工工区根据现场潮流等因素确定四个浮筒位置,运输船必须进驻到浮筒之间,并且四个角分别用三条缆绳与四个浮筒连接以固定轮船位置。看似简单的活,但没个两三个小时是拿不下来的。

  “振浮8号”船长秦汉文表示,大船停泊的地方距离钢圆筒振沉地方最远达到900米,而不能自航的浮吊必须挂缆到运输钢圆筒的大船,通过卷缆向大船靠近,吊装起钢圆筒。然后再通过浮吊另一边的卷锚靠近振沉位置,将钢圆筒吊至指定振沉位置,仅这一段路程就需运行1小时40分钟。因此运行速度慢,吊装时间长,危险系数高。

  而直径22米、高40多米的钢圆筒,每一个都有一个规定位置,最终振沉位置的误差仅允许在10厘米,虽然是圆形,却不能转动一点圈,转动一点圈都有可能导致位置完全不符合要求。

  比如在第三船钢圆筒的驻位上,因潮水影响,大船无法顺利驶进四个浮筒内规定位置,只能调头重来。就在眼看着驻位要成功了的时候,要开始带缆系浮,天公却不作美,下起了瓢泼大雨。海面上一片迷雾,啥也看不见。

  终于,在2011年9月11日,港珠澳大桥岛隧工程西人工岛最后一个钢圆筒稳稳入泥,这串大“项链”最终串起来了。

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  编辑| 于冉帝

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