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第472期(总第472期) 2017年7月15日   本期四版  上一期  下一期  更多期次  
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吹 尽 黄 沙 始 到 金———我校团队全方位支撑港珠澳大桥建设



筑岛施工,缸筒就是这样振沉的


  7 月7 日,经过近8 年的建 设,全长55 公里、被称为“工程界 的珠峰”的港珠澳大桥迎来了全 线贯通的历史性时刻。仪式虽然 简短,但意义却是非凡。
  港珠澳大桥是当今世界最长 的跨海通道,连接香港大屿山、澳 门半岛和广东省珠海市。主体工程 “海中桥隧”长超过35 公里,海底 隧道长约6.75 公里,桥梁长约22.9 公里。“同济所做的工作主要集中 在大桥最难的东西人工岛及隧道 部分,啃的基本是‘硬骨头’”学校 原常务副校长李永盛教授表示。
  东西人工岛这样筑成因为香港机场的标高及伶仃 洋主航道要求的限制,港珠澳大 桥必须采用隧桥模式,隧桥转换 就得在汪洋大海中建设人工岛。 构建人工岛用什么方式稳妥?传 统的方式是海中选址围堰,抛石 成堤,然后抽干堰内积水,筑建成 岛,但这样会对附近水域的白海 豚造成危害并影响这条繁忙水道 的航行,且工期漫长;还有一种方 式,先打桩,用挤密砂桩圈起围 堰,抽干水然后再筑岛。我校学者 马险峰在“外海厚软基桥隧转换 人工岛设计与施工关键技术”课 题解决了挤密砂桩筑岛的难题。
  采用钢筒围合筑岛,关键问 题一是钢筒打入淤泥并深入至20 余米后其围合的地基如何加固, 再者就是如何解决异常软弱的海 底地基的稳定和沉降问题。“我们 的主要研究任务是要得出挤密砂 桩复合地基在加载之后的砂桩荷 载与位移变化关系、桩土应力分 配以及砂桩周围孔隙水压力的变 化规律,以确定影响挤密砂桩复 合地基承载力和变形的关键因 素”,马险峰介绍。
  何谓挤密砂桩?挤密砂桩就 是利用振动锤将套管振动打入至 规定土深,向套管内投入砂子,通 过套管的反复起拔和下压并施以 振动,使砂子经振压而密实,形成 砂桩。“人工岛所在的地区属于深 厚淤泥层,挤密砂桩打入过程中, 可使桩的挤密和施工中的振动作 用使桩周围的土体密实度增大, 以提高地基承载力。”马险峰说, 在总结国内外同行们此类工作的 基础上,我们进行了包括离心模 型试验配合理论公式计算以模拟 真实的工况在内的一系列实验、 研究。仿照实际施工过程,开发出 了一套在室内试验环境下的挤密 砂桩制备设备;同时采用粒子图 像测速技术与传统位移传感器相 结合的方式观测试验过程中土体 的变形。我们的实验结果都在工 程中得到了应用,成为设计与施 工的重要参考数据。
  “实验结果让工程设计与施 工吃了定心丸。”人工岛工程指挥 部现场工程师告诉我们,这是国 内首次采用钢圆筒作为海上人工 岛的岛壁结构,新工艺的效果很 好。振华制造的直径22 米、高40.5 米的钢筒,为世界上单体直径最 大、高度最高的钢圆筒结构,也是 世界上首次采用8 台液压振动锤 联动振沉体系施工的钢筒。但打 入第一根圆筒费了好大劲儿,茫茫 海上,洋流飘忽,振沉过程中要精 确监控定位及垂直度,及时进行调 整和纠偏极为不易。钢筒进入淤泥 一定深度之后,再也打不进去了, 因为被泥紧紧黏住了。怎么办?经 过反复琢磨,最后采取了进一段后 回抽一次,回抽中用高压水枪冲洗 筒壁,这样一寸寸振挤下到21 米 深的淤泥里。
  一根进去了,后面的就好办 了,建设者们不断地刷新记录:两 天一筒、一天一筒、一天两筒,后来 实现了一天三筒的最快速度。“钢 圆筒体量、钢圆筒振沉施工的垂直 度偏差精确度,八台液压振动锤联 动振沉体系都创下了世界工程史 上的新纪录。”马险峰介绍,2011 年 5 月15 日开始第一根圆筒施工,到 9 月11 日,由61 个超大体量钢圆 筒及124 片弧形钢板副格组成止 水围护结构围成10 万平米的西人 工岛;接着,10 万平米的东人工岛 又在9 月22 日开始施工,12 月21 日围成。“如果使用常规技术,建这 样的两个人工岛起码要一年半,采 用圆钢筒成岛,东西人工岛成岛仅 用了7 个月。”马险峰说。
  2013 年4 月19 日,随着1600 吨起重船的主钩缓缓提升,重300 多吨的钢圆筒及其相邻副格在切除 后被成功吊起,港珠澳大桥岛隧工 程东人工岛岛头最后一个钢圆筒被 顺利拆除,标志着东西人工岛钢圆 筒岛壁围护结构完成历史使命,人 工岛变成了开敞式施工水域,为沉 管对接奠定了坚实的基础。
  隧道抗震,同济有条件 为其把脉今年5 月2 日,港珠澳大桥 隧道最后一节沉管—12 米的连接 管成功安放,标志着大桥建设中 难度最高的隧道工程难题被征 服。
  隧道工程难题无数,每节8 万 吨的沉管如何舾装浮运,万一沉管 没接好怎么办,如此长大的沉管在 海底万一遇上地震怎么办?
  “超长沉管隧道在地震条件 下安全性的试验研究,日本、欧美 等国都开展过,但像港珠澳大桥 这样长度的海底隧道的地震反 应,尚未见到研究成果。”我校土 木学院地下系教授袁勇介绍,国 际工程界曾有一种普遍的认识, 隧道的抗震性能较好,但日本阪 神地震让大型地下结构遭受严重 破坏,神户两条地铁线路的18 座 车站中,大都发生严重的变形、破 损,以致交通瘫痪。
  港珠澳大桥隧道所在的海域 既是繁忙的航道,也是航线必经之 地,采用节段式管节,且具有管节 长度长、水深大、管顶回淤厚度大、 地基软弱且不均匀、沉降控制难、 岛隧结合部受力和施工复杂等特 点。“处于深厚软弱地层上,地层分 布差异大,基岩埋藏在海床面下 50 米以上,这样的水下环境设计 抗震设防标准高的沉管隧道,如何 保其抗震安全性?”袁勇介绍,针对 港珠澳的实际,我们将“海外厚软 基大回淤超长沉管隧道设计与施 工关键技术”分成沉管隧道土—结 构动力相互作用快速实用计算方 法研究、多点非一致地震激励下超 长沉管隧道地震响应快速分析方 法、沉管隧道减震控制技术、沉管 隧道振动台试验模拟技术研究等 四个专题展开研究。
  “地震发生时,其冲击波可能 是纵向的,可能是横向的,也可能 是纵横混合的。对物体的冲击力 可能是挤压、抬升、扭曲,也可能 是多点、多类型受力状态。”袁勇 说,在平均水深超过40 米、深厚淤 泥上的隧道要想在8 度设防烈度 地震的极端状态下不发生扭曲变 形,就得有可靠的试验和精准的 计算。
  在实验室中,袁勇课题组采用 分层铺装的方法模拟海床纵横向 坡度变化;为了模拟上部海水压 力,试验将各种荷载进行折算以 等效覆土压力代替。同时,为了模 拟的真实性,实验采取了可拼装 式节段箱体,再输入各种地震波, 以测试土体自由场地震响应,得 出沉管场地的反应特点。
  “最复杂、最难的就是多点输 入振动台模型试验了。”袁勇说, 用什么来模拟沉管环境,是运来 当地的淤泥、海水,还是采取别的 方式?沉管呢,用什么材料制作? 采用什么样的振动方式?如何利 用已有四个离散振动台面来实现 实际的连续多点地震动输入?袁 勇说,这些难题都被团队一一攻 克。像振动方式,因为港珠澳隧道 的超长特点,将平日单独使用的4 个独立振动台(台面4×6 米,承 重为30 或70 吨)并到一起,组成 线状分布的多点台阵,这样就形 成了长度40 米的多点输入振动 台,输入可以自由改变地震波的 幅值、相位角、周期等关键控制因 素,方便地获得长大沉管的地震 响应规律了。袁勇介绍,实验测试 了150 个地震工况下的隧道结 构—地层动力响应。
  “沉管隧道减震控制技术的关 键在接头处。”袁勇告诉我们,目 前世界上隧道接头分为刚性接 头、半刚性接头、半刚半柔性接头 和柔性接头四大类,各有所长。我 们针对四种接头情况进行了模拟 试验和计算,得出柔性接头的效 果最好,工程采用的就是这种接 头。 (下转第二版)
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  (上接第一版)丁文其团队的成果 让沉管接头滴水不漏深不见底的伶仃 洋,巨大的沉管万一下 去了,这节跟那节不合窍接不上怎么 办,接上了但漏水呢,刚接上好好的 过些日子因为沉降又歪了呢?我校土 木学院丁文其教授团队研发港珠澳 大桥沉管隧道接头张开位移量控制 技术可保证沉管对接严丝合缝、万无 一失。
  丁文其介绍,沉管隧道安装涉 及到的问题包括地基不均匀沉降、大 回淤、高水压、沉船、车辆荷载、潮水 变化、地震、温度作用、混凝土收缩徐 变等,都会影响到沉管隧道接头处的 状况;还有结构受力、防水要求、止水 带选型和施工对管节接头和节段接 头的影响。
  2011 年5 月港珠澳大桥沉管隧 道建设之初,丁文其团队承担的“沉 管隧道接头张开位移量控制技术研 究”也紧张开展起来。两年多的时间 里,丁文其团队研究分析了沉管节段 接头的横向和纵向力学特性和变形 特性,建立横向、纵向内力和位移计 算模型,同时考虑节段接头不同构造 对隧道力学和变形特性的影响;考虑 基槽开挖、碎石基础和不同地层条件 等,建立在不均匀沉降条件下节段接 头张开量计算方法,计算分析后提出 应对的方法;考虑水土压力、不均匀 地基、回淤、沉船等多种施工及运营 工况、温度应力变化和混凝土收缩条 件下的沉管隧道节段接头张开变形 量,计算分析这些影响因素作用下各 接头的张开量及其变化;开展地震对 不同连接情况下节段接头影响的计 算分析等。
  两年多的时间里,课题组多次 前往施工现场,通过理论分析和数值 模拟,计算了数百种组合工况下节段 式沉管隧道的接头张开位移量,确定 了管节与节段变形特性与张开量控 制指标,建立了考虑土层不确定性的 地基基床系数确定方法。丁文其说, 团队建立了基于荷载—结构法的三 维沉管隧道管节精细化计算模型,模 型考虑了管节(4 个)、管节接头(3 个)、 GINA 止水带、节段、节段接头 等细部构件;计算了7 种不同地基处 理情形下的沉管隧道整体沉降、不均 匀沉降量和各管节与节段接头的张 开与错位量。我们的计算充分考虑了 节段接头的构造对管节接头的张开 量影响规律,管节与节段接头的位移 量控制标准,提高沉管隧道的安全性 措施等,研究成果都在工程中一一被 应用了,丁文其说。
  据悉,课题组还根据港珠澳工 程实际,提出了沉管隧道接头张开位 移量的监测方案,制定了监测内容, 建立了数字化远程监测平台和确立 了监测评价预警体系。其中数字化监 测平台通过监测数据采集模块采集 传感器的数据,然后通过 GPRS数 传模块传输至采集工作站来获取采 集数据。数字化监测平台中建立各种 不同数据库和评价预警指标,对采集 的数据实时分析和处理。
  珠海连接线,也是块硬骨头港珠澳大桥还有一块硬骨头: 珠海连接线的拱北隧道工程。
  珠海连接线中的拱北隧道经过 珠海海关的陆上口岸暗挖段才255 米,但工程难度之高、要求之高十分 罕见:这里的土壤是两层淤泥中间夹 一层沙土的“汉堡包地层”,土壤总是 把水吸得饱饱的,且地下水与海水相 通。隧道顶部覆土厚度不足5 米,开 挖最近的地方离海关建筑立柱只有 1.6 米,上面就是日通关量超过30 万 的巨大人流;隧道开挖断面宽约19 米、高约21 米,开挖轮廓面积达 336.8 平方米,是同类型公路隧道的 3 倍多,上下两层的公路隧道。
  这样的地方挖隧道,无异于刀 锋边跳舞。我校胡向东与相关专家一 起经方案全面比选后提出管幕冻结 法。即围绕隧道四周、沿隧道全长布 置的大型钢管,形成管幕;然后把钢 管之间及周围土体冻结成冻土,最终 形成止水帷幕。通俗地讲,这种方法 就是预先沿隧道开挖的轮廓打入一 圈钢做的保护筒,然后冻起来,开挖 就在钢筒+ 冻土围成的封闭圈里进 行。胡向东介绍,这段暗挖工程最终 确定的管幕是由36 根直径1.62 米 的钢管组成,围成了一个宽18 米、高 22 米的椭圆形隧道开挖断面,它的 高度约为7 层楼的高度。
  还有问题,不同于一般的冻结 法,这里的隧道线路为曲线,无法在 土层中布设冻结管。可行的途径是把 冻结管布置在管幕的大钢管里,但这 种做法国内外并无成例,因为不与土 体接触的冻结管是否能把土体冻住、 常年暑热的南方冻土如何抗弱化、如 何限制冻胀避免地面隆起等三大难 题,谁也没有把握。胡向东团队迎难 而上,经过反复比较、测算、试验,设 计出“冻起来、抗弱化、限冻胀”的方 法。提出的方案摈弃传统的单种冻结 管思路,用圆形冻结管、异形冻结管 和冻土限位管三种管路,成功构建起 一套特殊的冻结系统。胡向东介绍, 圆形冻结管和异形冻结管是冻结的 主要冷源,以冻结形成冻土并抵御冻 土弱化;限位管在需要时开启热盐 水,用来限定冻土帷幕的范围从而实 现冻胀的控制。有人通俗地解释这种 方法,把管幕比作人的骨骼,然后利 用冷却盐水管道,通过循环低温盐水 在骨骼周围塑造血肉(冻土),最终形 成完整的“人体”。于是,拱北隧道暗 挖段在拱北口岸的地下最终变身成 了一个长255 米的椭圆形大“冰桶”。
  有了冻结法的支撑,开挖也是 一个技术难点。如此超大断面超浅覆 土的矿山法开挖隧道,势必采用“多 层多部开挖、立体交叉作业”的开挖 方法。把开挖对环境的影响降低到最 小程度是开挖方案的目标,必须寻找 最合理的分层分部开挖具体方案。有 人打趣地将之比喻为“绣花”,其实 “多层多部开挖、立体交叉作业”的工 法比绣花还难。我校黄宏伟、张冬梅 团队承担了开挖方案优化及对环境 影响的研究工作。张冬梅说,责任重 于泰山,施工断面5 米以上的地面就 是车水马龙,谁都不敢大意。根据研 究结果,工程采用5 台阶14 部多导 坑分部开挖作业。即把一个大洞分成 了上下5 层,每层划分2-3 个小洞, 总共14 个小洞。14 个导洞同步开 挖,立体交叉作业频繁。每个导洞内 还要分台阶、分工序组织流水作业, 其组织的难度是以前没有遇到过的。 为此,建设者们结合施工现场实际情 况,通过试开挖不断优化施工机具设 备组合,根据监控量测数据动态调整 施工步距等参数,逐步磨合出一套流 水作业的顺序,交叉向前挖掘推进, 边开挖边用钢材、混凝土进行支护封 闭,保证了工程顺利进行和隧道结构 的稳定。
  三个大跨度通航孔桥抗风没有 问题2009 年开建的港珠澳大桥,桥 梁部分很长,由于技术成熟,且采用 工厂化预制海上安装的工法,工程进 展神速。但是,海况复杂的茫茫伶仃 洋上,主航道桥梁抗风是个问题。
  港珠澳大桥有三个大跨度通航 孔桥,包括青州航道桥(主跨458 米 双塔空间索面钢箱梁斜拉桥)、江海 直达船航道桥(主跨2×258 米三塔 中央索面钢箱梁斜拉桥)和九洲航道 桥(主跨268 米双塔中央索面钢箱梁 斜拉桥)。他们在风高浪急的伶仃洋 上是否能淡定从容,稳稳地把港珠澳 三地通行的使命扛在肩上?
  港珠澳大桥的重要组成部分青 州航道桥,就是现在大家看到的两个 桥墩都有中国结的那座桥。桥采用斜 拉桥方案,这样的桥塔及主梁对风的 作用敏感。再加上桥梁结构特殊新 颖、设计标准高(按120 年寿命期), 结构风荷载的确定没有现成的规范 可依,从结构抗风角度考虑必须进行 斜拉桥方案的颤振稳定性、非线性静 风稳定性分析,以便采取相应的抗风 措施。
  葛耀君说,针对青州航道桥情 况,我们采用主梁小、大比例节段模 型测振风洞试验、主梁、桥塔节段模 型测力风洞试验、桥塔自立状态气弹 模型、全桥气弹模型风洞试验的方法 进行其抗风研究。试验内容包括桥位 设计风速参数确定、结构动力特性计 算分析、主梁小比例节段模型测振风 洞试验、主梁节段模型测力风洞试 验、桥塔节段模型测力风洞试验、桥 塔自立状态气弹模型风洞试验、全桥 气动弹性模型风洞试验、斜拉索风雨 激振及减振方案研究、风障设置等十 数项内容。
  桥塔试验表明,即使在风速65 米/ 秒的风中桥塔也未出现自激和 发散性的驰振现象;拉索试验显示, 螺旋线拉索是一种优良的抗风雨振 措施,而粘滞阻尼器和油阻尼器是应 用广泛拉索附加阻尼产品。试验建议 青州航道桥斜拉索采用加螺旋肋条 的斜拉索,并增加拉索附加阻尼的方 法抑制风雨激振。葛耀君说,试验结 果表明桥塔局部风障措施是青州航 道桥解决桥面大风对行车安全和舒 适性影响的首选工程措施,通过合理 设计的桥塔区域局部风障,改善桥塔 附近的风环境,提高全桥的行车安全 标准风速,便于全桥针对主桥跨中桥 面制定统一的管理措施;其二,建议 结合实时气象观测和基于路网的桥 梁运营管理系统,通过系列交通管理 措施提高大风天气下青州航道桥的 行车安全。
  工程图复核,同济把的是技术 总关口今年3 月7 日清晨,港珠澳大桥 岛隧项目部副总经理刘晓东给我校 土木学院徐伟教授发来一条短信: “港珠澳第三十三节沉管 E30 于今 早8 点40 分完成安装。”徐伟说:“随 着最后一节沉管顺利安放到位,同济 大学承担的港珠澳大桥岛隧结构施 工图复核及相关的科研任务即将顺 利完成。”
  何谓岛隧结构设计复核?由于 港珠澳大桥的沉管隧道深埋外海海 底,其长度和埋置深度达到世界上目 前最长、最深的规模,为了确保这项 国家重点工程的顺利实施,岛隧项目 设计施工总承包中国交通建设股份 有限公司岛隧项目部,委托同济大学 承担其设计文件的复核、审查,并完 成相应的关键技术科研任务。徐伟团 队承担了这项科研任务,孙钧和叶可 明两位院士担任了这项科研任务的 指导工作。
  为何委托同济?最近,港珠澳大 桥岛隧项目总经理林鸣接受《光明日 报》采访时说,巨大沉管的深水安装 是一道难题,荷兰一家世界著名隧道 沉管公司同意派出26 个专家提供技 术咨询(其实这样的超级工程谁也没 有经验),咨询费开价1.5 亿欧元,当 时相当于15 亿元人民币。
  “第二天清早要咬牙签约,头一 天晚上,我整宿睡不着,这么昂贵的 费用,我们心有不甘!”林鸣回忆说。 半夜三点,他有了新想法,决定考虑 别的方案。
  当时,这家荷兰公司表示,衷心 地祝福中国人能够自己研发这套系 统。但是,“如果一旦不成功,再找我 们时就不是这个价钱了。”
  林鸣没有改变主意,他找到了 同济与振华港机,通过合作和集成创 新,终于以较低的成本拥有了自主技 术。
  于是,2012 年开始,往返于工 地、会议室就成为同 济专家的常态,参加 施工方案技术审查、 研讨,“孙钧、叶可明 都已耄耋古稀,但提 出意见和技术方案,条条精湛、丝丝 入扣;团队成员对包括修改细则等 等,知无不言,言无不尽,对世界级工 程负责是大家扛在肩上的光荣责 任”,徐伟介绍。
  据了解,港珠澳大桥岛隧工程 的沉管隧道结构采用33 节180 米长 的管节进行海底铺设。每节管节由8 个节段组成,沉管海底铺设施工时,8 个节段由纵向预应力筋拉结成一个 完整的管节,浮运、就位、安装和锁定 施工。对于深埋超长的海底隧道,沉 管管节之间的连接和管节中节段之 间的连接设计,是一个关键技术问 题。国外的那家咨询单位在没有工程 先例参考资料的情况下,建议采用柔 性连接,但是港珠澳隧道深埋区段上 部的覆土荷载大,河床远期面临航道 疏浚加深的规划方案。这些工程条件 会对采用柔性连接的沉管结构产生 怎样的结构影响具有很大的不确定 性。港珠澳大桥岛隧项目部在开始沉 管安装施工后,提出了沉管结构连接 方式改进的科研任务。依据项目部提 出的增加连接刚度的要求,徐伟教授 团队对改进节点的设计展开了系统 的科研工作,包括连接节点刚度的加 强对沉管隧道整体结构产生的影响, 加强后的沉管隧道结构在后期航道 疏浚条件下的变形控制等问题。团队 经过模拟及计算,对调整后沉管结构 在使用荷载和地震荷载作用下的应 力状况展开分析,得出了沉管结构连 接方式改进是可行的也是必要的研 究结论,并在项目建设单位的决策论 证会上对外国公司的意见做了逐条 的解释,产生了很好的技术支撑作 用。
  沉管安放,最后一节最难。难在 哪?徐伟为记者画了一张图,说海底 隧道呈坡度较缓的弧形,就像一张弓 的弓背,全长5664 米的港珠澳大桥 海底隧道由33 节巨型管节对接安装 而成,包括28 节直线段管节和5 节 曲线段管节,从东西人工岛两端相对 安装。其中第29 节已经安装,卧在海 底,第30 节(按照计划的安放序列, 倒数第二节为29 节,最后一节为30 节)管节长171 米,整体呈梯形,位于 海底隧道合龙口的东侧,与第31 节 安装合龙,是保证港珠澳大桥海底隧 道全线成功安装的最后一道关口,该 管节的安装施工作业空间最小,龙口 水流最急,对接位置的精度要求最 高。该管节的顺利沉放安装施工完 成,奠定了港珠澳沉管隧道施工成功 的基础。中交港珠澳大桥岛隧工程项 目总经理林鸣告诉媒体:“整个沉管 隧道的施工安装过程,就是彰显国力 的过程,我们运用了很多大国重器装 备,集成了很多跨行业跨领域的技 术,应该为我们的同事点赞,更应该 为我们的国家点赞。”
  采访获悉,大桥隧道建设中,我 校孙钧院士等四次赶赴港珠澳大桥 指挥部“望闻问切”,知无不言。“每次 看到孙钧院士、钱七虎院士、叶可明 院士这些老专家坐在那里,我的心里 就定定的。”林鸣深情地说。(程国政)

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