“龍?zhí)痘⒀ㄒ惨J過去”——港珠澳大橋島隧工程深水深槽技術(shù)攻關(guān)側(cè)記

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5月14日，在珠江口的伶仃主航道邊上，一艘1000噸的浮吊船將重達(dá)760噸的荷載板緩緩沉入40多米深的海中，沉放海域的下方正是第15個(gè)沉管安裝基槽。浮吊船上，工程師們正運(yùn)用儀器觀測基槽的沉降變化情況。一天后，預(yù)制塊被吊起，港珠澳大橋島隧工程第二批荷載板試驗(yàn)完成。觀測數(shù)據(jù)移交設(shè)計(jì)部門分析驗(yàn)證，以判斷后續(xù)沉管能否按照計(jì)劃沉放安裝。

據(jù)港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目總經(jīng)理部總工程師林鳴介紹，從4月下旬開始，基床荷載板試驗(yàn)已進(jìn)行了多次，為的就是獲取不同基礎(chǔ)類型施工期隧道基礎(chǔ)的沉降量。由于港珠澳大橋島隧工程所獨(dú)有的 “世界性”和“唯一性”，建設(shè)者以前所未有的勇氣，向新的世界難度沖鋒，向未知的海底探索?！　?/p>

一個(gè)全新的概念

目前，項(xiàng)目即將進(jìn)行沉管浮運(yùn)安裝作業(yè)，施工區(qū)域水深接近50米，槽深30米左右，在世界沉管隧道建設(shè)史上都沒有先例。正如林鳴所說：“這是一個(gè)未知的領(lǐng)域，我們是在摸著石頭過河。”

為了滿足30萬噸級油輪和10萬噸級集裝箱船的通航需求，航道水深要求達(dá)到－29米，而隧道基礎(chǔ)、沉管自身的高度和管頂回填，共計(jì)20米左右，因此基槽開挖至海平面以下50米左右。工程師們把槽深30米左右的區(qū)域定義為深水深槽區(qū)，港珠澳大橋島隧工程一共有33個(gè)沉管，其中有3公里屬于深水深槽區(qū)，是施工的重中之重。

在沉管安裝施工過程中，工程師們采用了深水施工工藝，也考慮到了基槽里水流復(fù)雜，判斷遇到的主要困難將是紊流。為此，工程師們精心選擇作業(yè)窗口，沉管的安裝施工都很順利，在完成第10個(gè)沉管安裝后，海底隧道已達(dá)到1665米。意想不到的是，第10個(gè)沉管發(fā)生了意外的偏差。

島隧工程項(xiàng)目總經(jīng)理部副總工程師高紀(jì)兵說：“以前我們只想到深水施工，沒有想到深埋沉管還會有深槽的影響。于是，我們關(guān)聯(lián)了海流觀測的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)初的系列實(shí)驗(yàn)和施工海域小區(qū)域洋流觀測情況進(jìn)行了綜合分析，發(fā)現(xiàn)基槽里面的水流確實(shí)跟最初設(shè)想的不一樣。我們以為通過窗口選擇，可以規(guī)避掉紊流的風(fēng)險(xiǎn)，但實(shí)際上對安裝的影響還繼續(xù)存在。”

挑戰(zhàn)前所未有

第10個(gè)沉管安裝完成后，工程師們連續(xù)召開了專題討論會，研究深水深槽沉管安裝將面臨哪些問題。工程師們對沉管安裝的所有細(xì)節(jié)進(jìn)行了排查，沒有找到原因。后來，工程師們在拆下來的導(dǎo)向桿和導(dǎo)向托架上有了新發(fā)現(xiàn)。“有滑移的現(xiàn)象，我們初步判斷可能在深水深槽沉放過程中，沉管有較大運(yùn)動。”現(xiàn)場工程師說。

工程師們關(guān)聯(lián)到曾經(jīng)委托大連理工大學(xué)和武漢理工大學(xué)做的物模試驗(yàn)。試驗(yàn)顯示沉管在深水安裝過程中，會產(chǎn)生低頻微幅的震動，1分鐘內(nèi)會有10公分的擺動。上海交大所做的數(shù)模試驗(yàn)，得出的結(jié)論與之類似。國家海洋預(yù)報(bào)中心南海研究所對基槽里的海流觀測，也顯示基槽內(nèi)有紊流現(xiàn)象，在中潮和大潮時(shí)，還要厲害些。

隨著分析的深入，工程師們重新評估了深槽紊流的影響，同時(shí)也在考慮重達(dá)8萬噸的大質(zhì)量沉管，在海水浮力的作用下僅有1000噸的重量，隨著沉放深度的加大，沉管錨固系統(tǒng)的剛度會不會發(fā)生變化。“安裝時(shí)管節(jié)實(shí)際上靠纜系控制姿態(tài)，就好像吊鉛球一樣，吊得越高，線就越長，沉管越容易擺動，沉放水深又有紊流的影響，運(yùn)動趨勢可能加劇，導(dǎo)致導(dǎo)向桿和導(dǎo)向托架碰撞。”

答案逐漸明了，工程師們判斷，深埋沉管面臨的不僅是深水安裝的問題，還存在深槽施工的一些新問題。“之前我們更重視深埋沉管的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而對深槽安裝特殊問題的認(rèn)識不夠。”高紀(jì)兵說。

除了深水深槽施工在世界范圍內(nèi)無經(jīng)驗(yàn)借鑒和參考，工程施工區(qū)域位于全國三大水系的珠江口，潮流與徑流疊加，工程區(qū)域水文條件極為復(fù)雜，目前正值洪汛期和臺風(fēng)多發(fā)季節(jié)，導(dǎo)致工程難度加大。同時(shí)，這里又是我國最繁忙的航運(yùn)區(qū)域之一，海上航線交錯(cuò)，每天4000多艘船只穿行，通航安全和后續(xù)深水深槽區(qū)沉管施工面臨極大的風(fēng)險(xiǎn)和考驗(yàn)。

“全世界100多條沉管，超過40米水深的很少，深水安裝長度超過2公里的更少。港珠澳大橋沉管隧道槽深30米左右，這在全世界還是第一次；深水安裝的長度超過3公里，在全世界也是第一次。伶仃洋過去沒有槽，珠江帶來的大量泥沙通過航道輸送出去，現(xiàn)在為施工開挖了這個(gè)槽，相當(dāng)于形成了一個(gè)沉淀池?；蹝伿蟮浆F(xiàn)在的一年多時(shí)間，槽里的回淤超過2米，洪汛期間一天的淤積量可能達(dá)到5厘米，沉管安裝準(zhǔn)備時(shí)間至少需要3天，就是15厘米，沉管安裝后的均勻沉降就不能保證。同時(shí)由于是深槽安裝，槽內(nèi)水流情況有了很大的變化，加上臺風(fēng)、洪汛、通航等多種因素的重疊影響，安裝難度更大，風(fēng)險(xiǎn)更高。我們必須認(rèn)真研究面臨的各項(xiàng)困難，攻克深水深槽安裝這一世界難題。”工程師們詳細(xì)分析了工程建設(shè)面臨的困難，吹響了深水深槽技術(shù)攻關(guān)的“集結(jié)號”。

為確保安全，工程師們決定在第11個(gè)沉管安裝前，進(jìn)行荷載板試驗(yàn)，以觀察基床是否會因?yàn)榱啦蹠r(shí)間過長產(chǎn)生不均勻沉降。

試驗(yàn)攻關(guān)解難題

接下來即將進(jìn)行浮運(yùn)安裝作業(yè)的沉管，施工區(qū)域位于伶仃主航道區(qū)，水深接近50米，最大槽深30米左右，在世界隧道沉管建設(shè)史上都沒有先例。工程師們成立了10多個(gè)專題組，開展一系列技術(shù)攻關(guān)，兩座新增測量平臺的建設(shè)也在加緊進(jìn)行。新增的兩座測量平臺不僅能更好地控制沉管安裝精度，改善后續(xù)沉管施工的測量控制條件，同時(shí)也將為其他工作的開展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。“測量平臺和荷載板實(shí)驗(yàn)就是攻堅(jiān)深水深槽沉管施工攻關(guān)工作的開始。”高紀(jì)兵介紹說。

測量平臺和荷載板試驗(yàn)僅僅是解決了阻礙深水深槽沉管施工的兩個(gè)問題。深水深槽區(qū)碎石基床專項(xiàng)施工方案，沉管安裝期間槽內(nèi)海流實(shí)時(shí)觀測方案，管節(jié)運(yùn)動姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測方案等各項(xiàng)攻關(guān)工作也在同步進(jìn)行。

開展流場觀測，掌握了洋流變化規(guī)律。工程師們攜手南海所開展了新中國成立以來最大規(guī)模的海洋洋流研究，進(jìn)行多種數(shù)據(jù)分析，弄清海洋“脾氣”。

進(jìn)行了沉管安裝過程槽內(nèi)流場實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)攻關(guān)，初步形成了從流態(tài)觀測、信息傳輸?shù)叫畔⒃u估、施工決策及作業(yè)指揮一整套監(jiān)控系統(tǒng)，選擇合適的下沉和對接時(shí)機(jī)，避免在復(fù)雜流態(tài)下進(jìn)行沉管對接。

制定了沉管安裝期間管節(jié)運(yùn)動姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測方案，搞清管節(jié)在深槽內(nèi)安裝過程中的運(yùn)動規(guī)律，為深水深槽施工提供定量分析。

截至目前，在工程師們嚴(yán)謹(jǐn)有序的安排下，深水深槽沉管施工的各項(xiàng)科技攻關(guān)正在全面推進(jìn)，沉管安裝的相關(guān)準(zhǔn)備正有序進(jìn)行。“就是龍?zhí)痘⒀ㄒ惨欢ㄒJ過去！”林鳴表達(dá)了建設(shè)者的勇氣和信心。