探索港珠澳大桥的“科技密码”
港珠澳大桥主体工程施工中的钢箱梁海上吊装。（资料图片，卢志华摄）
一桥跨三地，唇齿更相依。
从珠海景色美丽的滨海大道——情侣路上向东远眺，全长55公里的港珠澳大桥宛若蛟龙，蜿蜒腾越于蔚蓝色的海面上。这是世界上最长的跨海桥梁工程，也是综合建设难度最大、最具挑战性的超级工程：在风大浪急的外海搭建使用寿命120年的钢铁巨桥、在海底40多米深处建造最长的沉管隧道、穿越30万吨级航道和白海豚保护区的施工现场……可以说，每一项挑战都前所未有。
“港珠澳大桥是一座名副其实的科技大桥，在这些世界级挑战的背后，是一系列创新攻坚和科技支撑的强力驱动。”港珠澳大桥管理局总工程师苏权科表示，自2003年前期筹备工作开始至今，以国家科技支撑计划项目研究为主线，200多家科研单位、上千名科技工作者围绕港珠澳大桥的建设，共开展科研专题研究300余项，终于托举起这座世界级工程。
目前，港珠澳大桥主体工程已全线贯通。记者实地探访了这座桥梁界的“珠穆朗玛峰”。
国家支撑，科技先行
港珠澳大桥集结了上千名科技工作者，开展科研专题研究300余项
“大桥通车后，珠海、澳门同香港间的车程将由3小时缩短至半小时。这座桥将珠三角地区连成一片，形成港珠澳一小时经济生活圈！”站在双向六车道的港珠澳大桥珠海段入口处，苏权科自豪地告诉记者。
造桥架梁，一直是珠江两岸人民的梦想。但要跨越几十公里的南伶仃洋海域，谈何容易？
“世界上几个有名的跨海通道工程，如美国切萨皮克跨海工程，长度19.7公里、海上人工岛面积3.2万平方米、海底沉管隧道3.3公里；韩国巨济岛—釜山连岛大桥，长度8.2公里、没有建造人工岛、海底隧道3.7公里。我们的港珠澳大桥，跨海段长度有22.9公里，还要建设两个10万平方米的人工岛，海底隧道长度达5.9公里，难度可想而知。”苏权科介绍。
更何况，这还是在淤泥深厚、海洋腐蚀环境严峻的外海施工。自然条件复杂，生态环保的要求更加严格。这片海域是国家一级保护动物中华白海豚的自然保护区，如何在施工过程中最大限度地减少对白海豚的干扰，是建设者面临的严峻挑战。
根据规划，项目要穿越30万吨级航道，同时毗邻香港国际机场。“大桥要满足30万吨级巨轮通行的需求就得建高，要满足附近机场航班降落的限高需求又得建矮。”苏权科说，经过综合考量，港珠澳大桥的最合理方案定为“桥、岛、隧交通集群工程”，即在这一航段沉入海底，搭建深埋沉管隧道，同时在隧道两侧建起人工岛。
“人工建岛和海底沉管隧道，当时对我们来说都是‘超级难题’。南伶仃洋是外海，环境敏感点众多，如果采用国外技术，要三年才能建成人工岛，一是工期太长，二是会对海域环境造成严重影响。而海底沉管隧道的关键技术一直掌握在少数发达国家手中，无论是技术引进还是合作，代价都非常高昂。何况有的技术还面临着国际封锁，花钱也买不来。”苏权科说。
从前期项目的可研阶段到开工建设，科技创新的理念贯穿始终。这个超级工程集结了我国在桥梁设计和施工、材料研发、工程装备乃至生态环保领域的上千名科技工作者，开展科研专题研究300余项，获得发明专利授权逾百项、发表论文逾500篇、创建工法逾40项。
自2010年起，国家科技支撑计划启动了“港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究与示范”项目，涉及大桥建设各项难点，以专业性、创新性、实用性的科技攻关支撑起港珠澳大桥的建设，啃下了一块块硬骨头，在关键技术、关键装备、关键材料领域取得全面突破，也为我国交通建设行业自主创新、技术进步起到了引领作用。
岛隧工程，全球首创
港珠澳大桥的岛隧工程是世界首例深埋沉管，沉管隧道首次做到无一处漏水
岛隧工程，是港珠澳大桥建设的难中之难。
从上空俯瞰港珠澳大桥，巨龙在离岸20多公里处倏忽隐没，再在6公里外腾空而起，连接两端的小岛状似蚝贝，工作人员都亲切地称其为“贝壳岛”。
贝壳岛不简单。在外海“无中生有”造出两座面积10万平方米的小岛，且当年开工、当年成岛，创造了世界纪录。“我们首创了外海深插超大直径钢圆筒快速筑岛技术，仅用了221天就完成两岛筑岛，缩短工期超过2年，还实现了绿色施工。”苏权科介绍，采用传统的抛石填海、围堤筑岛技术，工期长达3年，会对周边环境及航道产生极大影响。科研人员设计了多个方案，最后探索出外海快速筑岛技术，即采用120个巨型钢圆筒直接固定在海床上插入海底，再在中间填土形成人工岛。“每个圆筒直径有22米，大概和篮球场一般大；最高达51米，相当于18层楼高；重达550吨，与一架A380‘空中客车’相当。”
海底沉管隧道，同样也是庞然大物。5.6公里的沉管隧道由33个巨型混凝土管节组成，每个管节长180米、宽38米、高11.4米，重量达8万吨。
“要让这些管节在海底软基环境下对接安放，难度堪比航天器交会对接，需要精准的遥控、测绘、超算等一系列技术支撑。” 沉管隧道设计与施工关键技术课题研究负责人徐国平介绍，在水下近50米建设深埋沉管隧道，在国际上也被视为“技术禁区”。港珠澳大桥的岛隧工程是世界首例深埋沉管。“传统沉管隧道都是‘浅埋’，但港珠澳大桥的沉管顶部荷载超过传统沉管5倍，如果按照国外经验，采用节段式管节（柔性），有可能出现接头抗力不足、接头漏水等风险。”徐国平说，技术人员最终从理论上揭示了深埋沉管结构体系受力及变形机理，创新提出“半刚性”沉管新结构。这一方案与国外专家提出的“深埋浅做”方案相比，节省了工期。
“沉管隧道建成后，会不会渗水是成败的关键。因为33个管节之间有大接头，每个管节又有7个小接头。地基的不均匀沉降、剪力键的结构、止水材料的性能以及地震等因素，都有可能导致隧道漏水。”徐国平说，为了攻克这些难题，他们与多个单位合作攻关，就连制作止水带的材料也用了两年多时间自主研发。“国外类似沉管接头的正常漏水率是5%—10%，半刚性结构改善了沉管结构的防水性能，港珠澳大桥沉管隧道首次做到了无一处漏水。”
精品大桥，百年工程
能抗16级台风、7级地震，设计寿命长达120年
作为世界最大的钢结构桥梁，大桥仅主梁钢板用量就高达42万吨。“这相当于10座鸟巢或60座埃菲尔铁塔的重量，能抗16级台风、7级地震。”苏权科说，大桥的钢桥面铺装面积达到50万平方米，也创造了世界纪录。
更让人惊叹的，是这座大桥全部采用了“搭积木”的方式来建造。港珠澳大桥的所有构件，无论大小，包括上千吨重的桥墩、桥身和100多米高的桥塔，都是在岸上工厂整件制造，然后运至海上，像“搭积木”一样拼装在一起，实现了精密制造、精密安装。
“港珠澳大桥在设计之初就确定了‘大型化、工厂化、标准化、装配化’的理念。”港珠澳大桥管理局副局长余烈表示，施工现场紧邻航道，每天来往船舶4000多艘，为了满足工程质量、工期和安全的需要，也为了更好地保护生态环境，采用了这种全新的大桥建设模式。“海上组装可以降低海上恶劣气象条件对施工的干扰，降低对生态环境的破坏。岸上预制则让大型成套设备、先进生产工艺有了用武之地。”
苏权科感慨地说：“如果不是国家的整体科研和装备实力到了这一步，做这样的整体设计是不可想象的。”
港珠澳大桥要做精品工程，设计寿命达到120年，这在我国桥梁史上是从未有过的。“海工环境下，钢桥面疲劳开裂和混凝土海蚀早期破坏是行业通病，要建成一流工程，必须借助科研的力量来攻克这两大行业痼疾。”作为港珠澳大桥国家科技支撑计划课题之一——“混凝土结构120年关键技术”的负责人，王胜年带领团队进行攻关，从理论、技术、材料、工艺等多方面着手，作出了适合港珠澳大桥的耐久性设计。
港珠澳大桥也是绿色工程。施工之初，最让人揪心的白海豚则仅有1400头；主体工程完工后，白海豚增加到1800头。“这也是国家科技支撑计划的子课题，我们与中国科学院水生生物研究所、中山大学、交通运输部规划研究院合作，组建团队，300多次出海跟踪，拍摄30多万张照片，对海域内1000多头白海豚进行了标识，并摸清白海豚生活习性，在施工时采取针对性保护措施。”余烈说，出海时能看见白海豚，是吉祥如意的象征，工人们既期盼偶遇白海豚，又会刻意避开，让它们少受干扰。