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港珠澳大桥建设中的科技智慧
港珠澳大桥拥有专利400项之多,涵盖了当今世界多项尖端科技,体现在建设的每一个细节上,是当今世界最具挑战性的工程之一.港珠澳大桥从设计到建设前后历时14年,这背后有着什么样的科技支撑呢？让我们一起来看看港珠澳大桥建设中的科技智慧.
打破国内大桥“百年惯例”
除了是世界最长的大桥,港珠澳大桥的设计使用寿命长达120年,打破了国内大桥的“百年惯例”.
为实现这一目标,中国科研人员攻克了大量技术难题,提出了“港珠澳耐久性模型”等一整套具有中国特色、世界水平的海洋工程防腐技术措施.在研究和建设过程中,一系列新材料、新技术应运而生,在多个领域填补了中国行业标准和国家标准的空白,诸多施工工艺及标准达到国际领先水平.
位于海泥环境中的钢管桩如何确保120年不损坏,这对港珠澳大桥设计团队提出极大的挑战.“针对特定的海泥环境,我们先后从涂层的抗渗透性、耐阴极剥离性等着手研制新型涂料,解决涂层的耐久性问题.”中国科学院金属研究所耐久性防护与工程化课题组负责人李京研究员介绍,他们研制出新一代高性能环氧涂层钢筋,并参与大桥基础的防腐涂装施工,保障了港珠澳大桥120年耐久性设计要求.
复杂的海床结构、恶劣的自然环境、超长的跨度距离,对桥梁钢是一个巨大考验.支撑起这座特大型桥梁的高性能绿色桥梁钢,大部分是基于东北大学王昭东教授团队研发的新一代控轧控冷工艺,由鞍钢集团生产.
该工艺使钢材组织细化35％以上,析出相尺寸减少25％以上,有效满足了桥梁钢高强度和高韧性的需求.通过优化的“成分设计+控制轧制+轧后超快冷却”组合拳,满足了桥梁的抗震和抗应变设计.
多次创新寻找最佳方案
天上有飞机,海上有轮船,夹在中间的港珠澳大桥如何才不会影响邻近香港国际机场航线的飞行安全,又能满足伶仃洋航道30万吨轮船通航的需要呢？
港珠澳大桥设计团队提出了一个极富创造力的方案：建造东西两个人工岛,修建一段海底隧道,将隧道与大桥连接起来.这条世界最长的海底沉管隧道由33个巨型沉管组成,每节管道长180米,单节重约8万吨,且沉到海底40多米.
如此巨大的沉管要怎样才能沉降到海底实现对接？这就需要浮运安装.所谓浮运安装,即是用拖船将沉管拖运到桥位附近,再用绞锚方式进行横、纵移沉管至安装位置并进行沉放安装.为保证浮运安装成功完成,华南理工大学的赵成璧副教授团队采用物理模型试验和数值模拟方法对隧道沉管管段浮运、系泊与沉放等水上施工的关键问题进行研究.这一研究,还真发现问题.
“实验发现,在浅水海域,沉管在水流和波浪的作用下,纵向水流对管段的作用所引起的问题比较容易解决,但若遇横流的作用,管段一放进海里,就会产生横倾与下沉,并容易触碰到海底,极其不安全.”团队成员王冬姣副教授说.为了进一步验证该实验的可靠性,团队一遍遍进行实验与计算.最终为港珠澳大桥的浮运与沉放施工方案提供重要的技术支持.
在大桥主体安装中,钢箱梁桥面铺装代表桥梁建设“面子”工程,它提供车辆行驶的舒适安全.“我们摒弃了高昂的进口环氧沥青材料桥面铺装技术,选择了英国浇注式沥青铺装方案.”华南理工大学张肖宁教授说,“但该方案施工效率低,按照此方案,需要5年左右的时间才能完成铺装工程.”他们创新性地提出GMA施工方案,将施工效率提高10倍,半年内完成工程,并建成国内外首个能够满足力学相似的桥梁截断足尺模型.
科学数据拼装出大桥
港珠澳大桥像“搭积木”一样用科学数据拼装出来.先在工厂里把桥墩、桥面、钢箱梁、钢管桩等生产出来,等到伶仃洋风平浪静时再组装起来,首次实现“大型化、工厂化、标准化、装配化”建设理念.
“大钢箱梁运到现场安装,安装误差必须控制在1厘米以内,每个焊缝不能超过2厘米,难度非常大.”伶仃洋上多台风,为了赶在台风来临前完成施工期,华南理工大学王荣辉教授团队在国内首次采用多工法、不对称、多塔斜拉桥的施工控制技术,完成世界首次3100吨巨型钢索塔整体施工.
2018年强台风“山竹”登陆时,大桥之所以能牢牢“站稳”,离不开科学的数据支撑.
“前期周年观测工作早在2007年就已开始.通过现场波浪观测和分析计算,从而实现潮汐潮流长期预报、台风等极端个例的工程分析等目的.”华南理工大学朱良生教授总共观测出包括“黑格尔”在内的7个台风.“拿到观测数据非常困难,部分设备需要依靠千吨以上的海事船进行投放,并在台风季节开展为期3个月的同步对比观测.”
人工岛的防风设计,应该采用什么形状才更能扛强台风呢？团队通过对1949年以来所有台风进行反侦,统计出“50年一遇”“100年一遇”的台风强度,为桥面建设提供参数.
此外,高韧薄层沥青罩面技术、水下结构止水、交通工程系统集成等技术应用,使得港珠澳大桥成为名副其实的“超级工程”.
实现运维智能化
港珠澳大桥连接粤、港、澳三地,由三地共同组建的港珠澳大桥管理局负责投资、建设和运营管理.
“以港珠澳大桥的体量,用传统人海战术进行维养,将难以满足提供优质服务的目标要求.”管理局局长朱永灵表示,管理局将从软硬件两方面着手,实现运维管理由“传统型”向“智慧型”的转变.一方面大力推进各业务板块机械化作业；另一方面,建立智能化管理平台,运用信息化及大数据处理技术,研发实施多维度的移动应用和信息共享.
港珠澳大桥可谓生逢其时.2017年,科技部和交通部联合推动将港珠澳大桥纳入“中国人工智能专项”技术应用示范领域.以桥梁结构监测为例,为有效掌握大桥结构状态及发展演化趋势,大桥“全身上下”已安装上万个元器件,通过健康监测系统与电子化人工巡查系统,可实时自动采集并分析监测数据,确保大桥结构安全.
由中国铁塔公司负责的港珠澳大桥主体工程“信息大桥”方案与港珠澳大桥实现了同步规划、同步设计、同步建设.即使在港珠澳大桥深达近50米的海底沉管隧道内,手机上的4G网络信号依然满格.
“为把最先进的高铁系统集成技术与高速公路机电系统有机衔接,项目部研发构建了专属港珠澳大桥的全寿命周期集成BIM(建筑信息模型)系统.它们让大桥擦亮了‘眼睛’,装上了‘耳朵’,变得畅通而智能.”中铁建港珠澳大桥项目经理蔡俊福说.
采用高效准确的人脸识别比对服务
涉及两岸三地进出关口,车辆、人员的检疫防控工作格外重要.为了提高司机通过效率,针对司机的检测提供了解决方案,管理局将首次创新的红外人脸检测算法与高效准确的人脸识别比对服务充分结合.
在人员过关时,为了防止高温人员过境,都要经过红外测温摄像机的温度检测,但传统的红外测温只能识别到画面中最高温度区域,并且超过设置的告警阈值后告警提示工作人员,每次告警都需要确认是否为人员本身的高温预警,增加人工核验工作量.
管理局针对此场景进行优化,通过深度学习算法技术研制出专门针对红外人脸的跟踪检测算法,通过对红外场景中的人脸进行检测把人脸在画面中的位置标记出来,再结合高温告警点的坐标位置判断是否为人脸告警,大大减少工作人员的人工核查工作量,有效告警高达99.7%.
结合通关核验的实际场景需求,传统的人脸比对不仅耗时比较长,而且准确性也无法保障,而以指纹核对人员身份为主的做法耗时比较长,在准确性与高效之间无法平衡.
为了实现高效、准确的人脸比对,团队反反复复试验了七八款短焦相机,在边检中确保了近距离人像抓拍的大小,为了解决德国进口的红外热成像相机和可见光相机机帧不同步,研发团队为港珠澳大桥训练了一套全新的算法.
通过引入人脸识别比对服务,自动与系统登记的人员进行比对,1秒内反馈比对的结果,准确率高达99.5%,通关效率提高10倍以上,既高效又准确,实现极速通关.
“自营模式”提升服务水平
港珠澳大桥管理局现有工作人员228人,自2017年起,已先后招聘到位141名营运业务人员.
大桥管理局运营管理部部长江晓霞表示,结合大桥运维工作特性,为实现大桥从建设期向运营期平稳过渡,并解决原有建设人才分流安置问题,港珠澳大桥采用了“自行营运模式”,在保持建设期管理架构基本不变的情况下,将营运筹备工作动态叠加到各业务部门,并专门成立营运管理部.
由于大桥安全管控涉及水域通航安全保障、道路交通安全管控、消防应急保障、防恐及社会公共安全突发事件处置等,为保证高效率应急救援,提供优质通行服务,港珠澳大桥采取自营模式.
高效率应急救援、高水平维修保养是营运工作服务化转型的题中之义.为实现“大监控、大安全”的管理理念落地,大桥管理局自行成立路政大队,组建拯救大队,与监控、养护等人员一起构成应急状态下的安全保障力量.
朱永灵说:“进入营运期后,所有建设管理人员都要有归零再出发的意识.没有经验,也就没有条条框框,可大胆探索.”
激发品牌效应实现经营市场化
作为连接粤港澳三地的世界级跨海通道,品牌价值可开发空间和潜力巨大,赋予了大桥更多经济功能和社会功能.
“经营市场化有其内在现实原因和独特资源优势.”大桥管理局副局长余烈表示,一方面项目投资巨大,有必要利用品牌资源、通道资源和其他资源进行综合开发,以弥补通行费收入不足,减轻三地政府财政负担；另一方面,港珠澳大桥已积累了一大批具有核心技术、自主知识产权的技术和管理成果.
“我们可把工程建设关键技术转化为行业标准和规范,为行业输出‘港珠澳大桥标准’.一些研发成果可通过与市场企业紧密合作,实现科技成果推广转化.”余烈说.
靠近香港海域的东人工岛二至四层为预留商业开发及桥梁展厅.江晓霞说,后期争取三地政府充分授权,大桥管理局将利用“一桥两岸三地”独特优势资源,开展广告、旅游、会议会展、通道资源等经营业务,实施综合开发策略.
一项超级工程的完成离不开付出努力的每一个人,离不开作出贡献的每一个企业.港珠澳大桥的顺利通车,是我国跨海大桥建造实力的证明,也是科技创新成果的证明.
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