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杭州灣跨海大橋:百年工程的技術支撐
來源:科學時報 作者:畢偉    發布時間:2011-10-31     

 

 

    世界最長的跨海大橋——杭州灣跨海大橋將于今年5月1日正式通車。這座全長36公里的大橋是一座由我國自行設計、自行管理自行建造、自行投資的特大型交通設施。根據社會節能減排發展的總體要求,大型工程的設計使用年限越來越長,大橋的壽命也從50年提高到100年以上。 
    由于杭州灣跨海大橋地處強腐蝕海洋環境,要保證大橋具有如此長的壽命,就必須解決大橋所用材料的腐蝕防護問題?!犢蒲北ā芳欽呋襝?,為解決工程領域這一頗具挑戰性的難題,中國科學院金屬研究所重腐蝕防護技術及工程化創新項目組依據已有的重腐蝕防護涂層研究的技術優勢,提出了海上工程以高性能涂層防護為主、犧牲陽極陰極?;のǖ牧戲闌さ男呂砟?,以及合理的實施方案。同時,他們還自行設計并制造了具有自主知識產權的涂裝設備,組建了一支能啃硬骨頭的科研隊伍,走出了一條自主創新之路。近4年的實踐表明,他們所提出的防護方案滿足了大橋耐久性的要求,成為海上百年工程強有力的技術支撐。

    最長的跨海大橋
    杭州灣位于我國改革開放最具活力、經濟最發達的長江三角洲地區。上海作為全國最大的經濟中心城市,是中國走向國際化的重要平臺。在新世紀新階段,寧波要建設現代化的國際港口城市,實現經濟的大發展、大跨越,就必須接軌大上海,融入長三角,走向國際化。
    中國科學院金屬研究所重腐蝕防護技術及工程化項目組負責人李京研究員對《科學時報》記者介紹說,杭州灣跨海大橋是國道主干線一同三線跨越杭州灣的便捷通道。大橋北起嘉興市海鹽鄭家埭,跨越寬闊的杭州灣海域后止于寧波市慈溪水路灣,全長36公里,超過了美國切薩皮克海灣橋和巴林道堤橋等世界名橋,而成為目前世界上已建成或在建中的最長的跨海大橋。它的建成,將會直接帶動寧波、嘉興的經濟,促進周邊地區杭州、紹興、臺州、舟山、溫州等地的發展,并對浙江省,乃至長江三角洲南翼地區的整體進步產生積極影響。同時,該大橋作為我國沿海大通道中的第一座跨海大橋,突破了杭州灣的瓶頸,縮短寧波至上海間的陸路距離120余公里,使浙江省可在更大范圍、更高層次、以更優越的區位地理優勢,融入國際大都市經濟圈。


    每天3小時的施工時間
    杭州灣跨海大橋按雙向六車道高速公路設計,設計時速100公里/小時,設計使用年限100年,大橋建設投資額接近140億元。大橋設南北兩個航道,其中北航道橋為主跨448米的鉆石型雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋,通航標準35000噸;南航道橋為主跨318米的A型單塔雙索面鋼箱梁斜拉橋,通航標準3000噸。除南北航道橋外,其余引橋均采用30~80米不等的預應力混凝土連續箱梁結構,大橋支撐采用大直徑超長鋼管樁。
    據初步核定,大橋共需要鋼材76.9萬噸,水泥129.1萬噸,石油瀝青1.16萬噸,木材1.91萬立方米,混凝土240萬立方米,各類樁基7000余根,為國內特大型橋梁之最。南灘涂50米×16米箱梁采用整孔預制、大型平板車梁上運梁的工藝,開創了國內外重型梁運架的新紀錄。
    水中區引橋70米×16米箱梁采用整體制、運、架一體化方案,單片梁重達2180噸,為國內第一。水中區引橋打入鋼管樁直徑1.5米~1.6米,樁長約80米,總數超過5000根,其鋼管樁工程規模為全國建橋史上第一。
    李京介紹說,杭州灣是世界上潮水最大的三個海灣之一。杭州灣的氣象、水文、地質環境是世界上最復雜的。在這里,臺風、龍卷風、雷暴及突發性小范圍災害天氣時有發生,由于風、浪、流、潮和霧的影響,全年施工作業天數不足200天。作業環境險惡、氣候復雜,特別是水下潛水施工作業時,水下能見度幾乎為零,又受潮差、水流速的限制。而且,該海域潮差大,水流急,海水最大流速在5米/秒以上,其所處的腐蝕環境嚴酷、運行條件復雜多變,施工條件很惡劣。由于潮水起落,潮流流速很快,有混亂的流速、流向,因此只能利用低平潮承臺鋼樁露出且水流速度較小時進行施工作業,每天有效施工時間僅為3小時左右。
    據悉,盡管工程難度很大,但杭州灣跨海大橋工程的建設者們還是已獲得250多項技術創新成果,形成了9大系列自主核心技術,創造了多項世界第一的成果,比原計劃提前8個月實現了通車。

    大聯合作業
    杭州灣跨海大橋鋼管樁基礎結構龐大,橫跨杭州灣南北,環境苛刻,地形復雜,支撐大橋的基礎結構系用直徑1.5米~1.6米、長度達88米的整體鋼管樁組成,單件鋼管樁重量就在70噸以上,而在杭州灣復雜的海洋環境條件下卻無法采用已有技術,因此鋼管樁耐久性的腐蝕防護問題就成為大橋項目的瓶頸難題。
    李京告訴記者,中國科學院金屬研究所重腐蝕防護技術及工程化項目組了解到該情況后,積極與杭州灣跨海大橋工程指揮部和設計單位聯系溝通,經過現場實際考察和可行性研究試驗,在“SEBF/SLF重腐蝕防護技術”基礎上,結合鋼管樁在海洋環境中處于三個不同的位置(即泥下區、海水區和潮差浪濺區),研究出符合在這三個不同區域對鋼管樁形成不同腐蝕環境的腐蝕防護要求的三種不同防護性能的新涂料,同時設計出符合海上不同區域防護要求的復合涂層結構,并研制出一次涂裝成功的復合涂層大直徑的涂裝生產線。與此同時,為把實施高性能涂層作為鋼管樁的主要防護手段的理念變成現實,他們又結合涂層高絕緣性能與鋼管樁承臺布局的特點,針對整個承臺進行陰極?;さ納杓?,研究出由上下表面為弧形的陽極塊組合形式的鐲型環狀犧牲陽極組和水下安裝水上焊接安裝方式的陰極?;し椒?。該方案不僅提高了鋼管樁腐蝕防護的耐久性和可靠性,而且具有減小安裝時對涂層的破壞、安裝便捷、降低總體防護費用等優點。通過聯合防護方法的具體實施和最終檢測,該項目達到了杭州灣跨海大橋鋼管樁腐蝕防護設計的總體要求,實現了杭州灣跨海大橋業主的愿望,順利通過了工程驗收。
    李京告訴《科學時報》記者,這項工程的圓滿完成是大聯合作業的成功體現。沈陽中科腐蝕控制工程技術中心是整個工程的主辦單位。它們聯合國內四家專業工程單位——中油遼河工程有限公司、寧波科鑫腐蝕控制工程有限公司、深圳市德威勝潛水工程有限公司和哈爾濱市天寶焊接技術研究所組成了沈陽中科聯合體。該聯合體作為總承包,既是施工單位,又是設計單位,擔當著雙重身份并肩負著雙重任務。在聯合體單位的共同努力下,它們積極采用新技術、新材料、新工藝精心設計施工方案,合理安排施工,通過規范的施工管理,使杭州灣跨海大橋鋼管樁陰極?;は低?,在保證質量、保證安全的基礎上按期圓滿完成了施工任務。
    李京表示:“中科院金屬所在金屬腐蝕防護領域具有的強大技術優勢,是贏得杭州灣跨海大橋工程青睞的重要因素。通過全面參與杭州灣跨海大橋工程項目的設計與施工,中科院研究所的科技優勢得到了充分的發揮,為科研院所的發展開拓了一條新途徑,同時也培養了一批既懂課題研究,又懂工程施工的專業人才,提高了課題組承擔攻關任務和解決復雜技術難題的能力,加快了將人才、科研優勢及研究成果轉化生產力的步伐,提高了自主創新能力,為今后參與國家大型項目建設任務創造了充分的條件?!?/span>

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