港珠澳大桥岛隧项目部在开始沉管安装施工后,课题解决了挤密砂桩筑岛的难题

必赢亚州手机网站,3月7日清晨,港珠澳大桥岛隧项目部副总经理刘晓东同志发来一条短信:“港珠澳第三十三节沉管E30于今早8点40分完成安装。”我校土木工程学院现代施工技术与项目管理研究室徐伟教授告诉我们:“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。”

港珠澳大桥“同济元素”彰显上海科创硬实力

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10月24日,经过近8年的建设,全长55公里、被称为“工程界的珠峰”的港珠澳大桥将迎来正式通车的历史性时刻。如一道彩虹横跨伶仃洋——它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。寻常人不知道的是,在这座大桥技术最难的节点人工岛及隧道部分,处处体现了“同济元素”。同济大学原常务副校长李永盛介绍,“同济啃的都是‘硬骨头’。”彰显了上海科创硬实力。

最后一节沉管安放

人工岛筑成,同济带来核心技术

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。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。

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,且影响这条繁忙水道的航行,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。同济学者马险峰在“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。

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何谓挤密砂桩?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。可这项技术的难点在于,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。

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。

马险峰团队没有让建设者失望,他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。同济团队带来的数据让让工程设计与施工吃了定心丸。随后,一根根由振华制造的直径22米、高40.5米的钢筒,打入了海底,最终围成了东西两个人工岛。“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”,马险峰骄傲地说。

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隧道抗震,同济为其把脉

沉管安放,最后一节最难。难在哪?徐伟画了一张图,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。”
在E30沉管安装完成的同一天,最终接头钢结构也从上海基地运抵珠海,将在桂山沉管预制厂完成灌浆作业后,选择合适窗口期用12000吨起重船进行吊装,全面实现港珠澳大桥沉管隧道贯通目标。“过段时间,孙钧院士又将带着我去商讨安装施工方案了。”徐伟如是说。

去年5月,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又该如何?诸多难题摆进了同济的实验室,均被一一攻克。

“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。”同济土木学院地下系教授袁勇组成一支团队,担下重任。“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。

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……千百次的实验,一项项技术难关被攻克,最终,袁勇团队拿出了“海外厚软基大回淤超长沉管隧道设计与施工关键技术”。

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