港珠澳大橋海底隧道怎麼修?第一步用大船鋪「路基」
出品| 網易新聞學院
作者| 汪澤，清華大學機械工程系博士研究生
粵港澳三地共建的港珠澳大橋建成通車後將成為世界上最長的跨海大橋，其主體結構——海底沉管隧道長5664米，為目前世界上最長的沉管隧道。鋪設海底隧道和在陸地上建隧道有很大的不同，為了避免海底不穩定的淤泥對於隧道鋪設的影響，需要先在海底用碎石鋪設基床，然後再在基床上鋪設沉管隧道，而完成碎石基床鋪設任務的就是今天的主角——「津平1號」拋石整平船。
（「津平1號」拋石整平船）
「津平1號」型長81.8米，型寬46米，型深5.5米，設計吃水4米，總重約6500噸，排水量約9800噸，是國產世界上最大的，也是唯一一艘具備清淤功能的平台式深海拋石整平船，2017年3月4日，「津平1號」完成了港珠澳大橋沉管隧道全部33節沉管的碎石基床鋪設重任。
（一）拋石整平船是如何工作的？
拋石整平船，顧名思義，其主要工作包括兩個部分：其一，向海底拋灑碎石；其二，把碎石弄平，形成海底堅實可靠的基床，以便于海底隧道的鋪設。其完成的工作類似於鋪設鐵軌之前修建碎石枕木路基的過程，只不過施工地點是在海底。
「津平1號」的基本工作過程為：
1．拋石船由拖船拖航到位，經GPS定位後，拋6隻定位錨，通過6台定位錨機將船體定位在施工工位上；
2． 樁腿插入海底站穩後，對樁腿施載入荷，以確保施工過程中船體穩固；
3． 預壓載完成後，將船體頂升離開水面；
4． 碎石通過石料傳送系統從取料漏斗輸送到總長達75米的拋石管；
5． 通過大小車的聯合移動，帶動拋石管在船體中間的「口」字形月池中移動，以完成拋石整平作業；
6． 當一個船位的拋石整平和檢查驗收作業完成後，下降船體，抬升樁腿，拋石船移到下一個船位，重複拋石整平作業；
7． 重複完成7個船位的拋石整平作業即可鋪設完一個標準沉管隧道的碎石墊層。
（拋石整平船結構示意圖）
上面的操作流程看起來簡單，但其中包含的技術含量卻不小。而且由國家知識產權局和世界知識產權組織審核決定，「深水拋石整平船」專利在2015年榮獲有「中國知識產權奧斯卡」之稱的中國專利獎金獎。
其中到底有哪些門道，今天就帶大家進行深入解讀。
（二）拋石整平船工作時如何保證船體穩定？
為了實現良好的拋石整平精度，需要很多關鍵技術，其中最基本的一項要求是保證工作狀態下船體的平穩。
1、採用自升式結構，船體穩穩插入海底
「津平1號」採用了自升式結構，工作時將布置在船體四角處的4條90米長的樁腿插入海底，將船體整體提升到海平面以上，以防海浪引起船體晃動。
但是，單純的插入海底還不夠。這就好比將釘子插入土中後，還需要用鎚子進行敲打才能使其徹底穩固。
2、預壓載系統像鎚子一樣將樁腿打牢
同樣，「津平1號」的樁腿插入海底將平台提升起來之後，平台的重量、可變載荷、風浪流引起的載荷都會加在樁腿上，如果插入海底的樁腿不夠牢靠則會繼續下陷，影響船體位置固定，在海況惡劣的情況下甚至會發生海床穿透，產生災難性後果。
因此十分有必要找到一把有效的「鎚子」將其打牢，這把鎚子就是平台上的預壓載系統。
預壓載的目的是讓樁腿在海床中插得更深，為了實現這樣的目的，平台可採用兩種壓載方式。
第一種是對角線壓載：當四根樁腿都插入海床中並將平台提升起來之後，先鎖死對位於角線的兩條樁腿，然後對另外兩條樁腿利用升降裝置伸長來施載入荷。當載荷達到一定程度後將樁腿鎖死，然後對另外兩條進行載入，如此交替進行，直至預載入荷滿足要求。這種方式相當於船體平台總重量不變，通過四條支撐變兩條支撐的方式來增大壓強，實現壓載。
另外一種載入方式是四角均衡壓載，在4條樁腿都插入泥土中後，通過布置在船舷兩側的4台載入水泵向平台的8個壓載水艙內打入壓載水，提升船體總重量，利用壓載水近萬噸的重量，實現均衡壓載。在這種壓載方式中，要保證各水艙進水速度一致，以保證壓載過程中的平衡。
3、樁腿升降系統：失去一個齒輪仍能正常工作
作為整個平台的支撐，樁腿的重要性不言而喻。不僅要把「釘子」打的深，釘子本身也要足夠堅固。
樁腿結構需要面臨體積大、內部結構複雜、焊接要求高、焊接空間不足等問題。
為此樁腿結構採用鋼管外焊接兩條背對背安裝的齒條形式，通過8組齒輪進行升降驅動，將樁腿設計成一套獨立完整的升降系統，便於整體安裝和維護。
（樁腿提升系統示意圖）
為了進一步保證樁腿提升系統的可靠性，在設計時對升降系統可能發生的故障進行了評估。根據評估結果在樁腿正常工作和載入工作的情況下，若因故障突然失去一個齒輪，升降系統里的其他7個齒輪的負載仍能保證在最大負載的要求之內，不影響正常工作。
（三）拋石整平船如何精確拋石整平？
總長5664米的沉管隧道為節段式設計，共33個管節，標準管節由8個管段組成，長180米、寬37.95米、高11.4米，質量超過72000噸。
（鋪設管節截面圖）
為這樣的管節鋪設碎石路基，首先要保證伸入海中的拋石管具有多維空間移動的能力。
為此平台上的移動大車、小車夾持著拋石管在水平面「口」字形範圍內移動，隨動式皮帶則跟隨小車移動，保證充足的碎石原料供給，升降絞車則負責拋石管的升降運動。
有了上述裝置，拋石系統可以正常運作。但為了實現良好的拋石精度，直徑1524毫米的拋石管的頭部是固定的主管和可以伸縮的平衡管，通過4套平衡油缸上的4套位移感測器共同作用，可以調節平衡管的伸縮長度，以滿足拋石整平的精度要求。
而且拋石管頭部還安裝有兩套聲吶系統，用於檢測海底槽床和已鋪設碎石基層的高度。根據聲吶檢測的結果，動態調整拋石管位置。
同時平台中還設有兩套傾斜管理系統，用來實時檢測船體和拋石管的傾斜角度，並根據鋪設要求進行相應的矯正。
（四）拋石整平船還能做什麼？
在碎石基床完工後，因為存在海底的淤泥重新覆蓋基床的風險，沉管隧道也不能保證完全順利的鋪設。
在港珠澳大橋海底隧道的鋪設過程中，E22沉管就因颱風的影響而遭遇大面積基床回淤，影響後續正常施工。
當時國內外海工作業工程中從未有過在水深48米這樣水流環境惡劣的情況下進行高精度、高效率清淤的實踐先例可供參考。
進過現場分析和技術評定，最好的解決方案是對現有的「津平1號」進行改造，使之成為具有清淤功能的拋石整平船。「津平1號」利用技術改進後的清淤功能，在28個有效工時內完成2000多平方米的基床高精度清淤，創造了水工行業上一次偉大的技術跨越。
（清淤系統示意圖，圖中紅色框部分）
在「津平1號」拋石整平的基礎上，增設了新一套的大小車移動平台及升降塔架將清淤系統的吸頭置於鋪設好的基床上方，利用清淤泵吸入淤泥並將其提升至平台上。平台上的移動桁架上的排泥管和排泥軟管相連，最終淤泥經由排泥軟管被排放到1千米之外的海中，消除了對海底鋪設好的基床的影響。
碎石基床處於深水，環境複雜，能見度差，清淤系統在進行有效吸入淤泥的同時還不能破壞已經鋪設還的碎石，這需要一系列計算後對吸頭位置和吸力進行精確控制。為此需要藉助強光照明、水下成像設備、聲吶多波束掃描成像等手段獲取碎石基床狀態數據，保障清淤工作的順利實施。
結語：
「津平1號」自升式拋石整平平台作為港珠澳大橋島隧工程的重要裝備，對中國海工領域的高精度拋石整平平台的設計和建造具有重要的意義。
相比於普通拋石整平船，該平台除體積和工作範圍更大之外，還能同時完成拋石、整平、清淤等多項作業，且擁有良好的平整度，填補了中國在這一領域的空白，為中國建設世界級跨海大橋等高難度海上工程提供了有效的助力。
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編輯| 史文慧
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