“半剛性”新結構:構想變藍圖
- 發佈時間:2016-01-11 01:31:32 來源:科技日報 責任編輯:羅伯特
■風行者
全長49.968公里,主體工程“海中橋隧”長35.578公里,設計時速為100公里,總投資超1000多億元。在祖國的南海,一座連接香港、珠海和澳門的巨大橋梁已經進入決戰期,這便是舉世矚目的港珠澳大橋。
到2015年12月,已安裝隧道總長達4185米,是當今世界最長的公路沉管隧道,各項指標都達到最好水準。“我們首創了‘半剛性’沉管結構方案,保證了項目的順利推進。”中國交建總工程師兼港珠澳大橋島隧項目總工程師林鳴對記者説。
島隧工程是港珠澳大橋的控制性工程,從2010年底開工建設至今已有5年的時間。其中海底隧道總長5664米,由33節巨型沉管對接而成。
經過兩年的努力和堅持,“半剛性”新結構終於從構想變成藍圖。
水底地下2、3米和40米的差距
在水底建隧道,目前有兩種方法,一是沉管,二是盾構。而港珠澳大橋設計,因為要預留珠江口航道,並考慮香港機場航線限高和控制珠江阻水率等多方面需求,在海上建隧道成為必然選擇。
設計是在大海上建兩個人工島,然後在40多米的深海底,做出長達五六公里的海底平直的道路,再放置沉管,做成海底隧道。
“在教科書上,沉管隧道是被定義為淺埋隧道,到目前為止,全世界已經做成了一百四五十條沉管隧道,都是貼著海床或者河床面建設,已有的沉管建設方式只是在水下2—3米。”林鳴説。2、3米和40米的差距!這將是對水下沉管隧道傳統概念的顛覆。
傳統概念沉管隧道只有剛性、柔性兩種結構體系,都僅適用於淺埋隧道。 剛性沉管身長,接頭小;而柔性沉管身短,接頭用粘膠,有彈性,遇到外力,有浮動的餘地。“柔性沉管有點像蛇。”林鳴形象地説。
港珠澳大橋在設計階段,對深水深埋這個問題,施工方案暫定為“深埋淺做”,並提出兩個方案,一是在沉管頂部回填與水差不多重的輕質填料,這需要增加十多億投資,工程工期也會延長;另一個方案是在120年運營期內通過維護性挖泥,控制回淤物厚度,這需要花費數十億元維護費。由於成本太高,在建設前期過程中,沉管安放施工難題一直懸而未決。
繼剛性、柔性後,探索出第三種路
港珠澳大橋沉管隧道有兩百多個水下接頭,只要有一個接頭遭到破壞,後果都將不堪設想。“通過大量的計算分析,在20多米的覆蓋層,超過傳統概念沉管5倍的荷載情況下,採用傳統的結構體系,沉管結構安全是得不到保障的。”林鳴説。
與陸地相比,在深海底施工,遇到的難題可謂幾何倍。海底的風浪、地貌等均是變數,更別説要在深海下將沉管精準對接。
“深埋淺做”對工程雖有交代,但成本太大。能否從結構設計上找到一條出路?2012年年初,林鳴開始率領年輕的設計團隊,開始了艱難的探索,希望為工程找到第三條出路。
這條路艱難而崎嶇。查資料,計算分析……不知在基礎、結構、接頭等方面想了很多辦法,多少嘗試,直到2012年11月中旬,前景仍十分渺茫。
這條路是否還要走下去?如何走下去?這些問題日日夜夜困擾著林鳴,經常夜不能寐。
然而,無數的失敗不僅沒有擊退林鳴,反而使他對目標更加堅定。這份堅持,終於有了回報。2012年11月17日,仍是幾乎一夜沒睡,大約淩晨五點左右,一個“半剛性”的概念突然在林鳴的腦海中閃現,他有一個強烈的感覺,採用“半剛性”能夠提高小接頭的能力,可能是從結構上解決深埋沉管的一條出路。
200多天備受煎熬的證明,“深埋”方法成功了
“半剛性”確定後,通過五家單位背靠背地論證了可行性。僅30多天,林鳴率領設計團隊便做出了“半剛性”沉管結構方案,並提交了研究報告。
報告遭到了無數質疑。“這是肯定的。因為顛覆傳統結構概念不是一件小事情,而新的結構又是由第一次由承擔沉管設計的年輕團隊完成的。”回憶當時的情景,林鳴説,連國外權威專家也毫不掩飾地表達他們的反對,他們認為這太不可思議了,你們連傳統的淺水沉管都沒怎麼做過,無論是剛性和柔性都沒有經驗,有什麼資格來創造一個新的結構?
為了證明“半剛性”結構,從2012年底到2013年8月,林鳴率領這個年輕團隊又經歷了200多個備受煎熬的日子。
面對從各個層面不斷傳遞過來的質疑資訊,林鳴不停地為團隊鼓勁,他説:“如果相信‘半剛性’是一種科學的方法,我們不堅持,我們就沒有盡到責任。”頂著巨大的壓力,設計團隊夜以繼日細化方案的設計工作,終於澄清了外部各方面疑問。
“我還組織開展了模型試驗,努力從原理上驗證‘半剛性’結構;邀請了國內外6家專業研究機構平行開展分析計算。這三個方面的研究成果都進一步證明了‘半剛性’是從結構上解決沉管深埋的科學方法,並且最終得到了各方面的一致認可。”
港珠澳大橋,正以前所未有的氣勢,向前延伸。
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