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新中国经济70年·重大工程|亲历者刘晓东:港珠澳大桥的原创性技术革新

港珠澳大桥的原创性技术革新,是中国对世界的贡献。

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重大工程

党的十八大以来,围绕国家重大战略需求,中国实施了一大批重大工程。目前世界下潜最深的研究型载人潜水器“蛟龙号”,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”,遨游星汉的“天宫二号”,世界最快超级计算机“神威·太湖之光”,北京新机场工程,港珠澳大桥工程,以及新一代信息基础设施工程等。这些重大工程成为牵引“中国现代化建设列车”砥砺前行的“火车头”,为增强综合国力,促进经济社会发展发挥了不可替代的作用。

p176 2018 年7 月12 日,湖北宜昌,三峡水库持续泄,迎接“长江2018 年第2 号洪水”。视觉中国

2018年7月12日,湖北宜昌,三峡水库持续泄,迎接“长江2018年第2号洪水”。(视觉中国)

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港珠澳大桥的原创性技术革新是中国对世界的贡献

2010年,对港珠澳大桥岛隧工程总设计师刘晓东来说,是特别的一年。

这一年,他放弃驾轻就熟的桥梁设计工作,转入一个大多数中国工程师都对之陌生的领域,牵头负责港珠澳大桥隧道和人工岛的施工图设计。刘晓东坦言,一开始他也犹豫过,但最终还是和团队一起在往后的7年多时间里反复打磨出140多册、1万多页的设计方案。

港珠澳大桥东连香港,西接珠海和澳门,集桥、岛、隧为一体,全长55公里,使用寿命120年,总投资超1000亿,被称为世界桥梁建设史上的 “珠穆朗玛峰”,历经了6年的前期准备和9年的建设。

谈起这座超级工程,刘晓东跟记者分享了大桥建造的很多难忘经历,而他与团队共同实现的原创性技术革新则为世界桥梁建设积累了更为丰富的成果与经验。

研发“半刚性”沉管结构,成就100%不漏水的海底隧道

在港珠澳大桥之前的沉管隧道都采用“刚性”或“柔性”结构体系,刚性结构好比一块长条积木,而柔性结构是用小管节串成一个大管节,好比小块积木拼接的积木条。但是,两种结构体系一般埋深只有2〜3米,承载过大可能造成漏水。

港珠澳大桥有4公里的沉管隧道埋深达到了22米,承载超过浅埋沉管5倍的荷载,如何确保沉管隧道100%不漏水?这个问题,困扰了刘晓东和团队近一年的时间。

其间,有外国隧道专家给出“深埋浅做”的几种解决方案,但都需要十几亿元人民币的投资,刘晓东认为这样做代价太大。他和团队心有不甘,期望能找到一种替代性结构,打造一条不漏水的沉管隧道。

“2012年11月17日凌晨5点,我收到了这样一条短信‘尝试研究一下半刚性,林鸣’,我猛然觉得灵光一现,由此开始了半刚性沉管结构的研发。”刘晓东这样告诉记者。

所谓“半刚性”沉管结构,融合了“柔性”和“刚性”沉管的优点。据刘晓东介绍,“半刚性”沉管结构是在柔性管节结构的基础上,引入了创新的纵向预应力系统,利用预应力钢筋控制各节段接头运动量,保证水密性。但是,研究成果出来后,长达一年多的时间里,引发了各种质疑与争论。

最终,他们邀请到国内外6家专业研究机构进行“背对背”的分析计算,从模型试验及原理上验证“半刚性”的结构。结果都证明了“半刚性”方案可行,从结构上可以解决沉管深埋的难题。

2013年5月2日上午,港珠澳大桥沉管隧道第一节沉管出坞浮运,世界最大的海底沉管隧道施工终于开始了,5月6日,首节沉管顺利与西人工岛暗埋段对接,完成“海底初吻”。

“半刚性”沉管纵向结构只花费了极小的代价就把沉管深埋的构想变成了现实,从而保障了港珠澳大桥隧道段成为不漏水的海底隧道。从此,世界百年沉管结构的工具箱里,除了已有的“刚性”和“柔性”之外,增加了“半刚性”这个新成员。

半道出家牵头岛隧工程设计,创下更改八成以上原设计方案纪录

2004年,刘晓东开始负责港珠澳大桥前期研究工作,先后主持完成了大桥工程可行性研究、总体方案深化研究和主体工程初步设计等。2010年,岛隧工程项目投标时,项目总经理林鸣邀请他来牵头岛隧工程设计工作,当时,刘晓东的心里是矛盾的。

刘晓东告诉记者,他原来的专业是桥梁工程,主要的工程经验和业绩也主要是桥梁工程,牵头岛隧工程设计工作就意味着要放弃原来十几年的专业,转入一个大多数中国工程师都陌生的领域,更重要的是,万一做得不成功怎么办。

“对于这样一个当今世界最难的工程,中国工程师之前的沉管经验不能匹配,必须学习创新,而我没有小沉管经验也许能劣势变优势。这是当时林鸣说服我的一个重要理由。”刘晓东就这么被说动了,也因此下定了决心。

在此后的7年多时间里,刘晓东和团队一起经历了学习、追赶和创新的过程,为确保工程一次完成,他和工程技术人员一次次地推翻原有方案,创造了在一个工程中更改八成以上原设计方案的纪录。

刘晓东提到,当时为了控制沉管隧道沉降,在软土区域需要有处理方案,原设计方案是由外国工程师依据国外经验提出,其方案是采用“钢减沉桩”,就是在海底打桩,上面铺上桩帽,桩帽上面再铺碎石,之后把沉管放在上面。他们原本是比较相信外国工程师方案的,但是之后的试验结果却令他们惊出一身冷汗。

试验结果是沉降变形,桩帽上的碎石散落,专业术语为“不收拢”,与设计数据相差悬殊。他们细问了老外几个问题,才得知原来用的是江河上沉管隧道的经验办法,且其中还有未经验证的“假设”。

如果按照原方案做,港珠澳大桥的海底隧道建设将有很大的风险,于是,岛隧项目部及设计组内部开始分头行动,在最短的时间内基于数个可用方案创造性地提出并确定了两套备用方案。经过多次专项技术讨论会与专家咨询会后,前后历时约一年,方案二作为最终方案被确定下来,也即保留原方案的碎石垫层设置,并将人工岛岛壁下已使用的挤密砂桩方案移植到隧道,形成组合构造的基础方案。

刘晓东提起这段经历时,感叹道,幸不辱使命。

港珠澳大桥的原创性技术革新,是中国对世界的贡献

原来的沉管结构体系适用于浅埋隧道,港珠澳大桥岛隧工程在世界范围内首次提出了全新的“半刚性”沉管隧道结构体系+记忆支座(发挥类似“保险丝”的作用),解决了沉管深埋技术难题,而这只是港珠澳大桥在岛隧工程上众多原创性技术革新中的一个。

谈起岛隧工程中的原创性技术革新,刘晓东如数家珍。比如,软土隧道沉管沉降控制是沉管质量的关键,也是一项世界级难题,他和团队首次研究并采用了组合基床+复合地基的基础方案,将国外同类软土隧道沉降一般在10〜20cm控制在7cm左右,解决了软土隧道沉降控制的难题;考虑到之前沉管单节体量在5万吨级别,港珠澳大桥沉管体量达8万吨,于是他们研发了工厂法进行管节预制,首次实现曲线沉管工厂法预制,提升了沉管预制控裂技术;他们研发的整体式可逆主动止水沉管最终接头,则颠覆了之前沉管的最终接头方法,现场只需一天(原来一般需6个月以上)即可完成沉管合龙,并可实现多次重复对接调整。

刘晓东认为,这些革新技术促进了世界沉管技术发展,为世界同行高度认可,是中国对世界的贡献。

2018年10月24日,港珠澳大桥正式通车。从此,香港、珠海、澳门三地间的时空距离极大缩短,从香港到珠海、澳门仅需30分钟的车程。

刘晓东向《中国经济周刊》记者表示,港珠澳大桥的建成实现了便捷陆路联通,改变了区域时空观,使香港、澳门和广东三个经济体间的生产要素价值差距缩小,从而便于更合理的产业及城市分工布局,将带动内地的产业结构升级及香港地区产业价值链的延长。

(《中国经济周刊》记者罗赟采访报道)

编辑:邹松霖

(本文刊发于《中国经济周刊》2019年第18期)


 

2019年第18期《中国经济周刊》封面

2019年第18期《中国经济周刊》封面


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(网络编辑:崔晓萌)
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