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科技天地

港珠澳大橋島隧工程高級工程師林巍演講實錄——跨越伶仃洋的夢 2019-04-09

 
 
  大家下午好,非常榮幸能和大家交流,我講一講港珠澳大橋背后的故事和體會。
 
  首先帶大家游覽一下這個55公里的海景公路。我們從珠海出發,一路向東,在海面上行駛20公里,兩邊都是茫茫大海,然后我們來到一個很小的島上,我們從島的中心潛入海底,在水下50米,向前走六公里的距離,從另外一頭出來,再往前一點就看到香港的大嶼山。
 
  剛才走的這一段就是就港珠澳大橋海中的主體工程,也就是下圖中紅色部分,廣州在地圖的最上面。
 
  經常講到"粵港澳大灣區",什么是灣區?灣區就是一群或者一個被水體阻礙的城市,一個沒有通道的灣區,就像一座沒有電梯的高樓大廈。
 
  港珠澳大橋2018年10月份開始通車以后,大家可以從珠海或澳門到香港,只要購買穿梭巴士票,花半小時就可以走完這段路,而以前的路面交通需要花4小時左右時間。
 
  為什么建海底隧道
 
  我們走進一點看,就注意到,橋梁的中間有一段,到海中間就消失了,潛入到海底,往前一段又露出了海面,中間隱藏的這一段就是海底隧道。問題來了,為什么要建造一條海底隧道?
 
  主要有三個原因:第一,伶仃洋通航非常繁忙,這段正好是通航主航道,往來船舶多,而且未來會有很大的船從這過,如果建橋,橋就可能阻礙船的通行;
 
  第二,這個區域的上方正好是香港機場的飛機起落,如果造橋,橋塔高度可達兩、三百米,會影響飛機起落;
 
  第三個原因是環境上的考慮,也是我十年前參與的一個工作,如果我們把大橋沿著長度方向從側面剖開,就會發現,橋墩是在海水里的,每天潮水漲落時,橋墩影響海水的交換,同樣的,沒入水中的人工島也帶來這個影響,只有海底隧道是沒有產生影響的。因為海底隧道是在海床面之下。
 
  十年前,我剛接觸這座大橋的工作的時候,我們設計人員收到了一個10%的指標,意思是,橋梁的橋墩在這張圖里占用海水的面積,加上人工島占用的海水面積,除以沒有建造港珠澳大橋時的藍色海水的總面積,不能大于10%,這樣對生態的影響就會降到可以接受的程度。
 
  這條隧道有什么不同
 
  接下來的問題是,這條長度僅六公里的隧道,有什么特別?我相信對大家來說,走過很多的隧道,所有的隧道基本上都是一樣的,這么想沒有錯。
 
  對于工程師來說,這條隧道的建設曾經是非常小眾的,為什么?因為它是用一種較罕見的方法來建造的,叫"沉管法"。以下視頻展示了海底隧道的建設過程。
 
  我們把這條六公里長的隧道分成三十三段,再在珠海的周邊找一個小島,在小島的陸地上將隧道一段一段地造好。
 
  造好之后,再將每段運到港珠澳大橋的軸線上去,放到海底,第一段安裝好后,第二段和第一段首尾相接,反復這樣一個過程。
 
  每一段隧道重多少?大概是76000噸,大家對數字可能不敏感,76000噸什么概念?大概是 個泰坦尼克號的重量。這么重的東西,是沒有任何設備能夠搬運得動的,所以問大家一個問題,怎么把它從海島上搬到大橋的現場安裝的地方?
 
  作為工程師,我們借用了大自然的力量,用了一個簡單原理,阿基米德原理,首先借用水的浮力讓隧道段起浮,就有辦法移動它了,這也是我五年前作為設計師的一個工作。
 
  下圖是兩個已經做好的預制段,這個隧道由33段組成,這是其中的兩個,我的設計工作就確保它浮得起來,而且,不是隨便浮起來,要怎么浮起來?要像我們在游泳池吸一口氣的狀態一樣,剛剛好能浮起來一點,要的就是這個狀態。
 
  海底隧道預制段
 
  要達到這個狀態,就是要讓這個76000噸的隧道預制段的重量基本等于它的浮力。浮力是什么?浮力是隧道段排除水的重量,浮力的計算道理很簡單,我們初中時學過。
 
  但是要考慮很多變化,如混凝土密度,混凝土中的石頭子的密度,鋼筋的布置,混凝土澆筑時模板的變形,海水的密度,海水的密度又和氣溫和海水里面的含沙量以及鹽度有關系,這些又隨季度變化而變化,我的計算要確保這33段每一段都能夠浮起來,而且是剛剛好浮起來。
 
  2013年5月,當第一段隧道要浮起來時,在塢內灌水的時候,我有些緊張,雖然覺得我的計算應該沒錯,但是那么大的東西到底能不能浮起來呢?欣慰的是,它確實浮起來了,而且是剛剛好浮起來一點點。
 
  浮起來的隧道段
 
  接下來的問題是,浮起來以后怎么辦?我們再利用水的推力把它運輸到工程的現場,因為這么大的一個東西,是沒有辦法用人力來實現的,我們利用珠江口的漲潮,就是利用潮水的力,讓這個大東西順流漂下去,漂到隧道的地址,再進行后面的工作。
 
  運輸隧道段
 
  下面一步就是往這個空心的隧道里面灌水,讓它下沉,這樣一段一段地就完成了安裝,這個過程花了多久?一共花了3年的時間,從2013年一直做到2017年3月份。
 
  為什么花這么長的時間?一個是這個隧道的體量很大,隧道是六車道的,三車道到香港,三車道到珠海、澳門。我們總共大概要澆筑100萬方混凝土,制造需要時間;
 
  另一個原因是,我們的安裝隧道不是想裝就裝,而是要看天的臉色。在一年之中我們只能選擇一些特定的月份才能出海,在特定的月份中,我們只能選擇特定的幾天,在大海最溫和的時候,才能做安裝的工作。綜上兩個原因,我們一共花了三年多時間來把這三十三個隧道段全部裝到了海底。
 
  最后的難題
 
  裝到海底之后,這個隧道是不是就成了?大家發揮一下想象力,每一段就像一個箱子,放一個,再放第二個,第二個箱子和第一個箱子首尾連接,第三個再和第二個首尾連接。
 
  連接到最后會怎么樣?一定會有一個缺口,這個缺口在工程師口中叫做"最終接頭",它的安裝與之前的三十三個隧道段不同,因為之前的都是單面對接,而這個缺口是要雙面對接,而且是在水下完成。
 
  最終接頭的工作,是沉管法自發明至今始終都沒很好解決的一個難題。以往最常見的做法是什么?就是派一群潛水員到水下去,潛水員在水下像工人一樣輔助架立模板,把這個最后的缺口包起來,形成一個水密的空間,然后從里面抽水,水抽光后,再進去隧道里面澆筑混凝土。
 
  但是,這種傳統的做法,在伶仃洋的環境下不易實現。一是因為這里的最終接頭的水深大概是30米;二是因為這個地方的洋流復雜;三是海上交通很忙,如果我們用這種傳統的方法,需要花大概6個月多的時間,才能夠完成這最后一小段的施工,給工程安全帶來很大隱患。
 
  所以,在這種背景下,我們開發了一種全新的方法來施工最后一段,我把它叫做"折疊沉管"。我們把它做成一個整體,一次性的放下去,這個結構就像一個雨傘一樣,它可以沿著自己的兩邊縱向伸展開來,并與兩邊的隧道連接,這樣,整個港珠澳大橋就實現了貫通。
 
  "折疊沉管"方法解決最終接頭問題
 
  采用這種方法,我們把傳統方法所需的半年的海上作業時間縮短到了1天(備注:理論上只需1天,實際因二次對接用了3天),不但保障了施工安全,也給隧道的永久質量帶來了更大的保障。
 
  創新意味著向未知邁進,當我們用一種新的方法來做一件事情的時候,我們就會遇到很多的挑戰,遇到很多的問題。
 
  因為我們工程師做一件事情只有一次機會,我們要不然就做成,要不然就做失敗。如果我們要用一種新的方法,我們必須要有很強的預見性,預見性用我們的說法,就是需要辨識風險。
 
  下圖是施工時候的一張照片,最終接頭是中間白色的部分,重量大概是6100噸,被一個起重船吊起來,然后再放到水里去,就只這個步驟,我們辨識出了200多個風險點。
 
  然后一個一個的確認是否沒問題,有問題的我們就優化方案直到沒問題,沒有問題的我們也要確認確實沒問題,全部確認了以后我們才能夠施工。
 
  我跟大家講起重的這一段,也涉及到我的一個工作,當把最后的這一塊放到兩邊的已裝好的隧道縫隙里的時候,問題來了,在這個動態的海洋環境下,最終接頭會不會與兩邊的隧道相撞?
 
  發現這個問題以后,我們去請教了很多科研單位和大學,但是,由于這個問題實在是太新,而且時間緊,一時間我們沒有得到反饋。
 
  作為這部分設計的主要負責人,我也一直在思考怎么樣去論證這個問題,我去圖書館查了不少資料。一天,我找到一個非常古老的公式,應該是伽利略提出來的"單擺公式",伽利略坐在教堂里,看著教堂的燈可能是被風吹地在擺動,于是他就提出了單擺公式。
 
  受到這個公式的啟發,我和其他設計師結合海洋預報預測做了分析,我們做了一個計劃,認為放下去的時候,即便是有海浪拍打,也一定不會撞。
 
  這是什么道理?我跟大家通俗地解釋,最終接頭和它上面的鎖鏈在一塊,是個大擺體,我們把它想象成我們的大腿,我們平時走路的時候,相對于我們跑步或站著不動的時候,會感覺更舒服。
 
  為什么?因為我們的腿是有自己的節拍的,當我們走路的時候,我們的步頻正好是和腿的節拍合拍,所以我們才會覺得走路舒服。這個最終接頭的節拍是多少?我計算出來大概是200秒擺動一次,即200秒"走一步"。
 
  而海浪的一個節拍是4到5秒,用一個4到5秒的節拍去拍一個200秒節拍的東西,不會產生共鳴,所以最終接頭的擺動幅度是微小的,就這樣,我們證明了不會撞。
 
  后來實際施工的時候,在這個最終接頭里面放了兩個儀器,儀器大概是類似放在導彈里的精密加速度儀,它的運動被測量出來了,和我們的計算是比較吻合的,確實沒有撞。
 
  剛才跟大家分享了我十年前,五年前,兩年前的三件工作。在我們項目上像這樣的問題,有千千萬萬,我跟大家介紹一下我們的設計總負責人,他每周要工作70多個小時,審閱上萬份的圖紙,要確保設計的每個環節不出錯誤。
 
  還有這位被稱為"大國工匠",他的工作就是擰螺絲,擰的上萬顆螺絲,沒有一個出過問題,這樣就給工程不留任何隱患,也確保我們工程最高質量,還有4600多名像他們這樣的建設者,每個人都是把自己的工作做到極致。
 
  "大國工匠"
 
  建設者
 
  對于沉管隧道這樣小眾的工程方法,有這樣一個說法:"沉管隧道是什么?是充分借用大自然水之力的一種工程方法,借用水的浮力運輸,借用水的重力下沉,借用水的推力連接。"
 
  但是,水能載舟、亦能覆舟,所以我們說的這個方法,曾經是風險很大的,這就是為什么我們國家的橋梁可能是數以萬計的,但是全世界的沉管隧道加起來也就兩三百條。高風險是沉管隧道數量少的原因之一。
 
  但是,在港珠澳大橋的島隧工程,有這樣一群人,每個人都把自己的工作做到極致,所以這個工程被稱為四千多人集體走鋼絲的工程。在工作中,我們建立了一個文化,叫"每一次都是第一次"。
 
  什么意思?我們做的每一件工作,都當作是我們做的第一件工作來做,我們不是去追尋著前人的方法來做--因為前人這么做,所以我們可以這么做,不是這樣的。
 
  而是從本質上來思考這個問題,需求是什么,我們要達到什么樣的境界,我們怎么樣能做的更好,如何通過新方法去把它做的更好。
 
  每一個人都這樣去思考,再復雜的問題也能簡化成一個個小問題。這些小問題通過我們集體中的每個人貢獻的一點點力量,也都會迎刃而解。所以我們相信,只要我們每個人能夠把每件平凡的事做好,最后就會成就一個不平凡的結果。
 
  面向未來
 
  隧道現在已經通車了,也得到了世界的認可,在國際上也獲得了一些獎項,而且推進了沉管隧道這個行業的進步,沉管法變得不那么小眾了。下面的問題是,我們這群人接下來做什么?
 
  伶仃洋在十幾年前可能還被認為是不可能被跨越的一片海域,現在已經被港珠澳大橋征服了,但是,在我們國家以及國外的很多地方,還存在著更深、更寬的峽灣,至今都沒有辦法去跨越,即便是用我們工程師最先進的工程技術也無法跨越,這些地方我們以后該怎么去跨越?
 
  有一個辦法,就是建造"懸浮隧道"。為什么?我們從橋梁講起,橋梁之所以能屹立不倒,是因為橋梁利用它自身的材料來承載。
 
  設想一下,如果我們把橋梁反過來,或者說我們把橋梁按到水底下去,借用水的浮力讓橋梁承載,這樣我們就會獲得一個經濟、可持續性、并可以跨越更廣闊水域的一個通道方案。
 
  懸浮隧道和沉管隧道有些像,但是至今為止,沒有任何一個國家的工程師能夠建造它。對于我們隧道工程師來說,19世紀時候英國建設了人類歷史上第一條水底隧道,20世紀美國工程師建設了第一條沉管隧道。
 
  現在是21世紀,希望經由我們的努力,能由中國工程師來建造人類歷史上第一條懸浮隧道,謝謝大家。(摘自《中國科普博覽》)
 

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