世界最大起重船“振華30”和世界首創(chuàng)的海底隧道最終接頭，在霓虹燈的照射下，成為伶仃洋上的耀眼明珠。
4月24日從早上6點(diǎn)半到下午4點(diǎn)，體重達(dá)6000噸的“三明治”結(jié)構(gòu)——最終接頭，在1.2萬噸浮吊船“振華30”的作用力下，按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和安裝條件，圓滿完成了安裝前的首次試吊。
在港珠澳大橋工程建設(shè)中，尤其是突破了海底隧道最長(zhǎng)、隧道埋深最大、單個(gè)沉管體量最大、使用壽命最長(zhǎng)、隧道車道最多等多個(gè)世界級(jí)難題的5.6公里海底隧道施工過程中，從120個(gè)鋼圓筒快速筑島的創(chuàng)新工法、5664米復(fù)合基床的“3D打印”、33節(jié)巨型航母般的沉管對(duì)接，再到6000噸級(jí)最終接頭的海上吊裝，中國(guó)大橋建設(shè)者用自主研發(fā)的裝備托起了世紀(jì)工程的建造。
津平1號(hào)輪
水下40多米鋪設(shè)5664米“石褥子”
平整度實(shí)現(xiàn)2毫米
“做房子，要打墻基樁基，安裝沉管更不例外。”中國(guó)交建集團(tuán)總工程師、港珠澳大橋島隧項(xiàng)目總部總指揮林鳴表示，要把每節(jié)沉管安裝到海底，必須經(jīng)歷挖基槽、拋塊石夯平和碎石鋪設(shè)三道難關(guān)來筑牢筑平海底的沉管基床，即先由抓斗式挖泥船的巨大抓斗，在接近50米深的水下挖出48米寬、最大48.5米水深的壟溝，之后鋪上2米厚的大塊石，使用振動(dòng)錘把塊石夯平后，再平整鋪上一層1.3米厚的小碎石。“按照工程要求，基床平整度要求控制在40毫米之內(nèi)”。
在平整E1沉管碎石基床時(shí)，受施工環(huán)境制約，只能采用人工鋪設(shè)作業(yè)，22名專業(yè)潛水員分成11組潛入14米水下作業(yè)，首先在海底放置導(dǎo)軌，高程誤差控制在±5毫米之間?？梢栽O(shè)想，如果整個(gè)隧道的沉管基床以這種方式作業(yè)，安全、效率、精度成為最大的不確定因素。
“基礎(chǔ)不牢，地動(dòng)山搖。”港珠澳大橋設(shè)計(jì)師劉曉東說，每一節(jié)沉管的體量如同一艘航母，33節(jié)沉管就是33艘航母，要穩(wěn)穩(wěn)地放置在事前挖好深水基槽的碎石基床上，對(duì)基床碎石平整度提出了更高的要求。
此前，總承包商中國(guó)交建曾經(jīng)考慮引進(jìn)專業(yè)設(shè)備提高碎石的鋪設(shè)效率。經(jīng)考察發(fā)現(xiàn)，國(guó)外只有兩艘能擔(dān)當(dāng)此任的施工船，一艘在丹麥，曾在建造厄勒海峽沉管隧道中使用過;另外一艘在韓國(guó)，用于釜山海底隧道。
但是這兩艘船工作水深分別是25米、40米，都不符合港珠澳大橋海底隧道建設(shè)的要求。而港珠澳最深水深為48.5米。為此，中交港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目部決定建造一艘新的碎石整平船，上海振華重工接受了建船的任務(wù)。
“設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮到工程對(duì)鋪設(shè)碎石的精度要求”，振華重工海上設(shè)計(jì)研究院項(xiàng)目經(jīng)理尹剛說，韓國(guó)的船采用飄浮作業(yè)方式，船體在水里受到波浪的干擾將直接影響鋪設(shè)精度，振華引入了石油鉆井平臺(tái)抬升系統(tǒng)的工藝，用四個(gè)樁柱把工作平臺(tái)抬出水面強(qiáng)化穩(wěn)定性，保證了整平的精度要求。
“津平1號(hào)”碎石整平船于2012年3月16日下水試驗(yàn)，在俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)定位下，通過一根幾十米長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管深入水下將碎石噴射而出，達(dá)到96%的拋石精度：即在碎石基床上，隨機(jī)選取100個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，96個(gè)點(diǎn)的平整精度達(dá)到要求，基層精度控制在正負(fù)4公分之內(nèi)。
尹剛說：“這個(gè)是沉管安裝成功的一個(gè)先決條件，一旦碎石基床某處出現(xiàn)不平整，將直接影響整個(gè)隧道的質(zhì)量，只有高精度的基床才有高精度的沉管對(duì)接”。
實(shí)現(xiàn)精度的關(guān)鍵在于船上的拋石管及附在其上面的聲納，這讓拋石作業(yè)變得智能。就像水下探頭，基床上某一處坑深，拋石管就會(huì)多停一會(huì)，多倒些石料。試驗(yàn)中的出色表現(xiàn)，讓船上的日本專家沖山驚嘆：“這樣的精度在世界上也是首屈一指”。
“津平1”以十天鋪一個(gè)沉管基床的節(jié)奏，每天完成一個(gè)船位的作業(yè)移動(dòng)，移動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石油平臺(tái)，這就對(duì)抬升系統(tǒng)的動(dòng)力與材料提出要求。
為了加快抬升的速度，他們研制了電動(dòng)抬升系統(tǒng)，每爬升一次只需20多分鐘，而液壓系統(tǒng)則需要3-4小時(shí);為了制造具有高強(qiáng)度及優(yōu)良低溫沖擊韌性的四根齒條，振華挑戰(zhàn)精細(xì)加工的極限：四根90米長(zhǎng)的齒條鋼，實(shí)現(xiàn)加工垂直直線度210毫米，或者說只有1厘米的誤差。
尹剛說，“當(dāng)整個(gè)樁腿焊接、制造完成了以后，我們用浮吊往筒里面插入90米長(zhǎng)的齒條，四根齒條一次性順暢地插下去，這說明振華制造的精度非常高”。
2012年10月19日，這艘世界最大、國(guó)內(nèi)第一外海施工的深水碎石整平船抵達(dá)港珠澳大橋島隧工程施工現(xiàn)場(chǎng)。
據(jù)“津平1”號(hào)船長(zhǎng)陳耀金介紹， “津平1”號(hào)船體總長(zhǎng)81.8米，寬46米，深5.5米，樁腿長(zhǎng)90米，拋石管長(zhǎng)72.7米，為鋼質(zhì)、非自航、自升式工程用平臺(tái)，由中交一航局投資，上海振華重工建造，總造價(jià)2.06億元人民幣。
該船匯集了國(guó)內(nèi)前沿造船工藝，采用了島隧工程項(xiàng)目總經(jīng)理部以自主研發(fā)為主與借鑒國(guó)外工藝為輔相結(jié)合的先進(jìn)的拋石施工管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)用途為島隧工程中隧道沉管的碎石墊層鋪設(shè)作業(yè)，負(fù)責(zé)鋪設(shè)水深10-50米范圍內(nèi)所有沉管管節(jié)(包括EPS)的碎石墊層，在不移動(dòng)船身的情況下碎石鋪設(shè)整平作業(yè)范圍可達(dá)48米×25米(管中心)，具有在異地淺水區(qū)以升降形式避風(fēng)、抗風(fēng)臺(tái)自存的能力。
剛開始，由振華重工自主研發(fā)的“津平1”，其任務(wù)就是負(fù)責(zé)深海里的碎石平整任務(wù)，5664米沉管基床需鋪設(shè)約56萬方碎石，平整度要求控制在小于40毫米。而工程師們不愿僅滿足于設(shè)計(jì)要求，不斷地精益求精，從最開始順利助力完成首節(jié)E1管節(jié)海底安裝，完成了舉世矚目的“海底初吻”，到了E13節(jié)沉管基床時(shí)，創(chuàng)造了最高精度壟間高差2毫米的世界紀(jì)錄，刷新了世界上該行業(yè)關(guān)于深海碎石作業(yè)精度難以精確控制的傳統(tǒng)觀念。
在安裝E15沉管時(shí)，面對(duì)基槽強(qiáng)回淤難題挑戰(zhàn)，“津平1”施工團(tuán)隊(duì)臨時(shí)受命，世界首創(chuàng)完成整平船清淤系統(tǒng)技改，成為了世界上第一艘兼具清淤和碎石鋪設(shè)整平功能為一體的可清淤整平船，在E22沉管因臺(tái)風(fēng)遭遇大面積基床回淤后，28個(gè)有效工時(shí)內(nèi)完成2000多平方米的基床高精度清淤，創(chuàng)造了水工行業(yè)上一次偉大的技術(shù)跨越。
今年5月份，隨著最終接頭的安裝，“津平1”也將圓滿完成世界最長(zhǎng)海底隧道沉管安裝的保駕護(hù)航使命。
沉管安裝船
8萬噸沉管深海下沉速度可控制在每秒小于1厘米
在港珠澳大橋島隧工地幾乎人人皆知，林鳴有三個(gè)寶貝，除了自主研發(fā)的高精度深水自升式整平清淤平臺(tái)“津平1”號(hào)外，還有自主研發(fā)的兩艘沉管安裝船“津安2”和“津安3”號(hào)，大家戲稱為“姊妹船”，至今已經(jīng)完成了33節(jié)沉管的精準(zhǔn)對(duì)接，其中E30沉管的對(duì)接精準(zhǔn)度為1毫米。
然而，這兩艘“姊妹船”誕生于林鳴此前的一個(gè)想法：建設(shè)港珠澳大橋工程，一定要使用中國(guó)自主研發(fā)的海工裝備，這將是提升中國(guó)海工制造的機(jī)會(huì)。
沉管安裝船的工作是把沉管運(yùn)到施工海域并進(jìn)行沉放安裝，是沉管浮運(yùn)和海底對(duì)接的指揮和操控中樞，直接對(duì)水下無人對(duì)接系統(tǒng)發(fā)送操作指令，因此安裝船是沉管安裝成敗的關(guān)鍵性裝備，“當(dāng)林總決定港珠澳大橋使用中國(guó)海工裝備時(shí)，我們甚至都沒有見過他讓我們做的設(shè)備長(zhǎng)什么樣!”振華重工海上重工設(shè)計(jì)研究院生產(chǎn)設(shè)計(jì)所副所長(zhǎng)何可耕說。
何可耕所在的振華將承擔(dān)建造兩艘“沉管安裝船”。為此，工程師們來到韓國(guó)考察，此時(shí)在韓國(guó)釜山跨海大橋建設(shè)中，曾經(jīng)鋪設(shè)18個(gè)沉管構(gòu)件的“功臣”已經(jīng)退休。中國(guó)工程師們沒有被允許登上這艘船，只是圍著船遠(yuǎn)遠(yuǎn)地繞了一圈就回來了。“其實(shí)，我們根本沒打算使用他們的技術(shù)。”事后何可耕說。
安裝船上一個(gè)至關(guān)重要的設(shè)備——沉管調(diào)整裝置(Equipment Position System，EPS)，這項(xiàng)專利屬于荷蘭斯特拉頓公司(Strukton)。要建造自己的船有兩種選擇：購(gòu)買該公司的專利，或者自己創(chuàng)新。前者要付專利費(fèi)，但因之前未能合作，對(duì)方直言不轉(zhuǎn)讓專利;而對(duì)這套設(shè)備非常了解的日本專家花田坦言：EPS并不好用，它是一個(gè)不斷糾錯(cuò)的系統(tǒng)，并建議中國(guó)工程師想別的辦法。只剩一條路：在方法和技術(shù)上創(chuàng)新，超越EPS。
“在水下施工，管節(jié)在水中一動(dòng)就停不下來，要保證沉管對(duì)接精準(zhǔn)度，關(guān)鍵是讓管節(jié)沉放過程中慢下來。”創(chuàng)新者之一的何可耕稱，振華借用了微寸動(dòng)(Micro inching)原理，在船上配置了8臺(tái)大型絞車收放鋼繩，輔以寸動(dòng)鈕及數(shù)位計(jì)時(shí)器，根據(jù)管節(jié)上安裝的GPS系統(tǒng)反饋管節(jié)與基準(zhǔn)線的偏差，以收放精度2.5厘米的節(jié)奏控制絞車鋼繩的收放，而管節(jié)最小移動(dòng)速度可以達(dá)到每秒鐘不到1厘米。
而一次到位精準(zhǔn)“寸動(dòng)”的創(chuàng)意，正是來自何可耕岸橋工程的經(jīng)驗(yàn)。“每當(dāng)臺(tái)風(fēng)來臨時(shí)，港口的岸橋起重機(jī)要移到固定的位置，使用插銷讓起重機(jī)和地面合為一體。每次對(duì)接銷子孔時(shí)，按下一次按鈕它自己就走5公分，然后就自動(dòng)落下來。為了完成這個(gè)動(dòng)作，要有測(cè)量系統(tǒng)，控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，安裝編碼器，還有電控等等。我們就把這套原理移植到沉管安裝船了。”何可耕介紹說。
33節(jié)沉管精準(zhǔn)對(duì)接的事實(shí)證明，對(duì)于沉管安裝船的精準(zhǔn)度，花田認(rèn)為，“這是一艘非常專業(yè)的沉管沉放設(shè)備”。
此外，值得一提的是，2014年4月，在完成E10節(jié)沉管的安裝對(duì)接后，隨著沉管安裝區(qū)域逐漸進(jìn)入深海，中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)第304研究所根據(jù)林鳴的想法，利用他們自主創(chuàng)新和動(dòng)態(tài)測(cè)試的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，僅用3個(gè)月的時(shí)間，完成了“運(yùn)動(dòng)姿態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”的測(cè)試和安裝，從E11沉管安裝開始，助力兩艘安裝船，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到深水沉放中的沉管姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了E11——E33節(jié)沉管的精準(zhǔn)對(duì)接，其中E29沉管安裝對(duì)接的精準(zhǔn)度達(dá)到1毫米的標(biāo)準(zhǔn)，再次刷新自己創(chuàng)造的世界記錄。
大國(guó)重器“振華30”
1.2萬噸起重船能同時(shí)吊起45架空客
“振華30”因被譽(yù)為“大國(guó)重器”一直備受世人關(guān)注。
早在2010年，為了滿足海洋起重作業(yè)的需求，振華公司對(duì)一艘服役中的30萬噸游輪進(jìn)行了改造，于2016年5月13日完工。改造后的“振華30”排水量約26萬噸，船長(zhǎng)297.55米，船寬58米，船體底板到甲板的高度為28.8米，人和物資要上船，必須依靠專用的吊籠，將人或物資從旁邊的船只吊到3層樓高的甲板上。
甲板上分吊裝區(qū)、生活區(qū)以及直升機(jī)降落區(qū)，其中主甲板面積約有2.5個(gè)足球場(chǎng)大小;生活區(qū)有7層，頂層為駕駛室，其余6層可接待380人的食宿，其標(biāo)準(zhǔn)堪稱“五星級(jí)酒店”。
而甲板上的吊臂高達(dá)167米，其中，單臂固定起吊1.2萬噸、單臂全回轉(zhuǎn)起吊7000噸的能力，能夠同時(shí)吊起45架空客A380飛機(jī)，被稱為世界上最大的起重船。
據(jù)“振華30”船長(zhǎng)湯洪流介紹，“振華30”也可稱為1.2萬噸自航全回轉(zhuǎn)起重船，具備自航、吊裝、定位、大型接待等四大明顯功能，尤其是該船的吊裝、定位功能，完全由振華重工自助研發(fā)。
湯洪流稱，為了確保如此大型船舶在大海吊裝時(shí)的穩(wěn)定性，該船共用14套螺旋槳的DP2動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)和10根鋼絲錨泊系統(tǒng)以及船舶上的壓載水，將起重船的搖擺幅度控制在厘米級(jí)范圍內(nèi)。使用這套系統(tǒng)，在吃水超過17.6米的深海區(qū)，即便船舶50%的部分遇到故障，也可以無需錨纜長(zhǎng)時(shí)間保持精確定位，保障航行中的安全。
DP2定位系統(tǒng)主要是依靠船底的14套螺旋槳推進(jìn)器，通過調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)，螺旋槳從各個(gè)不同角度發(fā)力，與海水的力達(dá)到平衡，形成相對(duì)靜止的狀態(tài)。湯洪流稱“這也是上海振華重工的專有技術(shù)”。
24日，在浩瀚的伶仃洋上，被譽(yù)為大國(guó)重器的“振華30”神威初現(xiàn)，穩(wěn)穩(wěn)地將重達(dá)6000噸體重的最終接頭從“振駁28”調(diào)到海面上空，并緩緩將其沉入海底，其船體穩(wěn)定度和精準(zhǔn)度都達(dá)到了預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。
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