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中国桥梁技术——把天堑变通途(开卷知新)

浏览次数:2 日期:2022-06-28 11:21:04 来源:欧宝体育app登录 作者:欧宝全网App

  2018年10月23日,习宣布港珠澳大桥正式开通。这座超大型跨海交通工程是我国基础设施建设领域的国家工程、国之重器,备受瞩目。大桥连接香港、珠海、澳门三地,集桥、岛、隧道于一体,在设计理念、建造技术、施工组织、管理模式等方面进行一系列创新,标志着我国隧岛桥设计施工管理水平走在了世界前列。

  港珠澳大桥通车运营,是我国桥梁建设领域不断取得新成就的缩影。1957年9月25日,“万里长江第一桥”武汉长江大桥建成,在我国桥梁建筑史上揭开新的一页。截至2020年底,我国公路桥梁已达91.28万座、6628.55万延米;全球跨径排名前10位的悬索桥、斜拉桥中,我国分别占据6座和7座。得益于先进技术和工程管理方法大规模应用,功能不同、姿态各异的桥梁矗立在全国各地。今天,桥梁技术已经成为我国基础设施建设领域响当当的“王牌”。“一桥飞架南北,天堑变通途”正不断成为现实,推动经济发展,造福人民生活。

  桥梁是为跨越沟谷、水面或障碍物而修建的构筑物,一般由上部结构、下部结构、支座系统、附属设施等组成,可按用途、大小、结构、跨径等分为多种类型。就结构体系而言,桥梁可分为梁式桥、拱桥、缆索承重桥(悬索桥和斜拉桥)等。作为人类活动的基础设施,桥梁历史悠久。《诗经》中就有对古人在渭河上架设浮桥的描写。隋唐时期建造的赵州桥则是世界上现存跨度最大、保存最好的单孔坦弧敞肩石拱桥。从古代的独木桥、汀步桥、木制浮桥,到砖石结构古桥,再到钢桥、混凝土桥,建造技术日新月异,桥梁结构、规模、材料、用途、外观等各方面不断发展。

  港珠澳大桥是当代桥梁技术的集大成者,创下多项世界纪录:全长55公里,是世界总体跨度最长的跨海大桥;海底隧道长6.7公里,是世界上最长的海底公路沉管隧道;海底隧道最深处位于海平面以下46米,是世界上埋进海床最深的沉管隧道;用钢量达到42万吨,相当于60座埃菲尔铁塔金属框架的重量,是世界上钢结构桥体最长的大桥,等等。

  这些世界纪录的缔造无不以桥梁建造技术创新为驱动。其中,深埋沉管隧道技术最具代表性。与日常所见的桥梁有所不同,港珠澳大桥不只有“桥”,还有6.7公里长的深埋海底沉管隧道,这是整个工程难度最大的部分。港珠澳大桥主通航孔临近香港国际机场,如果采用桥梁方案,桥塔高度将超过200米,影响飞机起降,所以采用了沉管隧道方案。与此同时,这里还是珠江口出海主航道,为了长远发展,要按30万吨级通航标准预留,以保障船舶通行安全。这就需要将沉管隧道埋入最深22米的海床之下,是一般沉管隧道深度的10倍。为此,我们实现了多项关键技术创新——

  依托新技术打好“地基”,有效防止沉降。沉降是指在建筑物荷载作用下,地基土因受到压缩而发生竖向变形或下沉,这是沉管隧道的固有难题。“复合地基+组合基床”沉管隧道基础新技术,采用了“抛石夯平+碎石整平”的组合垫层设计方案。与之相配套的沉管基础施工质量检测监测管理系统、外海堆载预压监测系统、沉管隧道沉降变形监测系统,有效保证了基础施工质量。监测结果表明,抛石基床精度提高40%,碎石垫层精度提高20%,隧道平均沉降7.4厘米,均达到世界领先水平。

  “工厂法”预制技术和半刚性沉管结构保障隧道安全,提高施工效率。港珠澳大桥海底隧道共33节沉管,标准管节重约8万吨,同时还要抵抗压力做到不漏水。这些沉管需先在陆上制成,再埋入海中相互连通。“工厂法”预制技术创新开发沉管生产流水线、大型自动化液压模板、混凝土全断面浇筑及控裂、8万吨沉管顶推等成套技术,实现超大型混凝土构件的工业化制造。传统的刚性和柔性沉管结构均不适于深埋:国际上沉管隧道埋深一般在3米左右,而港珠澳大桥沉管隧道最大埋深要达到22米。于是,团队创新研发半刚性沉管结构形式,开发出适合于沉管结构的永久预应力体系,发明了基于材料断裂力学特性的“记忆接头”。半刚性沉管结构受到国际同行的高度认可,成为与刚性管节、柔性管节并列的第三种结构,为沉管隧道结构提供了新选择。

  沉管隧道合龙方式实现重大突破。合龙是桥梁、堤、坝等从两端施工的工程在中间接合的过程。港珠澳大桥合龙段位于第二十九节沉管与第三十节沉管中间,传统工法需要潜水员水下安装模板,再在模板里面浇筑混凝土,需大量潜水作业,不仅风险大,而且耗时约半年之久。通过3年多研究攻关,我们发明了具有折叠结构和主动止水可逆操作功能的合龙新方法,攻克了结构体系、止水与折叠构造、合龙口形态控制等关键技术。采用工厂化生产、海上装配化安装的方法,只用1天便完成合龙,合龙精度达2.6毫米。

  以深埋沉管隧道为代表的诸多新技术,不仅在港珠澳大桥建设过程中发挥重要作用,还为我国桥梁建造乃至基础工程建设提供强有力支撑。其中,智能建造技术尤为关键。

  智能建造是指在建造过程中充分利用智能技术,通过应用智能化系统提高建造过程智能化水平,达到安全建造的目的,提高建筑性价比和可靠性。智能建造能够提升建设者的感知能力、预测能力、控制能力和作业能力,让工程环境做到可知可控,实现对工程建设过程中工作状态、施工环境等信息的收集、处理、分析,实现对大型装备的精确控制。

  物联网、云计算、数据管理分析系统是智能建造的关键技术。物联网通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,将物品与互联网连接起来,实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。依靠物联网独特的传感技术和感知能力,建设者可以运用卫星定位系统、声呐、芯片探测器等传感设备,将混凝土等原材料、大型设备、作业人员等与互联网连接,构成人与物的信息交互网络。云计算技术则将大量分布式独立计算机组建成统一管理的云系统。多个硬件设备可以协同工作,按照资源需求对硬件能力进行分配,实现多种传统计算技术无法实现的功能。建设过程中,这一技术帮助建设者构建起前方监测系统与后方超级计算机互联的云计算平台,实时分析处理海量气象、水文等数据信息,复杂数据信息处理能力大大提高。由此,建设者可以实时了解现场情况,并对建设过程进行分析以及远程控制。

  作为一把“”,智能建造可以根据工程需求“量身定制”。以港珠澳大桥岛隧工程为例,这一工程需要智能建造技术解决测控难题、保障作业条件、提供一体化作业平台。比如,通过应用精密测控仪器、升级改造既有测控技术与设备,解决传统测控手段精度控制水平较低、稳定性不强、易受外界干扰等问题。港珠澳大桥沉管管节安装过程中,通过利用我国航天航空领域设备的位移控制技术,研发外海深水环境下沉管姿态监测系统,实时监测对接过程中超大质量管节的低频率、小振幅运动状态,以确保管节安全、精准地着床。此外,利用管节首端的无线声呐测控系统及尾端的测控系统,实现对管节对接相对定位及绝对定位的测控,确保高精度管节对接。与之相似,保障作业条件要用到大数据分析、一体化作业平台需要智能装配,等等。

  如今,桥梁在人们生活中已不仅仅是交通设施。除了实现人类翻山、越江、跨海的梦想,有的桥梁还成为当地独特的风景线。桥梁承载着更舒适快捷的体验需求和更高的审美需求。未来,随着新材料、悬浮技术、漂浮技术、深水建造技术等不断创新突破,现代浮桥和悬浮隧道将成为沿海城市拓展发展空间的新载体,漂浮城市和漂浮机场也有机会从梦想变为现实。

  瞩目未来,我国桥梁领域的科研人员和建设者们将继续秉持逢山开路、遇水架桥的奋斗精神,架起更多体现我国综合国力和自主创新能力的“圆梦桥”,打造民族复兴道路上更亮丽的风景。

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