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新中国经济70年•亲历者|刘晓东:港珠澳大桥的原创性技术革新

2019-11-28 08:30:15 | 查看: 4239|

党的十八大以来,中国围绕国家重大战略需要实施了大量重大工程。目前,世界上最深的潜水研究型载人潜水器蛟龙号、世界上第一颗量子科学实验卫星墨子号、天宫二号、世界上最快的超级计算机神威太湖之光号、北京新机场项目、港珠澳大桥项目以及新一代信息基础设施项目。这些重大项目已成为拉动“中国现代化列车”的“火车头”,在增强综合国力、促进经济社会发展方面发挥了不可替代的作用。

2018年7月12日,湖北宜昌三峡水库继续泄洪,迎接“2018年长江第二大洪水”。(视觉中国)

2010年是港珠澳大桥岛隧道工程总设计师刘晓东的特殊一年。

今年,他放弃了自己熟悉的桥梁设计工作,搬到了大多数中国工程师不熟悉的地区,牵头进行港珠澳大桥隧道和人工岛的施工图设计。刘啸东坦率地说,起初他犹豫不决,但最终他与团队合作,在接下来的7年里润色了140多册10,000页的设计方案。

港珠澳大桥东接香港,西接珠海和澳门,集桥梁、岛屿和隧道于一体。全长55公里,使用寿命120年,总投资1000多亿元。它在世界桥梁建设史上被称为“珠穆朗玛峰”。它经历了六年的准备工作和九年的建设。

谈到这个超级项目,刘啸东与记者分享了许多难忘的桥梁建设经验,而他和他的团队共同实现的原始技术创新为世界桥梁建设积累了更加丰富的成果和经验。

研发“半刚性”沉管结构,实现100%水密海底隧道

港珠澳大桥之前,沉管隧道均采用“刚性”或“柔性”结构体系。刚性结构就像一长块积木,而柔性结构是由小管部分组成的大管部分,就像由小块积木拼接而成的积木。然而,两个结构系统的埋深仅为23米,如果荷载过大,可能会导致漏水。

港珠澳大桥有一条埋深22米的4公里沉管隧道,承受的荷载是浅埋管的5倍。如何确保沉管隧道100%防水?这个问题困扰了刘啸东和团队将近一年。

与此同时,一些国外隧道专家给出了几种“深埋浅做”的解决方案,但都需要10亿元以上的投资,刘啸东认为这太贵了。他和团队不愿意,希望找到一个替代结构来建造一个防水沉管隧道。

“2012年11月17日早上5: 00,我收到了一条短信,比如‘试着学习半刚性,林明’。我突然感到一道亮光,开始研究和开发半刚性沉管结构。”刘啸东告诉记者。

所谓的“半刚性”沉管结构结合了“柔性”和“刚性”沉管的优点。刘晓东认为,“半刚性”沉管结构是在柔性管段结构的基础上,引入了一种创新的纵向预应力系统,该系统利用预应力钢筋控制各段的接头运动,确保水密性。然而,研究结果出来后,一年多来,各种各样的问题和争论被激起。

最后,他们邀请国内外六家专业研究机构进行“背靠背”分析计算,从模型试验和原理上验证“半刚性”结构。结果表明,“半刚性”方案是可行的,可以从结构上解决沉管深埋问题。

2013年5月2日上午,港珠澳大桥沉管隧道首段出坞运输。世界上最大的海底沉管隧道的建设终于开始了。5月6日,沉管的第一段成功与西部人工岛的埋地段对接,完成了“海底初吻”。

“半刚性”沉管的纵向结构以极低的成本将沉管深埋的想法变为现实,从而确保港珠澳大桥隧道段成为水密海底隧道。自那以后,“半刚性”除了现有的“刚性”和“柔性”之外,还被添加到世界上百年沉管结构的工具箱中。

班岛修道院主导的岛隧道的设计创下了原始设计80%以上变化的记录。

2004年,刘啸东开始负责港珠澳大桥的前期研究工作。他先后主持桥梁工程可行性研究、总体规划深化研究和主体工程初步设计。2010年,在岛屿隧道项目投标时,项目总经理林明邀请他领导岛屿隧道项目的设计。当时,刘啸东的内心是矛盾的。

刘啸东告诉记者,他原来的专业是桥梁工程,他的主要工程经验和成就主要是桥梁工程。领导岛屿隧道项目的设计工作意味着放弃他10多年的最初专业,转到大多数中国工程师不熟悉的领域。更重要的是,如果我做得不成功,我该怎么办?

“对于当今世界上这样一个最困难的项目,中国工程师以往沉管的经验是无法比拟的,他们必须学会创新。然而,我没有沉管的经验,也许能把我的缺点变成优点。这是林明说服我的一个重要原因。”刘啸东被说服了,他下定决心。

在接下来的七年里,刘啸东和团队经历了学习、追赶和创新的过程。为了保证项目一次完成,他和工程技术人员一次又一次地推翻了原计划,创造了一个项目改变原设计计划80%以上的记录。

刘啸东提到,当时,为了控制沉管隧道的沉降,软土地区需要一个处理方案。最初的设计方案是由外国工程师根据外国经验提出的。其计划是采用“钢沉桩减沉”,即在海床上打桩,在其上铺设承台,在承台顶部铺设砾石,然后在顶部放置沉管。他们最初相信外国工程师的计划,但测试结果让他们出了一身冷汗。

试验结果为沉降变形,碎石散落在承台上,专业术语为“不卷起”,与设计数据有很大不同。他们问了外国人几个问题,却发现他们使用了在河上开凿管道隧道的经验方法,还有未经证实的“假设”。

如果照原计划进行,港珠澳大桥海底隧道的建设将会有很大的风险。因此,岛隧项目部和设计团队已经开始分头行动,在尽可能短的时间内,根据几个可用的方案,创造性地提出并确定了两个备选方案。经过几次专门的技术讨论和专家协商会议,会期约为一年。方案2确定为最终方案,即保留原方案的碎石垫层设置,将人工岛墙下使用过的挤密砂桩方案移植到隧道内,形成组合结构基础方案。

当刘啸东提到这一经历时,他感慨万千,幸运的是,他没有辜负他的使命。

港珠澳大桥最初的技术创新是中国对世界的贡献。

原沉管结构体系适用于浅埋隧道。港珠澳大桥岛隧道工程在世界上首次提出了全新的“半刚性”沉管结构体系记忆支撑(起到类似“保险丝”的作用),以解决深埋管的技术问题。这只是港珠澳大桥岛隧工程众多原创技术创新之一。

刘啸东对隧道工程的原始技术创新了如指掌。例如,软土隧道沉管沉降控制是沉管质量的关键,也是一个世界级的问题。他和他的团队首次研究采用了复合地基基础方案,将10〜20cm类似国外软土隧道的沉降控制在7cm左右,从而解决了软土隧道的沉降控制问题。考虑到沉管重量为5万吨,港珠澳大桥沉管重量为8万吨,他们开发了沉管预制的工厂化方法,首次实现了弯曲沉管预制的工厂化方法,改进了沉管预制的裂缝控制技术。他们开发的整体可逆主动止水沉管最终接头颠覆了以往沉管最终接头的方法。沉管封闭只能在现场一天内完成(最初通常需要6个月以上),并且可以反复调整。

刘啸东认为,这些创新技术推动了世界沉管技术的发展,得到了世界同行的高度认可。它们是中国对世界的贡献。

2018年10月24日,港珠澳大桥正式通车。此后,香港、珠海和澳门之间的时空距离大大缩短。从香港开车到珠海和澳门只需30分钟。

刘啸东告诉《中国经济周刊》记者,港珠澳大桥的建成实现了便捷的土地连接,改变了区域的时空观,缩小了港、澳、粤三大经济体之间生产要素的价值差距,从而促进了产业和城市的更合理布局,这将促进内地产业结构的升级和香港产业价值链的延伸。

(中国经济周刊记者罗云采访报道)

编者:邹宋林

2019年第18期《中国经济周刊》封面(纪念新中国成立70周年特刊)

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