正在施工的甬舟鐵路西堠門公鐵兩用大橋。
郭少山攝
東海之濱，舟山群島與浙江寧波隔海相望。連接兩岸、跨越天塹的甬舟鐵路建設(shè)如火如荼。
西堠門公鐵兩用大橋，甬舟鐵路的控制性工程，主跨達(dá)1488米，是世界上跨度最大的公鐵兩用跨海橋，也是世界跨度最大的斜拉—懸索協(xié)作體系橋梁。通過智能化、信息化、數(shù)字化手段提升施工質(zhì)量，工程穩(wěn)步推進(jìn)，高鐵“上島”即將在舟山群島實(shí)現(xiàn)。
探索新結(jié)構(gòu)
兼顧剛度與跨度，創(chuàng)造公鐵兩用橋跨度紀(jì)錄
西堠門公鐵兩用大橋，連接舟山群島的金塘島與冊(cè)子島，所處海域風(fēng)大、浪高、水深、流急，須同時(shí)滿足高鐵、汽車通行以及船舶通航要求。
“大橋處在進(jìn)出寧波舟山港的海上黃金通道，每天過往200多艘3萬噸級(jí)集裝箱輪和多種散貨輪，主跨必須超千米。”中鐵大橋院總工程師肖海珠說，再結(jié)合水下地形特點(diǎn)，主跨需達(dá)到1500米級(jí)。
主跨1500米級(jí)的公鐵兩用大橋，在中國(guó)橋梁建設(shè)史上從未有過。我國(guó)已建成的最大跨度公鐵兩用橋?yàn)闇K通長(zhǎng)江公鐵大橋，主跨為1092米；已合龍的最大跨度公鐵兩用橋?yàn)槌Ｌ╅L(zhǎng)江大橋，主跨為1208米。這兩座公鐵兩用橋，均采用斜拉橋體系。“對(duì)斜拉橋而言，跨度1200米級(jí)已到極限。”中鐵大橋局西堠門公鐵大橋總工程師王東輝說，隨著跨度加大，構(gòu)件規(guī)模、施工風(fēng)險(xiǎn)將呈幾何式增長(zhǎng)。
“目前，世界上的超大跨度橋梁普遍采用懸索橋體系。不過，大跨度懸索橋剛度較弱，難以滿足動(dòng)車組列車通行要求。”肖海珠告訴記者，為此，西堠門公鐵兩用大橋創(chuàng)新采用了斜拉—懸索協(xié)作體系。這種新的結(jié)構(gòu)體系，兼具斜拉橋剛度大、懸索橋跨越能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，相較于單一結(jié)構(gòu)橋型，在同等材料和工藝的情況下，更能保障施工安全、通行要求。
2017年，西堠門公鐵兩用大橋進(jìn)入可行性研究階段。經(jīng)初步論證，中鐵大橋院設(shè)計(jì)組提出了主跨1488米斜拉—懸索協(xié)作體系橋方案。“彼時(shí)，在我國(guó)即便是公路橋梁，都不曾有設(shè)計(jì)并建造過主跨超過300米斜拉—懸索協(xié)作體系橋的先例，但我們對(duì)方案底氣十足。”肖海珠說。
底氣源自10多年的研究積累。據(jù)介紹，中鐵大橋院2003年即啟動(dòng)斜拉—懸索協(xié)作體系研究，10余年探索，終于成功完成斜拉—懸索協(xié)作體系的基礎(chǔ)研究，摸清相關(guān)技術(shù)參數(shù)。隨后，設(shè)計(jì)組與業(yè)主方積極溝通，經(jīng)歷了幾十次研討會(huì)以及三次方案評(píng)審會(huì)后，終于贏得專家和建設(shè)單位的認(rèn)可。
解決了大跨度難題，西堠門公鐵兩用大橋還面臨大風(fēng)挑戰(zhàn)。
大橋所處的西堠門海峽寬度僅約2700米，較窄的海峽形成狹管效應(yīng)，再加上其處在沿海高風(fēng)速帶，每年6級(jí)及以上大風(fēng)天超過100天。而大風(fēng)，容易引發(fā)橋梁發(fā)生顫振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。相關(guān)測(cè)算顯示，西堠門公鐵兩用大橋須抵御的最大風(fēng)速應(yīng)達(dá)64米/秒，超過17級(jí)臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)力。
“為此，我們專門設(shè)計(jì)了三箱分離式鋼箱梁結(jié)構(gòu)，中間箱通行高鐵，兩側(cè)邊箱分幅通行公路。”肖海珠說，整個(gè)橋面形狀就像倒過來的機(jī)翼，箱與箱之間的鏤空幫助大橋獲得良好的氣動(dòng)外形。經(jīng)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證，即使風(fēng)速達(dá)到107米/秒時(shí)，主梁也不會(huì)出現(xiàn)顫振。
2022年10月31日，西堠門公鐵兩用大橋正式開工。目前，大橋主橋5號(hào)主墩、4號(hào)主墩已從海底拔地而起。
研發(fā)新裝備
主墩在海底巖層中“生根”，穩(wěn)穩(wěn)立于大海之上
建橋先要建基礎(chǔ)。支撐起跨海大橋的橋墩基礎(chǔ)，是大橋建造成功的“重中之重”，也是支撐橋梁跨越天塹的“定海神針”。
大橋冊(cè)子島側(cè)主墩（5號(hào)主墩），所處位置水深達(dá)60米，海下地形起伏不平，最大高差可達(dá)8米，基巖裸露且海床面傾斜。“大風(fēng)、急流、裸巖、深水，在這種條件下打樁難度極大。”中鐵大橋局西堠門公鐵大橋常務(wù)副經(jīng)理李永旗說。經(jīng)過多輪討論協(xié)商，中鐵大橋局與中鐵大橋院最終決定：由18根直徑6.3米的超大直徑鉆孔灌注樁來組成主墩樁基。
確定了施工方案，各類智能裝備相繼進(jìn)場(chǎng)——
首先登場(chǎng)的是自浮式鋼桁架鉆孔平臺(tái)。這是一個(gè)重7600噸、相當(dāng)于31個(gè)標(biāo)準(zhǔn)籃球場(chǎng)大小的施工平臺(tái)。為了將平臺(tái)運(yùn)至墩位處，施工單位出動(dòng)了5艘拖船。
再登場(chǎng)的是大型動(dòng)力頭鉆機(jī)。要想往海底巖石里打樁，離不開“金剛鉆”的助力。為此，中鐵大橋局聯(lián)合國(guó)內(nèi)廠家成功研制出了ZJD7000大型動(dòng)力頭鉆機(jī)。這臺(tái)“金剛鉆”不僅“力大無窮”，還“聰明伶俐”，配備先進(jìn)智能化、視頻監(jiān)控和遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，具有無線遙控操作、多點(diǎn)監(jiān)控、故障報(bào)警、遠(yuǎn)程故障診斷等功能。在一系列智能設(shè)備的加持下，大橋5號(hào)主墩18根6.3米鉆孔樁順利完成。
另一側(cè)，金塘島側(cè)主墩（4號(hào)主墩）則采用了截然不同的工藝——設(shè)置沉井基礎(chǔ)。
“這是世界首座嵌入式設(shè)置沉井基礎(chǔ)，此前從未有過先例。”中鐵四局項(xiàng)目部總工程師李勇海介紹，整個(gè)鋼沉井重達(dá)1萬噸，是個(gè)外徑達(dá)58米、內(nèi)徑36米、高37米的“大家伙”。目前，沉井已順利精準(zhǔn)沉放到位，正在緊張有序推進(jìn)沉井封底混凝土澆筑施工。
采用新技術(shù)
讓大橋施工“耳聰目明”，更好應(yīng)對(duì)天氣影響
風(fēng)速儀、波浪儀、海流計(jì)、潮位計(jì)、溫濕度儀……走進(jìn)大橋施工現(xiàn)場(chǎng)，一系列監(jiān)測(cè)設(shè)備琳瑯滿目，如同走進(jìn)了海邊氣象站。
這一切，都是為了摸清海洋氣候，盡量減少風(fēng)浪對(duì)精準(zhǔn)施工的影響。“風(fēng)浪沖擊會(huì)帶來施工誤差、安全風(fēng)險(xiǎn)。通過智能系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)、浪、潮、流等信息，可以提高對(duì)風(fēng)、雨、霧、氣溫的預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度和預(yù)報(bào)效率，以便我們及時(shí)針對(duì)惡劣天氣快速響應(yīng)。”中鐵大橋科學(xué)研究院技術(shù)員徐有良說。
目前，中鐵大橋局技術(shù)團(tuán)隊(duì)已研發(fā)出“復(fù)雜海洋環(huán)境下風(fēng)、浪、流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，可精準(zhǔn)預(yù)測(cè)未來7天風(fēng)速、潮位、水流速等氣象信息。
2022年，臺(tái)風(fēng)軒嵐諾和梅花經(jīng)過舟山區(qū)域，施工區(qū)域瞬時(shí)實(shí)測(cè)最大風(fēng)速34.75米/秒，最大浪高3.04米。“正是得益于這套系統(tǒng)，我們提前組織對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)、人員有序撤離，極大降低了損失。”徐有良說。
施工過程，既要“耳聰目明”，也要“心中有數(shù)”，數(shù)字孿生系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用。
例如，在自浮式鋼桁架鉆孔平臺(tái)的安全過程中，施工團(tuán)隊(duì)在平臺(tái)上裝配了傾角儀、北斗傳感器、錨索計(jì)等傳感器。這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶笈_(tái)，在電腦內(nèi)生成自浮式鋼桁架鉆孔平臺(tái)的“數(shù)字分身”。
“數(shù)字孿生系統(tǒng)真實(shí)模擬了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景，我們通過‘孿生體’反饋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和調(diào)索指令，對(duì)施工平臺(tái)進(jìn)行調(diào)控，指導(dǎo)平臺(tái)精準(zhǔn)定位。”中鐵大橋局橋科院總經(jīng)理王波說。
再比如，在5號(hào)主墩的混凝土澆筑過程中，施工團(tuán)隊(duì)利用三維激光掃描儀，獲取了鋼結(jié)構(gòu)件的“身材數(shù)據(jù)”，并進(jìn)行云端“彩排”。
“云端‘彩排’，不占用場(chǎng)地資源、省時(shí)省力，幫助我們及時(shí)了解拼裝過程可能出現(xiàn)的問題，及時(shí)對(duì)誤差、位置關(guān)系、碰撞等進(jìn)行調(diào)整，保證實(shí)際施工高效進(jìn)行。”中鐵大橋局橋科院總工程師彭旭民說。
鷗鷺眠沙，漁樵唱晚，蔚藍(lán)的海域養(yǎng)育了依海而居的人們，施工過程更需踐行綠色理念。
這一點(diǎn)，智能系統(tǒng)再次發(fā)揮重要作用。在整個(gè)大橋施工工地，PM2.5、PM10、風(fēng)速、溫度、噪聲等監(jiān)測(cè)設(shè)備隨時(shí)可見，實(shí)時(shí)采集環(huán)境參數(shù)。
“系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)超閾值指標(biāo)，便會(huì)自動(dòng)預(yù)警，拌和站噴淋降塵系統(tǒng)自動(dòng)開啟，砂石料倉(cāng)噴霧設(shè)施也會(huì)自動(dòng)噴霧降塵。”王波說。
放眼舟山群島，一座座橋梁連通島嶼。作為國(guó)家中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中的重大項(xiàng)目，甬舟鐵路建成通車后，將結(jié)束舟山群島不通鐵路的歷史，為“軌道上的長(zhǎng)三角”作出新貢獻(xiàn)。
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2024年09月25日 18 版）