港珠澳大橋背后的“自我研發(fā)”

　　沉管出塢

　　沉管浮運(yùn)

　　“津平1”拋石整平船

　　編者按

　　在港珠澳大橋的建設(shè)工地，到處有振華的身影，起重浮吊船、碎石整平船、沉管安裝船、大鋼圓筒、節(jié)管制作模板……年幼的中國(guó)海洋工程裝備制造業(yè)，正全力托起世紀(jì)工程的建造。裝備技術(shù)自我研發(fā)和交建能力的提升，受益于中國(guó)龐大的基礎(chǔ)設(shè)施投資。

　　本報(bào)首席記者 趙憶寧

　　工程實(shí)現(xiàn)的保障由人才、技術(shù)和裝備組成，這是陸地工程的概念;而當(dāng)往深海發(fā)展時(shí)，一定是裝備先行，沒(méi)有設(shè)備做載體，技術(shù)也無(wú)用武之地。擁有何種等級(jí)的裝備又決定了完成施工難度的等級(jí)。“某種意義上，海洋工程的施工水平取決于裝備的能力”，中國(guó)交通建設(shè)[-1.54%]股份有限公司副總裁、上海振華重工[-2.88% 資金 研報(bào)]董事長(zhǎng)宋海良說(shuō)。

　　上海振華重工是名聲在外的重型設(shè)備制造商，主要生產(chǎn)岸邊集裝箱起重機(jī)、門座起重機(jī)、浮吊和工程船舶等，在大多數(shù)國(guó)有企業(yè)為如何走出去而焦慮時(shí)，振華港機(jī)設(shè)備已多年占據(jù)全球港口機(jī)械75%的市場(chǎng)份額。以高標(biāo)準(zhǔn)高門檻著稱的德國(guó)制造，其港口裝備都是來(lái)自中國(guó)振華，這是德國(guó)唯一退出的重型設(shè)備制造領(lǐng)域。但是振華并沒(méi)有停下腳步，在過(guò)去幾年中，他們開始從港口設(shè)備制造向海洋工程制造轉(zhuǎn)型。

　　宋海良說(shuō)：“全球港機(jī)市場(chǎng)每年只有40億美元，而海洋工程全球市場(chǎng)份額有500億美元，隨著匯率的變化，成本要素上升，以及創(chuàng)新速度放緩，逼著我們向海工制造轉(zhuǎn)型。我們鎖定的目標(biāo)是海洋工程裝備制造的歐美第一梯隊(duì)。”

　　在振華南通基地，可以見(jiàn)到正在建造的1.2萬(wàn)噸全回轉(zhuǎn)起重船，起吊噸位突破了由振華創(chuàng)造的“藍(lán)鯨”號(hào)7500噸全回轉(zhuǎn)起吊船的世界記錄。他們不斷地創(chuàng)造世界紀(jì)錄，隨后又不斷刷新紀(jì)錄。而韓國(guó)釜山大橋當(dāng)年正是由于受到起重船3000噸浮吊上限的制約，無(wú)法將23個(gè)9573噸深水橋墩放置在水下31米的地方，只能把沉箱分成兩個(gè)部分制作。除此之外，在這里你還可以看見(jiàn)振華正在建造第二個(gè)海洋石油平臺(tái)。

　　沉管調(diào)整裝置凸顯自我技術(shù)創(chuàng)新

　　振華海洋工程的精細(xì)制造與在海洋工程設(shè)備創(chuàng)新的能力，在港珠澳大橋的建設(shè)中接受了實(shí)戰(zhàn)的檢驗(yàn)。港珠澳大橋工程屬于深海施工，特別是海底隧道沉管預(yù)埋，無(wú)疑需要多種海工專用設(shè)備。林鳴早已想好：建設(shè)港珠澳大橋工程，一定要使用中國(guó)的海工裝備，這將是提升中國(guó)海工制造的機(jī)會(huì)。“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(méi)有見(jiàn)過(guò)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(shuō)。

　　何可耕所在的振華將承擔(dān)建造港珠澳大橋最重要的設(shè)備，兩艘“沉管安裝船”。為此，工程師們來(lái)到韓國(guó)。韓國(guó)釜山跨海大橋已經(jīng)建成，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(méi)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(lái)了。大宇集團(tuán)在釜山隧道尚沒(méi)有完工時(shí)曾表示，“有信心攜此技術(shù)，開辟跨出國(guó)門的沉管隧道工程”。而何可耕則說(shuō)：“從一開始就沒(méi)打算用他們的技術(shù)”。

　　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。安裝船上放置了一個(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，并建議中國(guó)工程師應(yīng)該想別的辦法。只剩一條路：在方法和技術(shù)上創(chuàng)新，超越EPS。

　　何可耕是創(chuàng)新者之一，他介紹了兩種技術(shù)路線的比較。荷蘭的EPS由一個(gè)門型框架、兩套液壓油缸將沉管外部定位系統(tǒng)放到海床上，一套800噸垂直千斤頂頂起沉管，一套200噸水平千斤頂負(fù)責(zé)左右擺動(dòng)，以調(diào)整沉管的位置。而我們借用了微寸動(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。在水下施工，管節(jié)在水中一動(dòng)就停不下來(lái)，要保證對(duì)接精度，關(guān)鍵是“讓管節(jié)慢下來(lái)”。

　　值得一提的是，當(dāng)初為確保施工萬(wàn)無(wú)一失，選擇了兩套備選方案：其一是在沉管安裝船上放置一臺(tái)縱向調(diào)節(jié)絞車，可在縱向水流流速過(guò)大時(shí)拖動(dòng)沉管;其二是在沉管里安裝一套糾偏裝置，以調(diào)整對(duì)接精度。但這兩套備案至今沒(méi)有使用過(guò)。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”。

　　形象地比喻，EPS是個(gè)不斷糾錯(cuò)的工作原理，振華選擇的是一次到位的技術(shù)。而一次到位精準(zhǔn)“寸動(dòng)”的創(chuàng)意，正是來(lái)自何可耕岸橋工程的經(jīng)驗(yàn)。“每當(dāng)臺(tái)風(fēng)來(lái)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(lái)。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。我們就把這臺(tái)原理移植到沉管安裝船了。”何可耕介紹說(shuō)。

　　“三個(gè)寶貝”吸引業(yè)內(nèi)的密切關(guān)注

　　在港珠澳大橋島隧工地幾乎人人皆知，林鳴有三個(gè)寶貝，它們是兩艘沉管安裝船“津安2”和“津安3”號(hào)，另一個(gè)是“津平1”號(hào)——高精度深水自升式整平平臺(tái)，工程師們更愿意稱它為碎石整平船。如果說(shuō)“津安2”和“津安3”是對(duì)振華創(chuàng)新能力的檢驗(yàn)，“津平1號(hào)”則是對(duì)振華海工設(shè)備制造工藝水準(zhǔn)的測(cè)試。

　　33節(jié)沉管要被放置在事前挖好深水基槽的碎石基床上。先由抓斗式挖泥船巨大的抓斗，在水下挖出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。5664米沉管基床需鋪設(shè)約56萬(wàn)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，E13基床的精度甚至達(dá)到了2毫米。

　　港珠澳大橋島隧工程E1碎石基床，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。可以設(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。

　　此前，總承包商中國(guó)交建[-7.97% 資金 研報(bào)]曾經(jīng)考慮引進(jìn)專業(yè)設(shè)備提高鋪設(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(guò);另外一艘在韓國(guó)，用于釜山海底隧道。但是這兩艘船都不符合港珠澳建設(shè)海底隧道建設(shè)的要求，工作水深分別是25米、40米。而港珠澳最深水深為48.5米。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。振華接受了建船的任務(wù)。

　　首先是工程對(duì)鋪設(shè)碎石的精度要求。“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，我們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。”振華重工海上設(shè)計(jì)研究院項(xiàng)目經(jīng)理尹剛說(shuō)。

　　“津平1號(hào)”碎石整平船于2012年3月16日下水，他見(jiàn)證了E1與E2的對(duì)接。站在船舶并不算寬敞的平臺(tái)上，一艘運(yùn)送碎石的泥駁泊在旁邊，在俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)定位下，通過(guò)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(shuō)：“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著其上的聲納，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。其出色的表現(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(shuō)只有1厘米的誤差。尹剛說(shuō)，“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(shuō)明振華制造的精度非常高”。

　　被命名為“津安2”和“津安3”的兩艘沉管安裝船，以及“津平1”碎石整平船，在服役的過(guò)程中已經(jīng)受到業(yè)內(nèi)的密切關(guān)注。中國(guó)已經(jīng)完成港珠澳大橋沉管隧道一半的工程，而籌建中的費(fèi)馬恩海峽丹麥-德國(guó)沉管隧道也進(jìn)入了最后的采購(gòu)階段，該大橋總長(zhǎng)是港珠澳大橋的三倍，其中包括79節(jié)標(biāo)準(zhǔn)沉管，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)沉管長(zhǎng)217米，寬42米，高9米，重達(dá)73500噸。

　　丹麥國(guó)企Fermern A/S負(fù)責(zé)這項(xiàng)造價(jià)高達(dá)76億美元的工程。公司技術(shù)總監(jiān)Steen Lykke表示：這一流程旨在確保(中國(guó)承包商)了解我們的要求，而且我們也了解他們的提議，他補(bǔ)充說(shuō)明是否能夠競(jìng)標(biāo)成功，取決于承包商的設(shè)計(jì)是否能在各種限制下發(fā)揮創(chuàng)造性。

　　何可耕剛剛訪問(wèn)了德國(guó)、丹麥兩個(gè)總承包商(兩個(gè)隧道的承包商會(huì)從相隔18公里的海岸兩端動(dòng)工)，五個(gè)標(biāo)段中的三個(gè)標(biāo)段對(duì)振華的沉管安裝船以及碎石整平船表達(dá)了合作意向。

　　在港珠澳大橋的建設(shè)工地，到處有振華的身影，起重浮吊船、碎石整平船、沉管安裝船、大鋼圓筒、節(jié)管制作模板……年幼的中國(guó)海洋工程裝備制造業(yè)，以全力托起世紀(jì)工程的建造。