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大國重器海底造“長龍”

發布時間:2023-07-04 10:24:00來源: 科技日報

  大國重器海底造“長龍”

  ——世界首艘沉管運輸安裝一體船研發投用紀實

  編者按

  制造業是立國之本、強國之基,是我國實體經濟的主體和創新驅動的主戰場。黨的二十大報告指出,加快建設制造強國,推動制造業高端化、智能化、綠色化發展。本報于今日起推出制造版,記錄新時代中國制造業的轉型與升級、攻堅與突破,書寫其背后的科技創新故事。

  6月11日8時,深圳和中山兩市在伶仃洋海底“牽手”。

  沉管運輸安裝一體船“一航津安1”號,猶如一只巨大的長方形鋼鐵夾子,將最后一節沉管和最終接頭,牢牢抱在船底。經船上安裝的智能系統控制,精準推出最終接頭,實現了最后一節沉管與東側E24管節的精準對接。

  自此,世界最長也是最寬的鋼殼混凝土沉管隧道——深中通道海底隧道正式合龍。

  “一航津安1”號主船體采用雙體船船型設計,集沉管浮運、定位、沉放和安裝等功能于一體,船長190.4米、船寬75米、型深14.7米。“它是世界上安裝能力最大、沉放精度最高、施工作業最高效、性能最先進的海底隧道沉管施工專用船舶。”中交一航局副總工程師李增軍說。

  為建設深中通道鋼殼混凝土沉管隧道,中交一航局研發團隊與建設方一起,從2013年啟動研發,到2016年取得根本突破,直至2017年完成可行性論證,又歷經3年研制,終于設計制造出“一航津安1”號。

  設計一體船解決施工難題

  深中通道是繼港珠澳大橋后又一世界級跨海集群工程。其沉管隧道長5035米,由32節雙向8車道鋼殼混凝土沉管相接而成,從建設立項開始,就面臨一個又一個世界難題。

  與港珠澳大橋相比,深中通道沉管隧道面臨鋼殼結構形式新、尺寸超寬、浮運距離超長等許多新難題,已有裝備無法滿足施工要求。

  為此,中交一航局組建起一支涵蓋設計、研究、裝備、施工等專家和工程師的專題研發團隊。

  “深中通道沉管尺寸超寬,我們首先提出,將原本用于港珠澳大橋沉管建設的兩艘安裝船合并加寬,匹配深中通道沉管的寬度。”李增軍說。

  然而,由于兩船無法自航,合并加寬后的船體,需在左右兩側加拖輪進行拖帶。“而已有航道寬度無法滿足安裝船和拖輪編隊的航行需求。”李增軍說。

  此后,研發團隊又提出新造自航式半潛船方案,拖帶沉管并完成安裝,但這一方案造船周期太長……

  合并船體航道不夠,新造自航式船又周期太長,研發陷入困境。

  2016年,在一次專家討論會上,研發團隊有人提議:干脆給船帶上“腿”(即讓船自帶動力),把兩個安裝船連成一體。“當時,這個提議讓大家眼前一亮,覺得是一個很好的思路,我們細化研究后覺得方案可行。”中交一航局總技術顧問李一勇回憶說。

  3個月后,研發團隊發布了一體船建設方案。

  李一勇向記者描述了一體船的四個“一體”。

  船體結構一體,原來用兩條船,現在變成一條船;集沉管浮運和沉放安裝于一體;動力一體,以前沉管施工,需用八九個拖輪拖著船走,現在把拖輪的動力合為一體,更便于操作也更節能環保;船舶和沉管一體,船、管通過剛性連接,組合為一個整體,就像一條大鯨魚肚中懷著一條小鯨魚在水中游動。

  “從2013年啟動研發以來,4年間,我們幾乎把所有可能采取的方案進行了‘摸排’,終于迎來了‘柳暗花明’。”李一勇說。

  一體船完成浮運安裝首秀

  從2017年初開始,研發團隊聯合上海交大等科研機構,就一體船動力、航行及沉管沉放等關鍵課題進行了反反復復的研究論證,于2018年7月正式進入建造階段。

  一體船配有2套9280千瓦主推進系統和8臺大功率側推,可滿足帶著標準沉管在靜水、深水中浮運,航速達5節(注:1節為時速1.852公里)的要求。

  2019年6月1日,一體船順利出塢,標志著世界上安裝能力最大、沉放精度最高、施工作業最高效、性能最先進的海底隧道沉管施工專用船舶取得重大階段性成果。該一體船也被正式命名為“一航津安1”號。

  在完成多項準備及試驗后,2020年6月16日,“一航津安1”號首次建設海底沉管的重要時刻開啟。

  當天,2萬噸的“一航津安1”號“抱著”8萬噸重的沉管,在伶仃洋上徐徐啟航,它將在海上航行近50公里,經歷7次航道轉換,到達深中通道安裝海域。

  中交一航局深中通道項目部常務副總工程師寧進進回憶說,在經過最后一個轉向區時,不明原因的橫流陡增,“一航津安1”號與航線的傾斜角度持續擴大,極易跨出航道擱淺。當時,寧進進沉著開啟了無人駕駛模式。

  按照設定航線,“一航津安1”號穩定航行。當天下午6時,“一航津安1”號順利把首節沉管帶到深中通道西人工島附近240米處。

  “一航津安1”號開啟全自動穩船功能,牢牢懸停在沉管基床正上方;隨著沉管一點點下放,測量塔實時計算沉管三維動態……“100厘米、90厘米……”在拉合系統作用下,E1管節一點點向對接端靠近。

  歷經34小時的奮戰,沉管順利實現與西人工島暗埋段對接,“一航津安1”號完成浮運安裝首秀。

  “這條船同時具備自動定位、抵抗橫流、自動循跡、原地旋轉等功能。”李一勇說。

  相比傳統管節浮運安裝方式,采用一體船進行沉管施工,可減少浮運航道疏浚量1500萬立方米,節省造價數億元。

  8萬噸重沉管實現毫米級對接

  在30余米深的海底,讓8萬噸重的沉管實現毫米級對接,難度堪比載人飛船和“天宮”空間站對接。

  測量是工程的眼睛,是沉管高精度安裝的基礎。

  首節沉管安裝前,“一航津安1”號自動循跡系統曾出現GPS衛星信號突然丟失的情況。

  沒有衛星信號,在茫茫外海,一體船就像失去了眼睛。

  “這更加堅定了團隊啟用北斗定位系統的決心。”李一勇說。

  建設者在“一航津安1”號9層樓高的測量塔上,裝置了北斗衛星天線,收集的信號通過接收器傳到監控電腦上,電腦里同步加裝了根據沉管浮運安裝工序自主研發的測控系統。

  2020年8月27日,深中通道首個深水區管節E3抵達沉放水域。就在沉管對接的關鍵時刻,項目團隊分別用北斗系統和GPS系統采集數據,兩者竟存在較大出入。

  時間一分一秒過去,潮水漸漸達到沉管安裝最佳高度,安裝窗口期轉瞬即逝。到底采用哪一個數據?“經過多種方法進行核算,結果顯示北斗數據更優。”中交一航局深中通道項目部測管中心主任成益品回憶說,采用北斗數據后,E3管節與E2沉管完成精準對接。測量塔數據及潛水員測量數據均顯示,安裝精度滿足設計要求。

  從此,北斗系統成功被引入跨海沉管隧道施工領域。

  實踐證明,“一航津安1”號將沉管隧道施工提升到機械化、智能化施工的新高度。

  “一體船從概念提出到成為現實,依靠的是我們70多年水工建設的歷史積淀,凝聚了各協作單位及研發團隊的集體智慧,更是我國整體工業水平飛躍的見證。”李一勇感慨地說。 (記者 矯陽)

(責編:李雅妮)

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