庆祝改革开放40周年 ▎科技之光闪耀港珠澳
时间：2018年10月29日
——港珠澳大桥建设贡献纪实
越伶仃洋，长龙跃海。港珠澳大桥是当之无愧的世纪工程，不仅因为工程规模巨大，还因为它的科技含量高。其中，有400多项发明专利和一系列的科技成果，有力地支撑着大桥的建设，国家山区公路工程技术研究中心作为参建者，科技之光闪耀港珠澳。
专注离岸特长沉管隧道防火减灾
港珠澳大桥海底沉管隧道是世界上规模最大的海底公路隧道,具有沿线长、埋深大、交通流量大等特点，一旦发生火灾事故其破坏性也将是无法估算的。要保证港珠澳大桥安全运营120年，靠什么？靠运气当然不行！只能靠科技创新。近20年来，国内外隧道火灾事故频发。从2000年的奥地利基茨施坦霍县山隧道火灾、2003年韩国的地铁隧道火灾、2004年重庆的渝黔高速真武山隧道火灾、2008年京珠高速广东韶关大宝山隧道火灾、2011年甘肃七道梁隧道火灾到2014年山西岩后隧道火灾等等事故，都造成了重大人员伤亡和巨大财产损失。特别是英法海底隧道从1994年通车以来，竟然发生过三次严重火灾事故。这些案例都给了工程决策者极大的警示：港珠澳大桥必须加强科技创新和科学管理。要保证港珠澳大桥120年安全运营，必须拿出我们中国自己的标准和管理措施。
这个任务就落在了以中心技术委员会主任蔣树屏研究员为总指挥的科研团队的肩上。作为国内外知名的隧道工程顶级专家，蔣树屏已经在隧道工程领域研究和实践了40多年，成果累累。在由他挂帅承担的以港珠澳大桥建设为依托的多项国家科技支撑计划项目中，“离岸特长沉管隧道防火减灾关键技术研究”就是最重要的科研课题之一。
中心有一批博士、硕士和技术人员，他们拿到了这项国家级的科研课题，不敢有一丝一毫的怠慢。
为了获得准确的试验数据，他们选择了与港珠澳大桥环境类似的海边之地，建设了与沉管结构完全相同的1:1实体隧道，开展了一系列上百次模拟灾害现场的灭火防灾试验。通过周密的夜间模拟实验，为有效灭火、排烟、通风、施救和隧道关键部位的结构安全，取得了大量的第一手数据资料，成为确保沉管隧道万无一失的可靠依据。
每一次重要的试验，蔣树屏作为总指挥都要亲临现场。灾害模拟实验与其他试验不同，当实体车辆在隧道中燃起熊熊大火，瞬间浓烟滚滚大有吞没所有在场人员之势，在烟雾的威逼下人们快速寻找逃生之门，这一切都具有惊心动魄的真实性。每一次试验，研究人员都必须用全部的精力确认瞬间即逝的数据。实验证明，当火灾现场放出的能量最高达到50MW、温度高达1000℃时，沉管接头的关键部位依然是安全无损的。
蒋树屏所率领的团队的科研成果获得了国家的最高奖励，荣获了中国公路学会科技进步一等奖，并授权国家专利4项，软件著作权2项，发表相关学术论文22篇。科研成果直接应用于港珠澳海底隧道施工图设计中，优化了港珠澳海底沉管隧道结构及接头耐火保护技术方案，并为隧道交通工程设计提供了有力的技术支撑；并且，该成果已应用于国家规范《公路隧道消防设计规范》和行业规范《公路隧道设计规范 第二册 交通工程与附属设施》（JTG D70/2—2014）、《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2-02-2014）、《公路隧道火灾报警技术条件》（在编行业标准）《公路隧道泡沫水喷淋联用系统技术条件》（在编行业标准）的编制与修订，对我国公路隧道防灾减灾技术的进步具有重要推动作用。
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| 足尺实体试验隧道 | 离岸特长沉管隧道防火减灾实验 |
保护环境节能减排是关键
港珠澳大桥建设始终遵循一个特别的理念，就是推行健康（health）、安全（safety）、生态（environment）相融合的HSE一体化管理理念，而保护环境节能减排是实现这一理念的核心。为了隧道内的空气环境不受污染，建设期间任何燃油车辆都不得进入隧道，无论谁进入，要么步行，要么乘电动车，大家不但不烦，而且称赞“管的好！”
要知道，像港珠澳大桥这类超级工程，在设计之初就要考虑到它的使用效益，特别是它对环境的影响决不能留下无可奈何的遗憾。因此，工程启动之前，中心就针对港珠澳大桥建设进行了“长大沉管隧道照明节能减排关键技术的研究”。
这项研究受到了交通运输部的高度重视，并被列入国家科技支撑计划项目子课题。据交通工程总监刘卫介绍，港珠澳大桥上的各种灯具有数万盏，缆线敷设达4000多公里，特别是6.7公里的海底隧道和珠海连接隧道内24小时的灯光照明，以及各种信息显示版、监控设备、控制箱和通风设备等有上千台，为此大桥工程设置了一座11万伏、两座3.5万伏的高压变电站。电能的消耗无疑是一个不小的负担。从短期来看，也许节能效果并不明显，但是，长年累月甚至按120年计算，节能减排的效果就是巨大的。
中心以技术委员会委员韩直研究员为首，包括涂耘、王小军、史玲娜等骨干组成的科技团队参加了“跨境隧-岛-桥集群工程节能减排的关键技术”的研究课题。他们针对港珠澳大桥长大沉管隧道的特点，开展了隧道照明节能技术研究，包括节能灯具的选型、节能化参数的确定、节能设计方法以及控制方法等系列研究。
他们将新型的太阳光光纤照明技术引入本课题，针对港珠澳沉管隧道创新性提出了人工光与自然光结合的隧道照明布灯和控制方法，研发了高收集率的自由曲面透镜阳光采集器，太阳光收集率可达80%，使太阳光照明技术的性能得到了很大的提升，在大桥运行全寿命周期内可以实现照明费用节约达40%以上，把港珠澳大桥的二氧化碳排放量降至最低，研究成果达到国际领先水平。
将成熟的先进技术在复杂的工程中成功地加以综合应用，这本身就是一种创新，这样做不仅极大地降低了港珠澳大桥运行成本，而且为大桥的环境保护做出了重大贡献。目前，这项研究和应用成果申报6项国家发明专利，已授权3项。
2017年最后一天，当港珠澳大桥全线亮灯，6718盏隧道灯、1280盏桥梁道路照明、1280盏桥梁雾灯、458盏桥梁景观照明、41盏航空障碍灯、200盏收费广场照明灯，东西人工岛照明灯，以及在中管廊和钢箱梁的上千盏检修照明灯等都瞬间点亮茫茫大海，宛如一串美丽的珠链镶嵌在大海之上。 光彩的背后是上万盏灯具的安装、4千公里的缆线敷设，上万处的支架及基础施工，一座11万伏、两座3.5万伏的高压变电站的建设，以及成千上万的建设者，经过2年半的辛劳和付出，这里面也包含中心的重要贡献。
东人工岛
特殊铺装技术崭露头角
中心特殊铺装研究所先后开展了连续钢箱梁桥面浇注式沥青混合料（GA）铺装方案及施工工艺研究，提出了港珠澳大桥钢桥面铺装压实度无损检测方法及标准，自主研发的移动式钢结构“风雨棚”可以把桥面完全封住，把整个工作面罩在里面，克服了海风、湿度、风向等因素对施工的影响，解决了跨海桥梁路面铺装的稳定性问题。在中心特殊铺装研究所科技骨干的支持下，重庆智翔铺道技术工程有限公司自2014年5月进场，历时3年又7个月，先后引进和开发了大型车载式抛丸机、防水层自动喷涂机、移动式风雨棚、湖沥青混合加热设备、矿粉加热及获取专利的试验仪器等新设备，提炼并应用了MMA防水层分离式梯度流水化施工作业工艺、大宽度渐变沥青路面铺装施工工艺、大型沉管隧道沥青铺装施工工艺等新的工法，完成了港珠澳大桥50万平方米的铺装工程，高质量、高标准地在港珠澳大桥上镌刻下了浓墨重彩的一笔，实现了“零事故、零污染、零伤亡”的目标。
“港珠澳大桥从设计到建设前后历时14年，约有3000名来自不同项目的重庆人为港珠澳大桥修建作出了贡献，能作为其中一员参与其中，这是我毕生荣耀。”中心特殊铺装研究所副主任王民研究员说，“虽然辛苦，但我们也收获了很多技术上的经验。”海上作业条件艰苦，尤其是钢箱梁里，钢板被阳光烤得滚烫，箱梁里温度能达到60多摄氏度。但是大家都没有抱怨，而是怀着极大的热忱投身建设。
据悉，为将港珠澳大桥建设管理体系及标准延续下去，王民研究员作为负责人，正在承担中国公路学会团体标准——《港珠澳大桥施工技术规程 第七分册：桥面铺装工程》的编制工作，这将有利于进一步总结提升港珠澳大桥建设及管理经验，补充完善我国现有的桥面铺装工程建设技术标准体系，并成为国内钢桥面铺装技术发展史上又一个重要里程碑。
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| 自主研发移动式风雨棚 | 海底隧道铺装 |
专家咨询句句价值万金
港珠澳大桥建设就如同一场大战役，而各技术专家咨询小组就构成了大桥建设的总参谋部。犹如任何新生事物一样，港珠澳大桥整个55公里长的桥隧通道，其建设规模和技术难度均为世界之最，无先例可借鉴，虽经反复研究论证，但在实施过程中仍然存在很大的工程风险。
蒋树屏研究员作为港珠澳大桥专家组专家，兼任港珠澳沉管隧道工程质量安全综合督查实体检测组组长，他深入现场，亲自量测管节对接误差，获得了第一手资料，提出了提高对接精度的切实可行的意见。在2014年中期的沉管隧道质量安全综合督查会上，他指出：“个别沉管管节水下对接施工时如果出现较大误差，必须着力纠偏，与之关联密切的沉放测量控制与定位问题亦应同步改进”，他建议优化深海定位控制系统（超声波）的安装位置。加强沉降以及位移监测分析，提高纠偏的及时性。他还对超长管节结构的制作、浮运、沉放和对接，对沉管隧道断面尺寸、节段钢筋混凝土浇筑/强度/密实度、管节成型、端钢壳与止水带安装等关键环节给予了准确的评价。这些意见和评价充分体现了蒋树屏博士的敬业精神和严谨态度，获得了有关方面的高度重视和认真采纳，并得到了交通运输部有关领导的充分肯定。
珠海侧连接线总长13.4公里，是港珠澳大桥工程的重要组成部分，其中的拱北隧道紧邻澳门海关联检大楼基础，为340平方米超大断面的双层六车道隧道，工程技术难度非常之大，是港珠澳大桥工程的关键性工程之一。蒋树屏博士作为拱北隧道技术委员会专家，在工程实施前期，经过充分的考察论证，大胆创新，提出了上下双层鹅蛋型隧道结构形式的建议，较好地规避了对周边房屋拆迁的风险，为最终确定该隧道结构方案提供了重要的咨询意见。在该隧道开挖施工后期，他围绕大跨隧道围岩稳定问题提出了预留拱顶中墙支撑方案，从而改善了跨中围岩受力状态，确保了隧道稳定，得到建设业主和施工单位的充分肯定。
在整个港珠澳大桥的建设过程中，遇到的新问题、新情况可以说是层出不断，而咨询组专家们的一招一式也总是能应对有余，大家从心里感佩专家们的意见句句价值万金。中心专家团队在系统方案优化、工程量准确性、设施性能指标、设计文件纠错等方面提出了100余条建议，均受到了重视和采纳。中心咨询组专家们提出了南湾隧道库区断层破碎带围岩稳定施工控制技术，对拱北隧道安全跨越澳门饮水隧道、保障澳门饮水安全提供了咨询意见；对项目的路线、路面、桥涵、通道、隧道、立交、人工岛、绿化、交通安全设施、机电、房建工程及沿线设施、概（预）算等两阶段设计文件进行了咨询审查；对沉管隧道通风方式、设计参数、防灾排烟、系统分期、设备安装方式、预留/预埋等通风系统，以及隧道-大桥-附属建筑等消防系统给予了设计咨询；对收费、通信、监控、供配电、给排水、照明、管线、预留预埋等系统及集成的设计作了咨询。桥梁、隧道、水工等专家团队还咨询审查了《港珠澳大桥主体工程运营维护手册》，提出360多条审查意见，确保了该《手册》的科学合理性，对港珠澳大桥今后的健康运营至关重要，因此得到了港珠澳大桥管理局的充分肯定。
抗震团队保驾护航
中心桥梁实验室承担了港珠澳非通航孔桥梁模型抗震性能振动台试验，使用实验室国际领先的大型地震台阵系统进行了试验研究。旨在通过缩尺桥梁模型的振动台试验研究，验证隔震技术的有效性和可靠性；对模型桥梁进行一致激励和非一致激励的振动台试验，研究行波效应对隔震桥梁动力性能的影响；采用不同支座形式，进行模型桥梁的振动台试验，了解不同隔震支座的隔震效果，为支座类型的选择提供参考。
中心桥梁实验室是国内唯一具备试验条件实验室，当1：20的缩尺比大桥模型被放在中心桥梁实验室的大型振动台上再进行测试。实验结果非常成功，比试验之前设计方测算的大概有减震4倍的效果还要好。这意味着，在中心实验室首次成功实施了减隔震跨海大桥复杂大型模型振动台试验，验证了设计方案和数值模拟结果。首次通过试验揭示了桥墩高差、行波效应、相邻桥跨相互作用等因素对减隔震效果的影响。通过试验得出了这样的结论：对大桥非通航孔桥，采用基于橡胶隔震支座和摩擦摆隔震支座的隔震技术，可有效降低了桥梁的地震响应。
成熟的隔震技术运用在如此长的跨海大桥上还是第一次，大桥的长度和跨度会使地震传导过程中出现时间差，时间差使地震对大桥造成的影响难以预计。而隔震垫材料选择的是橡胶，一层橡胶隔一层钢板，要求橡胶厚度的四倍水平方向变形不断裂，材料并不贵，但对工艺的要求却很高。港珠澳大桥采用了三种橡胶支座，包括摩擦板支座、高阻尼支座和铅芯支座，都需要严格的试验验证。
桥梁实验室使用30000kN支座试验系统对港珠澳大桥所使用的大型铅芯隔震支座、大型高阻尼隔震支座和抗风盆式支座的各项性能进行了检测，这种高阻尼橡胶隔震支座每块长宽约为1.77米，尺寸世界最大，可以阻止并减轻地震能量向上部结构的传递，将震动能量转换和消耗，大大降低桥梁结构承受的破坏力。“实验室为了进行这个支座的测试，还专门对试验设备进行了改进，对支座样品试验方法都进行了专门的设计”，实验室副主任牛松山研究员说，“这也是迄今为止我们遇到并解决的最大的试验难题。”精心的测试方案、周密的结果分析和中心人务实的验证精神，都在为大桥的抗震安全保驾护航。
港珠澳大桥非通航孔振动台试验
科技创新在港珠澳大桥工程建设中的巨大支撑作用是有目共睹的。中心把最优秀的科技力量投入到港珠澳大桥的建设中，在这里创造辉煌，也从这里再次出发，昂首疾行，越走越远。
（撰稿人：关书敏）