港珠澳大桥东西人工岛:伶仃洋上筑就非凡艺术品

2017-04-26 17:42:16
  伶仃洋上的春夏之际,一个让一线建设者又爱又恨的季节,时而烈阳高照,时而骤雨倾盆。适逢2017“冲刺之年”,最终接头安装在即,在沉管隧道两端,走过了6年施工长征的东、西人工岛,也依旧是一幅紧张、繁忙的景象。

  东人工岛上,主体建筑7座塔吊林立,长臂交叉挥舞;大型工程设备来回穿梭,引擎声、机械声此起彼伏;对讲机里传出的喊叫声充斥着现场每个角落,头顶飞机呼啸而过,既远又近。比起今年3月初记者上岛时,东岛的主体建筑又往上“拔”了一些,当时岛上主体建筑首层初现规模,如今,主体建筑的第三层作业面已逐步打开。

  在遥遥相望的西人工岛上,主体建筑首层已经顺利封顶,珠江口“地标性”建筑之一初现雏形。根据设计,东、西人工岛形似两艘相向而行的巨轮,并将打造成为国内最大规模的清水混凝土建筑群,筑就伶仃洋上极具标志性的建筑艺术品。

  打响岛隧工程第一战

  “大直径钢圆筒快速成岛”的突破革新

  港珠澳大桥海底隧道是我国首条外海沉管隧道,不仅需要在松软地基上建成当今世上最长、埋深最大的海底沉管隧道,还要在水深10余米且软土层厚达几十米的深海中建造两个人工岛,实现海中桥隧转换衔接。

  然而摆在港珠澳大桥岛隧工程项目总经理、总工程师林鸣面前的现实却是,“沉管隧道在港珠澳大桥建设之前,全国也就是不到三千米。”换言之,国内在这个领域的技术积累几乎空白。如何在茫茫大海中打下这个超级工程的坐标?决定岛隧命运的第一战,就是要以最快速度在海中建起两个离岸人工岛。

  在外海造人工岛实属不易,而造岛环境也极为特殊,既要为珠江口预留30万吨的航道,也要注意保护中华白海豚国家级自然保护区的生态环境。两个人工岛的面积都接近10万平方米,如果按照传统抛石填海的方法,不仅工期长,而且在通航繁忙的伶仃岛航道附近水域安排大量船舶施工,必然对周边环境产生影响,安全风险也高。

  “如果按照传统的办法,也可以完成任务,但工期就没了。所以当时一定要找一条出路。”从项目筹备开始,建设团队就在思考深海筑岛的方案,一个基本着眼点是,“在深海筑岛,人工岛面积很小,这就要求尽量少用船舶、尽量简化工艺。而要实现环保、确保质量、确保工程进度,就要考虑大型化、标准化、预制化。”

  颇为“传奇”的是,在一次技术交流会期间,一个大胆的构想突然闪过林鸣的脑海——用大直径钢圆筒围成人工岛。简单来说,就是以大的钢圆筒止水围岛,岛内填入砂料并加固地基,圆筒外再用混凝土块体等加固防护,最后,坚实的人工岛“拔海而起”。

  这灵光一闪,打通了整个岛隧工程的关键线路。然而,这样一个史无前例的创新工艺,在国内外根本没有规范和经验可以参考。港珠澳大桥岛隧工程项目副总经理刘晓东记得,在提出新方案后,花了大半年的时间做方案、设计、论证、实验,同时还要说服专家同意并取得共识。为了做到严谨,项目部请全国工程勘察设计大师王汝凯做钢圆筒建岛不成立的反向研究,一共组织了8个攻关课题研究,包括钢圆筒的稳定计算理论、钢圆筒筒体结构设计、振沉技术及振沉工艺、止水方案等。经过三个月的研究,结论是大圆筒快速成岛施工方法是可行且有效的。

  经过多方面专家论证,超大直径钢圆筒、液压振动锤联动的优化方案被正式采纳为最终方案,这也成为港珠澳大桥岛隧工程的一项创举。“每走一步都在探索有没有更好的办法,这是我们的特别之处。”刘晓东说,“只要发现这个工具并不适合我们,或者说对港珠澳大桥工程存在风险或者是潜在的风险,我们就会放弃所谓成熟的做法,立刻进入组织创新新工具、新结构、新工艺和新技术中去。”

  两个人工岛建设共用了120个直径22.5米、最高50.5米、重达500吨的钢圆筒,242个副格,每个钢圆筒都相当于一栋高层住宅楼。这些钢圆筒分批次建造,再由8万吨级的远洋运输船从上海运到珠江口,在工程中使用如此重量级的运输船在国内尚属首次。

  “工欲善其事,必先利其器”,要想把巨大的钢圆筒深插入海底,必须要有配套的振沉设备——岛隧工程采用的是八锤联动液压振动锤,这也是世界首创。八锤联动,不仅要保证共振,还要保证精确度。港珠澳大桥人工岛的钢圆筒不同寻常,除了自身的高、大、重之外,还有一个特殊性——每个钢圆筒外侧都有为嵌入“副格”预留两个凹槽。钢圆筒振沉垂直精度偏差超过误差范围,副格将无法安装。

  “钢圆筒振沉管理系统”可以说是为超大钢圆筒振沉安装上了“眼睛”。该系统创造性地使用了GPS定位系统和全站仪定位系统相结合的全新的定位构想。在伶仃洋面上,1600吨起重船“振浮8号”吊着振沉系统和钢圆筒,在自主研发的“钢圆筒振沉管理系统”的引导下,实现正确定位。

  2011年5月15日,随着液压振动锤传来的轰鸣,直径22.5米、高40.5米的首个钢圆筒沉入水底,插入泥中21米,垂直度偏差小于1/500,港珠澳大桥岛隧工程首个世界超大直径、超深埋深、超大体量钢圆筒顺利振沉,揭开了西人工岛岛壁结构施工序幕。9月11日,西人工岛最后一个钢圆筒振沉入海,垂直偏差小于1/600;同年12月21日,东人工岛最后一个钢圆筒稳稳“定”入水中。

  短短221天,120个巨型钢圆筒在伶仃洋海面围成了两个海上“小长城”,“当年开工、当年成岛”的愿景提前成为了现实。一月三船、一日三筒,东、西人工岛建设创造了钢圆筒单体体量、振沉精度、振沉速度等多项世界纪录。

  “通常来说,筑岛是一个‘水工活儿’,我做过不少这样的项目。但岛隧工程完全不同,这是一场超越传统建设模式的‘大考’。”东人工岛现场施工指挥徐桂强感慨地说,一个项目能够聚齐这么多的技术、工艺、设备,在他三十多年的施工生涯中都绝无仅有,这是真正意义上从技术体系、装备到施工手段上的突破,每一道工序,每一项施工无不闪烁着创新的光芒。

  亮点巡礼

  清水混凝土: 打造伶仃洋上的标志性景观建筑

  东、西人工岛不仅是衔接桥梁和海底隧道的枢纽,根据设计方案,两座人工岛建筑总体均包含主体建筑、广场、环岛公路等,功能定位各有不同:东岛拟建设集交通、管理、服务、救援和观光功能为一体的综合运营中心,且开放游客观景揽胜功能;西岛主要用于桥梁的养护服务及办公。

  人工岛建筑中一项值得称道的创新,就在于清水混凝土的大规模应用。与传统混凝土不同,清水混凝土可以说是混凝土材料中最高级的表达形式,其表面平整光滑、色泽均匀、棱角分明、无碰损和污染,不需要二次修饰,在阳光的照射下有着大理石般的光泽。

  据该设计方案主要负责人、中交四航院副总建筑师冯颖慧介绍,之所以选择清水混凝土,出于多方考量:从自然条件上看,人工岛处于大海中央,高风压、高盐雾、高湿度,任何外装饰都容易脱落;从建筑风格上看,结合“骑楼、柱廊”文化特色,岛上建筑并不追求外表的奢华,而是强调低调、内敛、含蓄,清水混凝土“素面朝天”,有朴实无华、自然沉稳的外观韵味,与生俱来的厚重与清雅是一些现代建筑材料无法效仿和媲美的。

  隧道减光罩: 体现钢结构力与美的完美融合

  在港珠澳大桥海底隧道的东西两端,减光罩就安装在两座人工岛隧道出入口上方。远远望去,隧道口两端的“皇冠”与清水混凝土墙交相辉映,形成岛上一道靓丽的风景。与一般隧道减光罩相比,港珠澳大桥海底隧道减光罩在功能和外观上进行了升级,尤其是渐变式设计作为国内独创,集大成地体现了设计者的匠心独具和人性化关怀。

  振华重工和中交四航院联合完成了这一设计,他们在东西人工岛隧道口各用44根立柱、44根横梁和7根纵梁构成了减光罩主体,总重约2400吨。横梁一端与立柱连接,另一端与纵梁连接,形成“门型”构架结构。远观这些“门型”,两两之间有8%的坡度,递进排列,形成“爬坡式”的优美线形,以及由弱到强、由强到弱的渐变式光线,确保司机进出隧道时眼睛更舒适地适应光线变化。

  通过设计团队的精确计算,减光罩的外观线条优美流畅。站在人工岛上,横看,竖看,远看,近看,减光罩构件的各个点都在一条直线上,共同构成一帧流畅的景观,体现了钢结构力与美的完美融合。

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