中國橋梁技術——把天塹變通途（開卷知新）

　　2018年10月23日，習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基礎設施建設領域的國家工程、國之重器，備受矚目。大橋連接香港、珠海、澳門三地，集橋、島、隧道于一體，在設計理念、建造技術、施工組織、管理模式等方面進行一系列創(chuàng)新，標志著我國隧島橋設計施工管理水平走在了世界前列。

　　港珠澳大橋通車運營，是我國橋梁建設領域不斷取得新成就的縮影。1957年9月25日，“萬里長江第一橋”武漢長江大橋建成，在我國橋梁建筑史上揭開新的一頁。截至2020年底，我國公路橋梁已達91.28萬座、6628.55萬延米；全球跨徑排名前10位的懸索橋、斜拉橋中，我國分別占據6座和7座。得益于先進技術和工程管理方法大規(guī)模應用，功能不同、姿態(tài)各異的橋梁矗立在全國各地。今天，橋梁技術已經成為我國基礎設施建設領域響當當的“王牌”。“一橋飛架南北，天塹變通途”正不斷成為現(xiàn)實，推動經濟發(fā)展，造福人民生活。

　　深埋沉管隧道技術，讓大橋穿海底而過

　　橋梁是為跨越溝谷、水面或障礙物而修建的構筑物，一般由上部結構、下部結構、支座系統(tǒng)、附屬設施等組成，可按用途、大小、結構、跨徑等分為多種類型。就結構體系而言，橋梁可分為梁式橋、拱橋、纜索承重橋（懸索橋和斜拉橋）等。作為人類活動的基礎設施，橋梁歷史悠久。《詩經》中就有對古人在渭河上架設浮橋的描寫。隋唐時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。從古代的獨木橋、汀步橋、木制浮橋，到磚石結構古橋，再到鋼橋、混凝土橋，建造技術日新月異，橋梁結構、規(guī)模、材料、用途、外觀等各方面不斷發(fā)展。

　　港珠澳大橋是當代橋梁技術的集大成者，創(chuàng)下多項世界紀錄：全長55公里，是世界總體跨度最長的跨海大橋；海底隧道長6.7公里，是世界上最長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，是世界上埋進海床最深的沉管隧道；用鋼量達到42萬噸，相當于60座埃菲爾鐵塔金屬框架的重量，是世界上鋼結構橋體最長的大橋，等等。

　　這些世界紀錄的締造無不以橋梁建造技術創(chuàng)新為驅動。其中，深埋沉管隧道技術最具代表性。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公里長的深埋海底沉管隧道，這是整個工程難度最大的部分。港珠澳大橋主通航孔臨近香港國際機場，如果采用橋梁方案，橋塔高度將超過200米，影響飛機起降，所以采用了沉管隧道方案。與此同時，這里還是珠江口出海主航道，為了長遠發(fā)展，要按30萬噸級通航標準預留，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，我們實現(xiàn)了多項關鍵技術創(chuàng)新——

　　依托新技術打好“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。“復合地基+組合基床”沉管隧道基礎新技術，采用了“拋石夯平+碎石整平”的組合墊層設計方案。與之相配套的沉管基礎施工質量檢測監(jiān)測管理系統(tǒng)、外海堆載預壓監(jiān)測系統(tǒng)、沉管隧道沉降變形監(jiān)測系統(tǒng)，有效保證了基礎施工質量。監(jiān)測結果表明，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，均達到世界領先水平。

　　“工廠法”預制技術和半剛性沉管結構保障隧道安全，提高施工效率。港珠澳大橋海底隧道共33節(jié)沉管，標準管節(jié)重約8萬噸，同時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。“工廠法”預制技術創(chuàng)新開發(fā)沉管生產流水線、大型自動化液壓模板、混凝土全斷面澆筑及控裂、8萬噸沉管頂推等成套技術，實現(xiàn)超大型混凝土構件的工業(yè)化制造。傳統(tǒng)的剛性和柔性沉管結構均不適于深埋：國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到22米。于是，團隊創(chuàng)新研發(fā)半剛性沉管結構形式，開發(fā)出適合于沉管結構的永久預應力體系，發(fā)明了基于材料斷裂力學特性的“記憶接頭”。半剛性沉管結構受到國際同行的高度認可，成為與剛性管節(jié)、柔性管節(jié)并列的第三種結構，為沉管隧道結構提供了新選擇。

　　沉管隧道合龍方式實現(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)，不僅風險大，而且耗時約半年之久。通過3年多研究攻關，我們發(fā)明了具有折疊結構和主動止水可逆操作功能的合龍新方法，攻克了結構體系、止水與折疊構造、合龍口形態(tài)控制等關鍵技術。采用工廠化生產、海上裝配化安裝的方法，只用1天便完成合龍，合龍精度達2.6毫米。

　　智能建造讓橋梁建設更科學更高效

　　以深埋沉管隧道為代表的諸多新技術，不僅在港珠澳大橋建設過程中發(fā)揮重要作用，還為我國橋梁建造乃至基礎工程建設提供強有力支撐。其中，智能建造技術尤為關鍵。

　　智能建造是指在建造過程中充分利用智能技術，通過應用智能化系統(tǒng)提高建造過程智能化水平，達到安全建造的目的，提高建筑性價比和可靠性。智能建造能夠提升建設者的感知能力、預測能力、控制能力和作業(yè)能力，讓工程環(huán)境做到可知可控，實現(xiàn)對工程建設過程中工作狀態(tài)、施工環(huán)境等信息的收集、處理、分析，實現(xiàn)對大型裝備的精確控制。

　　物聯(lián)網、云計算、數據管理分析系統(tǒng)是智能建造的關鍵技術。物聯(lián)網通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，將物品與互聯(lián)網連接起來，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。依靠物聯(lián)網獨特的傳感技術和感知能力，建設者可以運用衛(wèi)星定位系統(tǒng)、聲吶、芯片探測器等傳感設備，將混凝土等原材料、大型設備、作業(yè)人員等與互聯(lián)網連接，構成人與物的信息交互網絡。云計算技術則將大量分布式獨立計算機組建成統(tǒng)一管理的云系統(tǒng)。多個硬件設備可以協(xié)同工作，按照資源需求對硬件能力進行分配，實現(xiàn)多種傳統(tǒng)計算技術無法實現(xiàn)的功能。建設過程中，這一技術幫助建設者構建起前方監(jiān)測系統(tǒng)與后方超級計算機互聯(lián)的云計算平臺，實時分析處理海量氣象、水文等數據信息，復雜數據信息處理能力大大提高。由此，建設者可以實時了解現(xiàn)場情況，并對建設過程進行分析以及遠程控制。

　　作為一把“萬能鑰匙”，智能建造可以根據工程需求“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解決測控難題、保障作業(yè)條件、提供一體化作業(yè)平臺。比如，通過應用精密測控儀器、升級改造既有測控技術與設備，解決傳統(tǒng)測控手段精度控制水平較低、穩(wěn)定性不強、易受外界干擾等問題。港珠澳大橋沉管管節(jié)安裝過程中，通過利用我國航天航空領域設備的位移控制技術，研發(fā)外海深水環(huán)境下沉管姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測對接過程中超大質量管節(jié)的低頻率、小振幅運動狀態(tài)，以確保管節(jié)安全、精準地著床。此外，利用管節(jié)首端的無線聲吶測控系統(tǒng)及尾端的測控系統(tǒng)，實現(xiàn)對管節(jié)對接相對定位及絕對定位的測控，確保高精度管節(jié)對接。與之相似，保障作業(yè)條件要用到大數據分析、一體化作業(yè)平臺需要智能裝配，等等。

　　如今，橋梁在人們生活中已不僅僅是交通設施。除了實現(xiàn)人類翻山、越江、跨海的夢想，有的橋梁還成為當地獨特的風景線。橋梁承載著更舒適快捷的體驗需求和更高的審美需求。未來，隨著新材料、懸浮技術、漂浮技術、深水建造技術等不斷創(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，漂浮城市和漂浮機場也有機會從夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。

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

　　（作者為中國工程院院士、中國交通建設集團有限公司首席科學家）