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入海堪比上天难

2014-8-1 18:21| 发布者: 水沐泪5| 查看: 8205| 评论: 0|原作者: 文/米金升 任明朝 陈向阳 本刊特约通讯员王士刚供稿|来自: 《交通建设报》243期,2014年7月31日

摘要: 7月18日,广东珠海的中交港珠澳大桥岛隧工程项目部调度中心,大屏幕上的台风预报图清楚显示,我国南方41年来最强台风“威马逊”已经登陆海口,这意味着这一超级台风将不会“光临”正在紧张建设中的港珠澳大桥工地。 ...
沉管隧道建设用上了航天科技

718日,广东珠海的中交港珠澳大桥岛隧工程项目部调度中心,大屏幕上的台风预报图清楚显示,我国南方41年来最强台风威马逊已经登陆海口,这意味着这一超级台风将不会光临正在紧张建设中的港珠澳大桥工地。

悬着的心还没放下,另一个消息传来,菲律宾以东洋面生成了新的台风麦德姆,这会不会影响港珠澳大桥建设中一个月以来最好的窗口期?

这两个信息是国家海洋环境预报中心为港珠澳大桥岛隧工程提供的专项预报。

在世界上独一无二的超级工厂里,制作一个个长180米、重约8万吨,尺寸类似于一幢60层楼房的巨大混凝土沉管,然后把它运输到施工海域,安装到精心准备的海底基槽中,一节节对接起来,形成一个海底隧道,专业术语叫沉管隧道。这便成为当今世界上土木工程界最难的工程之一——港珠澳大桥岛隧工程。

大家都知道,卫星发射需要天气窗口,这里也需要窗口。一个8万吨庞然大物在大海中长距离浮运,并在海底40多米的指定位置进行精确安装,将会受到千变万化的风、浪、流等多种因素的影响。因此就要选择一个风平浪静、海流舒缓的时间段,这就是窗口期。综合考虑天气、海浪、海流复杂性以及工程建设本身的各种约束,一个月中只有两个窗口期。

16日至20日期间,国家海洋环境预报中心一直在不断分析台风威马逊麦德姆的发展态势以及对施工区的影响,经过对海浪、海流情况进行的分析和预测,中国交建总工程师、中交港珠澳大桥岛隧工程项目部总经理林鸣和他的团队确定了20日和22日两个对接窗口时间。

找准这个窗口期花了三个多月。

国家级预测机构专门为港珠澳大桥岛隧工程建设提供专项预报,虽然已经接近两年,但这次预报对国家海洋环境预报中心来说也是一个前所未有的挑战。即便参与过雪龙号蛟龙号项目,国家海洋环境预报中心现场预报员孙虎林仍然认为,为港珠澳大桥第11节沉管安装提供预测是他参与的难度最大的项目。

海底暗流带来的新挑战

为了给沉管安装提供充足的准备时间,海洋环境预报中心需要提前1015天提供海面气象预报。然而, 7日以上的天气预报准确性相对较低。在西方发达国家, 7日以上天气预报的精确度也要大打折扣。同在深海,蛟龙号气象预报只需要提前3天。

两年前,国家海洋环境预报中心为中交港珠澳大桥岛隧工程项目部派出专项组,在北京设有一个研究工作组,在项目部设立一个现场工作组。针对整个施工范围内的气象、波浪、海流进行观测与分析。专项组一方面通过详细的观测积累基础数据,另一方面通过建立综合模型来实现精确预报。

据中交港珠澳大桥岛隧工程项目部副总经理、设计总负责人刘晓东介绍,来自于风云卫星基础数据和现场观测的数据输入到远在北京的超级计算机,作出预测后,再和来自现场的实际数据对比,用来优化预报模型,并不断校验模型的可靠性。只有这样,才能确定沉管浮运安装的最佳时段。这要求几乎和卫星发射一样。

20135月,港珠澳大桥沉管隧道成功安装第一节沉管。国家海洋环境预报中心功不可没。在根据此前模型预测提供的窗口,到20143月,港珠澳大桥由浅入深成功完成了10节沉管。第10节沉管最深处在43米处。窗口期预报越来越成熟,安装作业越来越规范。

或许这只是挑战的开始。在第10节沉管安装之后,项目部意识到,海流对安装有意料之外的影响。

为什么?其机理是什么?

沉管安装一般都是几十个小时连续高强度作战,谁也不能休息。安装成功之后,大家都会补个觉。第10节沉管安装完成后,林鸣和他的团队睡不着了。4次专题讨论会, 10多次对沉管安装的所有细节进行排查。项目决策团队都在思考一个问题:对这样一个全新的超级工程,认识上是否还存在盲点?

港珠澳大桥工程投资超过700亿元,近6公里的沉管隧道由33节沉管在海底次第对接而成,是整个工程的核心,任何一节沉管出了问题,都会对工程建设产生致命的影响、对工程120年的使用寿命产生致命影响。而且,这项伟大的工程,在实际范围内可资借鉴的东西少之又少。全世界100多条沉管,超过40米水深的很少,深水安装长度超过2公里的更少。港珠澳大桥沉管隧道槽深30米左右,这在全世界还是第一次;深水安装的长度超过3公里,在全世界也是第一次。

就像过电影一样,每个人都在不断地思考,每个人又都未能找到答案,压力逐渐集中到了林鸣身上,他要为整个团队找到方向。这位在桥梁建设界经历无数大风大浪并且在港珠澳大桥岛隧工程建设前三年经历多次重大技术闯关的宿将,也感受到了前所未有的煎熬,他一遍又一遍地过电影,还是没有找到解决问题的办法。

长时间专注于这一问题,对他的身心健康产生了影响。刘晓东发现,开会或者听工作汇报时,经常感觉到林鸣会走神;身边的人看到林鸣憔悴了许多,也觉得他一段时间变得急躁起来。林鸣后来也意识到,必须从中跳出来,于是他开始强迫自己干一件毫不相干的事情,每天学一段时间英语。

有一天,有人提到,在2012年对珠江口主航道海流流速进行测量的时候曾经发现过一个反常现象:一组测量数据显示沉管安装基槽里的海流流速大于正常流速。当时以为这是一个测量误差。

林鸣马上决定,对沉管基槽中的海流作进一步分析。

刘晓东说,海流的一般规律是,水面下三分之一处的流速最大,越接近海底越小。按照这一规律,沉管能否安装是根据水面下三分之一处的流速来决定。如果海流过大,对付一个8万吨的大家伙,施工装备可能会拉不动、稳不住、停不了。因此,海流流速也是国家海洋预报中心专项预报的核心内容之一。

沿着这一个线索的研究找到了突破口。刘晓东说,港珠澳大桥沉管隧道是世界上一个大规模的深埋沉管隧道,水深有10多米,然后在海床上挖出一个最深达30米的深槽,沉管就要埋在这个深槽里。分析发现,第10节沉管隧道安装时,水下40米处的流速要远远大于水下10米处。这个深槽中的海流不符合一般规律。

这一奇特的现象突破了专家们的传统认知,从来没遇到过这种现象,常理难以解释,孙虎林说。

不符合规律的海流,专业术语叫紊流。国内外对紊流的研究均属空白。

国家海洋环境预报中心必须要把基槽中的紊流研究明白,并作出精确预报。中交港珠澳大桥岛隧工程项目部副总经理尹海卿作了个比喻,比如北京举办奥运会,就要对8月份的天气进行分析预报,这是一个大范围相对模糊的预报;另外在开幕式之前,就要对这一天下午4点到晚上的几个小时内,鸟巢上空的气象作出精确预测。港珠澳大桥沉管隧道建设也有两个预测系统,一个是施工大范围内海流的预测;另外一个是沉管安装范围内几百平方米海流的精确预测。

一开始,预报组认为这个预报难度太大。在项目部的坚持下, 20146月,国家海洋环境预报中心再次成立专项组,中心领导牵头,涉及几乎所有的业务部门,全力展开工作,所用计算机1秒钟的计算能力达到了60万亿次。

专项组首先根据现场需求建立预测模型、进行初步预测,然后通过把结果和现场实际测量数据对比,来不断校验、优化模型,直到预测越来越接近实际情况。

尹海卿说,新问题的出现对预测提出了更高的要求,是一个小范围精确预报,这对预报工程来讲,难度很大。针对现场的海流变异,安装沉管既要避开上面流大的时候,也要避开下面流大的时候,尤其是两个管节必须要在水底流速最小的时候才能对接,这就要求既有大的窗口期,又有小的窗口期。

对海洋环境预报中心来讲,也是个全新的任务:好比让一个锻铸刀剑的铁匠制造一个绣花针。加班加点一个多月,项目组有了基本稳定的预报。期间,国家海洋环境预报中心总工等技术专家多次到现场督战。模型确定后, 629日,13套深槽海流观测仪器自浙江杭州由专车运至观测现场,展开管节基槽内测流工作,为提高对接窗口预报精度。

大块头需要大智慧

对于林鸣来说,难题还没有解决。有了国家海洋环境预报中心的专项支持,自己就有了海流的完整信息,但是,在海流的作用下, 8万吨的沉管从海面沉放到40多米海底的过程中,会是怎样的状态?这是个更严重的问题。

整个安装靠缆系控制,就好像吊铅球一样,吊得越高,线就越长,铅球越容易摆动。沉管是靠水面上的安装船的缆吊着缓缓下沉、安装,在海流作用下,沉管会发生摆动,这就要实时监测沉管的姿态,确保安装不能有一丝偏差。

尹海卿说,管子入水之后,怎样运动,速度和加速度是多大,横向摇了还是纵向摆了,摆动频率是多少,这些信息需要实时掌控,摆动大了,就要停下来稳一稳。

掌握这些信息,就要眼睛。

沉管这个大家伙,振动的幅度很小,振动又非常缓慢,专业术语叫低频长周期振动。尹海卿说,一个摆动可能要100多秒,一共就摆动了10厘米,很难精确测量。清华大学、上海交大等高校的研究所都有高精度的振动测试平台。但是联系了多家科研机构都说干不了。要么是没有技术,要么是没有设备,要么是没有合适的方法。尹海卿也曾联系国家地震检测机构寻求帮助,但是那里的传感器也只能测量0 . 07赫兹的振动。而沉管的摆动频率可能会是0 . 01赫兹。

2014527日,北京香山北麓一栋不起眼的小楼里,中航工业北京长城计量测试技术研究所研究员邵新慧接到了电话,港珠澳大桥岛隧工程请求技术支援,检测深海沉管运动姿态。

这个名不经传的机构,业务却绝对是高精尖:为航空航天提供计量测试技术保障与支撑。为土木工程提供技术服务,是不是有点牛刀小试?不过邵新慧觉得心里没底,十余年的工作经验里,都是在做天上的传感测量,从来没有在深水里做过震动测量,更何况这次是水下40米。几番思索下,邵新慧决定迎接挑战。

林鸣也赴北京专程拜访中航工业计量所,一番交流后,港珠澳大桥建设面临的技术挑战,也让中航工业计量所感到意外。随后,一个由副所长牵头、骨干成员组成的参与港珠澳大桥专项研究小组成立了。

沉管就像海底的大钟摆,需要精确测量其左右、上下以及倾角方向上的摆幅。深水又导致了沉管运动的超低频特点,如果传感器没有极高的灵敏度,压根不可能测到。邵新慧曾参与某导弹项目,频率精度只需要达到0 . 1赫兹。

沉管在安装之前要进行几十个小时的准备工作,测量仪器在水中时间长了可能会出现虚假波动,即零漂,影响测试结果。

这都要求,要选择灵敏度极高的传感器,才能实现精确测量。

中交港珠澳大桥岛隧工程项目部也抽调水工领域专家组成小组,与中航工业计量所专项组一同钻进了北京的实验室,广泛调研后,对各个厂家的传感器、陀螺等进行验证。经过六七天的实验,终于选出了满足项目需求的设备。国内最先进的微机械陀螺和高速度倾角传感器,以及航空航天导航制导专用设备,共同组成了为港珠澳大桥量身定做的沉管运动姿态实时监测系统。

系统虽已初步成型,但这些设备是否真能测量出深海里的沉管微小运动姿态617日,中航工业计量项目组从北京前往珠海,奔赴港珠澳大桥项目,在桂山岛进行实地检验。项目组模拟沉管水下振动,用所选仪器进行深水测量,并与全站仪的测量数据进行比对。实验结果让项目组十分欣慰。

76号,包含院士在内的十几位专家在中山开会,最终确定采用中航工业计量的沉管运动姿态实时监测系统。

测量方案尘埃落定,接下来是紧锣密鼓地筹备港珠澳大桥第11节沉管安装测量工作。721日,港珠澳大桥岛隧工程第11节沉管安装中,邵新慧测得,沉管横向摆幅在1毫米以内,垂向摆幅在2厘米以内。这一实时监测系统,就像深海中的眼睛,时刻紧盯沉管运动姿态。得益于该系统,一旦沉管摆幅较小时,项目部能够抓准时机进行对接。最终,第11节沉管实现了精确对接。

能为世纪工程保驾护航,我很荣幸。邵新慧笑道。对中航工业计量所来说,港珠澳大桥项目是其首次进行深水测量的重大突破,为今后低频长周期的测量提供了宝贵的经验。岛隧工程项目团队终于从近5个月的焦虑、无助中闯关成功。这段压力几乎让他崩溃的日子中,林鸣有了两个额外的小收获:我明白了为什么陈景润会撞到树上,我也对精神病的形成机理有了一点体会。

 

 


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