阳光下的海面波光粼粼,一条“海上天路”跃然伶仃,蜿蜒伸向那梦想的远方,连接江海、横贯东西,这就是粤港澳大湾区核心交通枢纽工程——深中通道。动工建设的这些年,深中通道在海与风中磨炼出众多“世界之最”,比如世界最大海中锚碇建设,全新的整体式钢箱悬索桥气动外形研发,在世界上首次将超大跨径整体钢箱梁悬索桥颤振临界风速从不到70米/秒提高至88米/秒。
建设世界最大海中锚碇
深中通道深中大桥是世界上最大跨径的全离岸海中悬索桥,其关键受力构件——两个锚碇均在海中,施工难度极高,面对重重困难,项目团队通过奋力创新,在世界上首创“柔性围箍锁扣钢管桩围堰筑岛+地连墙”集成技术,实现超大型海中锚碇的安全高效施工。
在茫茫的大海中,如何在那块要建造锚碇的海域将软基固结?当时在深中通道工作的陈炳耀是负责这项工作的业主代表,看着深中通道S04标副总工蒋明鹏送来的数据报告,陷入沉思。
东锚碇所在海域的淤泥层和淤泥黏土层太厚了,都快30米,而且土质含水量多,注入用于固结的水泥浆会不会随着潮水流走?水分这么大,水泥浆能否顺利硬化软基层?蒋明鹏认为,软基处理是围堰筑岛的第一步,如果无法顺利固结深厚的软基层,后续工序将无从谈起。
能不能通过什么办法,让直径达220米的圆形施工海域含水量减少,充分发挥水泥浆的作用?陈炳耀牵头设计、施工各方,反复研讨、提出各种施工方案。最后想出的办法,就是将水“挤压”出来。
“我们先将表层的淤泥清除,形成一个稳定的排水通道,再划定网格,按水流方向,由上游侧向下游侧逐格填砂石,并打设塑料排水板,顺利将淤泥中的水‘挤出去’。”蒋明鹏说,最后的效果非常好,淤泥固结达90%以上,为锁扣钢管桩顺利打设和填砂筑岛奠定坚实基础。
围堰成岛后,东锚碇顺利开展了地下连续墙施工,形成稳固的支护结构,开始锚碇基坑开挖。这是整个锚碇施工风险最大的一道工序。为了减小阻水比,深中大桥的锚碇被设计成“8字型”结构,现在就是将这个“8字型”围墙里的全部淤泥、砂石等“掏空”,要一直挖到水下40米左右的微风化花岗岩层。越是往下挖,风险越大,挖到最下一层的时候风险最高:岛外巨大的水压,可能会造成地下管涌,安全风险极大。困难一次次被克服,2020年9月,东锚碇基坑开挖完成,开挖总方量达19.56万方,工效、安全性都得到验证。锚碇锚体在2021年12月顺利完成施工。
攻克超大跨悬索桥抗风性难题
站在深中大桥上,夹杂着潮气的大风迎面刮来,底下是辽阔的海面和往来不息的船舶。深中通道所处的伶仃洋海域每日有超过4000艘船只穿梭往来,万吨级船舶超过200艘,未来要满足30万吨超大型货轮和3万标箱集装箱船的通航需求,深中大桥主跨达到1666米,通航净高达76.5米。
与风如何相处,是大桥最先直面的难题。由于悬索桥属柔性结构,且深中大桥桥址位于沿海强风区,每年风速达6级以上的时间超过200天,强台风频发。曾有国外著名桥梁公司断定:深中大桥采用的整体钢箱梁无法满足抗风安全要求。
建设团队下定决心,要打破国外权威的论断,攻克超大跨悬索桥的抗风性难题。他们联合设计单位,与同济大学、西南交通大学等多所高校合作,开始长达近3年的平行研究与试验工作。风洞试验是其中重要的一环。工程师们构建实物模型和模拟相关物理、环境数据,并将气流流动特性实现可视化,制造“看得见的空气”,结合空气动力学,不断设计优化桥梁结构。
最终,通过上百组试验,工程师们找到了“最优解”——对整体式钢箱梁进行气动外形优化,采用高透风率栏杆、设导流板,在梁的上部加设中央稳定板,并对通常被当作钢箱梁缺陷的检修车轨道进行巧妙设计处理,有效提升了大桥的抗风稳定性。这是在世界上首次将超大跨径整体钢箱梁悬索桥颤振临界风速从不到70米/秒提高至88米/秒,能抵御17级台风,为我国未来建设海峡工程做了重要技术储备。记者姚嘉莉 通讯员沈仲