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八万吨巨龙沉入海底,十四年,从零起步拿下世界第一

非知名铁血网创始人,五道口男子技校辍学,军品材料砖家;微胖界军宅戴表,懒癌强迫症晚期;女军迷之友(自认),战忽局临时工。

2015年12月,港珠澳大桥的岛遂工程迎来了一个特殊的客人。

香港土木工程署前任署长刘正光。

他还有另外一个更广为人知的外号,香港桥王。他主持修建的汲水门大桥、汀九桥、青马大桥,均为世界级水准的悬索吊桥。

尤其是青马大桥,是全世界最长的行车铁路双用悬索吊桥,也是全世界第一座在台风气候下仍然能正常使用的大跨悬索桥,1999年,青马大桥入选美国建筑界评出的“20世纪十大建筑成就奖”,更是荣获我国桥梁工程界的最高奖“茅以升奖”。

四十余年桥梁设计施工经验,众多项目蜚声海外,刘正光是绝对的业界泰斗,但人也很傲气。

他一直不看好内陆的施工能力,甚至在公开场合炮轰内陆的桥梁工程质量,所以港珠澳大桥项目组将这么一个“苛刻”的老师傅请到隧道来,就是为了挑毛病的。

来访的前一天,刘正光打电话问:“参观隧道用不用穿雨衣雨靴?”

“不用!”

第二天,刘正光没穿雨衣,但还是穿了一双雨靴。

但进入隧道之后,他知道自己的雨靴没有任何必要了。

192个隧道接头处,拿手指一摸发现都是干的,甚至是手上还有灰。整个隧道内没有一点点渗漏的地方,别说湿漉漉的地面,内壁上更是连一点水痕都没有。

欧洲一家知名岛遂施工杂志给出的数据显示:全世界节段式沉管漏水率平均在10%左右,目前尚没有100%不漏水的记录。

每10个接头,就有一个漏水渗水,但是在港珠澳大桥的沉管隧道里,中国人做到了192个接口100%密闭无渗透。

参观结束后,刘正光握住隧道总工林鸣的手,激动地说:“滴水不漏!我还没有看过海底隧道不漏水的沉管,你们做到了,我们香港工程界要向你们学习。”

林鸣呆了一下,然后把摄像叫来,对着刘正光。

“请您对着摄像机镜头再说一遍。”

刘正光端端正正地对着镜头,郑重地又说了一遍:我们香港工程界要向你们学习。

林鸣笑了。

01.

伶仃洋,珠江入海口那一片河口湾,我们最早都是在文天祥的《过零丁洋》中听到的这个名字。

这一片小小的水域,半径六十公里之内,有14个珠三角大中城市,7个机场,这里是中国最有活力的经济带,也是海运航空最发达的地区。

但伶仃洋西侧的珠海澳门,与东侧的香港深圳,从来都只能隔海相望。除了坐船,只能绕行广州,所以很多人都想把这个三角形的底边接起来,修一条跨海大桥,将东侧与西侧连接起来。

1983年,香港的建筑大佬胡应湘最早提出了修建“伶仃洋大桥”的想法,他表示愿意用愚公移山的精神修建伶仃洋大桥,计划投资450亿,收费通行50年,可以在36年之内收回成本。

要知道十年之后开工的青马大桥投资才60亿,这样的天价费用根本找不来投资方,再加上当时香港归属问题的不明朗,所以这个方案很快被搁置。

1989年,珠海市又一次提出了伶仃洋大桥这个设想,但项目经过多轮论证之后,依然被搁置一旁。

直到十年之后,1998年,国务院才正式批准伶仃洋跨海大桥工程项目立项。

2003年,港珠澳大桥正式取代伶仃洋跨海大桥项目,重新开始评估论证。

2009年,国务院批准港珠澳大桥开工建设。

从地方政府提出到国家立项,从国家立项到批准动工,港珠澳大桥走过了整整两个十年,工程成本天价是其中一方面原因,但更大的问题在于施工难度。

港珠澳大桥想要动工,面临着一个几乎无解的难题。

伶仃洋作为广州,深圳的重要出海口,主航道必须具备30万吨国际货轮的通行能力,这意味着桥面高度要超过80米,桥塔高度要超过200米。

但不远处,就是香港机场,每天将近2000架次的航班起降,200米的桥塔会形成巨大的安全隐患。

唯一的选择就是在海面以下,采用桥梁和隧道结合的方式,留出一片海面,为通行货轮和起降航班让路。

这样一条超长外海沉管隧道,中国的经验是空白的。而这样超过3公里的海底隧道,全世界只有一条,欧洲的厄勒海峡隧道,是荷兰人作为技术主力修建的。

还有就是韩国的巨加跨海大桥,当时正在施工中。

2006年10月,林鸣带着工程师抵达韩国釜山。

考察团乘船过去,到施工现场300米以外,船不再前进,而是缓慢地开始兜圈子。兜了两圈之后,林鸣满腹狐疑地把韩方人员找来:

抱歉,施工单位不允许登船参观。

考察团只能相隔几百米外拍了一张聊胜于无的照片,然后悻悻离开。但实际上,确实也是韩国人说了不算,最核心的海底沉管隧道他们根本搞不定,每次沉管安装都要请几十个荷兰工程师专门飞过来提供技术指导,别说我们不让参观,就是韩国工程师想要进入一线沉管施工现场都不容易。

所以林鸣很快意识到,和韩国人耗下去没有意义,必须得直接找到荷兰人,一家名叫斯特拉顿的公司。

几个月后,荷兰阿姆斯特丹。林鸣带队找到这家荷兰的顶尖隧道工程咨询公司合作沉管隧道安装。

“我们正在建设一条6.7公里,全世界最长并且是唯一的深埋海底隧道,技术难度非常大,希望得到你们的技术支持。”

对方开出的咨询费是1.5亿欧元,相当于15亿人民币,而且只有20名咨询人员。

这大大超出林鸣的预期,他提出了自己心里的预算,3亿人民币,只在风险最大的地方合作,其余的事情我们自己干。

鼻孔朝天的荷兰人当即拒绝了林鸣,说三亿的话只能给你们唱一首歌。

什么歌?

“给你们唱一首祈祷的歌”……

没有核心技术,就得忍受外国公司敲诈一般的要价,荷兰人不帮忙,那就靠我们自己来。

02.

铺设沉管隧道的第一步就是要打地基。

沉管接近八万吨,相当于航母的重量,要稳定牢固地放到海底,就必要给它打好地基。珠江口的伶仃洋,海底沉积的淤泥量非常大,厚度达到15-20米,沉管放在淤泥上就相当于扔到了棉花里,如果两个沉管所放位置的淤泥厚度不一样,沉降程度也不一样,接口处就会承担巨大的剪力,轻则导致漏水,重则导致整条隧道断裂。

所以沉管的地基一定要打好。

一共要分三步。

先把预置沉管路线上的淤泥清干净,需要清淤的面积达到23.8万平方米,清淤量500万立方米,相当于五个水立方那么多。

清淤之后要把海底夯实,就像把嫩豆腐压成老豆腐,再铺上2米厚的石板,提供一个相对平整的平面。

最后铺上大约1.3米厚的碎石,相当于是铁轨下的碎石床,均匀承重。

第一节沉管地基的碎石采用的是人工铺设作业,将近2万立方米的碎石,一边通过导轨倾倒,另一方面要22名专业的潜水员在水下铺平,这是极其巨大的工作量,工期慢成本高不说,另一方面则是质量不可控。

人工铺设工期长,而工期变长则会带来精度的下降,因为越靠近伶仃洋中心的地方,洋流、珠江水量、还有过往的大型船只,这些因素都会导致已经平整完的碎石基出现变化,工期越长,变数越大,所以必须尽可能快的完成平整工作,然后沉管安装。

全世界只有三艘平整船完成过海底沉管隧道的平整工作,一艘在丹麦,和荷兰一样,根本谈不拢,另外两艘在韩国,但工作水深只有25米和40米。

港珠澳大桥的沉管隧道要求,是48.5米,因为一旦埋浅了的话,深度就不够30万吨级货轮吃水通过了。

这是全世界唯一一条深埋沉管隧道,想要完成平整工作,必须先搞一台高性能碎石平整船。

思忖再三,林鸣找到了振华重工,把自己的需求提了出来,振华重工海上重工设计研究院生产设计所副所长何可耕被难住了。

压根就没见过的东西,现在要建一个全世界最高水平的出来。唯一能拿到一些技术参考的是韩国的平整船,但实际上参考价值也不大。韩国平整船采用的是漂浮作业,水面的波浪大小会直接对船体造成影响,继而影响平整精度,当作业深度较小的时候,这种方式的精度相对可控,但我们的作业深度接近50米,水面上的微小晃动都会导致平整工作的“谬以千里”,所以漂浮作业在技术原理上就行不通。

何可耕瞄准了海上钻井平台,既然漂浮式不行,那就把船钉住。

四个桩腿固定在海底提供着力点,工作台就可以稳稳地立在水面上,完成每节沉管基底的平整,需要移动7次,这对抬升桩腿的稳定性和使用寿命提出了更高要求,但振华重工最终还是圆满地完成了任务,将其命名为“津平1”。

“现在来看,应该说这艘船的各项指标在世界上是领先的,还没有第二艘船比我们这艘船更理想的。”

2012年3月,津平1迎来处女秀,96个试验的碎石平整全部达到要求,精度控制在正负4厘米之内。在将近50米的水下作业,23.8万平方米之内铺上1.3米厚的碎石,最高处和最低处差距不到8厘米。

在场的韩国和日本专家被震住了,直言这是个不可思议的精度。

但挑战还没有结束,2014年年底,林鸣又遇到了大麻烦,在准备第15节沉管之前,遇到了最难搞的基底回淤。所谓回淤,就是指碎石已经平整完毕准备铺装沉管的时候,淤泥又被带入到碎石基面上了。

如果这时候进行沉管铺设,底部受力不均很容易造成安全隐患,所以必须要二次清淤。

如果把铺好的碎石先挖出来,等完成清淤后再填回去,时间成本又太高。

所以林鸣的需求是,有没有可能有一套高精度的基床清淤装置,既可以清除碎石上的淤泥,但同时碎石不要被吸走。

振华重工抽调了100名精锐力量进入桥隧的施工现场,经过了8个月的奋战之后,他们拿出了一套高精度的清淤设备,仅用4天的时间就把50米沉管预置点的垄顶、垄沟淤泥清理干净,而且基床上的碎石几乎不会移动,完美实现了林鸣这个甲方提出的要求。

并且,振华还实地检测、调取水文数据和泥沙数据,进行浪潮流和泥沙耦合的数值预报模式,为碎石铺设和平整提供预警,什么时候容易出现回淤,哪里容易出现回淤,都能最大程度地规避。

靠着“给力”的振华重工,林鸣和项目组拿下了碎石平整这个大难题。

但这也仅仅只是沉管隧道施工的第一步而已。

03.

在水下平整工作进行的同时,沉管的结构设计也在同步进行。

沉管结构设计的基本原理其实很简单,就是制作几个标准化的混凝土管子,然后经过海上运输并准确地放到海底,头尾相接的密闭连接起来。

但这个管子实在太大了,八万吨,截面像网球场一样大,把他们安放在海底拼接时,误差控制要以厘米计算,并且它要面对的敌人,是变幻莫测的大自然。海底沉降、潮汐影响,还有极端天气,这些因素都可能对沉管隧道的使用寿命造成巨大影响。

而项目组最初的设计使用寿命,是120年。

想要尽可能提高使用寿命,除了在施工阶段提高要求,更关键的是要在设计阶段就尽量考虑的完善。

沉管隧道的设计,主要可以分为两种,一种是刚性隧道,一种是柔性隧道。

刚性隧道是整体大管节,单节长度有将近200米,它最大的优点是管节之间接口少,不容易出现漏水。但缺点也很致命,在长达200米的基底上,如果哪个位置沉降过大造成受力不均,整个管都有被“扭开”的风险。

就好比一个一吨的重物十个人抬,突然两个人松手,剩下十个人肯定扛不住。

而柔性隧道则是把一个大管子拆成22.5x8,8个小管之间用钢绞线连在一起整体安放,等放到海底之后再剪断钢绞线。柔性隧道的最大好处是各个小管节之间具有相对的独立性,各管节可以应对不同的沉降程度。

当时全球唯二两个超过3公里的海底用的都是柔性隧道,而且国外的技术专家提供的也都是柔性隧道方案,所以在工程初期,我们几乎没有犹豫就决定使用柔性方案。

但干起来之后,林鸣觉得越来越不对劲。

厄勒海峡隧道和巨加隧道,都是十几米二十几米的浅埋隧道,但港珠澳大桥隧道的最大埋深达到了48.5米。

浅埋隧道受到的压力小,沉降程度也比较小,各个管节之间的防错位接头比较容易满足要求,但深埋隧道压力更大、沉降程度也比较大,各个管节之间的防错位力就有可能达不到要求。

项目组在实验室里建模计算,发现进入深水段之后原来的接头抗剪能力确实不达标,而且在接头处加上接榫(一种抗扭转的固定装置)后,抗剪力还是达不到要求。

如果继续按照柔性管设计,根据试验结果显示大概率要出问题,但如果改用刚性管的话,原计划的33个大管节肯定不行,就要变成更多的小刚性管,接口数量大大增加,工程预算还有工期都会大幅飙升,也很难被外界所接受。

柔也不行刚也不行,林鸣和团队都急了。

每一天都是无休止的讨论,外国专家始终坚持继续采用柔性结构,但林鸣死死地摁住项目组,就算是天塌下来他也要扛下所有责任,绝不能带着侥幸上一个实验室都过不了的方案。

2012年9月的凌晨,大桥总设计师刘晓东收到林鸣的一封短信:是不是可以研究一下半刚性概念。

林鸣的这个想法,让淹在水底的项目组终于可以探出头来透一口气了。

所谓半刚性就是加强各个小管节之间的刚绞线,在外部的混凝土结构中加入更多钢筋,约束各个小管节之间的变形。林鸣找到清华和同济的两位专家求证,得到了初步的支持,很快,项目组提出半刚性优化方案,要求开展论证和后续试验工作。

然而,国外的技术顾问直接否定了半刚性的方案,全世界仅有的两条超长沉管隧道用的都是柔性,为什么我们非要另辟蹊径剑走偏锋搞半刚性,而且柔性沉管本来就是为了让各个管节可以独立应对沉降,现在还要加强固定那为什么不用刚性?

刘晓东用积木做了一个比喻,刚性是长条积木,柔性是小积木拼起来的,半刚性则是用橡皮筋串起来固定的,在受到外力作用下,刚性宁折不弯太硬了,结构上可能出问题;拼接小积木可能产生错位;而橡皮筋串起来的因为有弹性,所以允许有一定的张开,同时这个张开是可以控制的。

听起来确实很有道理,但林鸣和刘晓东必须要通过试验结果验证半刚性结构的可行性。

2013年4月,林鸣找来了清华大学、同济大学、中交公路规划院、中交四航院四个国内科研院所,还有一家参与设计了几乎日本国内所有沉管隧道的机构,五家团队分别做模拟验证试验。

林鸣的观点是,如果是一个正确的判断,那五家机构的计算结果应该是具有趋同性的,如果是错误的判断,那结论就会是五花八门的。

2013年7月,五个小组的模拟计算给出了初步结论,半刚性结构整体没问题,五个组的计算结果是接近的。

8月,港珠澳大桥管理局组织了一场高规格的论证会议,交通部两个副部长、港珠澳大桥三位总工程师、四位院士,还有五个外部模拟计算团队的负责人,大家对模拟计算结果反复确认,最终达成一致:就搞半刚性结构!

当时已经87岁的院士孙钧,起到了关键的一锤定音的作用;

“国外的东西不能完全套用,老经验也都是从新探索一步步走过来的,5家机构的数据支持,证明这个方案还是可行的。”

04.

完成基底平整和沉管结构设计之后,终于要进入最难的环节了,沉管安装。

八万吨的沉管放到40米深处的海底,然后实现厘米级精度的对接,对于这项工作的难度,林鸣声称,相当于你要连续33次考上清华。

从13年5月开始第一节沉管对接人工岛端口,到2017年3月最后一节沉管安装成功,46个月的时间,林鸣整整瘦了40斤。

本来港珠澳大桥沉管开始安装的时候,韩国巨加隧道的沉管已经安放完成,所以我们找到了大宇集团,商量把他们的沉管安装船借过来用一下。

大宇同意了,但是又在荷兰人这里出了岔子。

安装船上有一个极其重要的设备,沉管调整装置EPS,沉管初步放置到预设位置,但此时距离准确对接的偏差可能还有几十厘米,这时候就需要利用EPS一点点地挪动,精确地把接头对上。

大宇这艘安装船上的EPS当时和荷兰人签了协议,不得转让外用。所以我们找韩国人没用,还是绕不过荷兰人。

EPS的专利持有方,就是之前和我们谈崩的斯特拉顿公司,这家公司前期的咨询合作和我们没谈拢,本以为我们会和韩国人一样转一圈回来再找他们,没想到我们靠自己的力量已经推进了大半。

所以荷兰人直截了当地表示,这项专利不转让。

倒不是怀恨在心这道坎过不去,而是荷兰人心里实在忧虑,要是连精确沉管安装用到的EPS都被我们拿了去,荷兰人在沉管隧道施工上的优势几乎就不复存在了。

国之重器上的合作,难缠的不只是在商业上的漫天要价,更伴随着国与国之间核心竞争力的竞争与转移,对没有威胁的小白羊之间才能谈合作,对实力强劲的竞争者之间,只能是生死相争。

振华重工继续出发。

荷兰EPS的基础是两套千斤顶,一个门形框架承托起沉管,一套垂直向的承重、准备安放,一套水平向的左右摆动,调整沉管位置。

何可耕摸透了这套系统之后,直观感觉并不适合用在港珠澳大桥的沉管放置中,伶仃洋的水下环境更复杂,水平左右摆动向调整定位的精度不够。

振华拿出的方案是微寸动,配备大型绞车收放钢缆,根据管节上的GPS系统确定管节与基准线的偏差,然后用寸动装置控制钢缆的收卷速度,管节最小的移动速度只有每秒钟不到1厘米。

荷兰的EPS是直来直去地动,振华的微寸动相当于是加上了一个放大仪,把管节的移动量在钢缆上放大,可以做到更精确的控制。

确定了微寸动原理之后,最大的难点就在于控制钢缆的卷扬机。欧洲咨询公司给出的数据是,拉力180吨的卷扬机,需要33台。

卷扬机的拉力和数量根本不是问题,问题是安装船的甲板就这么大,根本就放不下这么多台设备,除非把规划船体的甲板再扩大数倍。

林鸣对欧洲公司的数据表示了极大怀疑,一方面他们并不知道振华的电控技术已经达到非常出色的程度,各个卷扬机的钢缆同步精度能达到2.5厘米这个精度,不存在因钢缆不同步导致某条钢缆承重突然增大,因此也就不需要增大拉力的富余量。

另一方面,他们这个数据不是在实验室里做出来的,而是直接甩进模型里计算出来的,这个数据大概率在精度上存在差异。

最后又是国内的多家科研机构分别展开模拟试验,模拟施工作用环境,对卷扬机机型进行优化,逐步将拉力从180吨调整到150吨,再到120吨。最后,更是对安放在不同位置,负责不同功能的卷扬机进行逐个优化,让每一吨的拉力都精准负担而不浪费。

最后,我们成功研制出两艘装有微寸动控制的沉放船,命名为“双子星”。

但即便拥有了当时国际上最先进的沉放船,33节巨型沉管隧道的对接安装仍然是个巨大的难题。

2013年5月,第一节沉管经历了96小时的鏖战才终于安装成功。

最危险的E15,拖船拖到预置位置时,珠江口的海浪一米多高,工人在沉管顶部很有可能被海浪卷下去。起重班长护送沉管回到坞内时颤抖着说,终于回家了,终于捡回命了。

第二次安装是大年初六,安装现场又一次出现回淤,又只能撤回重来......

连续两次安装失败,很多年轻的技术骨干,在指挥室里都哭了。

压力最大的林鸣强撑着笑着安慰大家,我们已经做的足够好了。

“要做世界上最难的工程,就是会遇到这些问题。”

E26沉管安装的时候又是5月,当时珠江已经进入汛期,尽管海面上风平浪静,但海面以下的径流量已经从一个月之前的2000立方米/秒,暴涨到了26000立方米/秒。

这样的暗流扰动,接近沉管安装的红线,但如果不抓紧完成沉放,已经平整完毕用于安放沉管的基槽,很快就会被径流卷起的淤泥再次覆盖。

为了尽可能降低水流的影响,林鸣选择分段式沉放的方式。第一次沉放10米,速度0.4米/分钟,同时每下放三米就暂停确认一下偏差量。

等到1米的时候,更是每10厘米就要暂停一次,潜水员下潜到30米深处,观察接口偏差,最后10厘米,一厘米一厘米地沉放,从凌晨3点干到旭日东升。

若是从拖船托着沉管出发开始算起,已经过了20个小时。

已经马上六十岁的林鸣,在指挥室里从头盯到了尾。满头白发就是这样生出来的,40斤就是这样瘦下去的。

“报告林总指挥长,E26管节现已顺利完成水力压接作业,测控系统显示,管节安装精度满足设计要求,特此汇报。”

“好!”

一天一夜的辛劳,在这句“完成作业,满足要求”中,得到了最满意的结果。

2017年5月2号日出的时候,最后一节沉管安装成功,世界上最大的沉管隧道——港珠澳大桥沉管隧道顺利合龙。

在大家已经开始欢呼的时候,林鸣却成为了破坏气氛的那个人。

因为偏差16公分,林鸣觉得不行。

这个偏差,对于水密工程要求而言,是合格的,现场的瑞士、荷兰、日本顾问也都认为没问题,但林鸣坚持要重来。

“如果不调整的话,这将是自己职业生涯里一个永远的偏差。”

外方工程顾问退掉机票被抓回来,项目组开始重新计算校勘,已经沉入海底的巨物被重新吊起......

皇天不负有心人,最后的偏差,从16公分,降到了不到2.5毫米的差距。

写在最后

港珠澳大桥建设最精彩的故事,出现在2016年3月,那时的沉管安装工作正进行到后半段。

林鸣应邀来到阿姆斯特丹参加一个分享会议,举办地就在斯特拉顿公司的总部大楼里。

当林鸣走进集团大门的时候,顿时响起雄壮的义勇军进行曲,一面鲜艳的五星红旗缓缓升起。

这家世界上最优秀的桥隧公司,用这样的方式表达着对林鸣的敬意、以及对中国工程人的敬意。

服了,彻底服了。

被联合封锁又怎么样,被反对技术方案又怎么样,与全世界最先进的桥隧专家意见相左又怎么样?

人类建设史上里程最长、投资最多、施工难度最大、设计使用寿命最长的跨海桥梁,还是被我们啃下来了。

又或许,港珠澳大桥只是一个开始而已,纪录就是用来刷新的。

琼州海峡隧道,1994年构想提出,2008年上报至发改委与交通部,如今尚未立项开工,因为难度比港珠澳大桥更大。

渤海海峡跨海通道,1992年初步提出,2019年上报至国家发改委审批,如今也尚未开工,难度比琼州海峡隧道更大,预算投资更是达到3000亿。

这些超级工程,终有一日会被我们拿下。

我们的征途,是星辰与大海。

出品人:蒋校长 主编 :夏扬舟责编:FOX 撰文:权周运营:电动肥仔

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