港珠澳大桥背后的科技创新元素

来源:人民网发布时间:2018-10-24

港珠澳大桥被称为“新世界七大奇迹之一”。

港珠澳大桥背后的科技创新元素

这是一座人类建设史上迄今为止里程最长、投资最多、施工难度最大、设计使用寿命最长的跨海公路桥梁,为了实现抗风能力16级、抗震能力8级、使用寿命120年,设计施工团队为之创新研发了31项工法、31套海洋装备、13项软件、454项专利。2015年英国《卫报》将港珠澳大桥称为“新世界七大奇迹之一”。

今年9月17日,经历了强台风“山竹”的16级阵风袭击后,监控信息显示大桥安全、正常,索力、位移、震动等关键指标都在设计范围内,被国内媒体誉为“大国丰碑”。

大桥通车前夕,记者再次踏上这座连接香港、珠海、澳门三地的超大型跨海通道,探访奇迹背后的科技创新元素。

世界首创兼容不同制式的识别收费系统

识别三地车牌只需0.3秒

过了珠海公路口岸,驱车2分钟就来到了港珠澳大桥收费站。收费站大棚上,“港珠澳大桥”招牌端庄大气;大棚下面,左右各10个进出口通道已经处于工作状态。

当记者驱车以每小时20公里的速度通过匝道时,只听到ETC传来“嘀”的一声,车子几乎没有停下就顺利通过了匝道。

“这个收费系统可不一般,是世界首创的兼容不同制式的识别收费系统。”中国铁建电气化局集团有限公司联合体港珠澳大桥交通工程总经理部总经理蔡俊福说。据介绍,大桥通车后,通行的车辆不仅有统一格式车牌的内地车辆,还有车牌格式多样的香港、澳门两地车辆。在实行人工或刷卡收费时,内地车辆的收费是在左侧,港澳车辆是在右侧,这个只要在每个车道左右两边都设置人工窗口就可以解决。但是在使用自动识别系统收费时,内地的车辆是ETC收费模式,香港和澳门的车辆是“快易通”收费模式,要在每一个车道上对两种不同收费模式的车辆一次性完成快速自动扣费,就必须要有一个可以兼容两种收费模式的系统。

蔡俊福说:“两种收费模式的软件和代码区别很大,要使二者兼容,如同在血型和组织相容较低的两人间进行器官移植,难度可想而知。”

此外,与内地严格统一的车牌格式不同,港澳车牌号码更加个性化,字母和数字组合花样繁多,给软件计费准确性带来更大挑战。

项目部从软件代码及软件程序着手攻关,并专门邀请香港快易通的技术专家参与开发,多次进行专题研讨,根据实验测试情况不断修改,仅对测试版本的程序修改就达到136版,历时两年,终于在世界首创出兼容不同制式的收费系统。

2018年1月,经过累计1110次的模拟测试,港珠澳大桥收费站自助收费系统的车牌平均识别时间从500毫秒缩减到337毫秒(约0.3秒)。

说到大桥交通工程中的技术创新,蔡俊福表示,这个收费系统只是大桥交通工程自主研发的三项顶尖技术之一,另外还有强大的BIM系统以及桥梁上的电缆伸缩装置。

其中BIM系统除了使大桥达到渐变的亮灯效果外,还可以通过直观的三维模式,使大桥设备管线一览无遗,实现了随时查看空间管理及设备维护数据流、实时更新数据,便于快速定位和查找故障点,助力大桥的运营维护。

“这种技术,在世界上可以说是前无古人。”蔡俊福对该系统的投入使用显得颇为自豪。

自主研发工程船实现毫米级精准作业

大国重器创造港珠澳大桥的“极致”

当我们从西人工岛驱车穿越海底隧道前往东人工岛时,中交联合体港珠澳大桥岛隧工程项目副总工程师、质量总监刘亚平介绍起海底隧道的建设情况:“如果说,岛隧工程被称为交通行业的珠穆朗玛峰,那么最终接头的安装就是‘登顶’。帮助中国建设者成功完成‘登顶’任务的是我们自主研发的海洋装备‘振华30’起重船。”

助力大桥建设者成功“登顶”的“振华30”被誉为大国重器,也可将它称为1.2万吨自航全回转起重船。该起重船具备自航、吊装、定位、大型接待四大突出功能,尤其是该船的吊装、定位功能,完全由振华重工自主研发。其单臂固定起吊能力1.2万吨、单臂全回转起吊能力达7000吨,这相当于它能够同时吊起45架空客A380飞机,因此,“振华30”起重船也被称为世界上最大的起重船。

为了确保如此大型的船舶在海上吊装时的稳定性,该船利用14套螺旋桨的DP2动态定位系统、10根钢丝锚泊系统以及船舶上的压载水,将起重船的摇摆幅度控制在厘米级范围内。使用这套系统,在吃水超过17.6米的深海区,即便船舶50%的部分出现故障,也可以无需锚缆,长时间保持精确定位,保障航行中的安全。

DP2定位系统主要是依靠船底的14套螺旋桨推进器,通过调整控制系统的参数,螺旋桨从各个不同角度发力,直至与海水的力达到平衡,形成相对静止的状态。

2017年5月2日,在浩瀚的伶仃洋上,被誉为大国重器的“振华30”稳稳地将重达6000吨的最终接头从“振驳28”上调到海面上空,并缓缓将其沉入海底。然后,在实施二次精调时,将沉放在海底基槽上的6000吨最终接头再次吊起,并最终实现了毫米级对接,创造了港珠澳大桥精细化作业的“极致”。

除了“振华30”起重船助力大桥建设者创造最终接头的“极致”对接外,在港珠澳大桥5664米海底沉管隧道施工过程中,中国大桥建设者自主研发的高精度深水自升式清淤抛石整平船“津平1号”在水下40多米铺设5664米“石褥子”,实现2毫米内误差的平整度;还有自主研发的“津安2号”和“津安3号”安装船,在33节沉管安装过程中,确保了8万吨沉管的下沉速度控制在每秒小于1厘米,创造了E29管节的1毫米对接精准度。

钢圆筒振沉围护止水筑岛工法:

书写“中国速度”的传奇 保护海洋生态环境

站在大桥西人工岛上向东眺望,约7公里外的海面上,一座清水混凝土结构的东人工岛与其遥相呼应。

“这种岛、隧、桥的组合设计,是建设者们当初无奈之下作出的选择。为了在施工中不破坏海洋环境,建设者们在世界范围内创新采用了超大钢圆筒振沉围护止水筑岛的工法。”采访中,港珠澳大桥总设计师孟凡超向记者们讲述了大桥建设者在东西人工岛上书写“中国速度”的传奇故事。

受香港机场和海上航道的影响,港珠澳大桥只能在伶仃洋海域伶仃西航道处建设一条海底隧道,并在隧道两端用岛将海底隧道与海面桥梁连接起来实现转换衔接。

可当时的工程勘察设计师并没有发现周围有可用的岛屿,这意味着只能进行人工造岛,而且是要在地处国家级中华白海豚保护核心区,离岸近30公里、水深十余米且软土层厚达30米至50米的海域中建造两个10万平方米的离岸人工岛。

这样的人工岛,如果按照传统的抛石填海工法施工,工期少则2年,多则3年;在每天有四五千艘船只往来的航道安排大量船舶作业,安全风险极高;而且需要开挖800万立方米的海底淤泥,这必将对海洋环境造成很大的污染,也不利于中华白海豚的保护,因此建设团队必须找出一个快速成岛的办法。

在港珠澳大桥岛隧工程项目总经理林鸣看来,这样的超级工程只有创新才是唯一的出路。因此,早在2008年,他就提出利用大型钢圆筒进行外海快速筑岛的设想:将一组巨型钢圆筒直接插入并固定在海床上,然后再填砂形成人工岛。

2009年9月,林鸣向四航院原总工程师王汝凯正式提出这个方案,并请他用三个月的时间证明该方案是否可行。最后,通过三个月对38个专题的研究,王汝凯确定方案可行,为林鸣的想法提供了有力的理论支撑。

筑岛所需的每一根钢圆筒直径为22米,截面积几乎和篮球场一样大;最高达55米,差不多是18层楼的高度;单体重约550吨,体量和一架A380空中客车相当。

这样一组庞然大物,如何进行制作、运输和振沉,对中国工程师来说是从未有过的挑战。

但是,中国交建强大的资源整合能力给林鸣带来了信心。他提出聚合中国交建系统内的优势资源,把钢结构制造、运输、安装、水下开挖结合起来,形成完整的产业链,快速推进人工岛建设。

就这样,钢圆筒在振华重工长江口长兴岛基地开工制作,然后装船运送至1600公里以外的伶仃洋施工海域;为了完成钢圆筒振沉,还联合国外公司研发制造了目前世界最大的八锤联动振沉系统。

从2011年5月15日,在西人工岛插入第一个钢圆筒,并创造了钢圆筒振沉施工垂直度偏差为1/500的最小世界纪录,再到2011年12月21日东人工岛最后一个钢圆筒振沉完成,建设团队仅用了221天,就用120个巨型钢圆筒围成了两个海上“小长城”,使“当年开工、当年成岛”的愿景变成了可实现的目标。

不到一年的时间,建设团队完成了通常需要三年才能建成的两个外海人工岛建设,外国工程师称“这种‘中国速度’创造了世界工程史上的奇迹”。但他们不知道,林鸣从开始构想钢圆筒方案,到研究、设计和进行各种准备却用了四年多的时间。

攻下这一难关,让林鸣有些激动,现在回忆起来,他对自己当初的坚持感到十分欣慰:“压力真的很大,有那么多质疑反对的声音,我和团队坚持了下来,才能没留下遗憾。”

创新的工法不仅为工程节约了时间,而且也有效地保护了海洋环境。据官方统计,由于在施工过程中采取了一系列保护中华白海豚的措施,工程完工后,附近海域有身份标识的中华白海豚数量由之前的1200只增加到1800只。

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