中國(guó)橋梁技術(shù)——把天塹變通途（開卷知新）

　　2018年10月23日，習(xí)近平總書記宣布港珠澳大橋正式開通。這座超大型跨海交通工程是我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的國(guó)家工程、國(guó)之重器，備受矚目。大橋連接香港、珠海、澳門三地，集橋、島、隧道于一體，在設(shè)計(jì)理念、建造技術(shù)、施工組織、管理模式等方面進(jìn)行一系列創(chuàng)新，標(biāo)志著我國(guó)隧島橋設(shè)計(jì)施工管理水平走在了世界前列。

　　港珠澳大橋通車運(yùn)營(yíng)，是我國(guó)橋梁建設(shè)領(lǐng)域不斷取得新成就的縮影。1957年9月25日，“萬(wàn)里長(zhǎng)江第一橋”武漢長(zhǎng)江大橋建成，在我國(guó)橋梁建筑史上揭開新的一頁(yè)。截至2020年底，我國(guó)公路橋梁已達(dá)91.28萬(wàn)座、6628.55萬(wàn)延米；全球跨徑排名前10位的懸索橋、斜拉橋中，我國(guó)分別占據(jù)6座和7座。得益于先進(jìn)技術(shù)和工程管理方法大規(guī)模應(yīng)用，功能不同、姿態(tài)各異的橋梁矗立在全國(guó)各地。今天，橋梁技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域響當(dāng)當(dāng)?shù)摹巴跖啤薄！耙粯蝻w架南北，天塹變通途”正不斷成為現(xiàn)實(shí)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，造福人民生活。

　　深埋沉管隧道技術(shù)，讓大橋穿海底而過(guò)

　　橋梁是為跨越溝谷、水面或障礙物而修建的構(gòu)筑物，一般由上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、支座系統(tǒng)、附屬設(shè)施等組成，可按用途、大小、結(jié)構(gòu)、跨徑等分為多種類型。就結(jié)構(gòu)體系而言，橋梁可分為梁式橋、拱橋、纜索承重橋（懸索橋和斜拉橋）等。作為人類活動(dòng)的基礎(chǔ)設(shè)施，橋梁歷史悠久�！对�(shī)經(jīng)》中就有對(duì)古人在渭河上架設(shè)浮橋的描寫。隋唐時(shí)期建造的趙州橋則是世界上現(xiàn)存跨度最大、保存最好的單孔坦弧敞肩石拱橋。從古代的獨(dú)木橋、汀步橋、木制浮橋，到磚石結(jié)構(gòu)古橋，再到鋼橋、混凝土橋，建造技術(shù)日新月異，橋梁結(jié)構(gòu)、規(guī)模、材料、用途、外觀等各方面不斷發(fā)展。

　　港珠澳大橋是當(dāng)代橋梁技術(shù)的集大成者，創(chuàng)下多項(xiàng)世界紀(jì)錄：全長(zhǎng)55公里，是世界總體跨度最長(zhǎng)的跨海大橋；海底隧道長(zhǎng)6.7公里，是世界上最長(zhǎng)的海底公路沉管隧道；海底隧道最深處位于海平面以下46米，是世界上埋進(jìn)海床最深的沉管隧道；用鋼量達(dá)到42萬(wàn)噸，相當(dāng)于60座埃菲爾鐵塔金屬框架的重量，是世界上鋼結(jié)構(gòu)橋體最長(zhǎng)的大橋，等等。

　　這些世界紀(jì)錄的締造無(wú)不以橋梁建造技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)。其中，深埋沉管隧道技術(shù)最具代表性。與日常所見的橋梁有所不同，港珠澳大橋不只有“橋”，還有6.7公里長(zhǎng)的深埋海底沉管隧道，這是整個(gè)工程難度最大的部分。港珠澳大橋主通航孔臨近香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)，如果采用橋梁方案，橋塔高度將超過(guò)200米，影響飛機(jī)起降，所以采用了沉管隧道方案。與此同時(shí)，這里還是珠江口出海主航道，為了長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，要按30萬(wàn)噸級(jí)通航標(biāo)準(zhǔn)預(yù)留，以保障船舶通行安全。這就需要將沉管隧道埋入最深22米的海床之下，是一般沉管隧道深度的10倍。為此，我們實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新——

　　依托新技術(shù)打好“地基”，有效防止沉降。沉降是指在建筑物荷載作用下，地基土因受到壓縮而發(fā)生豎向變形或下沉，這是沉管隧道的固有難題�！皬�(fù)合地基+組合基床”沉管隧道基礎(chǔ)新技術(shù)，采用了“拋石夯平+碎石整平”的組合墊層設(shè)計(jì)方案。與之相配套的沉管基礎(chǔ)施工質(zhì)量檢測(cè)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)、外海堆載預(yù)壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、沉管隧道沉降變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效保證了基礎(chǔ)施工質(zhì)量。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，拋石基床精度提高40%，碎石墊層精度提高20%，隧道平均沉降7.4厘米，均達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

　　“工廠法”預(yù)制技術(shù)和半剛性沉管結(jié)構(gòu)保障隧道安全，提高施工效率。港珠澳大橋海底隧道共33節(jié)沉管，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)重約8萬(wàn)噸，同時(shí)還要抵抗壓力做到不漏水。這些沉管需先在陸上制成，再埋入海中相互連通�！肮�廠法”預(yù)制技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)沉管生產(chǎn)流水線、大型自動(dòng)化液壓模板、混凝土全斷面澆筑及控裂、8萬(wàn)噸沉管頂推等成套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超大型混凝土構(gòu)件的工業(yè)化制造。傳統(tǒng)的剛性和柔性沉管結(jié)構(gòu)均不適于深埋：國(guó)際上沉管隧道埋深一般在3米左右，而港珠澳大橋沉管隧道最大埋深要達(dá)到22米。于是，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)半剛性沉管結(jié)構(gòu)形式，開發(fā)出適合于沉管結(jié)構(gòu)的永久預(yù)應(yīng)力體系，發(fā)明了基于材料斷裂力學(xué)特性的“記憶接頭”。半剛性沉管結(jié)構(gòu)受到國(guó)際同行的高度認(rèn)可，成為與剛性管節(jié)、柔性管節(jié)并列的第三種結(jié)構(gòu)，為沉管隧道結(jié)構(gòu)提供了新選擇。

　　沉管隧道合龍方式實(shí)現(xiàn)重大突破。合龍是橋梁、堤、壩等從兩端施工的工程在中間接合的過(guò)程。港珠澳大橋合龍段位于第二十九節(jié)沉管與第三十節(jié)沉管中間，傳統(tǒng)工法需要潛水員水下安裝模板，再在模板里面澆筑混凝土，需大量潛水作業(yè)，不僅風(fēng)險(xiǎn)大，而且耗時(shí)約半年之久。通過(guò)3年多研究攻關(guān)，我們發(fā)明了具有折疊結(jié)構(gòu)和主動(dòng)止水可逆操作功能的合龍新方法，攻克了結(jié)構(gòu)體系、止水與折疊構(gòu)造、合龍口形態(tài)控制等關(guān)鍵技術(shù)。采用工廠化生產(chǎn)、海上裝配化安裝的方法，只用1天便完成合龍，合龍精度達(dá)2.6毫米。

　　智能建造讓橋梁建設(shè)更科學(xué)更高效

　　以深埋沉管隧道為代表的諸多新技術(shù)，不僅在港珠澳大橋建設(shè)過(guò)程中發(fā)揮重要作用，還為我國(guó)橋梁建造乃至基礎(chǔ)工程建設(shè)提供強(qiáng)有力支撐。其中，智能建造技術(shù)尤為關(guān)鍵。

　　智能建造是指在建造過(guò)程中充分利用智能技術(shù)，通過(guò)應(yīng)用智能化系統(tǒng)提高建造過(guò)程智能化水平，達(dá)到安全建造的目的，提高建筑性價(jià)比和可靠性。智能建造能夠提升建設(shè)者的感知能力、預(yù)測(cè)能力、控制能力和作業(yè)能力，讓工程環(huán)境做到可知可控，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程建設(shè)過(guò)程中工作狀態(tài)、施工環(huán)境等信息的收集、處理、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型裝備的精確控制。

　　物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)是智能建造的關(guān)鍵技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，將物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。依靠物聯(lián)網(wǎng)獨(dú)特的傳感技術(shù)和感知能力，建設(shè)者可以運(yùn)用衛(wèi)星定位系統(tǒng)、聲吶、芯片探測(cè)器等傳感設(shè)備，將混凝土等原材料、大型設(shè)備、作業(yè)人員等與互聯(lián)網(wǎng)連接，構(gòu)成人與物的信息交互網(wǎng)絡(luò)。云計(jì)算技術(shù)則將大量分布式獨(dú)立計(jì)算機(jī)組建成統(tǒng)一管理的云系統(tǒng)。多個(gè)硬件設(shè)備可以協(xié)同工作，按照資源需求對(duì)硬件能力進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)多種傳統(tǒng)計(jì)算技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。建設(shè)過(guò)程中，這一技術(shù)幫助建設(shè)者構(gòu)建起前方監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與后方超級(jí)計(jì)算機(jī)互聯(lián)的云計(jì)算平臺(tái)，實(shí)時(shí)分析處理海量氣象、水文等數(shù)據(jù)信息，復(fù)雜數(shù)據(jù)信息處理能力大大提高。由此，建設(shè)者可以實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，并對(duì)建設(shè)過(guò)程進(jìn)行分析以及遠(yuǎn)程控制。

　　作為一把“萬(wàn)能鑰匙”，智能建造可以根據(jù)工程需求“量身定制”。以港珠澳大橋島隧工程為例，這一工程需要智能建造技術(shù)解決測(cè)控難題、保障作業(yè)條件、提供一體化作業(yè)平臺(tái)。比如，通過(guò)應(yīng)用精密測(cè)控儀器、升級(jí)改造既有測(cè)控技術(shù)與設(shè)備，解決傳統(tǒng)測(cè)控手段精度控制水平較低、穩(wěn)定性不強(qiáng)、易受外界干擾等問(wèn)題。港珠澳大橋沉管管節(jié)安裝過(guò)程中，通過(guò)利用我國(guó)航天航空領(lǐng)域設(shè)備的位移控制技術(shù)，研發(fā)外海深水環(huán)境下沉管姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)接過(guò)程中超大質(zhì)量管節(jié)的低頻率、小振幅運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以確保管節(jié)安全、精準(zhǔn)地著床。此外，利用管節(jié)首端的無(wú)線聲吶測(cè)控系統(tǒng)及尾端的測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管節(jié)對(duì)接相對(duì)定位及絕對(duì)定位的測(cè)控，確保高精度管節(jié)對(duì)接。與之相似，保障作業(yè)條件要用到大數(shù)據(jù)分析、一體化作業(yè)平臺(tái)需要智能裝配，等等。

　　如今，橋梁在人們生活中已不僅僅是交通設(shè)施。除了實(shí)現(xiàn)人類翻山、越江、跨海的夢(mèng)想，有的橋梁還成為當(dāng)?shù)鬲?dú)特的風(fēng)景線。橋梁承載著更舒適快捷的體驗(yàn)需求和更高的審美需求。未來(lái)，隨著新材料、懸浮技術(shù)、漂浮技術(shù)、深水建造技術(shù)等不斷創(chuàng)新突破，現(xiàn)代浮橋和懸浮隧道將成為沿海城市拓展發(fā)展空間的新載體，漂浮城市和漂浮機(jī)場(chǎng)也有機(jī)會(huì)從夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

　　矚目未來(lái)，我國(guó)橋梁領(lǐng)域的科研人員和建設(shè)者們將繼續(xù)秉持逢山開路、遇水架橋的奮斗精神，架起更多體現(xiàn)我國(guó)綜合國(guó)力和自主創(chuàng)新能力的“圓夢(mèng)橋”，打造民族復(fù)興道路上更亮麗的風(fēng)景。

　�。ㄗ髡邽橹袊�(guó)工程院院士、中國(guó)交通建設(shè)集團(tuán)有限公司首席科學(xué)家）