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點半到下午4點，體重達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)計標準和安裝條件，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、隧道埋深最大、單個沉管體量最大、使用壽命最長、隧道車道最多等多個世界級難題的5.6公里海底隧道施工過程中，從120個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接，再到6000噸級最終接頭的海上吊裝，中國大橋建設(shè)者用自主研發(fā)的裝備托起了世紀工程的建造。
津平1號輪
水下40多米鋪設(shè)5664米“石褥子”
平整度實現(xiàn)2毫米
“做房子，要打墻基樁基，安裝沉管更不例外。”中國交建集團總工程師、港珠澳大橋島隧項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，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，地動山搖。”港珠澳大橋設(shè)計師劉曉東說，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，對基床碎石平整度提出了更高的要求。
此前，總承包商中國交建曾經(jīng)考慮引進專業(yè)設(shè)備提高碎石的鋪設(shè)效率。經(jīng)考察發(fā)現(xiàn)，國外只有兩艘能擔當此任的施工船，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，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)計時，首先考慮到工程對鋪設(shè)碎石的精度要求”，振華重工海上設(shè)計研究院項目經(jīng)理尹剛說，韓國的船采用飄浮作業(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抬升系統(tǒng)的工藝，用四個樁柱把工作平臺抬出水面強化穩(wěn)定性，保證了整平的精度要求。
“津平1號”碎石整平船于2012年3月16日下水試驗，在俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)定位下，通過一根幾十米長鋼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管深入水下將碎石噴射而出，達到96%的拋石精度：即在碎石基床上，隨機選取100個檢測點，96個點的平整精度達到要求，基層精度控制在正負4公分之內(nèi)。
尹剛說：“這個是沉管安裝成功的一個先決條件，一旦碎石基床某處出現(xiàn)不平整，將直接影響整個隧道的質(zhì)量，只有高精度的基床才有高精度的沉管對接”。
實現(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，拋石管就會多停一會，多倒些石料。試驗中的出色表現(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”以十天鋪一個沉管基床的節(jié)奏，每天完成一個船位的作業(yè)移動，移動頻率遠遠高于石油平臺，這就對抬升系統(tǒng)的動力與材料提出要求。
為了加快抬升的速度，他們研制了電動抬升系統(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;為了制造具有高強度及優(yōu)良低溫沖擊韌性的四根齒條，振華挑戰(zhàn)精細加工的極限：四根90米長的齒條鋼，實現(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，“當整個樁腿焊接、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、國內(nèi)第一外海施工的深水碎石整平船抵達港珠澳大橋島隧工程施工現(xiàn)場。
據(jù)“津平1”號船長陳耀金介紹， “津平1”號船體總長81.8米，寬46米，深5.5米，樁腿長90米，拋石管長72.7米，為鋼質(zhì)、非自航、自升式工程用平臺，由中交一航局投資，上海振華重工建造，總造價2.06億元人民幣。
該船匯集了國內(nèi)前沿造船工藝，采用了島隧工程項目總經(jīng)理部以自主研發(fā)為主與借鑒國外工藝為輔相結(jié)合的先進的拋石施工管理系統(tǒng)，設(shè)計用途為島隧工程中隧道沉管的碎石墊層鋪設(shè)作業(yè)，負責鋪設(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，在不移動船身的情況下碎石鋪設(shè)整平作業(yè)范圍可達48米×25米(管中心)，具有在異地淺水區(qū)以升降形式避風、抗風臺自存的能力。
剛開始，由振華重工自主研發(fā)的“津平1”，其任務(wù)就是負責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，創(chuàng)造了最高精度壟間高差2毫米的世界紀錄，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，面對基槽強回淤難題挑戰(zhàn)，“津平1”施工團隊臨時受命，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沉管因臺風遭遇大面積基床回淤后，28個有效工時內(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海底隧道沉管安裝的保駕護航使命。
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，林鳴有三個寶貝，除了自主研發(fā)的高精度深水自升式整平清淤平臺“津平1”號外，還有自主研發(fā)的兩艘沉管安裝船“津安2”和“津安3”號，大家戲稱為“姊妹船”，至今已經(jīng)完成了33節(jié)沉管的精準對接，其中E30沉管的對接精準度為1毫米。
然而，這兩艘“姊妹船”誕生于林鳴此前的一個想法：建設(shè)港珠澳大橋工程，一定要使用中國自主研發(fā)的海工裝備，這將是提升中國海工制造的機會。
沉管安裝船的工作是把沉管運到施工海域并進行沉放安裝，是沉管浮運和海底對接的指揮和操控中樞，直接對水下無人對接系統(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，“當林總決定港珠澳大橋使用中國海工裝備時，我們甚至都沒有見過他讓我們做的設(shè)備長什么樣!”振華重工海上重工設(shè)計研究院生產(chǎn)設(shè)計所副所長何可耕說。
何可耕所在的振華將承擔建造兩艘“沉管安裝船”。為此，工程師們來到韓國考察，此時在韓國釜山跨海大橋建設(shè)中，曾經(jīng)鋪設(shè)18個沉管構(gòu)件的“功臣”已經(jīng)退休。中國工程師們沒有被允許登上這艘船，只是圍著船遠遠地繞了一圈就回來了。“其實，我們根本沒打算使用他們的技術(shù)。”事后何可耕說。
安裝船上一個至關(guān)重要的設(shè)備——沉管調(diào)整裝置(Equipment Position System，EPS)，這項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：購買該公司的專利，或者自己創(chuàng)新。前者要付專利費，但因之前未能合作，對方直言不轉(zhuǎn)讓專利;而對這套設(shè)備非常了解的日本專家花田坦言：EPS并不好用，它是一個不斷糾錯的系統(tǒng)，并建議中國工程師想別的辦法。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)在水中一動就停不下來，要保證沉管對接精準度，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(Micro inching)原理，在船上配置了8臺大型絞車收放鋼繩，輔以寸動鈕及數(shù)位計時器，根據(jù)管節(jié)上安裝的GPS系統(tǒng)反饋管節(jié)與基準線的偏差，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)最小移動速度可以達到每秒鐘不到1厘米。
而一次到位精準“寸動”的創(chuàng)意，正是來自何可耕岸橋工程的經(jīng)驗。“每當臺風來臨時，港口的岸橋起重機要移到固定的位置，使用插銷讓起重機和地面合為一體。每次對接銷子孔時，按下一次按鈕它自己就走5公分，然后就自動落下來。為了完成這個動作，要有測量系統(tǒng)，控制馬達的轉(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)沉管精準對接的事實證明，對于沉管安裝船的精準度，花田認為，“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)沉管的安裝對接后，隨著沉管安裝區(qū)域逐漸進入深海，中國航空工業(yè)集團第304研究所根據(jù)林鳴的想法，利用他們自主創(chuàng)新和動態(tài)測試的技術(shù)優(yōu)勢，僅用3個月的時間，完成了“運動姿態(tài)跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)”的測試和安裝，從E11沉管安裝開始，助力兩艘安裝船，準確監(jiān)測到深水沉放中的沉管姿態(tài)，實現(xiàn)了E11——E33節(jié)沉管的精準對接，其中E29沉管安裝對接的精準度達到1毫米的標準，再次刷新自己創(chuàng)造的世界記錄。
大國重器“振華30”
1.2萬噸起重船能同時吊起45架空客
“振華30”因被譽為“大國重器”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，振華公司對一艘服役中的30萬噸游輪進行了改造，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)以及直升機降落區(qū)，其中主甲板面積約有2.5個足球場大小;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，其標準堪稱“五星級酒店”。
而甲板上的吊臂高達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，能夠同時吊起45架空客A380飛機，被稱為世界上最大的起重船。
據(jù)“振華30”船長湯洪流介紹，“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的穩(wěn)定性，該船共用14套螺旋槳的DP2動態(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，也可以無需錨纜長時間保持精確定位，保障航行中的安全。
DP2定位系統(tǒng)主要是依靠船底的14套螺旋槳推進器，通過調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)，螺旋槳從各個不同角度發(fā)力，與海水的力達到平衡，形成相對靜止的狀態(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，被譽為大國重器的“振華30”神威初現(xiàn)，穩(wěn)穩(wěn)地將重達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)定度和精準度都達到了預(yù)期標準。
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