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人民日报:产研结合,打造世界首座三塔四跨双层钢桁梁悬索桥

发布时间:2022-05-30来源:中交二航
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5月27日,由在鄂央企中交二航局参建的世界首座三塔四跨双层钢桁梁悬索桥——温州瓯江北口大桥(以下简称“北口大桥”)顺利通车,标志着我国沿海交通大动脉宁波至东莞国家高速公路实现全部贯通。

北口大桥工程全长7913米。其中跨越瓯江的主桥长2090米,采用“两桥合建”设计,上层为甬莞高速,双向六车道高速公路标准,设计时速100公里,下层为国道G228南金公路,双向六车道一级公路标准,设计时速80公里,大桥可提供每天10.7万辆车的通行能力。其中,中交二航局承建土建3标、4标段,负责包括南塔、南锚碇、南引桥以及主桥上部结构主缆、吊索、钢桁梁等施工内容。

考虑大桥位于瓯江入海口,受强台风、强潮涌、深厚软土影响以及受通航尺度大、航空限高严、周边环境等诸多因素制约,大桥创造性地在国内首次选择“三塔四跨”悬索桥、混凝土结构做中塔、淤泥土质中用沉井做基础的设计。

“作为施工方,我们坚持产研结合,形成强台风区三塔四跨悬索桥上部结构施工与控制成套技术、强潮河口陆域沉井施工成套技术等成果,克服了工期紧、安全风险高等难题,为后续同类型桥梁建设提供了经验借鉴。”中交二航局温州瓯江北口大桥项目负责人向自立表示。

淤泥层中压“秤砣”,打造世界级沉井

瓯江北口大桥南锚碇沉井是世界首次在强潮河口深厚软土地层中修建超大型沉井基础。锚碇是悬索桥的重要构成部分,沉井则是锚碇的基础形式之一,它深埋于地下,沉井之上坐落着锚体,锚体锚固着大桥主缆,承担整座大桥的荷载。

南锚碇沉井平面尺寸相当于10个标准篮球场大小。沉井使用混凝土约23万立方米,混凝土用量足以建造三座世界著名的上海深坑洲际酒店,沉井总重量达50万吨,相当于8艘大型航母重量之和。

这样的沉井尺寸,向自立职业生涯还是第一次遭遇。“40多米厚的淤泥层地质条件,如何让重量巨大的沉井在软如奶油的淤泥中‘稳得住’是第一个难题。”

他邀请到二航局技术中心专家团队,研究多种地基处理方式,开出了“国内最长36米砂桩置换的方式改变地质结构,增强地基承载力”的药方。

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由于沉井尺寸较大,相当于薄板容易因挠度过大而开裂,且地基承载力不均很易导致沉井倾斜。对此,项目团队第一次下沉创新性采用“十字拉槽加全断面小锅底开挖”工法,同时安装大量监控元器件,结合信息化手段,实时监控沉井姿态应力情况。

第二次下沉采用不排水下沉,遇到黏土淤泥层,就像“橡皮糖”,粘性大,附着性强。项目部大胆创新,自主研发了“水下快速取土装置”,设计灵感源自四旋翼无人机,通过安装四组铰刀,对土体切削形成块状土质,再通过空气吸泥泵吸出,有效解决了黏土淤泥层取土难题。

随着第三次下沉推进,“水下快速吸泥取土装置”显得力不从心。向自立团队开创性地将专用于桩基施工的大型钻机转用于沉井下沉取土,扛住了一切深水水压。项目部共投入22台钻机配合移动台车进行深水取土,并改进钻头改造,有效解决了取土难题。随着排泥管道源源不断吐出泥土,沉井顺利终沉到位,并且创下超大型沉井0裂缝的纪录。

2020年4月12日,沉井共分四次接高和三次下沉,历时两年下沉完成。沉井前后三次一共沉入地下61.5米,四角高差和平面偏位精准控制在设计误差范围内,创造了世界首例强潮河口深厚软土超大沉井建造的奇迹。

智能机器人为千米级主缆“梳头”

由于特殊的桥型,北口大桥的上部结构堪称世界级难题。

三塔或多塔悬索桥均须面临中塔处主缆抗滑移难题。近年来,国内设计修建了3座世界知名的大跨度三塔公路悬索桥:泰州公路大桥、马鞍山长江公路大桥和武汉鹦鹉洲长江大桥。它们的中塔索鞍为满足抗滑移要求,均采用钢塔或钢混结合塔,以降低中塔纵向刚度,通过中塔适当变形来适应主缆和塔顶索鞍抗滑移的安全系数要求。

温州瓯江北口大桥考虑所处海洋环境腐蚀性强等因素采用了混凝土结构中塔。由于混凝土塔刚度大,无法通过塔的变形来适应主缆和塔顶索鞍抗滑移要求。

二航局北口大桥项目总工郝聂冰认为:“在不改变桥梁主塔结构的情况下,我们必须通过新工艺、新设备来完成该项工作。”

瓯江北口大桥两根主缆中心水平间距41.8米,每根主缆由169根索股组成,长2300米,单根索股由127丝直径5.4毫米镀锌高强钢丝组成,重约54吨,钢丝抗拉极限强度为1860兆帕。每根主缆可吊起约1.5个“辽宁号”航母,两根主缆钢丝总长度加起来能够绕地球2圈!

“索鞍的作用是放置主缆索股,作为主缆转角的一个过渡受力点,均匀地把荷载传递到主塔上,北口大桥的三个主塔上均需设置。”郝聂冰表示。

要想固定住这样长度的索股,二航局设计制造了世界首个深槽索鞍,并放置在要求最高的中塔之上。“索鞍从外形上看,就像一把‘梳子’,其隔板之间的缝隙用来放置主缆索股。大桥的中塔索鞍,其隔板从普通索鞍的20至30厘米增加到了90厘米。这就是世界首个深槽索鞍!”项目团队通过充分利用竖向摩擦板,提高索鞍与索股间的摩擦力从而克服主缆滑移问题。

更大的深度,代表着更高的难度!“以前隔板20厘米,靠工人一锤一锤砸的常规方式已经淘汰!”郝聂冰认为:“采用人工砸入的方式,容易引起散丝、跳丝、鼓丝等情况,且无法准确、快速放入深度接近1米的索鞍竖向隔板内。”

面对90厘米的极限入鞍挑战,二航局探索智能工装技术,研发出国内首台智能化深槽入鞍机器人,采用液压顶杆作为机械手,将索股‘推’进索鞍,整个过程平稳可控,相比传统人工入鞍方式效率提升30%。

万吨钢梁悬江上,二航人直面悬空吊梁挑战

温州瓯江北口大桥主梁共有110榀钢桁梁组合而成,最大吊装节段重1200吨,全桥钢桁梁总重约7.7万吨。

北口大桥建设面临台风期主梁吊装、复杂地形情况下大吨位主梁吊装、工期特别紧张等难题。对于二航局北口大桥项目副经理张平来说,这次架梁难度不亚于登天:“温州地区台风高发期集中在7、8月,也正是钢桁梁吊装的时期,钢梁未合龙前,如何克服台风冲击带来的潜在威胁,这是我们面临的一大挑战!”

为了加快吊装进度,适应超大超重的主梁结构,二航局联合专业缆载吊机厂家研发1000吨缆载吊机,满足项目施工要求。吊机采用“分块组拼+缆上总成”的方案进行安装,其设计新颖,结构简单,同时具备大倾角荡移功能,是中交二航局自主研发的悬索桥安装设备,同时为目前行业内最先进的悬索桥主梁吊装装备。

“当开车经过大桥,深入云端的主缆在一段行驶距离后,会钻入桥面之下,大桥好像悬浮在空中一样!”张平表示,这也是瓯江北口大桥的另一大吊装难点,即大桥主缆会和主跨跨中位置的32榀主梁交错,形成“缆梁相交”区域。

“在上方无吊点支撑的地方,吊装百吨重的箱梁,是国内未曾尝试过的挑战!”张平表示。

中交二航局联合建设相关方在研发应用世界最大吊装能力的千吨级缆载吊机基础上,研发出国内最大分体式提升设备,提出采用“1000吨缆载吊机+1400吨分体式提升设备”接力吊装的创新方案,安装缆梁相交区梁段,有效提高主梁吊装效率精度,为今后国内同类型桥梁施工提供新的思路。“先用缆载吊机提,再用固定在主缆上的分体式提升设备抬。一前一后将近千吨重的钢梁‘举’到高空进行对接!”

同样的情况还出现在大桥南北岸主桥边跨和引桥相接处,各有2个端部无吊索钢桁梁段。“上方没有吊点,我们需要搭设50米高总重量约7000吨的临时支架,安装两端的钢桁梁!”张平认为:“施工时先将钢桁梁存放于支架旁,待吊装部分梁段满足受力要求后提升至活动支架并滑移至指定位置。”

主梁高12.5米,平移后会与临时支架结构的中间横梁起冲突。为了解决难题,二航局技术中心创造性地将支架的上层钢管和轨道部分变成了可拆卸结构,当钢梁需要提升时,钢护筒支架和上方的滑移轨道会像“变形金刚”的机械手臂一样,张开“怀抱”;等钢梁提升到位后,支架又会重新收缩,以“闭合”的形式,化身为钢梁存放平台。“开合式支架很好地解决了梁段提升限制的问题,也属于国内首次使用!”

2020年6月,中国公路建设行业协会的专家到二航局瓯江北口大桥项目考察技术创新成果时评价:“你们产研结合做得很不错,大桥施工中的技术创新成果已经达到国际领先水平!”(陈嘉伦、杜才良)

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