跨海集群工程运营安全与节能的创新突破

文/北京交科公路勘察设计研究院有限公司 港珠澳大桥管理局 招商局重庆交通科研设计院有限公司 国家消防工程研究中心 中国科学院广州能源研究所 交通运输部公路科学研究所

获奖等级：一等奖

项目名称：港珠澳大桥跨海集群工程运营安全与节能关键技术研究与应用

“港珠澳大桥跨海集群工程运营安全与节能关键技术研究与应用”项目是以北京交科公路勘察设计研究院有限公司作为总体牵头单位，联合科研、设计、建设、运维等多家机构，立足于建设期，重点面向运营期，以国家课题为先导，以成果应用转化为目标，聚焦港珠澳大桥运营安全与节能重大关键技术问题，开展联合攻关、协同创新和集成创新，最终形成港珠澳大桥暨跨海集群工程运营安全与节能核心技术成果和成套技术标准，并成功应用于港珠澳大桥的设计、施工、管理、维护等各阶段，为其安全、高效、绿色运营提供了重要的技术保障。

开展8年联合攻关

港珠澳大桥是粤港澳三地首次合作建设的超大型跨海集群交通基础设施，一桥连接两个特别行政区、三个关税区、三种法律制度。不但建设技术难度大，在运营期港珠澳大桥同样面临巨大挑战，主要体现在如何保证运营期的“畅通、安全、绿色”等。

首先，港珠澳大桥工程涉及到不同的政治、法律、社会制度和文化背景，作为首次由粤港澳三地合作共建、共管的工程项目，如何保证跨境通道在不同法律及文化背景下的畅通，交通组织与管理平稳、高效、有序地运行，是运营期的迫切需要。

←港珠澳大桥跨海集群工程运营安全与节能关键技术研究与应用总体技术路线图

其次，港珠澳大桥海底隧道是世界上最长的公路沉管隧道，也是国内首例特长沉管隧道。隧道通风排烟及联动救援是安全保障的关键，主要体现在三方面：国内并没有沉管隧道通风排烟的相关技术及工程案例，需要创新隧道防排烟体系；隧道机电系统构成复杂，涉及到14个系统，上万台机电设备，火灾工况下需要设备协同运行，才能达到防灾减灾的目的；国内外公路隧道尚处于人工控制的阶段，救援效率低，且存在误操作的风险。

此外，港珠澳大桥属于超大型跨海集群工程，建设期及运营期能耗巨大，如果想达到绿色建造及节碳减排的效果，将面临巨大挑战。其中，隧道的通风及照明节能是运营期节能的关键，但目前国内外缺乏跨海集群工程节能减排的技术体系及沉管隧道节能关键技术，如何降低建设、运营过程中的能源消耗和污染物排放，并实现节能减排的目标是关键。

面对挑战，项目团队以国家科技支持计划《港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究与示范》课题五中“跨境通道营运管理的关键技术”“跨境隧-岛-桥集群工程节能减排关键技术”“港珠澳大桥海底隧道工程排烟试验”“港珠澳大桥主体工程海底隧道消防救援技术研究”等科研项目，以及依托港珠澳大桥主体工程交通设计项目开展了科技攻关。通过8年多的艰苦努力，最终形成了港珠澳大桥跨海集群工程运营安全与节能关键技术及应用的成套技术。

形成系列创新成果

该项目形成了港珠澳大桥运营期跨境交通管理组织体系与运作模式、沉管隧道防排烟及消防联动救援技术、跨海集群工程节能减排成套关键技术等创新成果，以及一系列标准体系。

← 港珠澳大桥收费站

跨境交通管理

该项目构建了一整套完整的粤港澳三地实施跨境交通控制与管理的组织体系和运作模式；首次提出了三地合作救援、联动控制和信息交换所遵循的工作机制和技术规程，制定了跨境救援预案和应急演练程序。提出的专责小组架构及联动救援预案被《港珠澳大桥三地口岸执法联络工作机制》《港珠澳大桥警务、应急救援及应用交通管理合作协议框架》等三地通行政策采纳。

沉管隧道通风排烟及联动救援

项目团队揭示了侧向集中排烟系统及主洞通风系统耦合作用下的烟雾扩散规律，制定了运营通风控制策略；首次形成了特长沉管隧道侧向集中排烟系统的技术标准及设计方法。提出的多孔侧向集中排烟技术，解决了深埋沉管隧道结构安全与通风排烟的矛盾，大大缩短了烟雾扩散距离。

←侧向集中排烟物理模型实验系统火灾试验

←隧道纵向温度分布云图

← 组图：隧道洞口区域CO浓度分布图及隧道纵向温度分布云图

← 港珠澳大桥通车后隧道内光环境

基于最小消防分段方法，项目团队还设计开发了特长海底沉管隧道消防救援系统，实现了各类消防设施和装备的状态实时感知、迅速响应、协调联动和精准施救。开发的联动救援系统将发现火灾到相关系统的干预时间，从4分钟缩短到1分钟，速度提高了4倍。

跨海集群工程节能减排技术

一方面，项目团队提出了工程能耗和排放的内源性和外源性概念，系统构建了基于能源消耗、温室气体和污染物排放的集群工程综合性节能减排指标体系和评价方法。另一方面，项目团队还开发了沉管隧道多目标智能通风控制系统、隧道自然光光纤照明系统和自然光结合人工光照明控制技术、人工岛太阳能海水源热泵冷热联供技术，创建了跨海集群工程可再生能源利用技术评价模型。开发的国内外首例隧道用高光能太阳光直接照明成套装备，将自然光利用效率从15%提升到50%。通风系统及照明系统节能达到30%。

标准体系

在跨海集群工程运营管理方面，首次形成了涵盖19个子系统的《港珠澳大桥设计指南》（交通工程篇），《港珠澳大桥营运维护手册》及《跨境隧-岛-桥集群工程节能减排技术指南》，为充实和发展跨海集群工程技术标准体系提供了实践支撑。《港珠澳大桥交通工程营运维护手册》规定了不同运营场景下机电设施的运营管理方案及设备运营维护的相关技术要求，让运营管理人员可以从容地运营管理港珠澳大桥跨海集群工程这一国内最为复杂的交通工程，为“管好、用好”港珠澳大桥提供了良好的技术保障。

广泛用于其他工程

目前，该项目制订的标准规范及形成的相关研究成果已用于指导国内其他跨海集群工程。

← 港珠澳大桥监控中心

←山竹台风应急响应

其中，跨境交通管理问题的解决体现了一种机制和体制的创新，有效解决了三地法律法规的差异问题和技术标准的衔接问题，为粤港澳大湾区其他重大项目先行示范；项目成果不仅成功指导了港珠澳大桥的建设和运营，而且已在深中通道、拱北隧道、汕头海湾隧道等项目中应用和实践；三地救援联动及交通控制为粤港澳大湾区其他项目的建设及跨省域通道的运营提供了技术和实践支撑；形成的侧向集中排烟系统技术标准及设计方法，为深中通道等跨海集群工程的建设提供了技术支撑；基于最小消防分段方法设计开发的特长海底沉管隧道消防救援系统，为其他隧道消防救援系统的建立提供了借鉴；建立的跨海集群工程节能减排指标体系和核算办法为工程全寿命周期节能减排提供了全过程量化工具，为全面达成节能减排目标提供重要的技术支撑；沉管隧道通风、照明节能技术已应用于其他公路隧道，节能效果显著。

此外，该项目的研究成果和技术实践，还可以指导“一带一路”沿线国家和地区超级工程的设计、建设和运营，为建设“绿色发展、智慧引领、安全保障”的大型通道工程提供了重要的技术支撑和借鉴。

←组图：沉管隧道通风系统及其结构示意图

←组图：港珠澳大桥沉管隧道消防演练

表1 与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力比较一览表

项目联合攻关单位

北京交科公路勘察设计研究院有限公司

北京交科公路勘察设计研究院有限公司（以下简称“北京交科”）是交通运输部公路科学研究院的全资企业，其前身是1973年成立的交通部公路科学研究所标志信号及其设备研究室，经过多年发展，目前已成为国内知名的交通行业设计咨询服务机构。承担了港珠澳大桥、虎门二桥、深圳-中山跨江通道、黄茅海跨海通道、广深改扩建项目、北京-雄安新区高速路（河北段）等国家重点项目的设计。

北京交科注册资本5008万元，是科技部评定的国家火炬计划重点高新技术企业。2010年顺利通过“质量、环境和职业健康安全”三标一体化管理体系认证，拥有住房和城乡建设部颁发的工程勘察综合类甲级资质；住房和城乡建设部颁发的公路行业甲级、电子通信广电行业（电子系统工程）专业甲级、建筑行业（建筑工程）工程设计甲级资质；中国工程咨询协会颁发的工程咨询单位甲级资信；国土资源部颁发的地质灾害防治甲级资质；商务部批准颁发的对外承包工程资质；北京市规划和国土资源管理委员会颁发的市政行业（道路工程、桥梁工程）专业乙级和风景园林工程设计专项乙级资质。北京交科于2009年10月和2016年4月被列入承担国家发展改革委委托投资咨询评估任务的咨询机构名单和交通运输部建设项目委托技术咨询机构名单。

此外，北京交科还先后主持或参与编制公路工程标准80余部，代交通运输部、国家和地方各级发改委审查重点公路工程建设项目近百项，咨询项目150余项，设计高速公路约2000公里；承担了约占全国特长公路隧道数量10%的机电工程设计、咨询和科研工作，在中国交通发展史上创造了辉煌的业绩。

北京交科先后荣获全国“五一劳动奖状”1项，行业内科技进步类奖22项，优秀咨询类奖46项，优秀设计类奖49项，拥有实用新型和发明专利36项、软件著作22项。并连续多年在交通运输部公路设计全国综合信用评价中获得AA级；在2018年成功入选交通运输部首个信用“红名单”暨公路水运工程建设领域守信典型企业目录，且荣获“全国交通运输行业文明单位”荣誉称号。

港珠澳大桥管理局

港珠澳大桥管理局（Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Authority）是由香港特别行政区政府、广东省人民政府和澳门特别行政区政府共同创办的事业单位，主要承担港珠澳大桥主体部分的建设、运营、维护和管理的组织实施工作。

经过15年的筹备和建设，港珠澳大桥已于2018年10月建成通车。此前，港珠澳大桥管理局就对国内外类似项目开展了广泛的调研，认真分析了项目的营运特性，探索了大桥营运管理的模式及理念，并在实际工作中进一步提升和完善。

“为用户提供优质服务，运营世界级品牌，创造社会和经济价值”是港珠澳大桥的营运管理目标。港珠澳大桥管理局传承和发扬港珠澳大桥的建设精神，以“领先行业、健康发展”为原则，以“依托营运目标和营运理念，高标准开展营运工作，成为行业的领军者”为工作目标，不断提升运营服务质量。