3月7日早上8點40分左右，港珠澳大橋海底隧道最后一節(jié)沉管成功安放，意味著這個“世紀(jì)工程”打贏沉管安裝的“收官之戰(zhàn)”。
全世界任何一個隧道所有者和設(shè)計師都明白，建造100%水密的隧道意味著什么樣的挑戰(zhàn)。一位歐洲著名島隧專家曾說，全世界的節(jié)段式沉管漏水率平均值為10%左右，目前尚沒有沉管隧道100%不漏水的紀(jì)錄。
然而，“奇跡”在港珠澳大橋沉管隧道中出現(xiàn)了：這條5.6公里的海底隧道，在攻破重重技術(shù)難關(guān)之后，保證了40米水壓下的“滴水不漏”，打破了世界紀(jì)錄。
這個“奇跡”，究竟是如何實現(xiàn)的？南方日報記者多方采訪，力爭解開沉管“滴水不漏”的密碼。
在40多米深的海底鋪上“席夢思”
“沉管隧道為什么漏水？歸結(jié)到底，都是基礎(chǔ)出了問題�！睄u隧工程項目總工程師、總經(jīng)理林鳴說。他舉了個例子，港珠澳大橋的地質(zhì)環(huán)境是厚軟土地基，所以沉管基礎(chǔ)剛度協(xié)調(diào)及不均勻沉降控制非常困難，這個問題解決不好，隧道就有可能會漏水。
為了使沉降標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)，工程師在如何使軟土層變硬上做文章，進(jìn)行了多項有價值的創(chuàng)新，用技術(shù)突破打破隧道漏水的天花板，在40多米的深海底下，為沉管鋪上一張舒服的“席夢思”床墊。
作為沉管隧道基礎(chǔ)設(shè)計組分項負(fù)責(zé)人，設(shè)計師張志剛主要承擔(dān)沉管隧道水下基槽、深水基礎(chǔ)及管節(jié)防護(hù)等設(shè)計工作。他起初覺得這些工作應(yīng)該非常輕松簡單，隨著研究深入，張志剛逐漸認(rèn)識到一項前所未有的世界難題擺在面前：近38米寬、180米長度的沉管，30多米深厚軟基，變化無常的水下巖土介質(zhì)，約23米厚度的超大附加荷載，接頭間毫米級的不均勻沉降指標(biāo)，120年的設(shè)計使用壽命……每一個數(shù)字都是一道很難逾越的門坎。
沉管段隧道全長5664米，共計33個管節(jié)，隧道兩端分別坐落在東、西兩個人工島上，中間的沉管段穿越淤泥質(zhì)土、粘土、粉質(zhì)粘土及砂層等不同特性的多種地層。由于隧道兩端的人工島地基相對穩(wěn)定，為了實現(xiàn)隧道基礎(chǔ)縱向剛度的協(xié)調(diào)過渡，有效控制整條隧道的不均勻沉降，建設(shè)團(tuán)隊必須詳細(xì)弄清地質(zhì)與荷載的分布，與時間賽跑，盡快拿出適宜于外海超長沉管的基礎(chǔ)方案。
經(jīng)過無數(shù)次工法比選、理論計算和試驗驗證，幾種在地基處理的教科書工程中耳熟能詳?shù)牡鼗幚矸绞奖怀晒σ浦驳竭@里。工程師們在40多米深的水下為沉管基床底部鋪上2到3米的塊石并夯平，創(chuàng)造一種新的復(fù)合地基，使沉管的沉降值大大縮小，平均沉降值控制在10公分以內(nèi)，而國外的同等數(shù)據(jù)是20公分左右。
剛與柔的抉擇
“席夢思”讓沉管有了舒適的床，但要真正實現(xiàn)“滴水不漏”，這僅僅是基礎(chǔ)。
自1928年人類工程史上修建第一條鋼筋混凝土沉管隧道以來，沉管制作的“工具箱”里只有剛性和柔性兩種方法。
港珠澳大橋島隧工程設(shè)計負(fù)責(zé)人劉曉東用積木給出通俗易懂的比喻：“剛性結(jié)構(gòu)好比一塊長條積木，而柔性結(jié)構(gòu)好比樂高小塊積木拼接的積木條。剛性緣于是整體結(jié)構(gòu)，使接頭漏水的概率減小，但如果基底出現(xiàn)沉降，大體量沉管受力不均勻出問題的概率也隨之增大。而柔性結(jié)構(gòu)是用小管節(jié)串成一個大管節(jié)，比剛性結(jié)構(gòu)應(yīng)對沉降有明顯優(yōu)勢。無論是選擇哪種結(jié)構(gòu)，最終目的是為應(yīng)對地基發(fā)生不均勻沉降時，最大程度減少對海底隧道的影響�！�
由于周圍環(huán)境和水陸空交通的要求，港珠澳大橋島隧工程成為了世界上第一個也是唯一的深埋沉管隧道。在教科書上，沉管隧道被定義為淺埋隧道，到目前為止，全世界已經(jīng)做成的上百條沉管隧道，都是貼著海床或者河床面建設(shè)。但港珠澳大橋隧道的最大特點和最大挑戰(zhàn)就在于深埋。
工程師們通過大量計算分析發(fā)現(xiàn)，在20多米的覆蓋層、超過傳統(tǒng)概念沉管5倍的荷載情況下，采用傳統(tǒng)的剛性或柔性結(jié)構(gòu)體系，沉管結(jié)構(gòu)安全是得不到保障的，工程該怎么辦呢？在剛與柔之間，能不能知道一個平衡點？
2012年11月17日凌晨，劉曉東的手機(jī)上收到一條短信：“嘗試研究一下半剛性�！卑l(fā)信人是總經(jīng)理林鳴。
“那一夜我?guī)缀鯖]睡，凌晨五點左右，我的腦海中突然閃出了半剛性這個概念，它能夠提高接頭的能力，可能是從結(jié)構(gòu)上解決深埋沉管的一條出路�！绷著Q回憶。
他所提出的半剛性結(jié)構(gòu)設(shè)想，是保留甚至強(qiáng)化串起小管節(jié)之間的鋼絞線，加強(qiáng)小管節(jié)之間的連接，使180米長、由8個小節(jié)段連接而成的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的變形受到更大的約束，增強(qiáng)深埋沉管的防錯位能力。
設(shè)計團(tuán)隊用了30多天完成《半剛性沉管結(jié)構(gòu)方案設(shè)計與研究報告》，為了證明“半剛性”結(jié)構(gòu)，工程師們又經(jīng)歷了200多個備受煎熬的日子。此后，他們邀請國內(nèi)外6家專業(yè)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)。研究論證結(jié)果趨同，證明“半剛性”是從結(jié)構(gòu)上解決沉管深埋的科學(xué)方法，最終得到了各方面的一致認(rèn)可。
經(jīng)過兩年的努力和堅持，“半剛性”花費了極小的代價就把沉管深埋的構(gòu)想變成了現(xiàn)實。目前，港珠澳大橋海底隧道已經(jīng)是世界上最長的公路沉管隧道，超過了國內(nèi)沉管隧道的總和。
找到混凝土最佳配合比
沉管試驗室主任張寶蘭與混凝土打了30多年交道，但面對近六公里的海底沉管隧道，要配置出強(qiáng)度、耐久性、施工性、抗裂性都符合設(shè)計指標(biāo)的混凝土，壓力前所未有。
“從表面上看，混凝土配合比計算只是水泥、砂子、石子、水這四種組成材料的用量。實質(zhì)上是根據(jù)組成材料的情況，確定滿足上述四項基本要求的三大參數(shù)：水灰比、單位用水量和砂率。”張寶蘭解釋道。
為了尋找這個混凝土配方，張寶蘭帶著試驗主管李超等試驗人員一起進(jìn)行多方位的試驗。沉管預(yù)制廠位于孤島上，島上氣候環(huán)境和陸地不同。“同一配合比經(jīng)常上午打的狀態(tài)和下午的狀態(tài)都不同，甚至相同的一堆材料，前一罐和后一罐的狀態(tài)相差都會較大。”試驗人員蔡珠解釋說。
為了摸索找出原因，需要不停反復(fù)試驗，找到穩(wěn)定的“重現(xiàn)性”，在耗時近一年、用壞了4個混凝土攪拌機(jī)進(jìn)行了海量的試驗后，基礎(chǔ)配方終于出爐。但這個配方到底行不行，必須通過小尺寸模型試驗和足尺模型試驗去檢驗和完善。
試驗團(tuán)隊經(jīng)過上百次的試驗調(diào)整，開展6次現(xiàn)場小尺寸模型試驗，2次足尺模型試驗，18個人工島沉箱混凝土驗證，最終配制出滿足沉管施工工藝性能要求，并具有低水化熱、低收縮的沉管施工混凝土配合比，提高了混凝土的抗裂性能，從而使沉管混凝土不出現(xiàn)裂縫具有可能性。
“奇跡和美麗都源自每一個工程師追求極致的態(tài)度，配合比秘方也成了我們試驗人員的傳家寶了�！睆垖毺m笑著說。
歷經(jīng)156道工序
位于珠海牛頭島的港珠澳大橋沉管預(yù)制廠，是世界上最大的沉管預(yù)制工廠。為了確保質(zhì)量，流水線作業(yè)和6S管理的概念被引進(jìn)了這個中國第一例工廠法預(yù)制沉管的車間。
從一根鋼筋、一方混凝土到一個180米長的巨型沉管，需要經(jīng)過鋼筋加工、鋼筋籠綁扎、混凝土澆筑、管節(jié)一次舾裝、深淺塢蓄排水及管節(jié)起浮橫移等156道工序�！懊恳坏拦ば蚨缄P(guān)系著120年的使用壽命，每一個過程都充滿風(fēng)險，每一個環(huán)節(jié)都關(guān)乎產(chǎn)品質(zhì)量�！碑�(dāng)被問及如何保障沉管“滴水不漏”時，III工區(qū)二分區(qū)常務(wù)副經(jīng)理陳偉彬深切說道。
據(jù)介紹，為了讓每個崗位上的人員都有操作標(biāo)準(zhǔn)，項目總部和工區(qū)共同制定出《港珠澳大橋島隧工程沉管預(yù)制質(zhì)量控制點管理》體系文件，文件包括6個大項、23個子項、116個小項。
“我們對所有工序全面實行星級管理，對每一個小項的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制層級、檢查方式、檢查頻率、質(zhì)量控制要點，質(zhì)量缺陷處罰制度都有著明確的標(biāo)準(zhǔn)。”負(fù)責(zé)體系執(zhí)行監(jiān)督的質(zhì)保主管孔煉英說。
2016年12月26日，隨著最后一方混凝土在港珠澳大橋珠海牛頭島沉管預(yù)制廠中澆注結(jié)束，港珠澳大橋使用的33節(jié)海底隧道沉管全部完成施工。六年時間，中國交建建設(shè)團(tuán)隊建設(shè)了“33艘航母”，并且創(chuàng)造了百萬方混凝土無裂縫、在40多米水壓下“滴水不漏”的奇跡，書寫了新的歷史。
來源： 南方新聞客戶端
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