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杭州湾跨海大桥:百年工程的技术支撑
来源:科学时报 作者:毕伟    发布时间:2011-10-31     

 

 

    世界最长的跨海大桥——杭州湾跨海大桥将于今年5月1日正式通车。这座全长36公里的大桥是一座由我国自行设计、自行管理自行建造、自行投资的特大型交通设施。根据社会节能减排发展的总体要求,大型工程的设计使用年限越来越长,大桥的寿命也从50年提高到100年以上。 
    由于杭州湾跨海大桥地处强腐蚀海洋环境,要保证大桥具有如此长的寿命,就必须解决大桥所用材料的腐蚀防护问题。《科学时报》记者获悉,为解决工程领域这一颇具挑战性的难题,中国科学院金属研究所重腐蚀防护技术及工程化创新项目组依据已有的重腐蚀防护涂层研究的技术优势,提出了海上工程以高性能涂层防护为主、牺牲阳极阴极保护为辅的联合防护的新理念,以及合理的实施方案。同时,他们还自行设计并制造了具有自主知识产权的涂装设备,组建了一支能啃硬骨头的科研队伍,走出了一条自主创新之路。近4年的实践表明,他们所提出的防护方案满足了大桥耐久性的要求,成为海上百年工程强有力的技术支撑。

    最长的跨海大桥
    杭州湾位于我国改革开放最具活力、经济最发达的长江三角洲地区。上海作为全国最大的经济中心城市,是中国走向国际化的重要平台。在新世纪新阶段,宁波要建设现代化的国际港口城市,实现经济的大发展、大跨越,就必须接轨大上海,融入长三角,走向国际化。
    中国科学院金属研究所重腐蚀防护技术及工程化项目组负责人李京研究员对《科学时报》记者介绍说,杭州湾跨海大桥是国道主干线一同三线跨越杭州湾的便捷通道。大桥北起嘉兴市海盐郑家埭,跨越宽阔的杭州湾海域后止于宁波市慈溪水路湾,全长36公里,超过了美国切萨皮克海湾桥和巴林道堤桥等世界名桥,而成为目前世界上已建成或在建中的最长的跨海大桥。它的建成,将会直接带动宁波、嘉兴的经济,促进周边地区杭州、绍兴、台州、舟山、温州等地的发展,并对浙江省,乃至长江三角洲南翼地区的整体进步产生积极影响。同时,该大桥作为我国沿海大通道中的第一座跨海大桥,突破了杭州湾的瓶颈,缩短宁波至上海间的陆路距离120余公里,使浙江省可在更大范围、更高层次、以更优越的区位地理优势,融入国际大都市经济圈。


    每天3小时的施工时间
    杭州湾跨海大桥按双向六车道高速公路设计,设计时速100公里/小时,设计使用年限100年,大桥建设投资额接近140亿元。大桥设南北两个航道,其中北航道桥为主跨448米的钻石型双塔双索面钢箱梁斜拉桥,通航标准35000吨;南航道桥为主跨318米的A型单塔双索面钢箱梁斜拉桥,通航标准3000吨。除南北航道桥外,其余引桥均采用30~80米不等的预应力混凝土连续箱梁结构,大桥支撑采用大直径超长钢管桩。
    据初步核定,大桥共需要钢材76.9万吨,水泥129.1万吨,石油沥青1.16万吨,木材1.91万立方米,混凝土240万立方米,各类桩基7000余根,为国内特大型桥梁之最。南滩涂50米×16米箱梁采用整孔预制、大型平板车梁上运梁的工艺,开创了国内外重型梁运架的新纪录。
    水中区引桥70米×16米箱梁采用整体制、运、架一体化方案,单片梁重达2180吨,为国内第一。水中区引桥打入钢管桩直径1.5米~1.6米,桩长约80米,总数超过5000根,其钢管桩工程规模为全国建桥史上第一。
    李京介绍说,杭州湾是世界上潮水最大的三个海湾之一。杭州湾的气象、水文、地质环境是世界上最复杂的。在这里,台风、龙卷风、雷暴及突发性小范围灾害天气时有发生,由于风、浪、流、潮和雾的影响,全年施工作业天数不足200天。作业环境险恶、气候复杂,特别是水下潜水施工作业时,水下能见度几乎为零,又受潮差、水流速的限制。而且,该海域潮差大,水流急,海水最大流速在5米/秒以上,其所处的腐蚀环境严酷、运行条件复杂多变,施工条件很恶劣。由于潮水起落,潮流流速很快,有混乱的流速、流向,因此只能利用低平潮承台钢桩露出且水流速度较小时进行施工作业,每天有效施工时间仅为3小时左右。
    据悉,尽管工程难度很大,但杭州湾跨海大桥工程的建设者们还是已获得250多项技术创新成果,形成了9大系列自主核心技术,创造了多项世界第一的成果,比原计划提前8个月实现了通车。

    大联合作业
    杭州湾跨海大桥钢管桩基础结构庞大,横跨杭州湾南北,环境苛刻,地形复杂,支撑大桥的基础结构系用直径1.5米~1.6米、长度达88米的整体钢管桩组成,单件钢管桩重量就在70吨以上,而在杭州湾复杂的海洋环境条件下却无法采用已有技术,因此钢管桩耐久性的腐蚀防护问题就成为大桥项目的瓶颈难题。
    李京告诉记者,中国科学院金属研究所重腐蚀防护技术及工程化项目组了解到该情况后,积极与杭州湾跨海大桥工程指挥部和设计单位联系沟通,经过现场实际考察和可行性研究试验,在“SEBF/SLF重腐蚀防护技术”基础上,结合钢管桩在海洋环境中处于三个不同的位置(即泥下区、海水区和潮差浪溅区),研究出符合在这三个不同区域对钢管桩形成不同腐蚀环境的腐蚀防护要求的三种不同防护性能的新涂料,同时设计出符合海上不同区域防护要求的复合涂层结构,并研制出一次涂装成功的复合涂层大直径的涂装生产线。与此同时,为把实施高性能涂层作为钢管桩的主要防护手段的理念变成现实,他们又结合涂层高绝缘性能与钢管桩承台布局的特点,针对整个承台进行阴极保护的设计,研究出由上下表面为弧形的阳极块组合形式的镯型环状牺牲阳极组和水下安装水上焊接安装方式的阴极保护方法。该方案不仅提高了钢管桩腐蚀防护的耐久性和可靠性,而且具有减小安装时对涂层的破坏、安装便捷、降低总体防护费用等优点。通过联合防护方法的具体实施和最终检测,该项目达到了杭州湾跨海大桥钢管桩腐蚀防护设计的总体要求,实现了杭州湾跨海大桥业主的愿望,顺利通过了工程验收。
    李京告诉《科学时报》记者,这项工程的圆满完成是大联合作业的成功体现。沈阳中科腐蚀控制工程技术中心是整个工程的主办单位。它们联合国内四家专业工程单位——中油辽河工程有限公司、宁波科鑫腐蚀控制工程有限公司、深圳市德威胜潜水工程有限公司和哈尔滨市天宝焊接技术研究所组成了沈阳中科联合体。该联合体作为总承包,既是施工单位,又是设计单位,担当着双重身份并肩负着双重任务。在联合体单位的共同努力下,它们积极采用新技术、新材料、新工艺精心设计施工方案,合理安排施工,通过规范的施工管理,使杭州湾跨海大桥钢管桩阴极保护系统,在保证质量、保证安全的基础上按期圆满完成了施工任务。
    李京表示:“中科院金属所在金属腐蚀防护领域具有的强大技术优势,是赢得杭州湾跨海大桥工程青睐的重要因素。通过全面参与杭州湾跨海大桥工程项目的设计与施工,中科院研究所的科技优势得到了充分的发挥,为科研院所的发展开拓了一条新途径,同时也培养了一批既懂课题研究,又懂工程施工的专业人才,提高了课题组承担攻关任务和解决复杂技术难题的能力,加快了将人才、科研优势及研究成果转化生产力的步伐,提高了自主创新能力,为今后参与国家大型项目建设任务创造了充分的条件。”

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