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第A14版:新闻周刊·科技能见度

■解码港珠澳大桥③

四十米海底“巨人之吻”

2014-02-22

    “津平1”号抛石整平船。

    “捷龙”号清淤船。

    “金雄”号抓斗船。

    东西人工岛初具雏形,两岛相连一端的隧道暗埋段也已浇筑成型。与此同时,“超级管”在桂山岛上的“超级工厂”里紧张有序生产。

    在伶仃洋的海面上,东西人工岛之间,还有一块忙碌的工地,它们隐藏在平均40米深的海底。抓斗船、清淤船、整平船忙碌地在海面上穿梭。它们在海底挖掘基槽、清吸淤泥、抛夯块石,再铺设碎石整平层,为沉管对接准备坚实的“床铺”。

    沉管隧道的基槽挖好后,比航空母舰还要大的沉管将被浩浩荡荡的船队浮运到这里。在40米深的海底,8万吨、180米长的沉管首先与浇筑在人工岛上的混凝土管节对接,进行“海底之吻”,再一节节续尾对接,并最终将东西人工岛连接起来。到此时,港珠澳大桥岛隧工程便宣告基本完成。

    定深平挖抓斗船海底绣花

    在港珠澳大桥隧道基槽开挖过程中,按技术条件,3米左右的误差就能达到国家标准要求,要做到仅0.5米误差,在国内疏浚行业还无先例,可谓“精挖”

    “要放沉管,先要挖沟。”中交港珠澳大桥岛隧工程第Ⅳ工区书记漫犟斌说:“挖沟”是他们第Ⅳ工区(疏浚工程)最核心的业务。经过反复论证和试验,最终确定了基槽开挖的方案。

    海底地基铺设的流程包括粗挖抓、精挖、清淤、深基槽检测,接着抛夯厚2米的块石,再铺设1.3米厚碎石整平层。整个工程的关键之一是基槽开挖精度控制和基槽淤积物的处理。

    海底隧道是锅底型,除了最底下一节是水平放置,其他32节都有不同的坡度。因此海底隧道的基槽就要挖成最终隧道的形状,每一节都要挖得不一样,这也要求施工船控制得非常精准。

    与对精度近乎严苛的要求对应的却是严酷的施工环境。岛隧工程施工区域是在伶仃洋海域,距离陆地约14海里。这里施工环境恶劣:夏季台风频发,热带风暴频繁,冬季强风大雾天气多;且进出船舶通航频繁,穿越中华白海豚核心保护区,环保要求严格……

    而且,沉管隧道为东西走向,与广州港出海航道近乎垂直,施工船需要顶着流速高达4节的洋流作业,还需要时刻防止因洋流原因导致走锚造成定位不准、出现定深偏差等情况。

    2011年4月13日,抓斗船“金雄”号开始了第一节管节E1段精挖。“金雄”号上的抓斗重达110吨,斗身高近4层楼,巨大的抓斗张开时最大宽度可达9米,抓斗容量达30立方米。按照工程要求,沉管隧道基槽最大挖深为48.5米,超深严格控制在0—0.5米之间。

    在平时的施工中,0.5米的误差控制似乎轻易就能做到,而对于挖泥,按照中国疏浚行业规范,在离岸500米以上水域用斗容18立方米的抓斗开挖基槽,其平均超深为1米,最大超深约2米;而当挖泥水深大于等于20米或抓斗大于18立方米时,3米左右的误差都是满足国家标准要求的,所以,0.5米这种高质量标准要求的施工误差,在国内疏浚行业还无先例,被称为“海底绣花”。

    如何让“金雄”号这个“粗汉”干好“绣花”的细活儿?2011年以来,中交广航局先后投入了巨资对参与沉管隧道基槽施工的作业船舶进行了技改。“金雄精挖直接数字控制系统”的研发和设备改造就是其中重要一项。通过这个系统,彻底解决了“金雄”深海作业“看得见”“控得住”“测得出”三大作业难题。

    为了保证“海底绣花”的质量,广航局和第Ⅳ工区开展了以“隧道基槽硬底质高程检测”为专题的关键技术研究,投入了包括世界最先进的多波束测探系统、泥浆密度测试仪以及RTK实时动态定位技术等测量设备和技术。

    2011年5月份,西人工岛基槽开挖及沉管隧道基槽E1管节段精挖通过验收。国内多名院士和专家评价称,这项工程填补了我国在特殊条件下实施超常规深度精挖的空白。

    整平清淤作业船交叉施工

    要保证沉管稳妥安放,需要抛填块石和碎石,这个过程中,控制精度同样重要,最终,在整平船和清淤船轮番作业下,碎石层整平高差不超2厘米

    挖出基槽后,泥面显然难以保障沉管在海底的稳定,接下来还要抛填块石和碎石,才能保证沉管能够稳稳妥妥、均匀受力地安放着床。流程是抛石船向基槽精确抛石后,用噪音较小的液压锤夯实,然后铺上碎石垫层。

    这个过程中,控制精度同样是最关键的问题。碎石层要求平整、高差不超过4厘米。为了保证15米海底这4厘米的精度,一航局和振华重工自主研发制造了“津平1”号深水碎石整平船以及碎石供料回填船“经纬”轮。

    负责抛填碎石并整平碎石层工作的是中交岛隧项目第Ⅴ工区。工区综合部部长王有祥介绍,在西人工岛岛头附近,用于铺垫碎石的大型设备施展不开,只能人工铺设。20多名潜水员潜入15米的水底,在块石夯平的基础上铺设5道钢轨,作为基槽平整度的标尺。

    2013年3月17日,导轨到位后,作业船通过吊筐向基床上输送碎石,潜水员再次入水,沿着导轨推动刮道来精确整平碎石。22名山东大汉分成11组,轮换下水。在16天里,他们用双手完成了异常艰苦的海底作业。

    之后,世界最大的外海抛石整平船“津平1”号下水,开始整平沉管基床。整平船的到来,大大提升了碎石铺设效率。这艘整平船利用更加精确的导管,仔细地在基槽上铺上了一层碎石。一种新型的声呐被安装在导管上,用来探测碎石层的高度,并控制导管的位置和下料速度。检测证明,碎石层整平做到的最高精度是正负不超2厘米。

    岛隧工程是敞开式的外海施工,施工区域属于冲积性三角洲,上游会源源不断地将泥沙送到河口,逐渐淤积在基槽里。因此在基槽挖好之后、沉管安装之前,清淤船像是忙碌的小蚂蚁一样,不停地将地基上的淤泥清走,每段管节安装之前,甚至可能需要清淤四五次。

    比起技术要求,时间的约束对工程的影响更大。环环相扣,留给每一环节的时间窗口都很狭窄。

    漫犟斌介绍,基础工程由三个工区交叉作业,各个工区按照时间窗口进行施工,各项工序排开,挖基槽一周,抛块石一周,清淤一周,再铺碎石一周,总计一个月,时间是固定排好的。

    “但如果抛了几块块石就出现淤泥就必须再清淤,或者碎石抛至一半突然出现骤淤就必须先清除淤泥,这就使得多项工序没法在计划的一个月内完成。”漫犟斌说。

    王有祥补充说,时间虽然耽误不起,但也不能太提前,“比如碎石层的整平工作为了和下一个沉管安装工序衔接,就不能提前太多。因为两道工序之间间隔时间过久就会导致回淤,给清淤单位增加工作量。所以留给整平工序的只有两三天时间。”

    漫犟斌介绍,为了提高施工效率、缩短工期,在施工现场,各项目部破除了不同单位之间的隔阂和限制,直接在现场进行交叉指挥和协调,不分你我,实现了管理上的无缝对接。

    安装船联合拖轮海上转运

    沉管管节“安家”条件具备后,沉管安装船携沉管在拖轮的助力下在海上浮运,到达指定位置后,沉管将和人工岛上的暗埋段管节精确对接

    2013年4月16日,岛隧工程E1管节基床整平工作顺利完成,首节沉管管节“安家”条件准备完毕。接下来就需要把沉管从车间拖拉到海中,和已经浇筑在人工岛上的暗埋段管节精确对接。

    此时,安静地在深水坞等待的沉管已经处于“津安2”、“津安3”两艘姐妹安装船的怀抱中。中交联合体港珠澳大桥岛隧工程项目部副总工程师陈伟彬介绍,这两艘船实质上类似于起重船,起吊装置在船底下,就可以控制沉管下沉到海底,与浇筑在人工岛上的管节对接。

    虽然海面很开阔,但适合沉管浮运的航道非常窄。而且海上洋流流速大,方向变化快,短短7个小时内会有两到三次变化,所以拖轮要控制沉管,让它在流速和流向的变化下保持稳定非常困难。“我们采用GPS导航,在拖轮和沉管上都安装了卫星定位系统,通过卫星定位来控制拖轮的角度和拖力,通过这个控制沉管浮运。”王有祥介绍。

    在浮运之前,还需要进行气象窗口分析。一般情况下,每个月有两次浮运的机会,这两个时间段洋流流速比较小,流向也较符合船队的需要。

    在选定好施工时间窗口后,各种前期的风险分析会议、决策会议依次召开。拖运风险控制会主要分析在拖运过程中洋流、台风、机械损坏等可能存在的风险因素。这些分析甚至细致到一颗螺丝是否可能损坏、拖运缆绳会不会断。

    同时,现场也开始准备沉管的浮运工作。安装船驾到沉管上,和沉管实现连接后,通过绞索绞移出深坞。绞移出去后,拖轮开始编队,由1艘6900匹、1艘6800匹和2艘5200匹大马力全回转拖轮进行吊拖,4艘全回转拖轮进行帮拖。

    2013年5月2日,巨大的船机编队从伶仃洋桂山岛出发。8艘拖轮分别在沉管四个角和两艘安装船的两边。12艘警卫船护卫左右,前面还有开道船,周围还跟随着备用拖轮、锚艇。整个船队有20多艘,总马力达5万匹,非常壮观。

    沉管船队首次出航如履薄冰,14公里的海路走了整整11个小时,安装船才将沉管浮运到位。“到位”有着明确的含义:东西人工岛连成一条线,桂山岛在南面,从桂山岛出发沿着航线到达与东西岛连线相交的点。

    王有祥介绍,沉管到位后要转向拖移,以首段管节为例,E1管节先拖到E3段的位置,之后拖轮就要一个一个地与沉管和安装船脱离。

    在此之前,工人们提前在海底安装了12个大锚,每一个锚的抓力是120吨。每脱离一个拖轮,就有一条连接抓力锚的缆绳立即与沉管船相连,这个过程被称为“系泊”。全部连接以后,先稳定浮运沉管船只的姿态,然后再通过安装船上的绞车慢慢将沉管船拖到E2段的位置。

    拉合千斤顶实现  深海之吻

    沉管对接时,一个管节端面是精度为毫米级的环状钢板圈,另一个管节端面是坚实耐用的特种橡胶圈,精确对接之后,巨大的水压使两个管节紧密贴在一起

    到达E2段位置后,就开始了沉管下沉安装。

    中交联合体港珠澳大桥岛隧工程项目部常务副总工程师尹海卿介绍,沉管对接的精确度要求非常高,两边横向偏差要控制在2厘米之内,纵向偏差3.5厘米之内,轴线偏差控制在5厘米之内。

    王有祥介绍,因为是在深海安装,又受到洋流的影响,沉管下沉的过程也很不稳定,可能会对先前安装的沉管造成扰动,有着很大的风险与不确定因素。这时就用上了深海无人沉放对接系统。

    “所有的安装都是靠安装船控制室里的按钮和操纵杆来完成的。”王有祥说。为了避免对海底碎石基床的扰动,沉管下放的时候并不是直接放下去,而是下降几米再往前走几米,呈阶梯式的轨迹。最后沉管着床的时候与已安装了沉管的对接端一般有十几厘米的距离。

    这段距离需要靠拉合系统来拉合。待安管节上有两个荷兰进口的拉合千斤顶,价格昂贵,也是由中央控制系统来控制。这套全新的拉合系统集成了位移传感器,在拉合千斤顶连接后,可以精确测量管节安装的距离。两个千斤顶搭接到已安装沉管上的承受端,再经过1小时慢慢的压缩使得待安沉管与已安沉管慢慢接触并接合,实现“海底之吻”。

    “海底之吻”绵密而漫长。一个管节端面是精度为毫米级的环状钢板圈,另一个管节端面是坚实耐用的特种橡胶圈,精确对接之后,巨大的水压将使两个管节严丝合缝地贴在一起。

    初步贴合接触的两根沉管通过水力压接继续紧密闭合。

    精调系统用于管节水力压接后二次精确调位。两个管节对接后,形成了密闭系统,建设者通过人工岛上的固定管节打开沉管预设的操作门,安装上精调系统,对沉管进一步微调。

    后期还需检测沉管安装精度是否与设计的要求相符,工人下潜到沉管上进行测量。“两边横向偏差要求控制在2厘米以内,但实际上,我们最精确的管节对接精度已达到12毫米。”王有祥说。

    测量完以后,测量设备、拉合千斤顶都必须要拆除,之后安装船脱离沉管。在脱离的同时也要进行回填工作,就是在沉管两侧进行碎石回填,锁定沉管的姿态,这是由专门的回填块石的船只来操作。

    首节沉管浮运安装后,在接下来的3年里,28个标准沉管和4个较小的非标准沉管,将依次在海面拖行约14公里,以同样的精度在海平面下平均40米的深处对接,并形成一条长约6公里的海底隧道,设计使用120年。

    几年之后,当港珠澳大桥全线竣工通车时,驾车经过的人们,大概也难以想象,为了制造出这样一条连通港珠澳的海底隧道,建造者们挥洒了怎样的智慧和汗水。

    (本版图片由受访者提供)

    ●南方日报记者

    李秀婷 向松阳 张婧

    发自珠海、中山

    策划统筹:江华 殷剑锋

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