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“蛟龍”潛底架通途—大連灣海底隧道工程建設情況調查

發佈時間:2021-10-18
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南有港珠澳,北有大連灣。重大工程項目的建設牽引有效投資、穩定經濟增長,是實現經濟高品質發展的重要支撐。從祖國南端的伶仃洋,到向北2000公里開外的大連灣,我國在跨海沉管隧道施工領域的技術、裝備、經驗日臻成熟。在超級工程的跨地實踐中,建設者們克服了哪些困難?又有哪些技術創新?經濟日報記者近日深入大連灣海底隧道施工現場展開採訪調研。

海上,抓鬥船、挖掘機等設備聯合作業,機器轟鳴;陸地上,工人們在進行混凝土澆築等工序,緊張忙碌。入秋時節,記者在大連灣海底隧道工程現場看到一片熱火朝天的施工場景。

2017年,遼寧省大連市啟動重大民生工程——大連灣海底隧道和光明路延伸工程,預計2023年竣工通車。其中,大連灣海底隧道是我國北方第一條大型跨海沉管隧道工程,也是繼港珠澳大橋之後又一項技術難度大、施工工況複雜、環保要求高的跨海交通工程。

2013年5月6日,港珠澳大橋島隧工程首個沉管安裝開啟了我國跨海沉管隧道施工的新紀元。2021年,在大連灣海底隧道施工現場,我國已完成50余個“航母級”沉管的安裝。從96個小時安裝一個管節的探索到10余小時即可完成,8年來,我國跨海沉管隧道施工技術在港珠澳大橋、大連灣海底隧道、深中通道等一個個超級工程中持續探索與創新。

短短數年,我國在跨海沉管隧道領域何以實現突飛猛進?有哪些技術創新與突破?又遇到了哪些意想不到的困難?對下一個海底隧道工程又意味著什麼?

精準對接創紀錄

位於黃渤海交界的大連,老城區呈“C”字形海灣結構,南北交通幹道僅有東聯路和東北路兩條通道,車流量早已遠超設計通行量。大連亟需緩解主城區南北交通瓶頸問題,拓展城市發展空間。大連灣海底隧道和光明路延伸工程正是為破解該問題,以PPP模式建造的遼寧省重大工程項目。

“海底隧道建成後,將為大連新增一條縱貫南北的快速通道,過去繞行大連灣需要1個多小時,以後10分鐘就可以穿越。這對於緩解大連中心城區交通擁堵、拓展城市發展空間、推動大連灣兩岸一體化建設具有重要意義。”大連灣海底隧道有限公司黨工委書記、總經理李進説,項目不僅方便市民出行,也將優化城市功能,推動大連灣兩岸一體化建設。

沉管安裝,是大連灣海底隧道的控制性核心工程,難度極高。首先要在陸地上將預製的重達數萬噸的沉管密封管口後,依靠浮力一節節運到海中,再沉入海底,對接成為隧道。在這一過程中,面對複雜的海底地形和水文條件,施工需要借助海洋氣象預報找到精確的窗口期。

9月15日,中交第一航務工程局有限公司承建的我國南北兩條跨海沉管隧道再次迎來雙“管”齊下的歷史性時刻——世界最長最寬的鋼殼沉管隧道深中通道E12管節與E11管節順利對接,建成隧道長度突破2000米大關;同日,我國北方首條大型沉管隧道大連灣海底隧道E9管節成功安裝,沉管安裝施工任務過半。

此次安裝的E9管節是大連灣海底隧道年內安裝的第8節沉管,也是今年第三季度完成的第4個管節,跑出國內沉管安裝“新速度”。

大連灣海底隧道和光明路延伸工程主線全長12.1千米,建設標準為城市快速路,設計時速每小時60千米,雙向6車道。其中,大連灣海底隧道全長約5.1千米,海底沉管段全長3035米,共需安裝18節大型沉管。單節標準沉管長180米,寬33.4米,高9.7米,重約6萬噸,相當於一艘航空母艦的排水量。

海上風浪、流速等不利氣象條件對海況影響大,給沉管施工帶來極大挑戰。9月15日當天,大連灣海底隧道E9管節安裝于清晨6時啟動,在先後完成拖輪編隊、浮運、係泊、安裝等工序後,于當日晚20時08分順利安裝完成。“氣候條件對沉管安裝影響大,E9管節的安裝是在提前安排水深多波束掃測,實時測算海水密度,排除各項風險隱患等充足準備下確保沉管順利對接完成的。”大連灣海底隧道有限公司總工程師潘立文説。

對於海底沉管工程而言,氣候影響只是“小插曲”,真正的挑戰可謂“一個接一個”。去年底,大連灣海底隧道有限公司歷經17小時連續作業,重約4.1萬噸的首節(E1)沉管成功沉放海底,與北岸暗埋段實現精準對接,實現了我國寒冷地區首條海底沉管隧道建設零的突破。

“E1管節施工海域為岩石基礎,地質狀況較差,無法採用全抬升式常規整平船插樁作業。”潘立文説。為確保沉管精準對接,研發團隊歷時3年攻關,克服了岩石基礎條件下無法插樁的技術難題,採用了全國首創的整平船全漂浮式碎石基床整平工藝。

萬事開頭難,邁出了第一步,後期的沉管作業越來越熟練、越來越順暢。迄今為止,施工方中交一航局成功完成了54個航母級沉管的精準海底對接,也創造了世界跨海沉管隧道建設史上前所未有的新紀錄。

因地制宜破難點

“大連灣海底隧道工程存在地質條件複雜、隧道曲線半徑小、寒冷海域考驗混凝土耐久性、通航條件複雜等諸多全新考驗,施工難度大、品質要求高。”潘立文説。

首先要解決的難題就是低溫。

在寒冷地區建設沉管隧道,是此前我國從未有過的施工經歷。大連地處我國東北地區,冬季寒冷天氣會給施工帶來諸多不便,無論對船機設備還是施工人員都是極大考驗。冬天在室外吹半小時海風,穿再厚的衣服也頂不住;低溫狀態下安裝設備是否會出故障,誰也不敢保證。

大連灣的首節沉管安裝是在冬季進行的,然而,我國首套沉管安裝專用設備“津安2”“津安3”在設計之初並未考慮低溫影響。於是,施工方針對冬季施工特點,對沉管基床整平船“津平1”、沉管安裝船“津安2”“津安3”等主要船舶進行了一系列適應性改造:加裝鍋爐、暖氣等保暖設備,更換低溫標號齒輪油、液壓油,外露油管、水管用保溫棉包裹,絞車液壓站移至機艙,為甲板設備定制防寒篷布……這一切就是為了確保船舶在冬季施工不受影響。

大連灣海底隧道第四工區負責沉管安裝。工區經理王殿文介紹:“我們結合北方寒冷地區的實際,因地制宜採取應對措施,對專用船舶的系統軟體進行了自主升級和創新。不少技術之前未曾考慮過,可以説是填補了部分沉管隧道安裝領域的技術空白。”以水下電纜插座安裝工藝為例,大連灣海底隧道幹塢法批量預製的特點決定了插座數量增多,受疫情影響,從國外採購成套設備週期長,勢必影響整體進程,技術團隊經過數月研究,水下電纜插座的安裝工藝由一次舾裝調整為二次舾裝,不僅克服了疫情影響,還將這項技術實現了國産化。

如今工程按照時間節點有序推進,陸上施工最繁忙的當屬沉管預製。

記者在現場看到,工人將一根根鋼筋綁扎成一個個鋼筋籠。經過混凝土澆築後,這些火柴盒形狀的巨型管節將連接成一個重達數萬噸的標準沉管。

在冬季澆築管節在國內尚屬首次。“光是研究高強度混凝土抗凍抗滲,保證海水環境下百年使用壽命就用了兩年時間。”潘立文介紹,“最終,大連灣海底隧道創新採用幹塢法沉管預製,並實現多個作業面同時進行。”據介紹,這套專為大連灣海底隧道量身定制的沉管預製方法,經過行業評定已經達到國際先進水準。

除了寒冷氣候,複雜的海域地質條件也對施工提出了挑戰。與較多淤泥為主的單一地質不同,地處北方的大連灣海底隧道施工海域地質複雜多變,地質管節遍佈溶溝、溶槽、孤石、石筍,中間還夾雜著豐富的紅黏土。

潘立文介紹,“施工海域海底溶洞溶溝多,岩基裂隙發育,18節沉管中有5節坐落在黏土層上。這一部分施工需要將黏土挖走,重新填上碎石,振實整平後才能安裝沉管”。

整平,是沉管安裝工作的重要環節。大連灣海底隧道有限公司副總經理馬宗豪介紹,整平施工前,需要進行基槽精挖,在岩基段基槽增加岩基爆破和清渣等工序,“我們採用了水下高精度爆破、水下精挖等先進工藝,這都是國內領先的技術”。具備整平條件後,被譽為“海底3D印表機”的整平船進場作業,為沉管鋪設一個能夠安睡的“床”。

然而,大連灣海域的基槽邊坡炸礁後會存在大量裂隙。這也意味著曾經採用的全抬升整平工藝將不適用於大連灣。

為解決這個困難,中交一航局研發團隊組織骨幹力量集中研究,半漂浮式整平、半幅整平、降低平臺高度、整平船加寬、整平船設置定位樁……每個方案都經歷了無數次技術論證和推演。3年籌備期間,百餘次的專題技術研討,最終確定了全漂浮碎石基床整平工藝。

“為了確保漂浮狀態下整平的精確控制,GPS和聲吶都派上了用場。全漂浮的整平工藝在全國屬於首創。”大連灣海底隧道有限公司黨工委副書記田愛哲説。

正是這樣一個個難題的解決和突破,讓跨海隧道工程技術不斷發展進步。豐富的經驗並不是一朝一夕就能擁有的,而是在艱難的實踐中不斷創新、不斷積累。

此外,大連灣海底隧道在最終接頭的考慮上,創新性地採用“頂進節段法”工藝,全部工作均在幹地作業環境下完成,具有結構製作簡單、施工品質有保證、施工週期短、建設成本低和安全性強等優點。“這個工藝一方面避免了大型船的吊裝,更具經濟性;另一方面是不受風浪影響,安全性更高。最重要的是品質方面的精度要更高。這一工藝是國內首創,我們也申請了專利。”潘立文説。

值得一提的是,大連灣海底隧道未來還將實現“實體工程”+“數字化工程”雙産品移交。“所謂數字化工程,就是將BIM技術、網際網路協同技術、物聯網技術深度應用於工程設計、建造施工、運營維護全生命週期。簡單來説,隧道所有的實體都將通過電腦建模形成數據庫。”潘立文説,“比如預製沉管使用的鋼筋是哪生産的,爐號是多少,批號是多少,哪個班組做的……這些內容都將實現數字化。”

協調合作保工程

重大工程的建設過程中,除了要針對當地條件突破各類技術難題,還要有應對不同場景、工況下的應用和突破。只有不斷創新,才能推動整個技術不斷成熟、完善。

海底隧道施工期間,如何保障施工與通航兩不誤?這考驗著項目的組織、協調與執行能力。

大連灣水域狹窄,通航條件複雜,客輪、貨船等往來頻繁,海上施工高峰期時船舶可達百餘艘,而工期僅50個月,這對施工安全和海上通航能力都帶來極大考驗。

大連港客運碼頭、大船重工、大船海工等我國重要船舶與海洋工程製造基地均位於大連灣腹地。從空中俯瞰大連灣海底隧道沉管工程線路,恰好與許多重要船舶行駛線路特別是航運線路交叉。這意味著在建設海底隧道的同時,還要確保航運通暢。

“大連灣沉管隧道水上施工主要有基槽開挖、碎石基床整平、管節浮運安裝及回填等工序,均需較長時間佔用原航道部分水域。為保障水上施工作業和社會船舶水上通航安全,我們專門開挖了與主航道同等通航能力的臨時航道。”李進説。

據介紹,海底隧道項目在香爐礁航道與甘井子航道北側,專門開挖設置一條與原航道通航能力相同的臨時航道,保證船隻能順利通過。臨時航道有10多米深、200多米寬,這一大工程就是為了確保項目施工不影響通航。此外,項目還聯合研究機構開發了海上船舶管理平臺,進行實時監測預警。施工期間通過多次航道轉換,既保證了大連灣正常通航,又保證了海上施工安全。

大連灣海域複雜的通航情況,對工程的考驗遠不止新挖一條航道這麼簡單。

項目四工區副經理李竹堂至今還記得那驚心動魄的一幕。今年3月9日傍晚,E2沉管的各項沉放準備工作就緒。就在此時,“津安2”突然鳴笛,原來是一艘小漁船誤打誤撞駛進施工海域。安裝船與拖輪、岸上連接的纜繩錯綜複雜,一旦漁船碰到纜繩,後果不堪設想。好在此時,警戒的海巡船接近漁船並進行了驅離。“因為當天有霧,再加上傍晚光照條件差,漁船就沒有看到我們,幸虧有大連海事局的海巡船護航。”李竹堂説。

事實上,為全力保障海底隧道項目,大連多個相關部門與施工單位進行密切協調合作,保障水域安全,研究制定通航保障方案,確定現場管制、臨時封航、區域限速等保障措施。為提高這一備受矚目的重大民生工程實施效率,大連市城市管理局統籌協調項目存在的問題和困難,定期或不定期召開工程推進協調會,深入現場辦公解決問題,採取一切有利於工程順利推進的措施,確保工程項目全速推進。

投資規模大、跨越地域廣、動遷難度大、技術難度高,對於服務這一目前我國東北地區投資規模最大的單體PPP項目,大連市城市管理局局長梁春波説:“一方面要熟悉項目的基本情況,掌握項目進展,明確項目公司的訴求,有針對性地提出工作建議;另一方面要協調市、區各級政府部門,相關企業單位為項目建設創造便利條件。”

據介紹,僅大連市城管局一家單位就已協調當地30多家政府部門和20余家涉及管線遷改的企業,解決關於用海用地、方案、徵地、遷改、文物、環境、通航、建設手續方面等大小困難事項近1000件。

文章來源:經濟日報
責任編輯:郭穎慧

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