中国交建“筑梦”世界第一大港

张涛
世界第一大集装箱港在哪里?中国,上海。从2010年度开始,上海港连续七年排名世界第一。上海港洋山港区是上海港的核心组成部分,2017年12月10日,全球最大自动化码头洋山港四期开港,上海港年吞吐量将突破4000万标准箱,等于美国所有港口吞吐量之和,体量达到目前全球港口年吞吐量的十分之一。
作为世界最大的港口设计建设公司、世界最大的疏浚公司以及世界最大的集装箱起重机制造企业,中国交建一直是上海洋山深水港建设的主要力量,提供了洋山港码头勘察设计、吹填造地、航道疏浚、码头及配套设施施工、港机设备制造和安装的全产业链服务。中国交建经历了洋山深水港建设的所有难点,攻克了一系列技术难关,以世界第一大港为“舞台”,中国交建谱写了一曲高亢的“筑夢华章”。
1 决策论证中的一波三折
上世纪90年代初,随着经济全球化的发展,国际贸易量迅速增长,集装箱运输作为新兴运输方式也在突飞猛进发展。新加坡、香港港集装箱年吞吐量均突破千万标箱。而由于受长江口水深的影响,当时上海港集装箱吞吐量尚不足百万标箱,在全世界主要港口中集装箱吞吐量排在20位之后。深水资源成为制约上海港发展的瓶颈,也严重制约了上海及长三角地区经济和贸易的发展。
东方风来满眼春。1992年,党的十四大作出了“以上海浦东开发开放为龙头,进一步开放长江沿岸城市,加快把上海建成国际经济、金融、贸易中心之一,带动长江三角洲和整个长江流域地区经济的新飞跃”的重大战略决策,建设深水港成为实现上海国际航运中心战略目标的关键。作为港口建设的主力军,中国交建为洋山港建设的国家决策提供了充分的科研和技术依据。
1995年初,中交第三航务工程勘察设计院有限公司(以下简称中交三航院)组建强大的设计团队,在上海市领导和有关部门的关心支持下,正式开始对深水港的选址、规划与设计,这是上海深水港的首支技术团队。
1995年9月26日,中交三航院提出“洋山港区初步规划设想方案”设计报告,成为上海深水港的首份技术报告。同年冬天,中交三航院勘察技术人员在洋山架设第一个测站,开始为深水港的选址进行地形测量,这是首批洋山港建设者登上洋山。由于中交三航院技术人员在之前为上海宝山钢铁厂建设位于浙江嵊泗的马迹山矿石中转港的过程中,数十次从上海芦潮港乘船去马迹山现场而途经停靠大洋山岛客运码头,对大、小洋山之间海域水深条件和良好的风浪掩护条件有了深刻的认识。据此,中交三航院在深水港选址工作一开始,就将关注重点放在了大、小洋山区域。中交三航院编制完成了《洋山港初步规划》设计文件,该文件的主要结论有两个:建设上海国际航运中心首先需要建设具有15米以上水深的深水港区,这是实现浦东开发开放的有力措施;大、小洋山是距上海最近的具有建设15米以上深水港区和航道条件的合适港址,可通过建设跨海大桥实现同上海连通。
在大、小洋山等数十个岛礁群海域建港,是基于其良好的天然水深条件。如果建成,将标志着中国港口建设走向深海。但该海域是一个强潮流、高含沙的海域,在港口建设改变了原有海、陆域边界的条件下,能否确保水域的泥沙回淤强度控制在较低水平?深水条件能否得到维持?这个问题成为洋山深水港建设的重大挑战。
有专家回忆说,上世纪90年代,他第一次前往洋山港水域的情况,船一过掀起来的水和沙混在一起。他当时想,这里怎么能建港呢,这不是天方夜谭吗?洋山港能不能立项取决于能不能整治泥沙。这里过去是岛链,建设码头必须要把岛链连起来。但是一旦连起来,水流就会发生变化,海床就会跟着发生巨变,可能是颠覆性的变化,港区可能会被完全淤死。当时有关泥沙的争论特别激烈,洋山港建设与否,要根据泥沙来决策,如果淤积,那就不行,如果不淤积,就可以上马。
中国交建联同国内相关科研单位做了大量工作,基于平衡沙理论,运用复合模型试验技术,合理布置港区平面形态,成功解决了高含沙海域建港的淤积问题。从后来洋山深水港区的运营数据来看,港池、航道的实际淤积强度均低于设计预期,大大节约了疏浚的费用,提高了港区的作业条件。“能实现这一点,也是基于认识把握和利用岛群建港泥沙运动规律。”一位专家这样认为。
此外,港口可作业天数也是一个问题。当时有观点提出,在洋山海域这种外海强潮流、高含沙岛礁环境下,洋山港的年可作业天数将会很低,甚至不会超过200天,工程建设不具备可行性。面对这种质疑,中交三航院设计团队在对大量、长期的观测数据进行统计、分析的基础上,结合科学试验,对港口的可作业天数进行了科学论证,提出了洋山深水港区年可作业天数不低于325天的结论。事实证明,洋山深水港区投产近12年来,年可作业天数达到360天左右,这对当初的研究成果进行了完美的验证。
2006年,中国交建牵头国内20余家科研院所启动我国建国以来最大的水运工程科技项目“离岸深水港建设关键技术研究”。项目从我国国情出发,针对我国离岸深水港建设的特殊自然条件,从海洋动力环境与深水港规划布置、海工建筑物耐久性与寿命预测、波浪作用下软土地基强度弱化规律与新型港工结构设计方法和深水大浪条件下外海施工技术与装备等四个重点研究方向,对离岸深水港建设的关键技术问题组织科技攻关。
这个项目下设11个一级子课题、57个二级子课题,内容广泛、技术难度大、创新性强。研究成果为确定洋山港总体布局方案,解决工程泥沙等关键技术问题提供了有力支撑,提出了岛群港口选址及建筑物布置的基本原则。全面分析了洋山港海床性质、水流动力条件和泥沙环境;首次提出相关概念和公式,为洋山港等港口海床演变分析和港池泥沙淤积预测提供了新的思路和方法。对洋山工程海区台风暴潮骤淤进行了研究,并在岛群海域泥沙淤积预报中取得了成功。系统地研究了岛群波浪的特点及模拟方法,解析了岛群间波浪的方向分布、频率分布特征。研究成果也为深水大浪条件下外海施工提供了支撑,为我国港口工程向离岸、大型、深水建设方向发展奠定基础,形成了我国离岸深水港建设的成套技术,标志着我国筑港技术已处于世界领先水平。
2 设计到施工攻破重重难关
大小洋山,远离陆地逾30公里,风大浪高,水流湍急。从蓝图到现实,从规划到落地,在洋山深水港建设过程中,始终活跃着中国交建队伍的身影。
国际港口协会会长、鹿特丹港港务原局长皮特·斯特鲁伊斯前后3次来到洋山港,他感叹:我走过世界上所有的大港,也见过一些建在海岛的港口,但像依托洋山这样的孤岛,在离大陆如此远的地方,建规模如此大的现代化港口,殊为罕见。
以中交三航院为主的洋山港设计单位确定了洋山海域港区“封堵汊道、归顺水流、减少淤积、航行安全”的平面形态布局原则,形成了“单通道规划方案”。根据整体方案,中交三航院对洋山港一至四期工程进行了总体设计。一期工程岸线长度1600米,建设有5个7~10万吨级集装箱泊位,年设计吞吐量为220万标准集装箱;二期工程岸线长度1400米,共建设4个7~10万吨级集装箱泊位,年设计吞吐量为210万标准集装箱。三期工程是整个洋山深水港区天然水深条件最好,陆域纵深最大的港区。三期工程岸线长度2600米,建设有7個7~15万吨级集装箱泊位,年设计吞吐量为500万标准集装箱。四期工程及后续工程规划建设7个5~7万吨级集装箱泊位,码头结构按靠泊15万吨级集装箱船设计。
洋山一期工程于2002年开工建设,2005年12月建成投产;二期工程于2005年开工建设,2006年底建成投产;三期工程于2006年开工建设,2007年12月和2008年12月分期建成投产。四期工程2017年12月10日开港。另外,设计了危险品港区沈家湾作业区,规划岸线长3550米,包括上海LNG接收站项目和油品码头。小洋山北侧综合开发地块规划功能包括国际加工及物流中转、港口综合服务、生活配套等,总面积约1280公顷。
洋山深水港区是世界上惟一建在外海岛屿上的离岸式集装箱码头,从深海里“造”出800万平方米(相当于1000多个标准足球场大小)、海拔11米的新大陆,已是史无前例的工程。在设计中,中交三航院实施科技创新,首次采用斜顶桩板桩承台新结构,解决了深厚软土地基上回填25米以上砂土对码头结构的影响以及陆域施工与码头施工同时进行的难题。首次在外海采用深水袋装砂堤结构,提高了施工速度,丰富了深海造堤技术。首次在外海深水区采用大直径砂桩进行地基加固。大直径砂桩的采用,有效地解决了海岛周围淤泥土的加固问题。
洋山港建设单位主要是中交第三航务工程局有限公司(简称中交三航局)、中交上海航道局有限公司(简称中交上航局)、上海港务工程公司(后由中国建筑和上海港合资)。针对洋山港的建设,业主提出“一个中心,三个基本点”。即以中交三航院设计为中心,以中交三航局、中交上航局和中建港务为基本点,中国交建是洋山港建设的主要力量。其中,中交三航院承担了洋山港区一至四期工程规划和总体设计,负责全部的码头、堆场设计;中交三航局承担了码头建设的核心工程,码头岸线按照合同额占比为56%;中交上航局承担了全部航道设计、航道建设和吹填造地工程,累计吹填面积达800万平方米。
要在最深达39米的海底打桩,不仅在我国建港史上未曾经历,也是世界级难题,面对淤泥层、岩礁层、抛石层相间分布,洋山施工也被业内称为“桩基博览会”,中交三航局建设团队一一攻克了这些难题。从一期到三期,在水下基础处理和桩基施工中,创新应用了砂桩、斜顶高密度板桩墙、人造基床嵌岩桩、锚岩桩、冲孔吊打桩、斜嵌岩桩等多种沉桩工艺。水工码头的水下地基加固全部采用了直径1米的大直径砂桩。三期进港道路高架桥箱梁施工,采用了少支架箱梁工艺,这一技术成功规避了满堂支架及架桥机等工艺在安全和成本方面的风险,满足了大跨度、大厚度、沉降时间短、在软土地基上箱梁施工的各项要求。针对四期海底地形复杂,部分地方的岩石表面覆盖的泥沙层太薄,打入泥沙层的钢桩就像把筷子插在稀饭里一样无法稳定,中交三航局在穿打抛石层时采用“空挡法”沉桩,以高频率轻锤击的方式沉桩,最终将全部210根嵌岩桩完美嵌在东海海底,成为洋山大港的“定海神针”!
此外,由于洋山海域海水盐度高,工程结构抗氯离子腐蚀事关百年大计。中交三航局凭借自行研制的有机硅喷涂材料及新技术,承担了洋山港所有水工结构的砼防腐任务。中交三航局的独立核心技术“早期推定砼抗氧化物侵蚀能力研究”即“高性能砼”在洋山港建设中得到广泛应用,并在东海大桥、杭州湾大桥等工程中推而广之,为这些工程打造了“百年筋骨”。
自2002年以来,中交上航局投入多艘疏浚船舶,承担了洋山港全部航道疏浚和吹填造地工程。完成陆域吹填工程量9000万立方米,港池、航道开挖工程量约3100万立方米,总疏浚方量相当于可将北京故宫整体抬升275米。以洋山港一期北围堤施工为例,中交上航局在国内首次提出在20米以上深水进行软体排铺设施工方案,在堤身结构施工中提出“平行抬高”工艺,整个施工过程相当于在海水中建造了10层高的大楼。
洋山深水港区连接大陆的东海大桥是我国第一座真正意义上的跨海大桥,这座全长32.5公里的大桥是我国桥梁从江河走向海洋的历史性第一步,中交三航院是三家主要的设计单位之一,中交三航局、中交一航局是大桥主要施工单位。在缺少大陆依托的海域中进行工程建设,台风、季风、波浪和涌浪数量多强度大,建设过程中需要打下各类基桩9000多根,在海浪颠簸中,中国交建的施工队伍顽强奋战,2005年底与洋山一期工程同步建成。
3 以创新技术打造专业精品
在洋山深水港的建设过程中,中国交建“离岸深水港建设关键技术研究”获得国家科技进步一等奖,“洋山深水港外海深水岛礁筑港关键技术”获国家科技进步二等奖。此外,中国交建还承担了东海大桥、洋山LNG接收站码头、洋山石油储运项目的设计建设。上海洋山港工程先后获国家优质工程奖、中国土木工程“詹天佑奖”、中国建设工程“鲁班奖”。中国交建以专业的精神,打造了一系列精品。
中国交建所属上海振华重工是全球最大的港口机械设备制造商,也是全球智能化码头的领先企业。振华重工为洋山港一至三期提供全部港机设备,共计65台集装箱岸桥和190台轮胎吊。洋山四期全自动化码头是全球最大的单体全自动化码头,也是全球综合自动化程度最高的码头。在洋山港四期工程中,振华重工承担了全自动化码头的设计研发制造和安装调试任务,提供了全部16台岸桥、88台轨道吊、80台自动化引导小车(AGV)、4台轮胎吊,以及ECS软件系统(设备控制系统),洋山港四期成为国内唯一一个“中国芯”的自动化码头。
在洋山港四期,集装箱的码头装卸、水平运输、堆场装卸环节均实现了全过程智能化、无人化的操作。包括必须由人工完成的箱体外部锁销,振华重工应用了首次研发的扭锁自动拆装产品,成功实现机器人拆装。首次投放市场的双箱自动化轨道吊,也是振华重工自主研发的产品。在海一侧的岸桥全部是自动化远程操控;在陆一侧使用的轨道吊也实现了自动化着箱,能尽快释放岸线空间,提高码头的使用率,按照设计能够提升50%的工作效率。自动化引导小车(AGV)是自动化码头的水平运输工具,也是码头投放数量较多的设备。为了确保地面运输连续性作业,振华重工亚洲首创自动化引导小车全换电技术,实现24小时无间断作业,中国也成为继续欧洲、美国之后第三个掌握该技术的国家。
全自动化码头最为引人自豪的,是其调度管理的“中国芯”。设备调度管理系统(ECS)是振华重工自主研发的环保、高效、经济的码头自动化装卸系统,相当于自动化码头的“神经网络”。她能智能化地指挥设备安全、自动、高效地把集装箱搬运到任务目的位置,减少了人力成本,大大提高了作业效率。目前的实船作业已经达到26箱/小时,在不远的将来会达到40箱/小时,远超人工码头的作业效率。
后记:为中国港口建设能力喝彩
上海洋山港作为中国港口建设的旗舰工程,从一期到四期建设的背后,是中国港口建设体系的强力支撑。如新华社报道所说“我国有了在全球任何地方建设港口的能力。”
中国交建集成了我国港口建设的全部技术和能力,代表着国家港口建设的综合实力,拥有世界领先的核心竞争力。中国交建承建了我国几乎所有沿海等级以上码头的设计、建设,提供了优质高效的装卸设备。在世界范围内,中国交建建设了100多个深水码头,遍及东南亚、南亚、中东、非洲、南美洲,包括缅甸皎漂港、巴基斯坦瓜达尔港和卡西姆港、斯里兰卡汉班托塔港、以色列阿什杜德港、科特迪瓦阿比让港、苏丹苏丹港、喀麦隆克里比港等;中国交建为全世界提供了80%以上的港口集装箱起重设备,遍及98个国家和地区。
“中国交建”已经成为靓丽的“中国名片”。