打造中国沉管隧道 中交一航致力建设现代产业链“链长”

2022-06-04 18:22:06 来源:鲁网 大字体 小字体 扫码带走
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  鲁网6月4日讯 5月14日,编号为B-001J的C919大飞机首次飞行试验圆满完成,中华民族“敢上九天揽月”的民用国产飞机的“航天梦”成为现实。几乎同一时间,大连湾海底隧道最后3节沉管出坞,不久后,将和已经安装在海底的另外15节沉管汇合,中交一航局的中国工程师在港珠澳大桥、深中通道、大连湾海底隧道等超级工程中磨炼本领,不断勇闯沉管隧道技术“无人区”,开辟原创技术“策源地”,让中华民族“敢下五洋捉鳖”的深海工程建设能力得到提升。

  荷兰人说:没有我们,你们不可能建成沉管隧道

  1910年,美国底特律水底铁路隧道的建成,这是目前资料中可以查到的最早使用沉管隧道的水下工程。而此时,统治中国仍然是腐朽的清王朝。此后的100多年,荷兰、日本、德国等国家沉管技术不断得到突破,沉淀了一大批先进的核心技术和装备。

  自上世纪90年代以来,我国开始在水工工程中小规模使用沉管法工艺。但直到2008年,才真正在外海大规模使用沉管隧道技术。这个重要的工程是港珠澳大桥。

  港珠澳大桥建设初期,如何确保沉管隧道在深海中精准安装、如何确保沉管连接出滴水不漏,这些难题困扰着中国工程师。为了解决问题,中国工程师们走出国门,企图寻求外国专家的帮助。最终,找到了荷兰一家咨询公司。这家咨询公司开出了数亿咨询费的天价!并表示,没有我们的帮助,你们中国人不可能在深海建成沉管隧道。

  苛刻的条件,归根结底,是因为我们没有掌握核心技术!没有核心技术,就要被“卡脖子”,就要受制于人!

  中国人要有自己的深海沉管隧道!以中国交建首席科学家、工程院院士林鸣为代表的中国沉管隧道工程师,开启了国产隧道的艰辛历程。也正是在那时,中交一航局作为主力施工队伍,组建了我国首支专业化深海沉管安装队伍。

  经过国内众多专家的共同努力,中国工程师在港珠澳大桥的建设中攻克了沉管沉放、安装等众多基础性难题。在工程建设中,中交一航局自主研发建造了基床整平船、沉管安装船等达到世界领先水平的关键装备,中国深海沉管隧道在披荆斩棘中完成了从0到1的艰难突破!

  新的挑战:北方严寒条件的首条沉管隧道

  盘点已经建成的深海沉管隧道,绝大多数海水温度不低于结冰临界点。因为,如果气温达到临界点以,混凝土会受到冻融循环的破坏。就像一颗白菜冷冻后再解冻,就会化成一滩水,混凝土受到冰冻解冻的拉扯,会遭受致命打击。

  解决这个难题,对我国沉管隧道建设具有重要意义。纵观中国地图,黄海和渤海为我国最纬度最高的外海,大连的纬度和我国北方最大河流黄河的“几字形”中的“横”纬相当。如果能够在大连的气候环境下建设海底隧道,也就意味着具备了在国内任何水系建设沉管隧道的能力!

  前景何其激动人心!中国沉管隧道将再次勇闯技术“无人区”,攀登新的高峰!

  一航局建立了“水下隧道建设与运维技术企业重点实验室”,并在施工现场建立试验与应用基地,促进实验室科研成果和现场的转化,构建科研和应用的快速转化通道。科学家和工程师们调研了我国寒冷海域10至86年的海工构筑物。通过大量测试,建立了极寒环境下的混凝土模型,用于混凝土结构百年耐久性的预测。同时,围绕工程“百年标准”的质量要求,通过大量试验,解密了极寒条件下混凝土的配合比密码,以及混凝土保护层的厚度极限值。

  解密了混凝土的配合比密码,另一道和混凝土相关的难题摆在了面前:受环保政策以及周边河砂资源匮乏的影响,混凝土的重要原料之一沙子不能够满足工程需要。为了克服这个难题,施工现场开始了新的研究,用采矿后留下的边角余料,生产合格机制砂,用来代替河砂。经过大量复杂试验,模拟建立了机制砂混凝土100年耐受度的理论模型,明确了机制砂作为海工混凝土砂石替代的具体参数。这项成果经航海学会评价,达到国际先进水平。

  精准靶向:低土地占用,做繁华城市的隐形插片

  海底隧道的北出口位于老甘井子区,二十年前这里是不折不扣的繁华地段,向西不到两公里便是近年来颇受大连市民青睐的现代化社区钻石湾,原计划为2023年亚洲杯足球赛量身打造的现代化足球场——梭鱼湾足球场正拔地而起,而南出口连接着目前大连市最繁华的中山区,向南直达港湾广场和东港,向西可以直接进入疏港快速路。对于北岸的一老(老甘井子)一新(钻石湾)而言和南岸的中山区而言,这条海底隧道的意义不仅仅是通行时间缩短至5分钟,其社会意义不言而喻。

  两点之间、直线最短。但项目建设还要考虑城市规划和既有建筑,为了保护大连港原有地貌、减少南北两岸的拆迁工作,沉管隧道的优势充分凸显。与矿山法、盾构法相比,沉管法隧道在海底的埋深更浅,可以减少隧道陆域连接段里程,这就意味着大连湾海底隧道能够最大限度降低土地占有率,既减少了拆迁量,又为今后城市布局提供更大空间。

  为了达到这个目的,一航建设者不得不让隧道在海底先拐个弯。这个由5个148米异形沉管组成的曲线段,半径之小、曲率之大,皆为国内乃至世界沉管隧道建设史之最。为了确保沉管滴水不漏,就必须解决曲线段管节安装的技术难题。

  作为沉管安装领域的领跑者,一航局再次展示了强大的技术实力。技术团队针对曲线段管节安装开展了近两年的技术研究,开创造性提出了“智慧沉管”概念。

  先从碎石基床整平入手。整平的难点在于如何使基床匹配大弧度管节。把基床曲线部位的碎石垄适当延长,在曲线管节区域画一个平行四边形,把弧线包含其中。但在船体全漂浮的状态下,做大曲率整平,对保证精度和效率也是极大的挑战。

  一航局经过3个多月的自主研发和反复试验,为全漂浮整平量身定制了自动定位与调平系统。在自动定位模式下,系统实时监测整平船当前的位置信息,获取与目标位置的偏差数据,自动控制整平船的6台绞车向目标船位进行收放缆动作,直至船体精准移至目标位置。如此大的船体实现“自动泊车”,在行业内达到了领先水平。

  高精度整平为曲线段管节的精准安装提供了保障,项目团队又通过严格通缆作业要求,优化安装沉放步骤,调整对接端着床距离,严格计算管节沉放准备压载过程,控制管节姿态,最终实现了精准对接。

  为了实时监测已安装管节的姿态,有效防止管节发生位移、沉降,一航局研发了沉管隧道健康监测系统,引进光纤光栅传感器,对混凝土温度梯度、管内温湿度、管节接头相对变形进行实时监测。光纤光栅传感器利用光传播过程中波长的变化反映物理量变,可进行应变、温度、位移、加速度、压力测试,相比传统传感器具有抗干扰强、耐腐蚀、形状可塑、传输损耗小等特点。

  数字化应用也是“智慧沉管”靓丽标签。在项目建设初期加强BIM技术研究,通过BIM建模,实现了关键部位、复杂工艺的可视化,提升了施工效率,BIM成果也在国内行业协会屡获大奖;开发数字化产品交互平台和综合运维管理平台,这将是国内首个数字化移交项目。开发高精度施工船舶智能管理平台,实时获取施工船舶位置、状态等信息,全时段可视化辅助船舶管理,解决了狭窄水域内施工船舶多且密,船舶交叉作业干扰等工程实际问题。

  抢占高点:解决“卡脖子”问题,实现自主自控

  工欲善其事,必先利其器。从港珠澳到深中通道和大连湾,一航局自主研发了沉管运输安装一体船、深水碎石高精度整平船、供料锁固船、专用抛夯一体船等核心装备,形成了沉管隧道建设完整的系列装备群,为一航局成为国内掌握外海沉管隧道建造核心技术的企业奠定了基础。

  但部分环节依然不可避免地受制于国外技术。加之2020年初开始的新冠疫情,为项目建设带来诸多困难,原本需要从国外进口的关键设备以及需要国外协助的技术无法实现,倒逼了中国沉管隧道全产业链的国产化的探索。

  大连湾海底隧道采用了我国自主研发的北斗卫星导航系统定位管节安装,并完成了施工定位系统GPS和北斗系统的兼容性提升,成功验证了北斗卫星导航系统在跨海通道工程中的实际效用,其精确度和可靠性均达到工程使用需求。

  最终接头是沉管隧道最终能否顺利贯通的关键环节,也是整个项目的核心技术之一。大连湾海底隧道采用国内首创的推出式顶进节段法最终接头工艺,设计阶段确定了顶推施工所需的千斤顶操作系统为瑞士研发,但在2021年底最终接头第一阶段的顶推施工前,发现设备构件在转运过程中损坏,导致系统无法运行,在疫情和工期的双重压力下,项目团队在前期试验的基础上,对操作系统进行了重新设计编程,国产化的操作系统界面更加简明易懂,并实现了测控系统与顶推系统并联,实现了最终接头的毫米级顶推。

  从港珠澳大桥建设期间,沉管隧道的水下电缆插座为德国进口,由于大连湾海底隧道采用干坞法批量预制沉管,如果采用原有的电缆插座安装方式,项目对该设备的采购量将数倍增长,且受到疫情影响,采购周期延长,对工期无法保障。项目团队经过研究,决定电缆插座的安装由一次舾装调整到二次舾装,插座的使用数量由原来的20套锐减为3套,同时联合国内相关厂家进行技术研究,实现了国产化改造,目前已经成功应用于海底隧道的15个管节。自主设计制造的海底隧道沉管安装水下电缆插座,提高了使用耐久性和抗腐蚀性,克服了疫情影响,不再依赖国外进口,打破国外技术垄断,满足循环使用要求,大大提升经济效益。

  大连湾海底隧道建设过程中,一航局以全面提升自主科技创新能力为核心,大力推进数字化研究,以增产量、降成本、提效益、促发展为目标,以解决项目重难点问题为原则,为我国沉管隧道的发展积累宝贵的经验,同时也体现了一航局在沉管施工领域逐渐显著的优势。

  “可上九天揽月,可下五洋捉鳖,谈笑凯歌还。世上无难事,只要肯登攀。”由于在港珠澳大桥、深中通道、大连湾海底隧道的惊艳表现,一航局的工程师受邀参加世界隧道大会,并做了成果汇报。中国工程师们用智慧和汗水浇筑的中国沉管隧道技术正在被世界认可,完成从追跑、跟跑到领跑的巨大跨越!(本网记者)

责任编辑:孟庆喜